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Integrated hydrogeological and geochemical processes in swelling clay-sulfate rocks

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[Quelle: http://d-nb.info]

Quellende Ton-Sulfatgesteine führen immer wieder zu unvorhergesehenen Problemen im Tunnelbau oder bei oberflächennahen Geothermiebohrungen und machen dort langwierige Sanierungsmaßnahmen erforderlich. Die Prozesse, die dem Quellen zugrunde liegen, sind komplex. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass der Quellvorgang hauptsächlich auf die Umwandlung von Anhydrit zu Gips zurückzuführen ist. Auslöser ist in der Regel eine Änderung der hydraulischen Bedingungen, gefolgt von einem Wasserzutritt in die quellfähigen Gesteinsschichten, was wiederum die vorherrschenden geochemischen Bedingungen verändert. In der Folge kommt es zu einer Zunahme des Gesteinsvolumens im Untergrund. Dies führte in der süddeutschen Stadt Staufen, dem Untersuchungsstandort dieser Arbeit, zu großräumigen Hebungen an der Geländeoberfläche und, damit verbunden, zu großen Schäden an Häusern und Infrastruktur. Gerade diese hydrogeologischen und geochemischen Prozesse, sowie der Einfluss menschlicher Aktivitäten (z.B. Geothermiebohrungen), lassen sich jedoch nur sehr schwer nachvollziehen oder gar vorhersagen, da die genauen Zusammenhänge bisher unzureichend erforscht sind. Im ersten Teil dieser Arbeit wird zunächst ein 3D geologisches Modell entwickelt, um die komplexen geologischen Verhältnisse im Untersuchungsgebiet zu rekonstruieren. Dieses Modell stellt die geometrische Grundlage für die im weiteren Verlauf durchgeführten numerischen Untersuchungen der hydrogeologischen und geochemischen Prozesse des Quellphänomens dar. In diesem Zusammenhang wird außerdem eine Unsicherheitenanalyse der 3D geologischen Modellierung basierend auf der Theorie der Informationsentropie durchgeführt. Die Analyse veranschaulicht wie sich verschiedene geologische Erkundungsdaten unterschiedlich auf die vorhandenen Modellunsicherheiten und die Modellgeometrie auswirken. Der erstmals auf ein komplexes Standortmodell angewendete Ansatz ermöglicht dabei eine detaillierte, Voxel-basierte Visualisierung und Quantifizierung der Unterschiede und Änderungen der Unsicherheit zwischen mehreren Modellinterpretationen. Zusätzlich können mit Hilfe der verwendeten Jaccard- und der City-block-Distanzen Unähnlichkeiten zwischen den Modellen direkt identifiziert werden. Damit ermöglicht die Methodik unter anderem eine effizientere Durchführung von geologischen Erkundungskampagnen und bietet außerdem eine fundierte Grundlage für Kosten-Nutzen-Analysen. Für die komplexen geologischen Verhältnisse des Untersuchungsstandorts Staufen zeigt sich, dass mit zunehmender Datendichte mehr geologische Strukturen identifiziert werden, gleichzeitig aber auch vermehrt lokal hohe strukturelle Unsicherheiten auftreten. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuartiger Modellansatz entwickelt und numerisch als radialsymmetrisches, reaktives Transportmodell umgesetzt. Das Model kann genutzt werden, um den Quellprozess abzubilden und berücksichtigt folgende Einflüsse: 1. die veränderten hydraulischen Randbedingungen auf Grund menschlicher Aktivitäten (Geothermiebohrungen), 2. die Wasserverfügbarkeit in der Quellzone, und 3. die Geochemie. Dazu wird die Quellhebung an der Geländeoberfläche in Abhängigkeit der geochemischen Umwandlung von Anhydrit in Gips und einer daraus abgeleiteten Volumenzunahme im Untergrund simuliert und quantifiziert. Der Modellansatz trennt dabei zwischen advektivem Stofftransport entlang von Klüften im Gestein und der Umwandlung von Anhydrit zu Gips in der Gesteinsmatrix. Um den beiden Wirkungsbereichen (Domänen) spezifische Porositäten zuordnen zu können, wird ein Zwei-Domänen Modellierungsansatz ("dual domain approach") verwendet, der diese gleichzeitig über eine Transferrate für den diffusiven Wassertransport koppelt. Mit diesem Modellansatz können prozessspezifische hydraulische, geochemische und mechanische Modellparameter basierend auf geodätischen Hebungsdaten in einer inversen Modellierung abgeschätzt werden. Die hierbei ermittelten Reaktionskonstanten für Anhydritlösung und Gipsfällung sind vergleichbar mit Literaturwerten aus Laborversuchen. Es zeigt sich jedoch, dass der diffuse Stofftransport in die Gesteinsmatrix wesentlich die Geschwindigkeit des Quellprozesses beeinflusst, was insbesondere bei niedrigen Gesteinsporositäten (z. B. kompakte Anhydritlagen) ein limitierender Faktor sein kann. Insgesamt ist das Modell in der Lage, den am Untersuchungsstandort beobachteten Hebungsverlauf abzubilden. Im dritten Teil der Arbeit wird das zuvor entwickelte Quellhebungsmodell auf die komplexe geologische Situation am Untersuchungsstandort Staufen angewendet. Dadurch können, im Vergleich zum radialsymmetrischen Ansatz, sowohl lokale Grundwasserströmungen, als auch die örtlichen geologischen Gegebenheiten explizit und umfassend bei der Simulation des Quellprozesses berücksichtigt werden. Das Modell kann genutzt werden, um eine Prognose über die weitere Entwicklung der Hebungsprozesse in Abhängigkeit der Sanierungsmaßnahmen vorzunehmen und bietet damit die wissenschaftliche Grundlage für eine Bewertung verschiedener Strategien, um den Quellprozess zu stoppen. Die Methode ermöglicht eine Bilanzierung der Wasserzuflüsse in die Quellzone, sowie eine Abschätzung des zukünftige Quellpotentials für individuelle Sanierungsszenarien. Für den Untersuchungsstandort Staufen zeigen die Ergebnisse, dass auch bei einer unvollständigen, nachträglichen Abdichtung der Erdwärmesonden der Wasserfluss in die Quellzone und damit der Quellprozess durch entsprechende hydraulische Gegenmaßnahmen gestoppt werden kann. Außerdem wird ersichtlich, dass umfassende geologische, hydraulische und geochemische Informationen für eine stichhaltige Simulation der Quellprozesse und eine Beurteilung geeigneter standortspezifischer Sanierungsmaßnahmen erforderlich sind.

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Bücher, Broschüren

Taschenbuch für den Tunnelbau 2020
Taschenbuch für den Tunnelbau
44., Aufl.
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Ernst & Sohn

 

 

Das Taschenbuch für den Tunnelbau ist seit vielen Jahren ein praxisorientierter Ratgeber für Auftraggeber, Planer und Bauausführende. Es greift aktuelle Entwicklungen und Problemstellungen auf, präsentiert innovative Lösungen und dokumentiert dabei den jeweils erreichten Stand der Technik. Die Beiträge in der Ausgabe 2020 behandeln die Themenbereiche Geotechnische Untersuchungen, Konventioneller bergmännischer Tunnelbau, Digitalisierung im Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Forschung und Entwicklung, Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte sowie Praxisbeispiele.

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Empfehlungen zu Dichtungssystemen im Tunnelbau EAG-EDT
2., Aufl.
2018, 236 S., 40 SW-Abb., 12 Farbabb., 33 Tabellen. 210 mm, Hardcover
Ernst & Sohn

 

 

Die Empfehlungen dokumentieren den Stand der Technik in der Bemessung, Auswahl, Anwendung und Prüfung von Geokunststoffen im Tunnelbau und sind vom Arbeitskreis AK 5.1 "Kunststoffe in der Geotechnik und im Wasserbau" der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT) erstellt worden. Das Buch behandelt Dichtungssysteme mit Kunststoffdichtungsbahnen für Tunnel in geschlossener und offener Bauweise sowie für sonstige unterirdische Bauwerke und dient als Leitfaden für Bauherren, Planer und Ausführende. Entwicklungen in relevanten Regelwerken und Normen, Projekterfahrungen sowie Weiterentwicklungen und anwendungsbezogene Forschungserkenntnisse seit Erscheinen der ersten Auflage im Jahr 2005 wurden in diese 2. Auflage der "Empfehlungen zu Dichtungssystemen im Tunnelbau EAG-EDT" eingearbeitet. Fallbeispiele ergänzen die Ausführungen.

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Bernhard Maidl
Faszination Tunnelbau
Geschichte und Geschichten - ein Sachbuch
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Der Tunnelbau ist eine der interessantesten, aber auch schwierigsten Ingenieurdisziplinen. Er vereinigt Theorie und Praxis zu einer eigenen interdisziplinären Ingenieurbaukunst. Das Buch zeigt die fortlaufende Entwicklung der Vortriebsmethoden und der dazu benötigten Geräte seit Mitte des 19. Jahrhunderts auf und geht dabei auch auf die aus dem Bergbau übernommenen Erkenntnisse ein. Tunnelprojekte faszinieren die Menschheit seit jeher. Die gefahrvolle Arbeit der Mineure wird respektvoll anerkannt und die eingesetzte Maschinentechnik bewundert. Der Tunnelbau wird auch immer wieder in der darstellenden Kunst behandelt. Das Buch befasst sich daher nicht nur mit der Technik, sondern bereitet auch die Themenbereiche Religion, Kunst, Film, Literatur und Kultur im und für den Tunnelbau auf.

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Sara Zingg
Static effects and aspects of feasibility and sesign of drainages in tunnelling
Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik (IGT) der ETH Zürich, Band 249
2017, XVI, 212 S., zahlr. Abb., farbig. 29.7 cm, Softcover
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In dieser Arbeit wird die Auswirkung von Drainagemassnahmen auf zwei typische Problemstellungen im Tunnelbau durch wasserführendes, gebräches Gebirge untersucht: einerseits auf die Stabilität der Ortsbrust, andererseits auf Stabilität und Verformung eines Injektionskörpers. Die ungünstige Wirkung von Wasser auf Stabilität und Verformung von Tunnelbauten hat ihre Ursache zum einen im Porenwasserdruck und zum andern in den Strömungskräften, die infolge zum Tunnel hin gerichteter Sickerströmung entstehen. Drainagebohrungen reduzieren sowohl den Porenwasser-druck, als auch die Strömungskräfte rund um den Hohlraum. Zudem erhöht der Porenwasser-druckabbau die effektiven Spannungen und somit die Scherfestigkeit des Baugrundes (?Konsolidation?), was sich günstig auf die Verformungen während und nach dem Tunnelbau auswirkt. Die Zielsetzung der Arbeit ist es, ein umfassendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Drainagemassnahmen und der Ortsbruststabilität sowie der Stabilität von Injektionskörpern zu erarbeiten. Die Hauptziele der Untersuchung rund um die Ortsbrust sind: (i) die Beurteilung der Ortsbruststabilität mittels Grenzgleichgewichtsmodell, welches die sich infolge Drainage einstellende, numerisch ermittelte Sickerströmung berücksichtigt; (ii) die systematische Untersuchung der Ortbruststabilität für verschiedene, praxisnahe Drainageanordnungen inklusive der Ausarbeitung von Dimensionierungs-Nomogrammen; (iii) die Berücksichtigung einer Reihe von Aspekten, die den Porenwasserdruckabbau somit die Wirksamkeit von Drainagemassnahmen limitieren. Die Hauptziele der Untersuchung rund um den Injektionskörper sind: (i) das Studium der stabilisierenden Wirkung der theoretischen, vollständigen Drainage auf Ausbauwiderstand und Plastifizierung eines Injektionskörpers im ebenen Verformungszustand; (ii) der Vergleich mit dem stabilisierenden Effekt von praxisnahen Drainageanordnungen, d.h. unter Berücksichtigung des Porenwasserdruckabbaus infolge ausgewählter Bohrschemata; jeweils, (iii), für Drainagebohrungen vor und nach

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Taschenbuch für den Tunnelbau 2018
Taschenbuch für den Tunnelbau
2017, XVI, 336 S., 131 SW-Abb., 21 Tabellen. 154 mm, Hardcover
Ernst & Sohn

 

 

Das Taschenbuch für den Tunnelbau ist seit vielen Jahren ein praxisorientierter Ratgeber für Auftraggeber, Planer und Bauausführende. Es greift aktuelle Entwicklungen und Problemstellungen auf, präsentiert innovative Lösungen und dokumentiert dabei den jeweils erreichten Stand der Technik. Die Beiträge in der Ausgabe 2018 behandeln die Themenbereiche Konventioneller bergmännischer Tunnelbau, maschineller Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Baustoffe und Bauteile, Instandsetzung und Nachrüstung, Forschung und Entwicklung sowie Vertragswesen, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz. Ein Einkaufsführer zum Thema Tunnelbaubedarf rundet das Buch ab. Konventioneller bergmännischer Tunnelbau: I Tunnel nach Bad Cannstatt des Groß-Projekts Stuttgart-Ulm - Senkungen und Setzungen im Stadtgebiet von Stuttgart, Prognosen und Messergebnisse. Maschinen und Geräte: I Supersize TBM - Designaspekte bei sehr großen Tunnelbohrmaschinen: II Tunnelbohrmaschinen (TBM) unter hohen Wasserdrücken im Fels. Baustoffe und Bauteile: I Praxisrelevante Korrelationen der Ausgangsstoffe und der Zusammensetzung auf die Eigenschaften von einkomponentigen Ringspaltmörteln. II Berechnungsvarianten für Tübbingtunnel im Bau- und Endzustand. Instandsetzung und Nachrüstung: I Tunnel Pfaffenstein, neue Konzepte für einen alten Tunnel. II A 96 Lindau-München, Tunnel Eching und Etterschlag - Erhaltungsmaßnahmen und Konzept zur Betoninstandsetzung im Zuge der Tunnelnachrüstungen nach den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT). Forschung und Entwicklung: I BIM Einsatz am Albvorlandtunnel - Erfahrungen und Umgang mit digitalen Prozessen bei Planung und Bau Vertragswesen, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz: I Leitfaden für die Behandlung von Zeitgebundenen Kosten (ZGK) im Tunnelbau. II Innerstädtischer Tunnelbau im hydrogeologischen und gesellschaftlichen Kontext

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
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Anmeldung zum Informationsdienst Bauforschung aktuell

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M. L. Ruiz Ripoll, A. Stolz
Verbundprojekt "Schutz kritischer Brücken und Tunnel" (SKRIBT Plus) - Teilvorhaben: Bewertung terroristischer Bedrohungen. Abschlussbericht
Bauforschung Fraunhofer EMI, Band 4
2015, 51 S., Abb., Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen des Projekts SKRIBTPlus wurden Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen mit einem "all-hazard"-Ansatz bewertet. Aufgabe des Fraunhofer EMI war es, terroristische Bedrohungen zu bewerten. Im Rahmen der Untersuchungen konnte vom Fraunhofer EMI der Einfluss der statischen Vorlast auf die Schädigung infolge einer Explosion für Nah- und Fernfeldereignisse ausgearbeitet werden. Zudem wurde für Tunnel ein Bewertungsmodell hergeleitet, welches es erlaubt, die Auswirkungen auf die Tunnelstruktur unter Berücksichtigung der Bodenbettung zu erfassen. Diese Information stellen essentielle Eingangsparameter zur Durchführung einer weitergehenden Risikoanalyse dar.

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Oliver Millon, Frank Schäfer, Alexander Stolz, Caroline Kranzer, Christian Brenneis, W. Riedel
Automatisierte Informationsgewinnung und Schutz kritischer Infrastruktur im Katastrophenfall (AISIS). Abschlussbericht
Bauforschung Fraunhofer EMI, Band 2
2013, 71 S., 50 Abb., 5 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Sicherheit unserer Verkehrswege ist für unsere Gesellschaft von existenzieller Bedeutung. Deshalb beschäftigt sich die noch junge Disziplin der "Sicherheitsforschung" mit unserer Verkehrsinfrastruktur. Bereits in der Planungsphase identifiziert sie potenzielle Gefährdungen und entwickelt Konzepte, wie Bauwerke von kritischen Infrastrukturen bestmöglich geschützt werden können. Im Forschungsprojekt "Automatisiere Informationsgewinnung und Schutz kritischer Infrastrukturen im Katastrophenfall" geht es um die Entwicklung solcher Schutzkonzepte. Das Projekt wurde vom BMBF gefördert und ist Teil der Initiative "Forschung für die zivile Sicherheit" der Bundesregierung. Am Beispiel innerstädtischer Tunnelbauwerke wird ein Lösungsansatz beschrieben, wie der Schutz vor Gefahren durch Naturkatastrophen, Unfälle, Sabotage oder terroristische Anschläge mit Sprengstoffen verbessert werden kann: Ein in die Tunnelelemente integriertes, energieautarkes Funksensornetzwerk meldet bei einem Ereignis sofort an ein Sicherheitsleitsystem, wie stark und an welcher Stelle im Tunnel eine Schädigung eingetreten ist. Die Information über die Intensität der Belastung lässt Rückschlüsse auf das Schadensausmaß zu. Rettungskräfte wissen so, wo im Tunnel sie sichere Rettungsmaßnahmen durchführen können. Eine weitere Schutzmöglichkeit ist die Verbesserung des Baumaterials: Ein faserbewehrter Ultra-Hochleistungsbeton mit hoher Duktilität und verbessertem Hochtemperaturverhalten wurde entwickelt, der auch bei großen Belastungsereignissen mehr Sicherheit bietet. Darüber hinaus ist ein neuartiges Kopplungssystem für Tunnelelemente entwickelt und unter hoher dynamischer Druckeinwirkung getestet worden. Dieses verbindet die Tunnelelemente und verhindert bei Druckstoßbeanspruchungen im Tunnel ein radiales Auseinanderdriften der Elemente. Die Untersuchungen im Rahmen des Projekts gingen bis zur Betrachtung der Wechselwirkung zwischen der Bauwerksstruktur und dem umgebenden Erdreich. Hier wird untersucht, wie sich die Bettung unter dynamischer Belas

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B. Maidl, A. Nitschke, M. Ortu
Bemessung von Stahlfaserbeton im Tunnelbau. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 2885
1999, 172 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Es wurde das Tragverhalten von Stahlfaserbeton anhand eines umfangreichen Versuchsprogrammes untersucht. Dieses Versuchsprogramm umfaßte Prüfungen unter zentrischem Druck, Kombinationen aus Biegung und Druck sowie reiner Biegung. Den Schwerpunkt bildeten hierbei die Versuche mit einer kombinierten Momenten- und Normalkraftbeanspruchung. Insgesamt wurden drei unterschiedliche Fasertypen mit jeweils zwei Fasergehalten und sonst identischer Betonrezeptur untersucht. Als Ergebnis des Forschungsvorhabens wird ein geschlossenes Konzept zur Bemessung von Stahlfaserbeton im Tunnelbau vorgestellt. Diese Konzept umfaßt die Auswertung von Versuchen, die eindeutige Festlegung des Berechnungsmodells, die Definition von rechnerischen Grenzzuständen und die Bereitstellung einfacher Bemessungsdiagramme. Das modifizierte Konzept stellt gegenüber dem Konzept des Merkblatts des Deutschen Betonvereins eine Verbesserung hinsichtlich einer wirklichkeitsnäheren Erfassung und Abbildung des Tragverhaltens von Stahlfaserbeton und einer einfacheren Handhabung dar. Nach Meinung der Verfasser ist das modifizierte Konzept als Grundlage und Bestandteil für eine weitgehende Normung von Stahlfaserbeton geeignet.

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Stefan Kielbassa
Spannungsumlagerungen an der Ortsbrust und Beanspruchung des Tunnelbaus
1989, 214 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Arbeit untersucht die Spannungs- und Verformungszustände von Ortsbrust und Tunnelausbau während des Auffahrens beim bergmännischen Tunnelvortrieb. Zur rechnerischen Erfassung der Spannungsumlagerungen im Gebirge wurde ein Berechnungsmodell auf der Grundlage der Methode der Finiten Elemente entwickelt, das das komplexe dreidimensionale Geschehen im Bereich der Ortsbrust bei beliebiger Geometrie des Vortriebs erfassen kann. Das Ausmaß der Gebirgsentspannung läßt sich durch eine Aufteilung primären Gebirgbsdrucks in einen vorentspannenden, d.h. den Gebirgstragring in Anspruch nehmenden, und einen wirksamen, d.h. den Tunnelausbau beanspruchenden Anteil beschreiben. Für die Anwendung in der Praxis werden Diagramme zur Verfügung gestellt, die die Zusammenhänge derart aufbereitet darstellen, daß die Vorentspannung des Gebirges in einem ebenen Berechnungsmodell berücksichtigt werden kann. Die Handhabung der Diagramme wird an einem Beispiel aufgezeigt. Spannungen und Verformungen beim bergmännischen Tunnelvortrieb lassen sich damit realitätsnäher als mit herkömmlichen Scheibenmodellen berechnen. Die Beanspruchungen des Ausbaus werden bei gleichzeitigem Anwachsen der Verformungen erheblich kleiner, was durch dreidimensionale Berechnungsmodelle und Bauwerksmessungen bestätigt wird. (-y-)

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R. Springenschmid, R. Breitenbuecher
Forschungsvorhaben Tunnelbeton
Bauforschung, Band T 2000
1986, 36 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die in verformungsbehinderten Bauteilen im jungen Alter zur Rissbildung fuehrenden Zwangsspannungen koennen durch betontechnologische Massnahmen wesentlich beeinflusst werden. In umfangreichen Untersuchungen wurden am Baustoffinstitut der TU Muenchen die hydratationswaermebedingten Zwangsspannungen und die Reissneigung verschiedener Betone fuer rd. 40 cm dicke Bauteile ermittelt. Als Beurteilungskriterium fuer die Reissneigung wurde die Risstemperatur verwendet. Die Risstemperatur gibt jedoch nur die Tendenz der Reissneigung an. Eine Uebertragung der absoluten Risstemperatur in die Praxis ist nicht moeglich, u.a. weil dort meist mehrere Einfluesse auftreten (z.B. Abfliessen der Hydratationswaerme, Rueckgang der Lufttemperaturen, Schwinden, anderer Abmessungen des Bauteils). Durch die Auswahl entsprechend guenstiger Ausgangsstoffe und durch eine Optimierung der Betonzusammensetzung kann die Gefahr der Rissbildung in Betonbauteilen mittlerer Dicke deutlich vermindert werden. Dies hat sich auch in der Praxis bei Tunnelinnenschalen im Suedabschnitt der DB-Neubaustrecke Hannover-Wuerzburg bestaetigt. Stehen guenstige Ausgangsstoffe (z.B. Zuschlaege) aus wirtschaftlichen Gruenden nicht zur Verfuegung, ist beim Betoneinbau besonders auf eine niedrige Frischebetontemperatur zu achten. (-y-)

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Zeitschriftenartikel

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Mobilität trifft Architektur. Brixen, Südtirol (kostenlos)
Zement Beton, 2020

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Seitz, Peter
Von Meer zu Meer, von See zu See
Tec 21, 2020

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Rieche, Gregor; Schaad, Roger
BIM für den Bergünersteintunnel
Tec 21, 2020

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Seitz, Peter
Aus der Mitte gen Norden und Süden
Tec 21, 2020

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Speck, Georg
Der Fernbahntunnel Frankfurt a. M. in der Typologie der Verbindungsbahnen
ETR Eisenbahntechnische Rundschau, 2019

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