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Simulation concepts for concrete structures with discrete and smeared representation of reinforcement

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[Quelle: http://publications.rwth-aachen.de]

Im letzten Jahrzehnt wurden leichte und tragfähige Strukturen aus zement-basierten Kompositwerkstoffen, die formoptimierte Geometrien und hohe Tragfähigkeiten besitzen, entwickelt und hergestellt. Als Beispiel wurden an der RWTH Aachen nachhaltige Schalentragwerke mit Textilbewehrung konstruiert. Für die realistische Abbildung des Tragverhaltens solcher Tragwerke ist die Entwicklung einer effizienten Modellierung und Bemessungsmethodik benötigt. Die Dissertation zielt auf eine Entwicklung von Modellierungssätzen für die Simulation der Stahl- und Textilbewehrten Betontragwerken ab. Der angewandte Modellierungsansatz besteht aus drei übergeordneten Teilen: (i) Formulierung und Implementierung eines anisotropen schädigungsbasierten Materialmodels mit verschmiertem Rissansatz; (ii) Ermittlung von versagensbasierten Materialparametern unter Benutzung von standardisierten Laborversuchen und Kalibrierungsverfahren; (iii) Validierung des Materialmodels mit Hilfe von Prognosen des Tragverhalten auf Material- und Bauteilebene. Für eine gültige Beschreibung des Verhaltens zwischen Beton und Bewehrung wurden zwei generelle Vorgehensweisen benutzt: (i) Diskrete Darstellung von Stahl- und Textilbewehrten Bauteilen mit der Interaktion des Betons als starrem oder gleitendem Verbund; (ii) Verschmierte Darstellung für fein verteilte Bewehrung wie z.B. kurze Stahlfasern und mehrlagige Textilbewehrung. Der Modellierungsansatz wurde in einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) entwickelt, mit dem Ziel, das Tragverhalten von mit stahlbewehrten Betonbauteilen und mit textilbewehrten Betonschalen zu beschreiben. Die Anwendbarkeit und Validierung des entwickelten Materialmodells in Bezug auf den Rissfortschritt in Beton wurde unter Benutzung von Finite-Elemente Simulationen mit Benchmark-Tests, Laborversuchen und Großversuchen erörtert. Bruchmechanismen wurden unter Zug-, Schub- und kombinierte Schub-Zug Beanspruchung untersucht. Versagensarten wurden für Schalenquerschnitte, die unter kombinierter Zug-Biege-Beanspruchung standen, differenziert und abgebildet, sodass Versagenskriterien auf der Ebene des Querschnittes für die Spannungsresultierenden charakterisiert werden konnten. Für Modelle mit diskret verteilter Bewehrung wurde der Einfluss der Verbundmodellierung in Bezug auf die Abbildung der Schubrisse untersucht. Die Leistungsfähigkeit des Materialmodells für eine realistische Abbildung des Tragverhaltens wurde geprüft und ausgewertet. Das nichtlineare Strukturverhalten von Bauteilen, die eine Spannungsumlagerung aus der Rissbildung in der Matrix zulassen, wurde unter Benutzung der Simulationen von Biegeversuchen und Plattenversuche abgebildet. Es wird gezeigt, dass das Materialmodell eine effiziente und genaue Abbildung der Rissentwicklung und Prognose der Tragfähigkeit ermöglicht. Numerische Simulationen der Großversuche aus textilbewehrten Betonschalen vermittelt ein tieferes Verständnis in das Strukturverhalten des Materials. Weiter Einflüsse, wie der Einfluss von großen Verformungen, anfängliche und Schädigungsinduzierte Anisotropie des Materials, und der kombinierte Einfluss des nichtlinearen Rissverhaltens und von geometrischen Imperfektionen, wurden erfasst.

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Stahlbeton ist ein moderner Baustoff, der in allen möglichen Bauwerken angewendet wird. Auf Grund seiner Eigenschaften ist die Gebrauchsdauer für einzelne Bauwerke sehr unterschiedlich. Es wird, ausgehend von den Materialeigenschaften, auf Gefahren hingewiesen und wie diese für den interessierten Kunden erkennbar und auch messbar sind. Die verschiedenen Erhaltungsmethoden zur Verlängerung der Gebrauchszeit werden erläutert. Letztendlich wird auch die übliche Gebrauchszeit für Stahlbeton ohne und mit Erhaltungsmaßnahmen bei den unterschiedlichen Bauwerken und Umwelteinflüssen angegeben.

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Klaus Beer
Bewehren nach DIN EN 1992-1-1 (EC2)
Tabellen und Beispiele für Bauzeichner und Konstrukteure
7., Aufl.
2019, xiii, 320 S., 150 SW-Abb. 240 mm, Softcover
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Das Fachbuch bietet einen übersichtlichen Einblick in die Bewehrung von Stahlbetonbauteilen. Wie viele Rundstähle kommen in einen Balken? In welche Richtung wird eine Q-Matte verlegt? Der Band erklärt, wie der Stahl im Beton verlegt und auch zeichnerisch dargestellt wird. Zahlreiche Tabellen und Beispiele ermöglichen ein schnelles Auffinden der genauen Bewehrungszeichnung. Erweitert wurde die 7. Auflage mit Hinweisen und Erläuterungen zur Bemessung und Konstruktion, Bewehrung einer Einfeldplatte und der Bewehrung von Kragplatten.

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Typische Schäden im Stahlbetonbau - Vermeidung von Mängeln als Aufgabe der Bauleitung
DBV-Heft, Band 16
Aktualisierte Ausgabe 2017.
2017, 174 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover

 

 

Die auf zahlreichen Praxisbeispielen basierenden Beiträge in dem Heft wurden von den Bauberatern des Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins erarbeitet und für die Praxis aufgearbeitet. Es werden diverse planerische und ausführungstechnische Mängel beschrieben. Dabei geht es im Einzelnen um folgende Themen: - Prüfung von Planangaben: verdeckte Fragestellungen für die Ausführung; - Korrekte Bestellung von Beton: Besonderheiten der Betone, Vorsicht bei den Expositionsklassen; - Annahme von Beton auf der Baustelle: Worauf die Baustelle bei der Qualitätskontrolle und Überwachung zu achten hat; - Einbau der Bewehrung: Sicherstellung der Betondeckung und des Verbundes beim Betonieren; - Besonderheiten bei wasserundurchlässigen Bauwerken: Planung und Ausführung von Dreifachwänden und wasserundurchlässigen Dächern und Decken (WU-Dächer); - Besonderheiten der Fugenausbildung: Planung und Ausführung; - Besonderheiten bei Sichtbeton: Planung, Ausführung und Abnahme; - Vermeidung und Beurteilung von Rissen: Theorie und Praxis; - Nachbehandlung und Schutz von Betonbauteilen; - Betonieren bei extremen Temperaturen: Betonieren im Winter und im Sommer; - Mangelhafte Angaben in Schal- und Bewehrungszeichnungen; - Kontrolle der Zeichnungen als Aufgabe der Arbeitsvorbereitung; - Korrekte Bestellung von Beton; - Annahme von Beton auf der Baustelle; - Verlegung und Kontrolle der Bewehrung; - Abstandhalter und Betondeckung für verschiedene Einwirkungen; - Betonierbarkeit von Bauteilen aus Beton und Stahlbeton; - Besonderheiten bei wasserundurchlässigen Bauwerken; - Besonderheiten der Fugenausbildung; - Besonderheiten bei Sichtbeton; - Vermeidung und Beurteilung von Rissen; - Nachbehandlung und Schutz von Betonbauteilen; - Betonieren im Winter - Betonieren im Sommer.

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René Conchon, Markus Aldejohann, Ralf Avak
Stahlbetonbau in Beispielen, .2, Bemessung von Flächentragwerken nach EC 2 - Konstruktionspläne für Stahlbetonbauteile
5., Aufl.
2017, XV, 435 S., m. Abb. 240 mm, Softcover
Reguvis Fachmedien

 

 

Das Buch stellt unter Berücksichtigung der aktuellen Normen die Bemessung von Stahlbetonbauteilen dar. Zahlreiche Beispiele und farbige Zeichnungen optimieren die Verständlichkeit und ermöglichen angehenden und erfahrenen Bauingenieuren dadurch die leichte und sichere Aneignung der erforderlichen Hintergründe im Stahlbetonbau, die für die tägliche Praxisfertigkeit erforderlich sind. Übersichtlich - verständlich - anschaulich. Aus dem Inhalt: - Grundlagen der Konstruktion; - Schalpläne und Bewehrungspläne; - Einachsig und zweiachsig gespannte kontinuierlich gestützte Massivplatten; - Sonderfälle der Plattenbemessung Elementplatten; - Nichtlineare Nachweisverfahren; - Punktgestützte Platten; - Treppen; - Unbewehrter Beton; - Fundamente; - Wände; - Stabwerkmodelle Wandartige Träger.

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Alfons Goris, Jana Voigt
Stahlbetonbau-Praxis nach Eurocode 2, .3, Tragwerksplanung im Bestand
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Werterhaltung - Historische Baukonstruktionen und Regelwerke - Schutz und Instandsetzung - Bewertung von Betontragwerken - Verstärkungen und Ertüchtigungen - Befestigungstechnik
2., Aufl.
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Der dritte Band der bewährten Bauwerk-Basis-Bibliothek zur Stahlbetonbau-Praxis stellt Ihnen jetzt in 2. Auflage alle relevanten Bemessungs- und Planungsgrundlagen für die Tragwerksplanung im Bestand in kompakter und übersichtlicher Form zur Verfügung. Band 3 beinhaltet zunächst allgemein Themen der Werterhaltung, die durch Instandsetzungs- und ggf. durch Verbesserungsmaßnahmen bestimmt sein können. Wichtige Voraussetzung ist dabei, dass der entwerfende Ingenieur ausreichende Kenntnisse über historische Baukonstruktionen und ältere Regelwerke hat. Baumaßnahmen im Bestand sind verbunden mit Sanierungs-, Instandsetzungs-, Verstärkungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen. Die konkrete Tragwerksplanung im Bestand beginnt mit der Zustandserfassung und der Nachrechung der vorhandenen Konstruktionen, je nach Situation auch mit angepassten Sicherheitsbeiwerten. Auch experimentelle Verfahren werden in den letzten Jahrzehnten wieder verstärkt eingesetzt. Für das Verstärken mit Textilbeton gibt es seit 2016 eine erste bauaufsichtliche Zulassung; dieses Thema wurde daher in der jetzt vorliegenden 2. Auflage neu aufgenommen. Das Kapitel Ertüchtigungsmaßnahmen wurde erweitert (Textilbeton), neu hinzu gekommen ist das Thema Befestigungstechnik mit der Bemessung der Verankerung von Befestigungen.

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Forschungsberichte

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Oliver Fischer, Dirk Volkmer, Philipp Lauff, Manuel Hambach, Matthias Rutzen
Zementgebundener kohlenstofffaserverstärkter Hochleistungswerkstoff (Carbonkurzfaserbeton)
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3178
2019, 109 S., 69 Abb. u. 29 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Seit längerem gibt es intensive Bestrebungen, den volkswirtschaftlich außerordentlich bedeutsamen Verbundwerkstoff Stahlbeton weiterzuentwickeln und dazu vor allem die Zugfestigkeit von Beton zu erhöhen. Mit dem an der Universität Augsburg entwickelten Herstellungsverfahren, bei dem die Ausrichtung beigemischter Kohlenstofffasern durch eine Düse gezielt eingestellt werden kann, ist es gelungen, mit handelsüblichen Ausgangsstoffen und im Grunde praxisgerechten Verfahren eine signifikante Erhöhung des Verhältniswertes von Zug- und Druckfestigkeit bei Zementsteinproben zu erreichen. In den Untersuchungen zur Materialentwicklung konnte gezeigt werden, dass die hohen Festigkeiten der faserverstärkten Prüfkörper auch mit kürzeren Fasern erreicht werden können und somit besser verarbeitbare Mörtel gleicher Festigkeit herstellbar sind. Ein sowohl preisliches als auch in der Ökobilanz günstigeres System konnte ohne Festigkeitsverlust realisiert werden, indem teure neuwertige Fasern durch günstigere Recyclingprodukte ersetzt wurden.

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Oliver Fischer, Nicholas Schramm, Jörg Jungwirth
Nachhaltiges Bauen mit vorgespannten Tragelementen aus ultrahochfestem Beton (UHPC); Anwendung für Parkhäuser. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3104
2018, 332 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ultrahochfester faserbewehrter Beton birgt sowohl in wirtschaftlicher als auch in ökologischer Hinsicht große Potentiale für den Fertigteilbau. Mit Hilfe dieses innovativen Werkstoffs können gegenüber üblichen Betonbauweisen der Ressourcenverbrauch und die Eigenlasten deutlich reduziert werden, während sich gleichzeitig die Dauerhaftigkeit erhöht. Der Parkhausbau stellt somit ein ideales Anwendungsgebiet für den vielversprechenden Werkstoff dar. Mit dem Forschungsvorhaben konnten die Vorteile von ultrahochfestem faserbewehrten Beton, wie z.B. die exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften sowie die Reduktion von Eigengewicht, für eine Anwendung im Parkhausbau aufgezeigt werden. Das entwickelte Tragsystem aus vorgespannten Längsträgern und filigranen Plattenelementen weißt dabei, bei gleichbleibender Tragfähigkeit, extrem geringe Querschnittsabmessungen auf. Dadurch und aufgrund des entwickelten Fügeprinzips ohne Anschlussbewehrung und Beschichtungen ergäben sich erhebliche Vorteile bei der Verlegung. Aufgrund der exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften kann auf jegliche (im Parkhausbau übliche) Beschichtungen verzichtet werden.

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Carl-Alexander Graubner, Jaroslav Kohoutek, Ngoc Linh Tran
Bestimmung der maßgebenden Einwirkungskombinationen nach DIN EN 1990 zur rationellen Bemessung von Stahlbetonbauteilen im üblichen Hochbau
Bauforschung, Band T 3325
2016, 126 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Anlass: Seit der Einführung des Teilsicherheitskonzeptes werden die bei der Bemessung zu berücksichtigenden Sicherheitsbeiwerte auf die Einwirkung und den Widerstand verteilt, wobei hinsichtlich der anzusetzenden Teilsicherheitsbeiwerte zwischen ständigen und veränderlichen Einwirkungen unterschieden werden muss. Dies führt bei der Bemessung von größeren Tragsystemen aufgrund der nichtlinearen Momenten-Normalkraft Interaktion in der Regel zu einer Vielzahl von zu untersuchenden Einwirkungskombinationen. Die Anzahl der Kombinationen steigt dabei mit der Anzahl der vorhandenen Einwirkungen überproportional an. Zusätzlich ist zu beachten, dass für verschiedene Nachweisstellen eines Bauteils unterschiedliche Einwirkungskombinationen maßgebend werden können. Die Berücksichtigung von verschiedenen Einwirkungskombinationen führt in der Bemessungspraxis zu einer zeitaufwändigen Aufgabe, die mit einer einfachen Handrechnung kaum noch zu bearbeiten ist. Darüber hinaus kann es leicht zu fehlerhaften Bemessungen kommen, wenn aufgrund des steigenden Zeit- und Kostendrucks eine maßgebende Einwirkungskombination vergessen wird. Dies kann die Zuverlässigkeit von Tragstrukturen signifikant beeinflussen, da die normativ definierten Teilsicherheitsfaktoren den Einfluss von menschlichem Fehlverhalten bei der Planung und Ausführung nicht abdecken. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Anzahl der theoretisch möglichen Einwirkungskombinationen für praxisübliche Fälle wissenschaftlich zu analysieren und hinsichtlich ihrer Bemessungsrelevanz zu clustern, um die bemessungsmaßgebenden Kombinationen identifizieren zu können. Dies kann zu einer deutlichen Reduzierung der zu berücksichtigenden Einwirkungskombinationen genutzt werden. Somit kann ein Beitrag zur Rationalisierung und Kostensenkung in der Planung geleistet, die Übersichtlichkeit bei der Berechnung erhöht und eine Verringerung der Fehleranfälligkeit bei der Bemessung von Bauteilen im üblichen Hochbau erreicht werden. - Arbeitsplan und Durchführung: Parameteridentifikation

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Matthias Scheibe, Florian Hude, Josef Hegger, Janna Schoening
Hochfeste Bewehrung im Stahlbetonbau - Identifizierung von Anwendungsmöglichkeiten, Entwicklung von Bemessungsgrundlagen und Ermittlung des wirtschaftlichen Einsparpotentials
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2893
2014, 223 S., 178 Abb. u. 61 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Verwendung von hochfesten Bewehrungsstählen, die eine um bis zu 1/3 höhere Streckgrenze aufweisen, ermöglicht schlankere Bauteile und damit eine ressourceneffizientere Bauweise. Das Forschungsvorhaben soll die Einsatzbereiche hochfester Bewehrung ermitteln und bewerten sowie durch experimentelle und theoretische Untersuchungen die wissenschaftliche Basis für ihre baupraktische Anwendung schaffen. Weiterhin sind für die Anwendung in der Praxis Bemessungstools bzw. Bemessungshilfen zu erstellen, soweit sie nicht von bestehenden Programmen abgedeckt sind. Von der RWTH werden die Versuchskörper erstellt und getestet. Auf Basis der Versuchsergebnisse und begleitender theoretischer Untersuchungen werden Verbundkennwerte für die hochfesten Stähle bestimmt und Bemessungsregeln zur Biegebemessung, zum Rissbreitennachweis und zur Rotationsfähigkeit hergeleitet. Bei den Untersuchungen der hochfesten Stähle dienen Referenzversuche mit Betonstahl BSt 500S als Vergleichswerte. Zur vertieften Analyse des Verbundverhaltens der hochfesten Stähle sind FE-Berechnungen vorgesehen. Nach Abbildung der Versuche und Kalibrierung der Verbundgesetze sollen numerische Parameterstudien durchgeführt werden, um die Ergebnisse des Forschungsvorhabens auf andere Randbedingungen als in den Versuchen zu übertragen. Die FE-Berechnungen werden sowohl von SAH als auch von der RWTH durchgeführt. Das Institut für Betonbau der TU Graz (Prof. Tue) wird die numerische Abbildung des Verbundverhaltens beratend begleiten. Zur Kalibrierung und Validierung der FE-Modelle dienen die Versuchsergebnisse der RWTH. Damit werden im Forschungsvorhaben Grundlagen für alle Bewehrungsstähle mit den gleichen oder ähnlichen Eigenschaften ermittelt.

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Konrad Zilch, Roland Niedermeier, Wolfgang Finckh
Verankerung von aufgeklebten Stahllaschen im Bereich von Biegemomenten mit wechselnden Vorzeichen
Bauforschung, Band T 3285
2012, 41 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei durchlaufenden verstärkten Stahlbetonkonstruktionen kann es aufgrund der ungünstigen Anordnung der Verkehrslasten im Bereich der Verankerung der aufgeklebten Bewehrung zu einem Vorzeichenwechsel des Momentes bei unterschiedlichen Lastfällen kommen. Dies führt dazu, dass die aufgeklebte Verstärkung in einem bestimmten Bereich sowohl Zug- wie auch Druckkräften ausgesetzt ist. Das Verhalten der aufgeklebten Biegebewehrung in diesem wechselnden Bereich, insbesondere die Verbundkraftübertragung aufgeklebten Biegebewehrung unter Druckbeanspruchung, ist jedoch bisher nicht untersucht worden. Gerade die aufgeklebten Stahllaschen, welche mit einer Stärke von bis zum 15 mm eingesetzt werden, können hierbei aufgrund ihrer hohen Dehnsteifigkeit hohe Kräfte erhalten, welche über Verbund in den Betonquerschnitt eingeleitet werden müssen. Im Rahmen dieses Forschungsberichtes werden zunächst bisherige Untersuchungen, welche diese Problemstellung tangieren, betrachtet. Darauf aufbauend werden Verbunddruckversuche mit unterschiedlich dicken Stahllaschen durchgeführt, um das Verhalten des Verbundes unter Druckbeanspruchung zu untersuchen. Zur Verifizierung der Versuchsergebnisse sowie zur Erfassung weiterer bauteilspezifischer Effekte werden zwei Versuche an einem Durchlaufträger durchgeführt, in welchem die Stahllaschen bis weit in den Druckbereich verankert waren. Aufgrund der durchgeführten experimentellen Untersuchungen werden abschließend Empfehlungen für den Umgang mit dieser Problemstellung in der Bemessung gegeben.

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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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Löschmann, Jens; Clauß, Felix; Mark, Peter
Verstärken von Stahlbetontragwerken mit Temperaturinduktion
Beton- und Stahlbetonbau, 2020

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Jacobs, Rita; Bock, Christoph
Ein Zeltdach mit Textilbeton. Innovatives Konzept zur Dachabdichtung und -sanierung
Deutsches Ingenieurblatt, 2020

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Empelmann, Martin; Javidmehr, Sara
Anwendungsgerechte Bestimmung des alpha tief cc-Beiwerts
Beton- und Stahlbetonbau, 2020

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Blandini, Lucio; Sobek, Werner
Das Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren ILEK: Über 100 Jahre Forschung im Stahlbetonbau
Beton- und Stahlbetonbau, 2020

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Huber, Tobias; Huber, Patrick; Fasching, Stephan; ViII, Markus; Kollegger, Johann
Querkrafttragverhalten von Stahlbetonbauteilen mit aufgebogenen Bewehrungsstäben auf Basis photogrammetrischer Messungen
Bauingenieur, 2020

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