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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