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Schadensdetektion in flächigen Stahlbauteilen mit Hilfe piezoangeregter Lamb-Wellen

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[Quelle: http://d-nb.info]

Die Überwachung von Bauwerken zur Sicherstellung ihrer Funktionstauglichkeit und vor allem ihrer Tragsicherheit gewinnt aufgrund des zunehmenden Durchschnittsalters der Bauwerke immer mehr an Bedeutung. Nutzungsänderungen, höhere und häufigere Belastungen leisten zusätzlich zum steigenden Bauwerksalter einen weiteren Beitrag zur Zustandsverschlechterung. Bei nicht ruhend beanspruchten Bauwerken, wie z. B. großen Tanks mit wechselnden Füllständen, ist hierbei besonders auf Ermüdungsrisse zu achten, da diese die Tragfähigkeit unmittelbar einschränken können. Klassische zerstörungsfreie Prüfverfahren und Überwachungsmethoden wie die visuelle Kontrolle des Bauwerks sind jedoch nicht überall gut und häufig gar nicht möglich. Deshalb befasst sich die Arbeit mit der Entwicklung und Anwendung eines Messsystems und -verfahrens, das in der Lage ist, die hinsichtlich Ermüdung kritischen Bauwerksbereiche automatisiert und kontinuierlich zu überwachen. Basis dieses Überwachungssystems sind kompakte piezokeramische Elemente, die mit elektrischen Signalen im Ultraschallbereich angeregt werden und durch ihre feste Applikation auf der Struktur bei flächigen Bauwerken die Ausbreitung von Plattenwellen, sogenannten Lamb-Wellen, initiieren. Identische Piezoelemente werden gleichzeitig zur Detektion dieser Wellenausbreitung eingesetzt. Die Arbeit beschäftigt sich mit den unterschiedlichen Phänomenen sowohl der verwendeten piezokeramischen Elemente als auch den komplexen Eigenarten der geführten Plattenwellen. Deren Verständnis sowie die Beherrschung der Wellenanregung und -messung sind die Grundlage für eine erfolgreiche Detektion und Lokalisierung struktureller Schäden. Einen Schwerpunkt der Arbeit stellt die Entwicklung leistungsfähiger Signalverarbeitungsalgorithmen dar. Die eigentliche Schadenserkennung und -ortung, basierend auf den weiterverarbeiteten Messsignalen der geführten Wellen, können auf unterschiedliche Weise erfolgen. In der Arbeit kommen vorwiegend aktive und passive Beamforming-Methoden zum Einsatz, die sich dadurch auszeichnen, von einem zentralen Ort aus die angrenzende Struktur zu überwachen. Gemessene und simulierte Ergebnisse dieser erfolgreichen Vorgehensweise zur Schadensdetektion selbst kleinster Schäden werden als leicht zu interpretierende zweidimensionale Schadensdarstellungen des untersuchten Bauteils präsentiert.

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Bücher, Broschüren

Stahlbau-Kalender 2019
Stahlbau-Kalender
Schwerpunkte: Verbindungen; Digitales Planen und Bauen
2019, X, 792 S., 741 SW-Abb., 209 Tabellen. 248 x 173 mm, Hardcover
Ernst & Sohn

 

 

Zentrale Themen des Stahlbau-Kalenders 2019 sind Verbindungen im Stahlbau sowie digitales Planen und Bauen. Verbindungen sind ein Innovationstreiber im Stahlbau. Die richtige Auswahl und Detailausbildung kann die Wirtschaftlichkeit von Stahlkonstruktionen erhöhen. Das Buch stellt anwendungsbereites Wissen mit zahlreichen Beispielen zur Verfügung. Auf die Methoden und Vorgehensweisen zur Bemessung und konstruktiven Durchbildung verschiedener Verbindungsarten wird in sechs Beiträgen ausführlich eingegangen. Die Verwendung vorgefertigter Zugstabsysteme bei filigranen Stahl-Glas-Konstruktionen für Fassaden, Dachtragwerke oder Fußgängerbrücken hat in den letzten Jahren zugenommen. Besonders wichtig für die Praxis sind z. B. die neuen Entwicklungen bei vorgespannten geschraubten Verbindungen. Auch Setzbolzen und Metallschrauben weisen eine breite Anwendungspalette im Stahlbau und Metallleichtbau auf. Gussknoten ermöglichen aufgrund der freien Formbarkeit den optimalen Einsatz von Hohlprofilen, auch bei geometrisch komplizierten Tragstrukturen. Mit tragenden Klebverbindungen werden neuartige Konstruktionen und Mischbauweisen im konstruktiven Ingenieurbau hervorgebracht. Damit einher geht das Erfordernis des werkstoffgerechten Konstruierens als Voraussetzung für dauerhafte und wirtschaftliche Tragwerke. Was digitales Planen und Bauen konkret für den Stahlbau und die Werkstattfertigung bedeutet, wird in drei praxisbezogenen Beiträgen dargestellt. Der Stahlbau-Kalender dokumentiert und kommentiert den aktuellen Stand des deutschen Stahlbauregelwerkes.

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Silke Haps, Alexandra Apfelbaum
Von "Stahlschachteln" und Bausystemen
Zum Umgang mit Stahlbauten zur Nachkriegszeit
2019, 192 S., 240 mm, Softcover
Verlag Kettler

 

 

Architektonische Experimentierfreude und eine neue, auch technische Aufbruchsstimmung führten ab den 1950er-Jahren zur Entstehung zahlreicher Stahlbauten und neuartiger Konstruktionssysteme. In der aktuellen Debatte um Erhalt, Schutz und Umnutzung des Nachkriegserbes vor allem im Ruhrgebiet nehmen diese Bauten, neben den weit verbreiteten Betonarchitekturen, eine besondere und bislang kaum beachtete Position ein. Das Buch ist der Versuch, eine breite öffentliche und fachliche Auseinandersetzung mit diesem Themenfeld anzuregen. Die Autoren informieren über architekturgeschichtliche Entwicklungen zum Stahlbau und zu Bausystemen der Nachkriegszeit, über besondere Bauten in NRW wie die Hoesch-Bungalows oder über die Entwicklung konstruktiver Systeme, in denen zahlreiche Bauten nach 1945 entstanden sind. Die Publikation versteht sich auch als Impulsgeber für ein Weiterdenken und einen Ausblick auf die Chancen und Potenziale für eine Nachhaltigkeit des Stahlbaus. So bündeln die ausgewählten Beiträge regionalgeschichtliches, bauhistorisches, baukonstruktives und denkmalpflegerisches Wissen mit dem Ziel, diese Nische der Nachkriegsarchitektur näher zu beleuchten, den häufig nicht nach außen in Erscheinung tretenden Stahlbau in einen breiteren Kontext zu stellen und die Diskussion über den Umgang mit diesen Bauten zu eröffnen.

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Roland Fuhrmann
Dresdens Tor zum Himmel - Die erste aerodynamisch geformte Luftschiffhalle und ihr Einfluss auf die Baugeschichte
2019, 536 S., Zahlreiche Abbildungen (Fotos, Grafiken, Schemata, Pläne) davon 180 in Farbe und 590 in Sc, Hardcover
Thelem Universitätsverlag

 

 

Das größte je umbaute Raumvolumen der Stadt Dresden ist aus dem Baugeschichtsbewusstsein verschwunden - zu Unrecht. Eingebettet in die Zeppelin-Luftschifffahrt, die Kultur- und Architekturgeschichte an der Schwelle zur Moderne und Streamline-Moderne rekonstruiert das erschienene Buch minutiös die spannungsreiche Baugeschichte der städtischen Dresdner Luftschiffhalle von 1913 - packend erzählt und illustriert mit bisher unveröffentlichtem Bildmaterial. Von diesem Pionierbau ausgehend entfaltet sich ein Panorama des Luftschiffhallenbaues in seinen vielfältigen Entwicklungssträngen und Verflechtungen, begleitet vom wachsenden Erkenntnisstand der Aerodynamik. Erst nach seinem Abbruch und Wissenstransfer in die USA mit bis heute bestehenden Folgeluftschiffhallen in Ohio, Kalifornien und North Carolina wird der stromlinienförmige Luftschiffhallentyp als solcher erkannt und Standard im Großluftschiffhallenbau. Dabei auf der Strecke geblieben ist der Schöpfer dieser neuen Bauform und Konstrukteur der Dresdner Luftschiffhalle, Zivilingenieur Ernst Meier in Berlin. Seine wechselvolle Lebensgeschichte wird hier erstmals vorgestellt und sein Schaffen gewürdigt.

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Stefan Rack
Formadaptive Tensegrity-Strukturen : ein Beitrag zur numerischen Simulation
Berichte zum Stahl- und Leichtbau, Band 10
Dissertationsschrift
2019, 286 S., graph. Darst. 240 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Obwohl Tensegrity-Strukturen seit ihrer Erfindung vor nahezu 70 Jahren eine ungebrochene Faszination auf Architekten und Ingenieure ausüben, begegnen wir diesen Strukturen in unserer gebauten Umwelt praktisch nie. Ein wesentlicher Grund hierfür liegt in der, im Vergleich zu konventionellen Tragsystemen, großen Nachgiebigkeit dieser Strukturen. Wird für eine Tragwerksaufgabe, für die eine konventionelle Struktur geeignet ist, alternativ eine Ausführung des Tragwerks als Tensegrity-Struktur untersucht, so stellt diese Eigenschaft zumeist einen ausschließenden Nachteil dar. Der erfolgreiche Einsatz von Tensegrity-Strukturen erfordert aus Sicht des Autors einen Perspektivwechsel - nicht trotz, sondern gerade wegen ihrer hohen Nachgiebigkeit bieten diese Strukturen Vorteile gegenüber konventionellen Tragsystemen. Großes Potential sieht der Autor in der Anwendung von Tensegrity-Strukturen zur Erzeugung formadaptiver Gebäudehüllen. In der vorliegenden Arbeit wird ein auf der Kraftdichtemethode basierendes, numerisches Verfahren zur Simulation des Formadaptionsprozesses von Tensegrity-Strukturen vorgestellt.

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Raban Siebers, Manfred Helmus, Alexander Malkwitz, Anica Meins-Becker
Baubetrieb im Stahlbau
Praxis
2018, 330 S., 170 x 240 mm, Softcover
Beuth

 

 

Mit Baubetrieb im Stahlbau liegt erstmalig ein umfassendes Standardwerk für die Bauausführung mit dem Baustoff Stahl vor. Der Beuth-Praxis-Band deckt alle relevanten Bereiche ab, die für das Managen von Stahlbauprojekten erforderlich sind, so z. B.: Stahl und seine Anwendungsgebiete; Ausschreibung, Vergabe, Abrechnung und Kalkulation; Bauvertrag; Verantwortung und Haftung; Ablauf- und Terminplanung; Arbeitsvorbereitung; Fertigung; Montage; Bauausführung und Baufertigstellung; Qualitätssicherung und -kontrolle; Nachtragsmanagement und Zahlungsminderung; IT im Stahlbau. Die Kapitel sind unabhängig voneinander konzipiert, so dass sie bei Interesse auch einzeln gelesen werden können. Verweise auf weiterführende Kapitel, Beispiele und anschauliche Grafiken und Bilder erleichtern das Verständnis der Inhalte und unterstützen den Praktiker bei der Problemlösung. Die praxisorientierte Darstellung aller wichtigen Fakten ist sowohl für den projektplanenden Ingenieur als für den Projektbeteiligten eine solide Grundlage und ein gutes Nachschlagewerk für das Bauen mit Stahl.

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Forschungsberichte

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Richard Stroetmann, Lars Sieber, Hans-Werner Viehrig, Mario Houska, Birgit Vetter, Veneta Schubert
Beurteilung der Sprödbruchgefährdung gelochter Stahltragwerke - Weiterentwicklung der Analysemethoden
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2972
2015, 133 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Beurteilung bestehender Stahlkonstruktionen interessiert neben der Tragsicherheit ebenso die Sprödbruchgefährdung. Die normativen Regelungen in DIN EN 1993-1-10 sind für gelochte Konstruktionen aus alten Baustählen nicht anwendbar. Zur sachgerechten Beurteilung der Sprödbruchneigung wird ein Verfahren zum Nachweis ausreichender Zähigkeit quasi-statisch beanspruchter gelochter Bauteile aus Flussstahl auf bruchmechanischer Basis entwickelt. Als eine Grundlage des Nachweisverfahrens wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm an Bauteilen aus bestehenden Stahltragwerken der Baujahre 1904 bis 1930 durchgeführt. Es wurden Werkstoffproben aus unterschiedlichen Bauwerken, verschiedenen Querschnittstypen und allen typischen Stahlherstellungsverfahren untersucht. Neben der Ermittlung der Werkstoffkennwerte im Zugversuch wurde vor allem die Werkstoffzähigkeit der Stähle analysiert.

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K. Geißler, I. Prokop, A. Bubner, R. Egner, S. Heyde, M. Kempkes, B. Kühn, J. Laumann, P. Lieberwirth, J. Naumes, J. Ruga, S. Schilling, H. Schmidt, T. Ummenhofer
Verbesserung der Praxistauglichkeit der Baunormen durch pränormative Arbeit - Teilantrag 3: Stahlbau. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2964
2015, 130 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der umfangreiche Eurocode 3 für den Stahlbau rief in der Ingenieur- und Baupraxis teilweise heftige Kritik hervor. Kritisiert wurde neben der großen Seitenzahl die unzureichende Übersichtlichkeit und Konsistenz und damit verbunden eine mangelhafte Anwenderfreundlichkeit. Ziel des Vorhabens war daher die pränormative Forschung für eine praxisgerechte Überarbeitung und Weiterentwicklung des Eurocode 3. Für das Forschungsvorhaben wurden von den 20 Teilen des Eurocodes 3 die sechs Teile ausgewählt und untersucht, die für die Ingenieure in Planung und Ausführung die größte Relevanz und den größten Verbesserungsbedarf haben. Dies sind der Teil 1-1 (Bemessungsregeln für den Hochbau - "Grundlagenteil"), Teil 1-8 (Anschlüsse), Teil 1-5 (Plattenförmige Bauteile), Teil 1-9 (Ermüdung), Teil 1-2 (Heißbemessung) und Teil 6 (Kranbahnen). Da die Ausführungsnorm DIN EN 1090 Teil 2 in engem Zusammenhang mit dem Eurocode 3 steht, wurde sie ebenfalls in Bezug auf die Praxistauglichkeit überprüft. Gemäß Forschungsantrag wurden zunächst ähnlich einer Anamnese die Schwachstellen und Überregulierungen des Eurocode 3 zusammengetragen. Danach wurde in einer Diagnose geprüft, inwieweit diese Defizite in der Praxis zu Problemen führen. Besonderes Augenmerk wurde daher auf die praktische Anwendbarkeit und auf Unstimmigkeiten in den Bemessungsvorschriften gelegt. Dies und Unklarheiten in der sprachlichen Formulierung der Norm wurden in separaten Synopsen aufgezeigt. Im nächsten Schritt wurden praxisgerechte Verbesserungen und Vereinfachungen der Norm im Sinne einer Therapie erarbeitet. Bedarfsweise wurden die Auswirkungen der Verbesserungsvorschläge an konkreten Bauteilen in Vergleichsberechnungen untersucht und mit den Bemessungsergebnissen der jetzt gültigen Fassung des Eurocode 3 verglichen. Die Therapie wurde je Eurocode in einem Abschnitt "Lösungsvorschläge" erläutert. Die Lösungsvorschläge münden in überarbeiteten und praxistauglichen Entwürfen von Normentexten für den Eurocode 3. Diese Normentwürfe liegen in einzelnen Teilberichten vo

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Gerhard Sedlacek
Ausarbeitung eines Entwurfs für den deutschen Nationalen Anhang zu EN 1993-1-1 und seiner wissenschaftlichen Begründung
Bauforschung, Band T 3239
2010, 19 S., 9 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Wie alle Eurocodes enthält die EN 1993 - Eurocode 3 - Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau - Öffnungen für nationale Festlegungen, die im Rahmen der Bearbeitung des deutschen Nationalen Anhangs zu EN 1993-1-1 getroffen wurden. Beide, EN 1993-1-1 und der deutsche nationale Anhang dazu, sind Kompromisse zwischen verschiedenen Auffassungen und Expertenmeinungen, die in den internationalen Arbeitsgruppen zu EN 1993-1-1 und in der DIN Arbeitsgruppe zum deutschen Nationalen Anhang gefunden wurden. Die Aufgaben für die Herstellung dieses Berichtes sind: 1. eine Sicherheitsüberprüfung der EN 1993-1-1 und des deutschen Nationalen Anhangs zur wissenschaftliche Begründung der gewählten Kompromisse und 2. eine Überprüfung, ob die im Rahmen der Kompromisse gefundenen Alternativen nicht eine unnötige Komplexität der Regelwerks erzeugt haben, die durch "einfachere" und sicherheitsmäßig mindestens gleichwertige Lösungen beseitigt werden könnte.

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Ulrike Kuhlmann, Benjamin Braun
Bestimmung der Sicherheitselemente für die Anwendung von DIN EN 1993-1-5 "Plattenförmige Bauteile". Teil 1. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 3234
2010, 29 S., 13 Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Schlussbericht zu diesem Forschungsvorhaben werden der Inhalt und der Hintergrund des deutschen Nationalen Anhangs zu DIN EN 1993-1-5:2006 erläutert. Neben den nationalen Festlegungen umfasst der Nationale Anhang eine Reihe von so genannten konfliktfreien nationalen Ergänzungen, die die zukünftige Bemessungspraxis erleichtern und das bisherige Sicherheitsniveau auch in der Zukunft sicherstellen sollen. Der vorliegende Teil 1 des Schlussberichts stellt Inhalte und Vorschläge zu allen nationalen Festlegungen und konfliktfreien nationalen Ergänzungen vor. Die Festlegungen und Ergänzungen werden dabei so begründet, dass sie auch als Vorlage für eine europäische Harmonisierung dienen können. Die Vorschläge werden im Detail begründet, dabei wird in Teil II zu einigen einzelnen nationalen Festlegungen gesondert Stellung genommen.

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H. Pasternak, A. Marosi
Tragverhalten von Hallen mit Flanschstreben
Bauforschung, Band T 3206
2009, 71 S., 69 Abb., 26 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In der Studie werden drei Modelle von Stahlrahmen mit unterschiedlicher Spannweite (18-56 m) entwickelt, um das Biegedrillknicken bei Flanschstreben mit Finiten Elementen zu simulieren. Die Modelle umfassen lmperfektionen sowie geometrische und physikalische Nichtlinearität. Der Weg der Modellierung machte Änderung der Rahmendetails möglich, so dass mehr Parameter untersucht werden konnten. Analysiert werden: - die Schwachstelle "nachgiebige" Drehlagerung, - die Möglichkeit der konstruktiven Umsetzung "unendlicher" Drehsteifigkeit an den Lagerpunkten, - Abgrenzung des "normgerechten" Zustandes, - Hinweise zur rechnerischen Abbildung nachgiebiger Drehlagerungen, - die Notwendigkeit eines weiteren Forschungsbedarfes. Zunächst wird das numerische Modell der Struktur vorgestellt. Dazu werden zwei unterschiedliche Modelle analysiert: ein vereinfachtes Federmodell und ein Model mit Pfetten. Es stellte sich heraus, dass manche Imperfektionen vernachlässigbar waren, während andere entscheidend sind. Um akkurate Ergebnisse zu erhalten, wurde die Elementgröße (FE-Modellierung) variiert. Die durchgeführten Berechnungen zeigen, dass Flanschstreben In der Lage sind, Hallenrahmen auch bei ungünstigen Imperfektionen gegen seitliches Ausweichen zu sichern. Die Tragreserven sind allerdings teilweise außerordentlich gering.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Das, Rajarshi; Henriques, Jose Alexandre G.; Degee, Herve
Laser-cut I-beam-to-CHS column moment-resisting steel joints
Steel Construction, 2020

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Sonnenstrahl auf Glas und Stahl. Cortes Metalurgicos Oviedo, Valladolid (E)
Steeldoc, 2020

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Wilde, Elmar; Schäfers, Matthias; Braun, Norman
Wehranlage Viereth: Vorteile einer durchgängigen Bearbeitung mit der BIM-Methode im komplexen Stahlwasserbau
Stahlbau, 2020

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Nascimento, Sergio Marcelo de Deus; Oliveira Pedro, Jose J.; Biscaya Semedo Pereira da Graca, Andre Filipe
Web buckling of high-strength steel plate girders induced by bending curvature
Steel Construction, 2020

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Reminiszenz der Industrie- und Baugeschichte
Steeldoc, 2020

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