FG Bautechnikgeschichte
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BTU
Das Potenzial der Spektralanalyse für die Werkstoffcharakterisierung von Stahlguss im Bestand
(2023)
Im Zusammenhang mit Sanierungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen an bestehenden Brückenbauwerken muss auch der Zustand der Bestands-Brückenlager beurteilt werden. Mangels Grundlagen bleiben hierbei Fragen offen, z.B. zu den Möglichkeiten einer minimal-invasiven Untersuchung des Lagerwerkstoffs. Gerade hier setzen die Einbaugegebenheiten Grenzen für eine Probenentnahme.
Am Beispiel des ab ca. 1880 üblicherweise für Brückenlager verwendeten Werkstoffs Stahlguss erläutert der Beitrag Methodik und Ergebnisse eines analytischen Ansatzes zur Werkstoffcharakterisierung allein auf Grundlage einer elektrochemischen Probenanalyse. Für die Versuche stand eine Vielzahl historischer Brückenlager zur Verfügung; als Referenzwerte dienten Ergebnisse aus standardisierten Zugversuchen an Rundproben.
Im Ergebnis des Vorgehens konnte eine sehr positive Übereinstimmung der auf Grundlage elektrochemischer Messungen analytisch ermittelten Festigkeiten mit denen der Referenzproben bescheinigt werden. Der Ansatz zeigt damit einen vielversprechenden minimal-invasiven Zugang zum Werkstoff im Rahmen von Bauteiluntersuchungen auf – auch über den hier thematisierten Werkstoff Stahlguss hinaus.
Betrachtet wird die geometrische Konzeption der Gewölbe der von Balthasar Neumann entworfenen Wallfahrtskirche Vierzehnheiligen. Ausgehend vom gebauten Objekt und basierend auf 3D-Scanningdaten, werden mithilfe der Methode des Reverse Geometric Engineering die geometrischen Eigenschaften des Gewölbes untersucht und die Konzepte rekonstruiert, die bei der Planung zur Anwendung gekommen sein müssen. Dabei werden die Abteikirche Banz und die Hofkirche der Residenz Würzburg als Vergleichsbauten mit einbezogen. Die Entwurfsmethoden werden in ihrem Zusammenhang mit den zeitgenössischen Traktaten der Stereotomie und Architektur, sowie mit bekannten Planungspraktiken bei geometrisch komplexen Bauten betrachtet; dabei wird auch der Bezug zu den Gewölbeentwürfen des italienischen Barockarchitekten Guarino Guarini diskutiert.
The introduction of early reinforced concrete by the European specialists in the Russian Empire can be divided into two development periods. Due to their intensive efforts, the new construction method was successfully introduced in constructions of public, residential and industrial buildings at the end of the 19th century using the well-known Monier and Hennebique systems. The application of the construction method during this stage of development ranged from single building elements to small-scale structures. At the beginning of the 20th century, the increasing adoption of the application of construction methods in all fields of construction by Russian specialists and the unstable political situation in the country led to the interruption of the activity of foreign specialists. After the political situation had stabilised and the country experienced a new wave of industrialisation, construction activity by Europeans was relaunched with impetus. Drawing on catalogues of the construction companies, on historical technical literature and on available archival documents, this paper names the important European specialists and describes their buildings constructed during this phase in the Russian Empire. Special attention is paid to the large scale skeletal structures.
Christoph Dientzenhofer (1655–1722) is considered one of the most important Baroque master builders of Central Europe. From his extensive architectural oeuvre, a group of six church buildings with geometrically complex forms stands out, recognised by architectural historians as particularly innovative and influential. These churches, located in Bohemia (Czech Republic), and often collectively referred to as the ‘radical’, ‘dynamic’, ‘Guarinesque’, or simply ‘Bohemian’ group, are: St. Joseph in Obořiště (1702–11), the Castle Church in Smiřice (1702–11), St. Nicholas in the Lesser Town of Prague (1703–11), St. Clare in Cheb (1707–11), St. Margaret in Břevnov (1708–16), and the Church of the Holy Assumption in Nová Paka (1709–24). The brick vaults of these six buildings, sequences of oval domes and double-curved vault areas, are of particular interest for building research. In this study, the geometric design of the vaults of Dientzenhofer’s ‘radical’ churches is documented, analysed, and compared using 3D laser scans of the buildings as primary source. The 3D models generated from the scans enable a geometric analysis through the method of reverse geometric engineering, breaking down the vaults’ complex three-dimensional forms into their basic two-dimensional components: segments of circles with different radii and orientations, curved in one or two directions. These forms can be found in the architectural and stereotomic treatises that were widespread at the time. By comparing the vault geometry of the six churches with each other and with the geometric concepts discussed in the treatises, general statements can be made about the architect’s design choices. On the basis of this investigation, hypotheses are made about the design and underlying geometric ideas of the vaults of Dientzenhofer’s ‘radical group’, and the results are placed in context.
The cathedrals and lavish secular buildings of the high medieval era bear witness to the level of skill with which heavy ashlars were hoisted and laid by the contemporary craftsmen. However, due to the lack of sources like treatises and naturalistic depictions we know comparably little about the cranes they used. To refine our knowledge of high medieval cranes this paper discusses their construction and technical capabilities based around preserved machines and finds examined with the methods of building archaeology.
Some considerations on the early development of cross vaults and rib vaults in medieval architecture
(2023)
The fundamental shift in the geometric design of cross vaults that gave way to the development of Gothic vaults is usually associated with the introduction of cross ribs built with cut stone. And it is generally assumed that the development of the rib vault occurred in Norman architecture shortly before 1100, from where it was introduced to early Gothic vault architecture. In particular, the requirements of stone planning in the ribs has been interpreted as a guiding feature of the geometric design of the vaults.
However, surveys and geometric analyses carried out in some prominent vaulted structures suggest that this innovation in the geometric concept of vaults may have taken place at an earlier date, and that this development has a more complex relation to the use of ribs than it has been generally assumed. We discuss this in case studies on the geometric concept of the cross vaults in the Palatine Chapel at Aachen and in the two medieval building phases of Speyer Cathedral. In the latter, archaeological evidence shows that in the complex, wide spanned high vault of the nave one original bay still survives from the late 11th century. The research in progress on the earliest known rib vaults in central European architecture also raises questions regarding the early history of stereotomy.
In the lack of written or graphic sources about the design and building technology in these structures, the built object is an essential source for understanding the decision-making processes in planning of complex spatial structures stable by their shape. The interpretation of the geometric data and the evidence from building archaeology gives an insight also on the background of knowledge in the design of highly demanding spatial structures in the middle-ages.
Documentation and analysis of the free-handed vaulting technique at the Toor Caravanserai, Iran
(2022)
This paper discusses the development of shell structures in the context of the application of early reinforced concrete in the Russian Empire. Following a short discussion of the context and general conditions, the main construction methods are addressed. Different types of buildings are analysed in the paper, covering the period from the first structures in 1888 until the revolution of 1917. Special attention is given to shell constructions and their supporting structures. As they are intricate and technically advanced, these structures arguably represent the highest point in the development of early reinforced concrete.
The research was based on Soviet era and later construction history publications, archival documents, and drawings as well as historical technical literature on the topic in Russian, French, German, and English. Such a broad overview has allowed the history of the development of early reinforced concrete constructions to be seen from different perspectives.
Johann Dientzenhofer’s Banz Abbey Church (1710-1718) and Balthasar Neumann’s church of Vierzehnheiligen (1743-1772), both located in Upper Franconia (Germany), are characterised by their masonry vaults, sequences of oval domes separated by double-curved arches. This Late Baroque architecture has been called “Guarinesque”; however, the conceptual connection between the vaults and Guarino Guarini’s architecture remains to be thoroughly investigated. This paper resumes the discussion about the geometric definitions of these vaults using the modern methods of geometric analysis and reverse geometrical engineering, based on 3D laser scanning. The analysis of these scans reveals a design process based on plane circle segments and ovals, while more complex geometric procedures are not necessary to describe the vaults. Further, the relationship between these designs and the procedures of geometric design described in the treatises of stereotomy since the 16th century can be shown. On this background, the relation to Guarini’s Architettura Civile (1737) is discussed.
Simply complex: Case studies on complex stone constructions of High Medieval courtly chimneys
(2021)
As a part of the wide research field regarding the introduction of European knowledge to the Russian Empire and its adoption and implementation, this paper shines a light on aspects of early reinforced concrete knowledge transfer. The development of reinforced concrete in Russia has been studied and described in Russian publications of the Soviet and later periods to a limited extent. However, the evident and substantial influence of European knowledge and the contributions of European specialists from France, Germany, Swit-zerland, and Austria has remained unexamined. Drawing on historical, technical, and periodical literature as well as on archival documents, this paper describes three different examples of knowledge transfer and their influence on the local development of reinforced concrete.
The omission of the contribution of European specialists to the development of early reinforced concrete in the publications of the Soviet and later periods led to this research. An investigation of the technical literature and archival documents brought about new discoveries. European engineers and representatives of well-known European construction companies played an important role in the early development of reinforced concrete in the Russian Empire. This paper describes the introduction and the development of this construction technology in Saint Petersburg and is an extract from the author’s doctoral thesis on the development of rein-forced concrete in the Russian Empire from its inception to the outbreak of the October Revolution.
Mit der Einführung des Eisens als Konstruktionswerkstoff im Zuge der Industriellen Revolution hatten sich dem Brücken- und Hochbau unge-ahnte Dimensionen in Entwurf, Berechnung, Konstruktion, Montage und Nutzung eröffnet, die ein neues Denken der Ingenieure erforderten. So wurden Bewegungen eiserner Überbauten, insbesondere durch Temperaturveränderungen, nicht mehr als unerwünschte und zu unterdrückende Begleiterscheinung verstanden, sondern als integraler Bestandteil des Konstruierens mit Eisen zugelassen. Damit avancierte auch die Lagertechnik zum Spiegel eines neuen Denkens, wie es Werner Lorenz bereits 1990 am Beispiel der Entwicklung des Dreigelenksystems aufzeigte: Sicherheit durch Beweglichkeit. Die Generation der eisernen – später stählernen – Lager sollte bis nach dem Zweiten Weltkrieg ein technisches Stamm-Inventar des Konstruktiven Ingenieurbaus bilden. Aufbauend auf einer Darlegung des technik-geschichtlichen Kontextes sowie der Einführung von Lagern in den Brückenbau thematisiert nachfolgender Beitrag die Ausprägung einer Konstruk-tionssprache für eiserne bzw. stählerne Lager. Den methodischen Leitfaden bilden die schematischen Handlungsebenen Industrie, Verwaltung und Wissenschaft mit ihrem triadischen Zusammenspiel und ihren unterschiedlich motivierten Impulsen auf die Sprachentwicklung. Letztere ist nicht linear, sie folgt aber im entwicklungsgeschichtlichen Sinne einer Reifung bzw. Optimierung, um nach einem Stillstand schließlich durch die spezifische Konstruktionssprache einer neuen Lagergeneration abgelöst zu werden. Am hier aufgezeigten Beispiel wird im Nachgang die Gültigkeit eines von Lorenz vorgeschlagenen allgemeinen Entwicklungsmodells für Konstruktionssprachen untersucht.
Angesichts der zunehmenden Sanierungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen an bestehenden Brückenbauwerken muss auch der Zustand der vorhandenen historischen Brückenlager beurteilt werden. Mangels verlässlicher Grundlagen bleiben hierbei Fragen offen, zum Beispiel zu den Möglichkeiten einer minimalinvasiven Untersuchung des Lagerwerkstoffs. Gerade hier setzen die Einbaugegebenheiten werkstofflich und statisch-konstruktiv bedingte Grenzen für eine Probenentnahme.
Am Beispiel des ab ca. 1880 üblicherweise für Brückenlager verwendeten Werkstoffs Stahlguss zeigt der Beitrag die Möglichkeit auf, mittels Kleinstdruckproben Aussagen zum Werkstoffverhalten zu erhalten. Der Artikel erläutert Methodik und diskutiert Ergebnisse der Untersuchungen zur verlässlichen Bestimmung der Streckgrenze des Werkstoffs. Damit zeigt der Beitrag eine interessante und vielversprechende Option für eine minimalinvasive Bauteiluntersuchung auf – auch über den Werkstoff Stahlguss hinaus.
Für die Versuche stand eine Vielzahl historischer Brückenlager zur Verfügung, als Referenzwerte dienten Ergebnisse aus standardisierten Zugversuchen mit normgerechten Flachproben.
Grundlage für den Beitrag bilden Untersuchungen im Rahmen einer Bachelorarbeit der Co-Autorin, die in Verbindung mit dem DFG-Forschungsprojekt Realitätsnahe statisch-konstruktive Bewertung historischer Brückenlager an der BTU Cottbus-Senftenberg entstand.
Die Untersuchungen an Miniatur-Druckproben fanden bereits 2013 statt, konnten bisher aber noch nicht veröffentlicht werden. Sie ergänzen methodisch die Untersuchungen an Miniatur-Zugproben, deren Ergebnisse auf dem 9. Symposium Experimentelle Untersuchungen von Baukonstruktionen in Dresden vorgestellt werden konnten.
Cable-stayed bridges are among the most fascinating endeavours in the history of bridge design. An important part in their historiography is played by the eminent German civil engineer Franz Dischinger (1887-1953) who is usually credited with having been the key initiator of the modern cable-stayed bridge. Based on current research by the author, this paper focuses on the different steps followed by Dischinger during his involvement with the topic of stay cables in bridge design. In addition, direct and indirect influences of his efforts in this field are discussed. By critically analysing this captivating story of 20th-century engineering history, some deep-rooted errors are corrected and important new insights added.
Weitreichende Wirtschafts- und Bildungsreformen schufen im 19. Jahrhundert die Grundlagen für die rasche Entwicklung Deutschlands von einem rückständigen Agrarland zu einer führenden Industrienation. Die deutsche Brückenbaukunst erhob sich über ihr vormals unbedeutendes Niveau und setzte insbesondere hinsichtlich statisch-konstruktiver Kriterien neue Maßstäbe. Baustatische Methoden begannen, die bis dahin weitgehend empirischen Entwurfsansätze abzulösen. Der Beitrag thematisiert den zunehmenden Einfluss mathematisch geschulter Ingenieure bei der wissenschaftlichen Durchdringung eines wichtigen konstruktiven Brückendetails – der Bemessung beweglicher Brückenlager aus Eisen und Stahl. Dabei steht die Dimensionierung der sensiblen Kontaktbereiche zwischen den Lagerwalzen und -platten im Mittelpunkt der Auseinandersetzung. Hierfür vertrauten die Brückenbauer lange Zeit einfachen, empirisch begründeten Formeln. Doch seit den 1860er Jahren erschienen unterschiedliche mathematisch-mechanisch hergeleitete Ansätze, um auch bei der Bemessung der Kontaktbereiche dem inzwischen gestiegenen Anspruch von Wissenschaftlichkeit gerecht zu werden. Kern der Auseinandersetzung im Beitrag bildet die noch im 19. Jahrhundert zur mathematisch exakten Beschreibung von Kontaktvorgängen entwickelte Theorie des Physikers Heinrich Hertz. Der Beitrag zeichnet nach, wie sich seine Theorie für die Bemessung von Brückenlagern im 20. Jahrhundert durchsetzen konnte. Das Ergebnis war eine bemerkenswerte Verflechtung von Theorie und Empirie, die bis heute die Lagerbemessung prägt.
Angesichts der zunehmenden Sanierungs- und Ertüchtigungs-maßnahmen an bestehenden Brückenbauwerken muss auch der Zustand der vorhandenen historischen Brückenlager beurteilt werden. Mangels verlässlicher Grund¬lagen bleiben hierbei oft Fragen unbeantwortet, zum Beispiel zu den Möglichkeiten einer minimal-invasiven Untersuchung des Lager¬werkstoffs. Gerade hier setzen die Einbaugegebenheiten werk¬stoff-lich und statisch-konstruktiv bedingte Grenzen für eine Probenentnahme.
Am Beispiel des ab ca. 1880 üblicherweise für Lager verwendeten Werkstoffs Stahlguss zeigt der Beitrag die Möglich¬keit auf, mittels Kleinstzugproben und durch Rückgriff auf den thermo-elastischen Effekt wichtige Aus¬sagen zum Werkstoffverhalten zu erhalten. Der Artikel erläutert Methodik und diskutiert Ergebnisse thermomechanischer Messungen zur verlässlichen Bestimmung der Streckgrenze des Werkstoffs, die wiederum präzise Aussagen zu dessen Tragfähigkeit ermöglicht. Damit zeigt der Beitrag eine interessante und viel-versprechende Option für eine minimal-invasive Bauteiluntersuchung auf – auch über den Werkstoff Stahlguss hinaus.
Für die Versuche stand eine Vielzahl historischer Brücken¬lager zur Verfügung; als Referenzwerte dienten Ergebnisse aus standardisierten Zugversuchen mit normgerechten Flachproben.
Grundlage für den Beitrag bilden Untersuchungen im Rahmen einer Masterarbeit, die 2014 aufbauend auf Erkenntnissen eines zuvor ab¬ge-schlos¬senen DFG-Forschungsprojekts „Realitätsnahe statisch-konstruk-tive Bewertung histo¬rischer Brückenlager“ an der BTU Cottbus-Senftenberg entstand.
In the context of the ongoing efforts to maintain historic bridges still in use the corresponding bearings made from historic iron or steel have re-entered the perception of engineers. For the structural assessment of the bearings it is essential to find a procedure that allows for identifiying the material properties, while being minimally invasive at the same time. However, in particular the investigation of cast steel, which had become the material most widely employed for bearings by the end of the 19th century, has been largely neglected in technical literature until now. The paper presents results of hardness measurements to determine the tensile strength of bridge bearings made from cast steel. The emphasis was on finding the appropriate measurement method and to define requirements with regard to an adequate surface preparation. The tests showed that hardness measurements with the Leeb-method yield very good results for assessing the tensile strength of historic bearings material. The investigations were part of a research project performed at BTU Brandenburgische Technische Universität in co-operation with BAM Federal Institute for Materials Research and Testing in Berlin and were funded by the DFG German Research Foundation. The tests to evaluate the potential of hardness measurements were carried out at and supported by the BLOCK Materialprüfungsgesellschaft mbH Berlin.