P 844 - Methodenentwicklung und Leitfadenerstellung für die Bewertung der Nachhaltigkeit stählerner Konstruktionen für Erneuerbare Energien

P 843 - Ganzheitliche Bewertung von Stahl- und Verbundbrücken nach Kriterien der Nachhaltigkeit Brücken sind wesentliche Bauten der Infrastruktur, die für eine Nutzungsdauer von mehr als 100 Jahre geplant werden. Trotzdem richtet sich die heutige Bewertungspraxis (Vergabepraxis) von Brücken hauptsächlich nach den Herstellungskosten. Hiervon eine Abkehr in Richtung einer lebenszyklusorientierten Bewertung für Straßenbrücken zu bewirken und damit auch die besonderen Möglichkeiten von Stahl- und Verbundbrücken herauszuarbeiten, war ein wesentliches Ziel dieses Forschungsprojektes. So wurden durch die Anwendung von Bottom-Up-Analysen detaillierte Untersuchungen an Realbauwerken von typischen Stahl- und Verbundbrücken unterschiedlicher Spannweiten durchgeführt. Die Resultate von Lebenszykluskostenrechnungen, Ökobilanzierung und Berechnungen von externen Effekten werden für drei unterschiedliche Typen von Autobahnbrücken dargestellt und in Varianten analysiert. Durch die Ergebnisse der Untersuchungen an den Referenzbauwerken kann gezeigt werden, welche Kriterien zur Unterstützung der nachhaltigen Entwicklung eine besonders große oder eher eine untergeordnete Rolle spielen. Die Betrachtung der ökologischen und ökonomischen Aspekte erfolgt über den gesamten Lebenszyklus, wobei hier, anders als sonst üblich, auch die auf der Baustelle stattfindenden Prozesse detailliert miteinbezogen werden. Als Besonderheit werden auch durch externe Effekte entstehende Umweltwirkungen in der Ökobilanz realitätsnah erfasst. Die im Rahmen dieses Forschungs-projektes verwendeten Instandhaltungsstrategien basieren auf einer bauteilspezifischen Beschreibung des Degradationsverhaltens der Brücken und deren Details. Die aus der Verkehrsbelastung stammenden Ermüdungsbeanspruchungen können für Brückenbauwerke von entscheidender Bedeutung sein. Hier wurde anhand von Push-Out-Versuchen das Ermüdungsverhalten für zyklische Längsschubbeanspruchung einer innovativen Verbundfuge untersucht. Im Rahmen der Analyse von weltweit und national existierenden Bewertungsansätzen muss zwischen Bewertungssystemen und einzelnen Methoden unterschieden werden. Vor allem für die externe Kostenrechnung wurden geeignete Berechnungsinstrumente ausgewählt und angewendet. Da ein wichtiges Projektergebnis die Feststellung und Quantifizierung einer starken Standortabhängigkeit der berechneten Auswirkungen und vor allem der externen Effekte ist, werden im Projekt nur Variantenvergleiche mit identischen Berechnungsrandbedingungen durchgeführt. Ein standortunabhängiger Vergleich unter Verwendung einheitlicher, auf den gesamtdeutschen Raum bezogener, fester Gewichtungsfaktoren und Benchmarks wird auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse nicht empfohlen. Durch die Analyse von fünf Referenzbauwerken und insgesamt zehn verschiedenen Varianten (verschiedene Detailausführungen, Instandhaltungsstrategien und Autobahnsituationen) wird eine umfangreiche Beispielsammlung geschaffen, die durchgängig eine hohe Praxisrelevanz aufweist. Der Schwerpunkt wird auf die quantitative Ergebnisdarstellung gelegt. Für alle Berechnungen finden dieselben Lebenszyklusansätze Verwendung und alle Eingangswerte werden vollständig auf Bauteilebene definiert. Es kann anhand der Variantenuntersuchungen aufgezeigt werden, dass Herstellungskosten nicht als alleinige Entscheidungsgrundlage für Brückenbauwerke herangezogen werden sollten. Eine Bewertung sollte immer standortbasiert erfolgen, um Stärken und Schwächen von Brückenvarianten für ökonomische, ökologische sowie volkswirtschaftliche Auswirkungen über den gesamten Lebenszyklus zu beurteilen. Das IGF-Vorhaben 353 ZN der FOSTA - Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart, an der Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, des Karlsruher Instituts für Technologie, am Lehrstuhl für Metallbau der Technischen Universität München, am Lehrstuhl für Bauphysik, Abteilung Ganzheitliche Bilanzierung der Universität Stuttgart und von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Abteilung Brücken- und Ingenieurbau durchgeführt. Autoren: U. Kuhlmann, P. Maier, T. Zinke, T. Ummenhofer, M. Pfaffinger, M. Mensinger, T. Beck, K. Lenz, S. Schneider, M. Fischer, H. Friedrich, R. Kaschner, J. Krieger Veröffentlichung: 2016

P 845 - Bauen im Bestand - Potentiale der Stahl(leicht)bauweise Bauen im Bestand beschreibt im Allgemeinen die Verdichtung, Modernisierung und Sanierung von bestehenden Gebäuden. Für die nächsten Jahre ist darin ein Schwerpunkt im Baubereich zu sehen. Zur Bewältigung der Aufgaben der langfristigen Erhaltung und Erneuerung der bestehenden Gebäude, bietet das ganzheitliche System der Nachhaltigkeitbetrachtung eine umfassende Grundlage für alle betroffenen Akteure. Um die Vorteile der Stahl(leicht)bauweise optimal zu nutzen, sind umfassende Grundlagen, Planungshilfen und Bewertungskriterien erforderlich, die den interdisziplinären Bauaufgaben unter gesamtheitlicher Berücksichtigung von stadtplanerischen, architektonischen und bauphysikalischen Aspekten sowie statisch-konstruktiven Anforderungen, baubetrieblichen Aspek-ten, Gesichtspunkten der Immobilienbewertung und einer lebenszyklusübergreifenden Nachhaltigkeitsoptimierung gerecht werden. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die Grundlagen für das „Bauen im Bestand“ für jede der genannten Teildisziplinen erarbeitet. Hierbei lag der Fokus besonders auf der Erweiterung von bestehenden Gebäuden, im speziellen in Form von Aufstockungen in Stahl(leicht)bauweise. Dies beinhaltet eine architektonische und baukonstruktive Analyse von bereits realisierten Erweiterungsmaßnahmen sowie einen Überblick über historische Baustoffe. Darüber hinaus wurde die Möglichkeit einer Ausbildung der Fassade in Sandwichbauweise in Bezug auf Konstruktion, Details und Modularität betrachtet. Vor dem Hintergrund der stetigen Reduzierung des Heizenergie- und Primärenergiebedarfes wurde außerdem die Integration von Latentwärmespeichern für den sommerlichen Wärmeschutz untersucht. Der auf diese Weise optimierte sommerliche Wärmeschutz führt zu einer Reduzierung des Kühlbedarfs im Sommer. Abschließend stand die baubetriebliche Planung von Baustellen zum „Bauen im Bestand“ im innerstädtischen Bereich im Mittelpunkt der Untersuchungen. Die auf diesen Aspekten basierenden Nachhaltigkeitsanalysen dienen als Unterstützung in der Projektentwicklung für Bestandsbaumaßnahmen. Zu diesem Zweck wurden zusätzlich auf den Bestand ausgerichtete Bewertungsansätze und Systemgrenzendefinitionen für die drei Dimensionen Ökonomie, Ökologie und Gesellschaft erarbeitet. Im Ergebnis liegen nun erstmalig detaillierte Ökobilanzergebnisse für konkrete Bestandsbaumaßnahmen vor, mit deren Hilfe unterschiedliche Abriss- und Neubauszenarien bewertet werden können. Auch ökonomische Vorteile des Bauens im Bestand konnten aufgezeigt werden. An ausgewählten Beispielgebäuden, die in Stahlbetonskelett- Bauweise in den Jahren 1960 -1970 errichtet wurden, wird die Anwendung der jeweiligen Bewertungskriterien gezeigt. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Ergebnisse stellen in Summe für den Planer, auch bereits für eine frühe Planungsphase, einen Leitfaden für den nachhaltigen Umgang mit Bestandsgebäuden dar. Das IGF-Vorhaben 16598 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Technischen Universität Dortmund vom Lehrstuhl Stahlbau, vom Lehrstuhl Baukonstruktion und vom Lehrstuhl Baubetrieb und Bauprozessmanagement, am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, an der Technischen Universität Braunschweig vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, am Institut für Trocken- und Leichtbau gGmbH und an der Technischen Universität Darmstadt vom Fachgebiet für Tragwerksentwicklung und Bauphysik durchgeführt. Autoren: D. Ungermann, A. Patschin, A. Pätzold, E. Prechwinkel, P. Floerke, S. Weiß, M. Gralla, T. Brandt, T. Ummenhofer, M. Herrmann, T. Zinke, C. Herrmann, T. Dettmer, K. Tichelmann, B. Ziegler Veröffentlichung: 2016

P 846 - Untersuchungen zur Herstellbarkeit von frei geformten Hüll- und Fassadenelementen als selbsttragende Struktur ohne Unterkonstruktion aus nichtrostendem Stahl mittels inkrementeller Blechumformung (IBU) Der in den letzten Jahrzehnten gestiegene Wunsch nach individualisierten Produkten zeigt sich im Bauwesen vor allem in der Erweiterung des Formenspektrums, wie beispielsweise in der Freiform-Architektur. Auf Grund fehlender ausgereifter und  universell anwendbarer Baukonzepte werden freigeformte Fassaden- und Dachkonstruktionen zumeist als Einzellösungen mit materialintensiven Unterkonstruktionen realisiert, wobei die Hüllflächen teilweise weder lasttragende noch funktionelle Aufgaben übernehmen. In diesem Kontext beschreibt der Forschungsbericht ein neues Baukonzept für selbsttragende Leichtbau-Freiformstrukturen, das die Möglichkeit bietet, denLastabtrag sowie Funktion und Design der Gebäudehülle in einer zweilagigen Struktur zu vereinen. Die Kombination aus Tesselierung und Faltung einer Hüllfläche, die grundsätzlich den Aufbau selbsttragender Strukturen aus Metallblech ermöglicht, wurde dazu im beschriebenen Forschungsprojekt auf komplexe freigeformte Geometrien übertragen. Die auf Basis der inkrementellen Blechumformung (IBU) entwickelte flexible Fertigungskette eignet sich für die Produktion der erforderlichen Fassadenelemente auch im Falle von Freiform-Entwürfen, bei deren geometrischer Approximation zwangsläufig eine Vielzahl individueller Einzelteile entsteht. Eine ganzheitliche Optimierung des Baukonzeptes wurde insbesondere dadurch ermöglicht, dass in enger Zusammenarbeit zwischen Architekten, Bauingenieuren und Fertigungstechnikern die gesamte Prozesskette vom anfänglichen Design über die Fertigung bis hin zur Endmontage mit all ihren Interaktionen analysiert und aufeinander abgestimmt wurde. Darüber hinaus konnte das gesamte Baukonzept mit allen Details der Entwurfsausarbeitung und der Fertigungs-, Fügeund Montagetechnik in einem eigens entwickelten Softwaretool für die Planungsphase verankert werden. Dieses Softwaretool unterstützt somit eine fertigungsgerechte Planung und automatisiert alle erforderlichen Schritte in der Entwurfs- und Detaillierungsphase. Für den abschließenden Montageprozess wurde ein geeignetes Füge- und Montagekonzept entwickelt, welches sich den  selbsttragenden Charakter der entwickelten Strukturen zu Nutze macht und eine problemlose Montage der Einzelteile zur  Gesamtform ermöglicht. Wie am Beispiel des realisierten Musterbauwerks gezeigt werden konnte, ermöglicht das entwickelte Baukonzept die Realisierung von selbsttragenden Freiformstrukturen, z.B. für den Dach- und Fassadenbereich. Die kalkulierten Realisierungskosten, die sowohl die Fertigung als auch die Montage beinhalten, liegen dabei unter 2700 €/m², was in Anbetracht der hohen Geometrieflexibilität in einem durchaus konkurrenzfähigen Bereich rangiert. Das enorme Leichtbaupotential des Baukonzeptes konnte durch ein Flächengewicht von weniger als 16 kg/m² bestätigt werden. Durch die entwickelten Ansätze wurden also neue Möglichkeiten für metallische Bauweisen in der modernen Architektur sowie im Designbereich eröffnet. Darüber hinaus bieten sich für metallverarbeitende Unternehmen Potentiale, durch eine Adaption der entwickelten IBU-basierten Fertigungskette, die flexible Fertigung von Blechteilen anzubieten und somit ihre Geschäftsfelder zu erweitern. Insgesamt werden also sowohl das Anwendungsspektrum als auch die Geometrieflexibilität für Bauteile aus Stahlblech erweitert und somit ein steigender Absatz der Rohmaterialien und Halbzeuge ermöglicht. Das IGF-Vorhaben 16603 N des Deutschen Ausschusses für Stahlbau DASt, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde vom Institut für Bildsame Formgebung und vom Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen durchgeführt. Die fachliche Begleitung des Vorhabens erfolgte durch die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf. Autoren: G. Hirt, M. Bambach, D. Baily, M. Trautz, H.W. Heyden, R. Herkrath, T. Pofahl, G.D. Puppa Veröffentlichung: 2014

P 840 - Zur Stabilität von biegebeanspruchten I-Trägern mit und ohne Voute –- Bemessungshilfen für den vereinfachten Stabilitätsnachweis Rahmenartige Tragwerke aus Stahl werden überwiegend aus offenen, I-förmigen Walzprofilen hergestellt,w obei häufig in den hochbeanspruchten Rahmenecken durch Voutung der Profile eine Annäherung an den Beanspruchungsverlauf vorgenommen wird. Diese Konstruktionsweise bietet den wirtschaftlichen Vorteil, dass für den größten Trägerbereich ein statisch angepasstes, kleineres Profil verwendet werden kann. In der aktuellen Normung sind für den Nachweis der räumlichen Stabilität, d.h. den Biegedrillknicknachweis, Nachweisformate angegeben, die auf der Ermittlung des idealen Biegedrillknickmomentes an einem herausgelösten Einzelstab basieren. Die Bauteiltragfähigkeit wird dann mit Hilfe einer durch Versuche und numerische Simulationen festgelegten Tragfähigkeitskurve bestimmt. Für den Nachweis parallelgurtiger Stäbe sind hierfür in der Fachliteratur zahlreiche Hilfen angegeben, das Biegedrillknicken gevouteter Bauteile wird jedoch nicht befriedigend erfasst. Im Rahmen des FOSTA Forschungsvorhabens P 690 wurden Bemessungshilfen für gevoutete Bauteile erarbeitet, die die Ergebnisse von numerischen und experimentellen Untersuchungen in aufbereiteter Form für die Anwendung auf den vereinfachten Stabilitätsnachweis angeben. Im vorliegenden Bericht werden diese Bemessungshilfen so zusammengestellt, dass sie dem Ingenieur in der täglichen Praxis als Hilfe für einen schnellen und einfachen Stabilitätsnachweis von biegebeanspruchten I-Trägern mit und ohne Voute dienen können. Hierzu werden die Ergebnisse so strukturiert, dass alle erforderlichen Informationen für den vereinfachten Stabilitätsnachweis schnell und einfach verfügbar sind. Die Bemessungshilfen umfassen Diagramme und Formeln zur Berechnung des idealen Biegedrillknickmomentes Mcr für Bauteile mit abschnittsweise veränderlichem Querschnitt. Es werden Empfehlungen zur Wahl der Traglastabminderungskurve gegeben. Außerdem werden Hilfen für die rechnerische Berücksichtigung von sekundären Bauteilen wie Pfetten, Verbänden und Trapezblechen bereitgestellt sowie Regeln für das Herauslösen von Ersatzstäben aus dem Gesamtsystem angegeben. Der vorliegende Bericht besteht aus den Bemessungshilfen, die im Anhang in komprimierter Form zusammengestellt sind. Im Textteil werden die notwendigen Hintergründe erläutert. Die Anwendung der Bemessungshilfen wird mit Hilfe von Ablaufdiagrammen undanhand eines Bemessungsbeispiels verdeutlicht. Das Forschungsvorhaben wurde an der Technischen Universität Dortmund vom Lehrstuhl Stahlbau mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, durchgeführt. Autoren: D. Ungermann, I. Strohmann Veröffentlichung: 2014