Wenn ein Stahlbetonbauteil ausreichend duktil ist, dürfen Umlagerungen von Schnittgrössen in statisch unbestimmten Systemen angenommen und Eigenspannungszustände vernachlässigt werden. Die aktuellen Normen verlangen in bestimmten Fällen einen Nachweis des Verformungsvermögens, um die Duktilität sicherzustellen. Dieser wird üblicherweise geführt, indem das Rotationsvermögen an plastischen Gelenken dem Rotationsbedarf gegenübergestellt wird. Der vorliegende Blogbeitrag erläutert die Grundlagen des Verformungsverhaltens und zeigt praxistaugliche Methoden zur rechnerischen Bestimmung des Rotationsvermögens von Stahlbetonquerschnitten auf.

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Dieser Blogbeitrag erläutert die neusten Forschungsergebnisse zur Entwicklung einer auf maschinellem Lernen (ML) basierenden Finite-Elemente-Analyse für Stahlbetonkonstruktionen. Insbesondere werden Scheibenelemente im ebenen, zweidimensionalen Spannungszustand betrachtet und wie die Modellierung mit einem „Stahlbeton-Ersatzmodell“ umgesetzt werden kann. Dieses Stahlbeton-Ersatzmodell soll einen differenzierbaren Ansatz bieten, mit dem eine anschliessende Minimierung des verwendeten Materials ermöglicht wird. Der Blogbeitrag führt Sie durch die Entwicklung eines Ansatzes für das Ersatzmodell und erläutert das Vorgehen für Scheibenelemente anhand eines Beispiels einer Stahlbetonscheibe unter reiner Schubbeanspruchung.

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Fachwerkmodelle ermöglichen eine interpretierbare Modellierung von Stahlbetontragwerken mit Diskontinuitäten, indem der Kraftfluss visualisiert wird und die Ingenieur:innen Kontrolle über den Lastabtrag erhalten. Sie sind insbesondere im Entwurf neuer Tragwerke und in der Validierung der Resultate aus nichtlinearen Finite-Elemente-Analysen nützlich. Dieser Blogpost stellt eine zweiphasige Methode vor, um Fachwerkmodelle für die statische Überprüfung von Stahlbetontragwerken zu rekonstruieren, wenn Bewehrungslayout, Geometrie, Materialeigenschaften und proportionale Lastfällen gegeben sind.

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Die Bauindustrie steht vor erheblichen Herausforderungen, da durch die Instandhaltung der alternden Infrastruktur und die Abdeckung des weltweit steigenden Bedarfs an Wohn- und Nutzfläche die Bautätigkeit in den kommenden Jahren massiv zunimmt. Gleichzeitig eröffnet sich dadurch die Möglichkeit, Bauprozesse nachhaltig weiterzuentwickeln und den ökologischen Fussabdruck der Branche deutlich zu reduzieren.
In der Entwurfsphase von Tragwerken kann deren ökologische Nachhaltigkeit wesentlich beeinflusst werden. In der Forschungsgruppe rund um Professor Walter Kaufmann wird am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich im Rahmen eines Forschungsprojekts die Nachhaltigkeit im Tragwerksentwurf materialunabhängig betrachtet. Das Projekt wurde zusammen mit Industriepartnern lanciert und hat zum Ziel, die wichtigsten Steuerungselemente, die den Bauingenieur:innen beim Entwurf von Tragwerken zur Verfügung stehen, praxisorientiert aufzuzeigen und deren Wirkung mithilfe wissenschaftlicher Methoden zu quantifizieren. Dieses Wissen soll künftig im Rahmen von Block- und Weiterbildungskursen sowohl an angehende als auch bereits in der Praxis tätige Ingenieur:innen weitergegeben werden.

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CFK-vorgespannter Beton mit nichtrostender Stahlbewehrung verspricht eine deutlich erhöhte Dauerhaftigkeit von Brückenbauwerken, ist jedoch mit erhöhten CO2-Emissionen in der Herstellungsphase verbunden. Konventionelle Bemessungs- und Entwurfsansätze berücksichtigen diesen Zielkonflikt bislang nur unzureichend. Dieser Blogbeitrag stellt aktuelle Forschung zur CO2-minimierten Auslegung eines solchen Systems vor. Der Querschnitt wird parametrisiert und unter Einhaltung statischer sowie geometrischer Randbedingungen hinsichtlich seines CO2-Fussabdrucks optimiert. Die Ergebnisse zeigen insbesondere den massgebenden Einfluss des Duktilitätsnachweises auf Geometrie und Bewehrungsanordnung und bilden die Grundlage für weiterführende Systemoptimierungen.

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Bisher wurde 3D-gedruckter Beton hauptsächlich für statisch nicht wirksame Bauteile eingesetzt, da verlässliche mechanische Modelle und eine konsistente Bemessungsgrundlage fehlten. Klassische Entwurfsregeln aus dem konventionellen Betonbau können nicht immer angewendet werden aufgrund des schichtweisen Herstellungsprozesses des 3D-gedruckten Betons. Dieser Blogbeitrag stellt die aktuelle Forschung an der ETH Zürich vor, die eine strukturelle Nutzung von 3D-gedrucktem Beton ermöglichen soll. Zwei Prüfmethoden – der modifizierte Druckscherversuch und direkte Zugversuche an bewehrten 3D gedruckten Beton-Zuggliedern – werden eingeführt, um das Tragverhalten zu charakterisieren und konsistente mechanische Modelle als Bemessungsgrundlage für zukünftige Tragwerksanwendungen zu erstellen.

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Bei der Bemessung und Überprüfung von Stahlbetonbrücken ist der Ermüdungsnachweis der Bewehrung in der Fahrbahnplatte oftmals massgebend. In der Praxis existiert jedoch kein geeignetes Modell, um die dafür benötigten Spannungen der Bewehrung zuverlässig zu bestimmen. Zudem wurden bei bestehenden Brücken selbst für klar ungenügende Ermüdungsnachweise keine Schäden der Bewehrung gefunden.
Dieser Blogpost stellt ein ASTRA-Forschungsprojekt vor, mit welchem die Unsicherheiten bei der Ermittlung von Bewehrungsspannungen reduziert werden sollen. Dazu wird ein numerisches Schichtenmodell validiert und anschliessend praktizierenden Ingenieur:innen zur Verfügung gestellt. Zudem sollen vorhandene Reserven für den Ermüdungsnachweis der Bewehrung ausgeschöpft werden, um teure Verstärkungsmassnahmen von bestehenden Brücken zu vermeiden.

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In diesem Beitrag teile ich meine persönlichen Erfahrungen mit experimenteller Forschung im konstruktiven Ingenieurbau an der ETH Zürich, insbesondere in der Bauhalle mit LUSET – dem Large Universal Shell Element Tester. Von meinem ersten Mauerwerktest bis hin zu laufenden Ermüdungsuntersuchungen an Rahmenbrücken lernte ich täglich dazu. Die experimentelle Forschung hat mir gezeigt, dass jede Versuchsanordnung neue Erkenntnisse bringt – und dass Neugier nie endet. Genau deshalb nenne ich diesen Beitrag: Die Schönheit der experimentellen Forschung mit LUSET.

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Gewindestangen aus nichtrostendem Stahl sind eine vielversprechende Lösung für die Verstärkung und Vorspannung von Betontragwerken, für die herkömmlicher Stahl aufgrund seiner begrenzten Dauerhaftigkeit ungeeignet ist. Bei Spannstäben mit einer Streckgrenze unter 1’000 MPa können jedoch Zwangsverformungen durch Kriechen und Relaxation zu erheblichen Vorspannungsverlusten führen, was eine Beeinträchtigung der Tragfähigkeit zur Folge haben kann. Dieser Beitrag fasst die Ergebnisse einer Studie der ETH Zürich und der Leviat AG zusammen, die sich mit dem Bedarf an zuverlässigen Daten zum Relaxationsverhalten von hochfesten Duplex-Gewindestangen aus nichtrostendem Stahl befasst. Im Rahmen der Versuchskampagne wurden M24-, M27- und M30-Stäbe getestet, um die Relaxationsverluste nach 1’000 Stunden zu quantifizieren und darauf aufbauend Empfehlungen für ihre Anwendung bei der Vorspannung von neuen und bestehenden Betonbauwerken zu entwickeln.

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Dieser Blogbeitrag reflektiert den Bildungsweg des Autors im Bauingenieurwesen an drei Institutionen – der NTU Athen, der UT Austin und der ETH Zürich – vor dem Hintergrund grosser technologischer Umwälzungen: der Internet-Revolution, der COVID-19-Pandemie und dem Aufstieg der KI. Die Studie bietet eine vergleichende Kritik dieser Institutionen und konzentriert sich dabei auf Faktoren wie Grösse, Finanzierung, Vielfalt, Zulassungsverfahren und Studienprogramme. Der Autor geht der Frage nach, wie die jeweilige Ära und das jeweilige Umfeld seine Erfahrungen als Student und Lehrer geprägt haben. Die Reflexion schliesst mit zukunftsweisenden Ideen für die Hochschulbildung, die von persönlichen Erkenntnissen und der sich entwickelnden Landschaft der digitalen Transformation und Bildungsinnovation geprägt sind.

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Dieser Blogpost erläutert die jüngsten Forschungsentwicklungen bei der Erstellung einer auf Machine Learning basierten Finite Elemente Analyse für Stahlbetontragwerken. Der Schwerpunkt dieses Blogposts liegt dabei auf dem ersten Schritt in der Entwicklung eines solchen Ansatzes für Schalenelemente. Es wird gezeigt, wie dieser Ansatz für ein einfaches, linear-elastisches Materialmodell aufgebaut wird und anschliessend auf ein Beispiel einer biegebeanspruchten Platte angewendet wird. Im Verlaufe der Erläuterungen werden die wichtigsten Erkenntnisse hervorgehoben. Eine davon unterstreicht eines der wichtigsten Konzepte in Machine Learning: Jedes Machine Learning Modell ist nur so gut wie die ihm zugrunde liegenden Daten.

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In Europa und darüber hinaus erreichen viele Brücken das Ende ihrer ursprünglichen Lebensdauer, was eine Vielzahl von dringenden statischen Überprüfungen erfordert. Herkömmliche Methoden die für die statischen Überprüfung von Tragwerken angewendet werden, sind jedoch zeitaufwendig, kostspielig und schwer auf grosse Infrastrukturbestände skalierbar. In diesem Blogbeitrag stellen wir ein auf maschinellem Lernen (ML) basierendes -Tool für die statische Vorüberprüfung von Stahlbetonrahmenbrücken vor – eine der häufigsten Brückentypen in der Schweiz. Dieser in Zusammenarbeit mit den Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) entwickelte Prototyp ermöglicht eine effiziente und präzise Schätzung der strukturellen Ausnutzung und bietet wertvolle Entscheidungshilfen. Wir demonstrieren Anwendung eines solchen Tools anhand einer realen Brückenfallstudie und diskutieren das Potenzial für eine breitere Implementierung im Infrastrukturmanagement.

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Fachwerkmodelle dienen im Stahlbetonbau häufig als vereinfachte, sichere und meist händische Entwurfsmethode für Balken oder Wände. Existierende automatisierte Methoden (z.B. Topologieoptimierung) eignen sich aber noch nicht gut genug für die Generierung von praktischen Fachwerkmodellen. Dieser Blogpost erläutert ein kürzlich veröffentlichter grammatikbasierter Ansatz, welches das statische Problem des Fachwerks als Graphen darstellt und versucht, das technische Ermessen in dessen Regelsatz miteinzubeziehen.

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Ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zu CFK-vorgespannten Eisenbahnbrücken in der Schweiz: Das Projektteam bestehend aus SBB, alphabeton AG, HSLU, Empa und ETH hat einen Prototyp im Labor getestet. Unter verschiedenen Laststellungen wurde das Tragverhalten des 1.7 m x 6.5 m Prototyps in statischer und zyklischer Biegung sowie unter Querkraftbelastung getestet. Es hat sich gezeigt, dass der Verbundwerkstoff, trotz des spröden CFK, ein gewisses plastisches Verformungsvermögen aufweist. Dies ist dem Umstand zu verdanken, dass die schlaffe Stahlbewehrung ins Fliessen kommt, bevor der CFK reisst. Die Vorspannung verblieb während der gesamten Versuchsserie intakt, muss jedoch, genau wie das Schubverhalten, eingehender untersucht werden. Dies ist Gegenstand momentan laufender experimenteller und theoretischer Arbeiten.

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Dieser Blog-Beitrag stellt eine an unserer Professur entwickelte 3D-/ AR-App vor, die beim Verständnis von Stahlbetontragwerken helfen soll. Der Inhalt wird als 3D-Modell dargestellt, das auch in einer Augmented Reality (AR)-Umgebung betrachtet werden kann. Es wurde ein schrittweiser Ansatz implementiert, um einen verständlichen Ablauf zu erreichen, ohne die Studierenden mit den Inhalten zu überfordern. Das erste Beispiel, das in diesem Blogbeitrag vorgestellt wird, befasst sich mit der Bemessung eines Torsionsbalkens mithilfe eines Fachwerkmodells.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Erstellung der App unter Verwendung einer einfach zu bedienenden Pipeline, wodurch die Erstellung weiterer Beispiele auf der Grundlage von Standardsoftware wie rhino3D und Excel ermöglicht werden soll.

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Im Angesicht der fortschreitenden Klimakrise ist die Erhöhung der statischen Effizienz von Betondecken ein wirksamer Hebel, um die negativen Auswirkungen des Bauens zu verringern. Allerdings ist häufig nicht die Tragfähigkeit massgebend für die Dimensionierung von Betondecken, sondern Anforderungen wie beispielsweise Gebrauchstauglichkeit oder Schallschutz, welche so das Einsparpotenzial limitieren. In diesem Blogbeitrag werden die Auswirkungen dieser Anforderungen bei Betondecken mit Hilfe einer neu entwickelten Datengenerierungspipeline untersucht.

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In diesem Blogpost möchte ich über einen interessanten Teil der Forschungsarbeit berichten: Konferenzen. Mein Erlebnisbericht soll Studierenden und Leuten aus der Praxis einen Einblick geben in diese besonderen Arbeitstage.

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Dieser Blogbeitrag untersucht ein einfaches Vorgehen um mit Entscheidungsbäumen (maschineller Lernalgorithmus «Classification Decision Tree») Einblick in ein bestehendes Modell zu gewinnen. Im Anwendungsbeispiel ist das bestehende Modell ein mechanisches Modell, das die Tragfähigkeit eines zweifeldrigen Plattenstreifens berechnet. Es wird genutzt, um einen Datensatz zu erzeugen, auf dem ein Entscheidungsbaum trainiert wird. Die Aufteilungen im Entscheidungsbaum und die “Feature Importance” Eigenschaft helfen zu verstehen welche Eingangsparameter des bestehenden Modells das Resultat am stärksten beeinflussen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die mechanische Interpretation der Aufteilungen neue Ideen inspirieren oder zu einer anderen Denkweise führen kann.

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In diesem Blog-Beitrag wird eine neuartige Methode zur Durchführung einer rechnerisch effektiveren Balken-Element-Analyse vorgestellt, die das nichtlineare Last-Verschiebungsverhalten/Momenten-Rotationsverhalten von RHS/SHS-Profilen unterschiedlicher lokaler Schlankheit berücksichtigt: die “DNN-DSM” nutzt Techniken des maschinellen Lernens (Deep Neural Networks-DNN) zur Vorhersage der nichtlinearen Steifigkeitsmatrixterme in einer Balken-Element-Formulierung für die Implementierung in die direkte Steifigkeitsmethode (DSM). Als Vorhersagegrundlage dienen trainierte DNN-Modelle basierend auf einem umfangreichen Pool aus FE-Schalensimulationen, genauer aus linearen Beulanalysen (LBA) und geometrisch und materiell nichtlinearen Analysen mit Imperfektionen (GMNIA).

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In diesem Blogbeitrag geht es um die laufende gemeinsame Forschung zwischen der Universidad Politécnica de Madrid (UPM) und dem Construction Technology Centre von ACCIONA zum Thema Hochleistungsfaserbeton (HPFRC) im Brückenbau. HPFRC mit einer Druckfestigkeit von 100-120 MPa ermöglicht hohe Vorspanngrade, wodurch gegenüber herkömmlichen Materialien das Betonvolumen reduziert und grössere Spannweiten bei Betonfertigteilbrücken ermöglicht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Betonverbrauch um 50% und die Bewehrung um 67% gesenkt werden kann, bei einer Kostenreduzierung von 14%. Dies war der Anlass für eine umfangreiche Versuchskampagne zum Schubverhalten. Trotz der Schwierigkeiten stellt HPFRC eine vielversprechende, kostengünstige Alternative für den Brückenbau dar, und wir arbeiten weiter daran, die Entwurfsmodelle zu verfeinern, um eine breitere Anwendung in der Praxis zu ermöglichen.

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Nichtlineare Finite-Elemente-Analysen sind ein wichtiges Tool sowohl für den Entwurf als auch die Überprüfung bestehender Betonbauten. Sie ermöglichen ein genaueres Verständnis und eine detailliertere Analyse des stark nichtlinearen Verhaltens von Stahlbeton und können so zu Resourcen-schonenderen Entwürfen führen. Heutzutage werden solche Methoden aber nur selten verwendet, unter anderem da sie rechnerisch viel zeitaufwändiger sind als konventionelle lineare Finite-Elemente-Analysen. So gestaltet es sich schwierig, viele Entwurfsiterationen durchzuführen. Um diese Einschränkung zu umgehen und generell die Verwendung von maschinellem Lernen in der nichtlinearen Finite-Elemente-Methode zu erkunden, soll eine neue ML-FEA Methode entwickelt werden.

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Hatten Sie schon einmal Mühe, ein geeignetes Fachwerkmodell für die Bemessung von Stahlbeton-Gerberträgern oder Wänden mit Öffnungen zu finden? Wir stellen aktuelle Entwicklungen zur automatischen Generierung von Fachwerkmodellen und die Herausforderungen und Grenzen zweier gängiger Optimierungsansätze vor. Schliesslich zeigen wir den ersten Schritt zur Beantwortung unserer Forschungsfrage: Wie können mittels maschinellem Lernen verschiedene Fachwerkmodelle vorgeschlagen werden?

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Zur Förderung von Lehre und Forschung im Bereich des konstruktiven Mauerwerkbaus unterstützt die Ziegelindustrie Schweiz den Aufbau einer hochschulübergreifenden Mauerwerksgruppe mit einer grosszügigen Donation. Die Mauerwerksgruppe wird von Dr. Marius Weber geleitet, wobei die Lehr- und Forschungstätigkeiten gleichzeitig an der Professur für Massiv- und Brückenbau der ETHZ und am Institut für Bauingenieurwesen der Hochschule Luzern Technik & Architektur durchgeführt werden. Der Forschungsschwerpunkt der Mauerwerksgruppe liegt in der Entwicklung von numerischen Simulationstools für die Lösung von Problemstellungen aus der Praxis. Mit der Bereitstellung der Softwarelösungen als Open-Source-Pakete sowie der Durchführung von Lehrveranstaltungen und der aktiven Mitarbeit in Fachgruppen und Kommissionen, wird sichergestellt, dass Forschungsergebnisse und Fachwissen den Weg in die Baupraxis finden.

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Um den aktuell sehr emissions- und ressourcenintensiven Bau von Gebäuden umweltfreundlicher zu gestalten, ist der Entwurf und die Umsetzung von effizienten Deckensystemen eine wirksame Massnahme. Unser neues Forschungsprojekt befasst sich deswegen damit, wie digitale Fertigung dazu eingesetzt werden kann, effiziente Deckensysteme, die meist einen höheren Grad an geometrischer Komplexität als Flachdecken aufweisen, zu produzieren. Damit die entwickelten Systeme nicht nur emissionsarm, sondern auch massenmarkttauglich sind, gilt es, ganzheitliche Lösungen zu entwickeln, die die zahlreichen und vielfältigen Anforderungen, welche Decken erfüllen müssen berücksichtigen.

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Auf dem Weg zur Etablierung eines SBB-Brückensystems aus CFK-vorgespanntem Beton hat das Projektteam bestehend aus SBB, alphabeton AG, HSLU, Empa und ETH einen wichtigen Meilenstein erreicht: Die Herstellung eines Prototyps. Der 1.7 m x 6.5 m Prototyp ist längs sowie quer CFK-vorgespannt. Die Längsträger wurden dabei im Spannbettverfahren hergestellt und mit Aussparungen für Stahlbewehrung und CFK-Vorspannung in Querrichtung versehen. Die Querträger wurden zusammen mit der Brückenplatte in einer zweiten Etappe betoniert. Um diesen Prototyp zu ermöglichen, wurden ein 14 m langer Spannrahmen für die Spannbettvorspannung der Längsträger und drei kleinere Stahlrahmen für die Quervorspannung gebaut. Zusätzlich musste an der Empa eine Keilverankerung entwickelt werden, die eine zuverlässige Vorspannung der CFK-Stäbe auf 55 kN (1041 MPa) ermöglicht.

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An der Professur für Baustatik und Konstruktion – Massiv- und Brückenbau der ETH Zürich entwickeln wir zusammen mit dem Swiss Data Science Center einen KI-gestützten Brückenentwurfs-Co-Piloten in Form einer multimodalen Variante eines Conditional Variational Autoencoders (CVAE). Das Deep-Learning-basierte Software-Tool ist struktur-unabhängig anwendbar und wird Ingenieure als Vorwärts- und Inverse-Entwurfsmodel unterstützen. Das Tool kombiniert die Rechenkapazitäten der KI mit menschlicher Intuition und Wissen in frühen Entwurfsphasen und fördert damit nachhaltigere, effizientere und dennoch zuverlässige Strukturen.

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Dieser Blogbeitrag richtet sich an alle, die wissen wollen, wie ein mechanisch konsistentes, nichtlineares Materialmodell für Finite-Elemente-Analysen von Stahlbetonkonstruktionen entwickelt und für zyklische Belastungen angepasst werden kann. Obwohl dies nach einem spezifischen Thema klingt, wurde der Blogbeitrag mit der Absicht geschrieben, dass auch Nicht-Bauingenieur:innen die Erläuterungen verstehen können. Der Beitrag soll einen Einblick in die Modellierung eines Materials gewähren, das in der gebauten Umwelt allgegenwärtig ist und dessen Tragverhalten weiter erforscht werden muss, um seine Verwendung optimieren zu können.

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Betontübbinge werden häufig in Tunnel eingesetzt, die mit einer Tunnelbohrmaschine aufgefahren werden. Die Ring- und Längsfugen übertragen die Lasten während des Baus und der Nutzungsdauer und spielen eine Schlüsselrolle bei der Bemessung der Tunnelsegmente. Dieser Blogbeitrag gibt einen Einblick in ein Forschungsprojekt über Tübbingfugen und fokussiert dabei auf die Längsfugen. Es werden aktuelle Bemessungsansätze für Tübbinglängsfugen und Ergebnisse einer Versuchskampagne an streifenbelasteten Stahlbetonblöcken präsentiert. Ausserdem wird das Dual-Wedge-Spannungsfeld vorgestellt.

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Anlässlich des fünften Betontages durchgeführt an der Hochschule für Technik und Architektur Fribourg HTA-FR, widmet sich der aktuelle Blogpost der Schweizer Delegation der Fédération internationale du béton (fib-CH). In einem Interview haben wir uns mit Herrn Thierry Delémont, dem Delegationsleiter fib-CH, und Herrn Dr. Patrick Valeri, seit kurzem Delegationsmitglied und Vorsteher der fib-CH Young Members Group, unterhalten. Sie stellen uns die Organisation, ihre Aufgaben und Ziele vor.

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Die Herstellung der Schalung ist eine der grössten Herausforderungen bei der schwierigen Aufgabe, Effizienz, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit beim Bau einer optimierten Betondecke in Einklang zu bringen. Ein Blick in die Vergangenheit zeigt, wie alte Baumeister innovative Schalungssysteme entwickelten, um wirtschaftliche Tragwerke zu schaffen, wie zum Beispiel die Verwendung der traditionellen Ziegelgewölbetechnik als integrierte Schalung für Betonschalen. Heutige Forscher:innen können aus diesem Erbe wertvolle Lehren ziehen und sie mit den heute verfügbaren digitalen Werkzeugen für Entwurf, Analyse und Fertigung kombinieren. So können kontextbewusste Tragwerke untersucht werden, die in der Lage sind, an den Orten, an denen die Bautätigkeit in den nächsten Jahrzehnten dramatisch zunehmen wird, einen positiven Umwelteinfluss zu erzielen.

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In den letzten Jahrzehnten wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) ein unverzichtbares Werkzeug im Bauingenieurwesen. Neben der Automatisierung alltäglicher Rechen- und Routineaufgaben, lassen sich mit der FEM gegenüber von Handrechnungen komplexere Tragwerke effizienter bemessen und unter Verwendung nichtlinearer Materialmodelle Traglastreserven von bestehenden Tragwerken ausnutzen. Die Aufgabe des Ingenieurs hat sich dabei vom reinen “Rechenknecht” hin zur Modellbildung verlagert, wobei die dabei zugrunde gelegten Modellvorstellungen und deren Anwendungsgrenzen verstanden werden sollten. Unsere Aufgabe als Ausbildungs- und Forschungsstätte ist es, diese Modellvorstellungen und Theorien sowie der ingenieurmässige Umgang mit der FEM zu vermitteln. Dieser Blogbeitrag gibt einen kurzen Überblick über die Grundprinzipien und die geschichtliche Entwicklung der FEM und zeigt insbesondere die an der Professur für Massiv- und Brückenbau vorhanden nichtlinearen FEM-Tools (NLFE) und wie wir die künftigen Bauingenieure/innen fit für einen verantwortungsvollen Umgang mit der NLFE machen.

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Dieser Blogbeitrag diskutiert den Einfluss von Langzeiteinflüssen (Schwinden und Kriechen) auf die Berechnung der Schnittgrössen in Pfeilern, die monolithisch mit einem vorgespannten Träger oder einer Platte verbunden sind. Trotz der Verfügbarkeit leistungsfähiger Statiksoftware bleibt die Analyse statisch unbestimmter Strukturen, die Langzeiteinflüssen ausgesetzt sind, eine Herausforderung. Daher werden vereinfachte Gleichungen zur Abschätzung der zeitabhängigen Biegemomente, die durch Schwinden und Vorspannung an den Pfeilerköpfen verursacht werden, vorgestellt. Sie sind in der Ingenieurpraxis nützlich, ermöglichen eine einfache, aber genaue Langzeitanalyse und erleichtern die Analyse langer fugenloser Strukturen mit monolithisch verbundenen Pfeilern.

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In diesem Blogpost wird erläutert warum die Duktilität bei der Bemessung von Stahlbetonbauten so wichtig ist. Es wird gezeigt, wie moderne Normen mit dem Thema umgehen, nämlich durch Konstruktionsregeln oder den Nachweis des Verformungsvermögens. Dazu werden zwei einfache Methoden zur Bestimmung des Rotationsvermögens verglichen. Diese Methoden sind zwar wertvoll, aber auf bewährte Materialien und in eine Richtung tragende Bauteile beschränkt. Zurzeit wird an unsere Professur versucht diese Wissenslücken zu schliessen, insbesondere durch eine umfangreiche Versuchsreihe an zweifeldrigen Plattenstreifen.

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Im Brandfall entstehen bei statisch unbestimmten Systemen grosse Zwangsschnittkräfte und entsprechende Umlagerungen von Kräften und Biegemomenten. Wie experimentelle und numerische Untersuchungen an statisch unbestimmten Bauteilen im Brandfall zeigen, ist ein genügendes Rotationsvermögen nicht selbstverständlich – insbesondere dann nicht, wenn weder eine axiale Einspannung mobilisiert werden kann (wie z. B. bei Zwei-Feld-Tunneldecken), noch eine zweiachsige Lastabtragung möglich ist (viele Fertigteildeckenlösungen). Im Rahmen der Überarbeitung der EN 1992-1-2 haben wir im Brandfall auftretende Kraft- und Biegemomentumlagerungen untersucht. Wir haben festgestellt, dass die in der EN 1992-1-2 enthaltenen Bemessungsregeln im Grossen und Ganzen sicher und leicht anwendbar sind, um die Tragsicherheit der meisten statisch unbestimmten Balken- und Decken sicherzustellen, auch wenn die Regeln nicht alle Eventualitäten abdecken, wie z. B. Kraftumlagerungen in Richtung der Zwischenauflager bei Deckensystemen.

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Stahlbetonvorlesungen sind zentraler Bestandteil der Ausbildung jedes Bauingenieurstudiengangs. Für das Verständnis der Inhalte sind fortgeschrittenes analytisches Denken und Abstraktionsvermögen unabdingbar. Unsere Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz digitaler Werkzeuge mit räumlicher Darstellung die Studierenden dabei unterstützen und ihre Motivation steigern können. In diesem Blog werden die Konzeption, der Arbeitsablauf, der Einsatz sowie die Evaluation von Demonstratoren der Augmentierten und Gemischten Realität für Übungsaufgaben und Kolloquien zu typischen, aber geometrisch komplexen Massivbauteilen (Stahlbetonkonsole und Torsionsträger) vorgestellt. Die Studienteilnehmenden hatten die Möglichkeit, die Anwendungen auf ihren Geräten zu testen oder vorab aufgezeichnete Videos anzusehen. Das erhaltene Feedback unterstreicht das grosse Interesse und Potenzial, zeigt aber auch die Hemmnisse für den Einsatz in der künftig stärker digitalen Lehre im konstruktiven ingenieurbau.

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Am Lehrstuhl für Massiv- und Brückenbau startet ein Projekt mit dem Ziel, ein Brückensystem für kurze (2-10m) einfeldrige Brücken für die SBB zu entwickeln. Die verwendeten Materialien sind auf die Dauerhaftigkeit und den effizienten Einbau (Vorfabrikation) zugeschnitten: Ultrahochleistungsbeton mit korrosions – und ermüdungsbeständiger CKF-Vorspannung in Kombination mit konventioneller Stahlbewehrung. Eine gross angelegte experimentelle Serie in Zusammenarbeit mit der Empa, der Hochschule Luzern, der SBB und der alphabeton AG über fast drei Jahre soll die wesentlichen wissenschaftlichen Fragestellungen zum Materialverhalten beantworten. Anschliessend wird in einer analytischen und numerischen Parameterstudie das Design für Brücken mit variablen Spannweiten (2 – 10m), unterschiedlicher Breite (ein- oder zweispurig) und unterschiedlicher Lagerung (senkrecht oder schief), entwickelt. Zusätzlich wird ein Design– und Bemessungstool implementiert für die Verwendung in der Praxis.

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Die digitale Fertigung mit Beton wächst rasant. Weltweit werden immer mehr Projekte mit diesen neuen Technologien unter dem Schlagwort «digitale Fertigung» hergestellt. Aber worum geht es genau, und wohin führen uns diese Technologien? Diese Technologien versprechen, die Bauindustrie zu revolutionieren. Können sie halten, was sie versprechen? Viele Forscher weltweit befassen sich mit verschiedenen Aspekten dieser Technologien, und die Industrie versucht, die besten Anwendungen zu finden.

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Der konzeptionelle Tragwerksentwurf beruht heutzutage vorwiegend auf der Intuition und Erfahrung der damit befassten Tragwerksplanenden, umfasst oft eine Untersuchung ähnlicher Referenzprojekte und ist ein zeitaufwändiger und anspruchsvoller Prozess. Die Methode des Generativen Designs (GD) hingegen ermöglicht die numerische Erkundung hochdimensionaler Entwurfsräume und wurde erfolgreich auf Entwurfsaufgaben im Maschinenbau und der Luft- und Raumfahrttechnik angewandt. Zusätzlich zu GD könnte der Entwurfsprozesses baulicher Strukturen durch den Einsatz moderner Algorithmen des maschinellen Lernens (ML) weiter beschleunigt werden. In diesem Blog Beitrag wird ein sich derzeit in der Entwicklung befindlicher mehrstufiger ML-Ansatz zur Verbesserung des Entwurfs- und Optimierungsprozesses von Netzwerkbogenbrücken diskutiert und das große Potenzial der Anwendung von ML-Algorithmen in der konzeptionellen Entwurfsphase von Tragwerken aufgezeigt.

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Stahlbetontragwerke verhalten sich im Brandfall gutmütig bei heute normalerweise verwendeten Querschnittsabmessungen und Bewehrungsüberdeckungen. Entsprechend ist der Brandwiderstand von Stahlbetonbauten in den meisten Fällen durch konzeptionelle Entscheide und schnelle Überprüfungen mithilfe von Tabellen gewährleistet. Dennoch gibt es wichtige Bauwerke oder sensitive Bauteile, für die vertiefte Untersuchungen zum Brandwiderstand nötig sind. Entsprechend sind Kenntnisse über das Verhalten von Stahlbeton unter Brandeinwirkung sowie über Anwendungsgrenzen der einschlägigen Normen unabdingbar. Dieser Beitrag diskutiert das Brandverhalten von Stahlbetontragwerken, die Relevanz des Brandschutzingenieurwesens und dessen Einbettung in der Bauingenieurausbildung der ETH Zürich.

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Am 14. August 2018 stürzte ein rund 250 m langer Abschnitt des Polcevera-Viadukts in Genua ein und riss 43 Menschen in den Tod. Nach dieser Tragödie kritisierten verschiedene Berufskollegen das Konzept der Brücke und den renommierten Projektverfasser Riccardo Morandi heftig. Während einige der vorgebrachten Kritikpunkte schlicht falsch sind, entsprach das Tragwerkskonzept der Brücke in verschiedener Hinsicht tatsächlich nicht dem heutigen Stand der Technik.

War Morandi also kein Pionier des Brückenbaus, sondern vielmehr ein schlechter Ingenieur – wie von einigen Kritikern behauptet? Oder ist es unfair, ein Bauwerk, das vor mehr als einem halben Jahrhundert gebaut wurde, an heutigen Ansprüchen zu messen?

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Unsere Gruppe kann durch Austauschforscherinnen in vielerlei Weise profitieren. Die tägliche Zusammenarbeit mit ausländischen Forscherinnen ist laut Dr. Jaime Mata Falcón der beste Weg, um unseren Kopf und unseren Forschungshorizont offen zu halten. Ein internationaler Austausch von Forschungsideen und -methoden bietet zudem ein enormes Potenzial für Synergien und Fortschritt. Leider hat die anhaltende COVID-19-Pandemie die Interaktion mit ausländischen Forscherinnen, die einige Zeit bei uns verbringen, erschwert. Um mehr Einblick in dieses Thema zu bekommen, teilen drei Austauschforscherinnen in diesem Beitrag ihre beruflichen und persönlichen Erfahrungen und wie diese von der Pandemie betroffen sind.

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Vor knapp fünf Jahren konnte ich im Rahmen einer Master-Projektarbeit erste Methoden für ein Rissmessungs-Tool zur Auswertung von Betonversuchen entwickeln. Das Ziel dabei war, aus den Messungen der Oberflächenverformung, die durch digitale Bildkorrelation gewonnen werden, automatisch Risse zu erkennen und deren Weite und Schiebung zu messen. Meine Betreuer Prof. Dr. Walter Kaufmann und Dr. Jaime Mata-Falcón hatten zu diesem Zeitpunkt bereits erste Ideen und Konzepte ausgearbeitet und auch einige Testdaten standen zur Verfügung. Nach Abschluss der Projektarbeit wurde das Tool stetig weiterentwickelt und vermehrt auch zur Auswertung unserer Versuche angewendet. Dabei zeigte sich das grosse Potential des Verfahrens, sodass es heute als Open-Source-Software unter dem Namen ACDM (für «automated crack detection and measurement») frei zur Verfügung steht. Die Benutzeroberfläche bietet eine einfache Anwendung, so dass auch bereits andere Forschungsinstitute auf dieses Tool zurückgreifen. In diesem Blogbeitrag geht es um den Weg zum heutigen ACDM, dessen Bedeutung in der experimentellen Forschung sowie um die wichtigsten Elemente, die dem Tool zum Durchbruch verhalfen.

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Bei der Beurteilung der Tragsicherheit von bestehenden Tragwerken zeigt sich immer wieder, dass die momentan zur Verfügung stehenden Berechnungsmethoden unzureichend sind, insbesondere betreffend Schubtragfähigkeit. Das liegt daran, dass zur Analyse bestehender Tragwerke in der Regel die gleichen Modelle angewendet werden, die auch für die Bemessung neuer Tragwerke gelten, dass die Querkraftbewehrungsgehalte in alten Bauwerken aber auf Grund der damals geltenden Normbestimmungen oft sehr niedrig sind. In meiner Dissertation, die ich kürzlich erfolgreich verteidigt habe, versuchte ich das Verständnis des Lastverformungsverhaltens von Stahlbeton-Scheibenelementen mit sehr geringen Bewehrungsgehalten im ebenen Spannungszustand zu verbessern.

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Ressourcenverbrauch und Treibhausgasemissionen der Betonbauweise sind weltweit sehr hoch. Vor dem Hintergrund Klimakrise scheint daher ein Ersatz durch andere Bauweisen naheliegend. Dies ist jedoch nicht zielführend, da nicht die Betonbauweise an sich problematisch ist, sondern die grosse Bautätigkeit insgesamt. Eine Begrenzung derselben ist aber insbesondere in Schwellen- und Entwicklungsländern kaum sinnvoll.
Stattdessen müssen wir Ressourcenverbrauch und Emissionen der Betonbauten reduzieren. Mit statisch effizienten Bauwerken können wir Bauingenieurinnen und Bauingenieure hier einen signifikanten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Wir sollten dies als Chance sehen, uns auf eine unserer ureigenen Kompetenzen zu besinnen und der statischen Effizienz wieder den Stellenwert einzuräumen, den sie verdient.

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Die Stahlbeton-Vorlesung an der ETH ist seit jeher geprägt von klassischem Frontalunterricht im Hörsaal. Die kritische Auseinandersetzung mit dem Unterrichtsstoff sowie die Selbstinitiative der Studierenden wird damit aber nur begrenzt gefördert. Im Rahmen eines von der Innovedum-Initiative geförderten Lehrprojekts befassten wir uns mit Möglichkeiten, wie wir die Neugier der Studierenden für das komplexe nicht-lineare Verhalten von Stahlbetontragwerken wecken könnten. Daraus entstand eine Sammlung von digitalen Lernapplikationen. In diesem Blogeintrag lesen Sie über unsere Motivation, neue Lehrmethoden zu entdecken, die verbesserte Interaktion mit den Studierenden mittels digitaler Apps sowie über die Herausforderungen in der Entwicklung und Implementierung in den bestehenden Unterricht.

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Viele ältere Bauwerke sind von Bewehrungskorrosion betroffen. So korrodiert beispielsweise die hangseitige Bewehrung einer Vielzahl von Winkelstützmauern entlang der Bahn und Autobahn. Was jedoch sind die Auswirkungen lokaler Korrosionsschäden, bspw. infolge von Chlorideintrag, aus statischer Sicht? Mit verschiedenen Experimenten an lokal geschädigten Bewehrungsstäben und anhand grossmasststäblicher Versuche an 6 Tonnen schweren Stützmauerausschnitten soll diese Frage beantwortet werden. Die Resultate der Experimente zeigen, dass die lokale Korrosion sowohl den Tragwiderstand als auch das Verformungsvermögen stark beeinträchtigt. Lesen Sie in diesem Blogbeitrag, was die Gründe und Folgen sind.

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Betonbauten mit auf das Tragverhalten angepassten, komplexen Geometrien erfordern teure Unikate als Schalung, die oft nicht wiederverwendet oder sogar nicht recycelt werden können. Daher sind solche Bauten alles andere als wirtschaftlich und nachhaltig. Leider hat das dazu geführt, dass früher verwendete statische System mit effizientem Tragverhalten zugunsten von effizienten Bauabläufen aufgegeben wurden. In diesem Post zeigen wir wie konventionelle Schalungen durch die Digitale Fabrikation überflüssig werden, sodass optimierte Betonstrukturen nachhaltig hergestellt werden können. Wir gehen im Detail auf die Technologie Mesh Mould Prefabrication ein, die wir in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern entwickeln, und die Schalung und Bewehrung in einem robotergefertigten Bausystem vereint.

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Vor einem Jahr, vier Wochen nach Beginn des Frühjahrssemesters 2020, setzte die ETH Zürich den Präsenzunterricht wegen der Covid-19-Pandemie aus. Wir waren gezwungen, innerhalb weniger Tage auf Online-Unterricht umzustellen. Damals dachten wir, dieser aussergewöhnliche Zustand würde nicht mehr als ein paar Monate dauern. Stattdessen zog er sich immer mehr in die Länge, und wir sind noch immer nicht in die Hörsäle zurückgekehrt. Dieser Blog gibt einen persönlichen Rückblick auf unsere Lehrtätigkeit in diesem ungewöhnlichen Jahr, die Herausforderungen, die die Pandemie mit sich brachte, und was wir daraus lernen könnten.

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Die kombinierte Beanspruchung durch Längsschub und Querbiegung ist ein wichtiger Lastfall, der bei der Beurteilung der Tragsicherheit von Stegen von Hohlkastenbrücken aus Beton berücksichtigt werden muss. Da viele Länder mit der Herausforderung einer alternden Infrastruktur konfrontiert sind, sind solche Nachweise immer häufiger erforderlich. Um die Tragfähigkeit eines bestehenden Bauwerks maximal ausnutzen zu können, benötigt ein Ingenieur zuverlässige und experimentell verifizierte Methoden, die es ihm ermöglichen, die Reaktion des Bauteils unter Beachtung der Grenzen des Verformungsvermögens zu bestimmen. In diesem Blogbeitrag werden die neuesten experimentellen und analytischen Ergebnisse diskutiert, die im Rahmen der Forschung zu dieser speziellen Lastkombination erzielt wurden.

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Fachwerkmodelle und Spannungsfelder sind äusserst leistungsfähige Hilfsmittel für die Bemessung im Betonbau. Sie ermöglichen es, den Kraftfluss konsequent zu verfolgen und dem Tragwerk weitgehend vorzugeben, wie es die Lasten abtragen soll.

Als Handrechnungen werden sie jedoch den heutigen Ansprüchen der Berufspraxis kaum mehr gerecht, weshalb sie zunehmend durch FE-Analysen verdrängt werden. Um die Anwendung von Spannungsfeldern künftig zu fördern, haben wir sie, in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner, als verträgliche Spannungsfelder in eine benutzerfreundliche, kommerzielle Software implementiert. Neben der Tragsicherheit, wie bei herkömmlichen Fachwerkmodellen, kann damit auch das Verhalten im Gebrauchszustand untersucht werden, ohne die Vorteile der Transparenz und Kontrolle über die Bemessung zu opfern.

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Willkommen im neuen Blog der Professur für Massiv- und Brückenbau der ETH Zürich! Wir sind ein engagiertes Team von Bauingenieurinnen und Bauingenieuren, tätig in Lehre und Forschung. Dieses Jahr starten wir diesen Blog als Plattform für den Austausch in unserem Fachgebiet.
In naher Zukunft werden Sie hier Beiträge zu verschiedenen Themen finden, wie z. B. aktuelle Erkenntnisse und Publikationen, Aktivitäten in Kommissionen, laufende Versuche in unserem Labor oder Reviews von Prüfungen. Ausserdem werden wir unsere Gedanken und Meinungen zu aktuellen und relevanten Themen teilen, auch in Form von Gastbeiträgen. Nach dieser zweisprachigen Einleitung werden die Beiträge in der Regel entweder auf Englisch oder auf Deutsch erscheinen, je nach Präferenz des Autors und der Zielgruppe.

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