FG Bautechnikgeschichte
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Brückenlager.1850-1950
(2010)
Mit der Zunahme von Sanierungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen an bestehenden Brückentragwerken rücken auch die historischen gusseisernen und stählernen Brückenlager wieder in den Fokus der Ingenieure. Das Fehlen verlässlicher Grundlagen für eine statisch-konstruktive Bewertung dieser Lager gab Anlass für die vorliegende Dissertation, die im Wesentlichen drei Punkte bearbeitet: In einem ersten Schritt wird die Geschichte der Brückenlager unter genealogischen Gesichtspunkten von den Anfängen bis zur Gegenwart aufgearbeitet. Aus den Ursachen, die zur Einführung wie auch zur Ablösung der gusseisernen und stählernen Brückenlager führten, werden deren spezifische Vor- und Nachteile abgeleitet. Im zweiten und dritten Schritt der Arbeit stehen ausschließlich die gusseisernen und stählernen Brückenlager im Mittelpunkt, die zwischen 1850 und 1950 wichtiger Bestandteil eines jeden größeren Brückenbauwerks waren. Diese einhundert Jahre bilden prinzipiell den Untersuchungszeitraum der vorliegenden Arbeit. Da die Impulse bei der Entwicklung der gusseisernen und stählernen Brückenlagertechnik vornehmlich aus Deutschland kamen, konnten sich die Untersuchungen auf den deutschsprachigen Raum konzentrieren, ohne jedoch den Blick für entsprechende Arbeiten im Ausland zu verlieren. Auf den Erkenntnissen zur Entwicklungsgeschichte der Brückenlagertechnik aufbauend, werden die gusseisernen und stählernen Brückenlager zunächst typologisch erfasst. Im Anschluss wird der bauaufsichtliche und technikgeschichtliche Hintergrund der Lagerherstellung innerhalb des Untersuchungszeitraumes erläutert. Abschließend fokussiert die Arbeit die hauptsächlichen Problembereiche der historischen gusseisernen und stählernen Brückenlager, die aus der für Brückenlager geforderten Kinematik an den beweglichen Lagern resultierten. Kern der Untersuchungen bilden die zur Sicherstellung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Lager entwickelten Bemessungsansätze bzw. die in diesem Zusammenhang veranlassten Versuche. Die genannten Punkte werden im Wesentlichen durch Auswertung historischer Literatur sowie ausgewählter Archivmaterialien erarbeitet. Ein der Arbeit beiliegender Katalog fungierte dabei als Hilfsmittel, um bei der Auswertung des umfassenden Quellenmaterials die für diese Arbeit relevanten Inhalte nach spezifischen Kriterien ordnen zu können.
Die seit 1974 unter Denkmalschutz stehende Fleischbrücke in Nürnberg (erbaut 1596-1598) gilt als das bedeutendste Brückenbauwerk der Spätrenaissance in Deutschland. In der dreibändigen Monographie wird die Fleischbrücke erstmalig mit den Methoden der Bauforschung im historischen Kontext untersucht. Baugeschichte, Bauaufnahme, eine historisch akzentuierte statisch-konstruktive Analyse sowie Modellversuche im Maßstab 1:10 wurden herangezogen (Bd. 1). Den zahlreichen Entwurfsplänen kam besondere Bedeutung zu, weil sie qualitative statisch-konstruktive Überlegungen visualisieren. Die ca. 100 Pläne – über Archive und Einrichtungen vorwiegend der Stadt Nürnberg verstreut – wurden erstmals systematisch erfasst und im „Katalog der Entwurfs- und Konstruktionspläne“ (Bd. 2) aufbereitet. Zum Denkmal gehörende Überlieferungen in Wort und Bild, die dessen Zeugniswert und öffentliche Bedeutung dokumentieren, finden sich als repräsentative Auswahl in der „Materialsammlung“ (Bd. 3). Die Monographie der Fleischbrücke entstand parallel zu Planungsarbeiten für eine konstruktive Instandsetzung seitens des Tiefbauamtes Nürnberg (Realisierung 2004/05).
This paper investigates the case study of Kilian Ignaz Dientzenhofer’s church of St. Hedwig in the Polish region of Silesia. The building, a popular pilgrimage church, is known in the history of art and architecture as a Late Baroque jewel with a curious design and famous frescoes. While the shape of the building and its vault has led to different interpretations in the past, its geometry has not yet been analysed on a reliable basis. Moreover, the construction of the brick vault has not yet been subject to scientific research. In order to investigate these aspects, a 3D laser scan of the vault’s extrados and intrados was utilised as the primary source. The 3D model generated from the scan not only enabled the detailed description of structural ribs, brick patterns and construction details on the extrados, but also made a geometrical analysis using reverse geometric engineering possible. The results show a geometric design of the vault surfaces as well as double-curved arches based on simple plane circle segments. This clear geometric definition of the vault is associated with a remarkable simplicity of construction method and centering. In the context of other vault designs by members of the Dientzenhofer professional circle of master builders and architects, the vault of St. Hedwig can be seen as both a continuation and an improvement in terms of geometric design and construction details.
Safety evaluation of truss structures depends upon the determination of the axial forces and corresponding stresses in axially loaded members. Due to presence of damages, change in intended use, increase in service loads or accidental actions, structural assessment of existing truss structures is necessary. Precise identification of the stresses plays a crucial role for the preservation of historic truss structures. The assessment measures require non-destructiveness, minimum intervention and practical applicability.
Motivated by the preservation of existing truss−type constructions composed of axially loaded slender members, the present work aims to develop a non-destructive methodology to identify the axial forces or corresponding stress states in iron and steel truss structures. The approach is based on vibration measurements and the finite element method combined with optimization techniques.
After a state of the art review, numerical and experimental studies were carried out in the research work on different partial systems of truss-type structures. The examined aspects included the effects of structural loading on the dynamic performance of truss structures, modelling of joint connections, mode pairing criteria, selection of updating parameters and definition of an objective function, as well as the use of different optimization techniques.
A methodology consisted of a two-stage model updating procedure using optimization techniques was proposed for the determination of multiple member axial forces and estimation of the joint flexibility of truss-type constructions. In the first stage optimization, the validation criterion is based on the experimentally identified global natural frequencies and mode shapes of the truss. Additionally, the axial forces in selected individual members of the truss are used. They are estimated from the natural frequencies and five amplitudes of the corresponding local mode shapes of the members using an analytically−based algorithm. Based on the results of the identified axial forces in the first stage, a second optimization procedure for the joint stiffness is performed. In this stage, the modal parameters of the global natural frequencies and mode shapes are used as validation criterion.
From the results of the investigated systems, the identified axial forces by the proposed methodology agree well with the experimentally measured axial forces. Furthermore, recommendations are given in the work for a guideline of measuring concepts and assessment strategies applied to existing iron and steel truss-type structures.
This paper is concerned with the inverse identification of the stress state in axially loaded slender members of iron and steel truss structures using measured dynamic data. A methodology is proposed based on the finite element model updating coupled with nature-inspired optimization techniques, in particular the particle swarm optimization. The numerical model of truss structures is calibrated using natural frequencies and mode shapes from vibration tests, as well as additional information of the axial forces in selected truss members based on the experimentally identified modal parameters. The results of the identification are the axial forces or corresponding stresses in truss structures and the joint rigidity in relation to pinned and rigid conditions. Attention is given to several examined aspects, including the effects of the axial tensile and compressive forces on the dynamic responses of trusses, mode pairing criteria, as well as modeling assumptions of joints and the use of a joint rigidity parameter. Considering the pairing of modes, it is performed by adapting an enhanced modal assurance criterion that allows the selection of desired clusters of degrees-of-freedom. Thus, information extracted from the measurements related to specific modes is utilized in a more beneficial way. For modeling of joints, the numerical model of a truss structure includes rotational springs of variable stiffness to represent semi-rigid connections. Moreover, a fixity factor is introduced for practical estimation of the joint flexibility. The effectiveness of the proposed methodology is demonstrated by case studies involving simulated and laboratory experimental data.
Im frühen 20. Jahrhundert prägten Steineisendecken als einfach zu erstellende und preiswerte Lösungen maßgeblich den Stockwerksbau. Sie übertrafen hinsichtlich Vielfalt und Verbreitung viele Jahre lang die etwa zeitgleich entwickelten Eisenbetondecken und erlangten vor allem in Verbindung mit Skeletttragwerken weltweit Bedeutung. Der Bedeutung der Steineisendecken steht die weitgehende Unkenntnis über die Geschichte und ihre zeitgenössische Berechnung gegenüber. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf den heutigen Umgang mit historischen Steineisendecken. Aktuelle statische Nachweise sind von unscharfen Randbedingungen geprägt. Ein Ausweg wird häufig in Probebelastungen oder der Verstärkung der Deckenfelder gesucht. Beides ist kostenintensiv, oft resultiert aus der Unkenntnis der noch teurere bauliche Ersatz. Die vorliegende Dissertation untersucht die historisch-konstruktive Entwicklung der Steineisendecken. Erstmals wird eine umfassende Entwicklungsgeschichte erarbeitet, dokumentiert und bewertet. Band 1 der Dissertation wird durch ein Kapitel zur Genealogie der Hohlkörper-Deckentragwerke eingeleitet, welches die Entwicklung der Steineisendecke im technisch-historischen Kontext verortet. Eine anschließende Chronologie der Steineisendecken im Deutschen Reich zeigt deren Herausbildung, Verbreitung und Differenzierung sowie die nachlassende Anwendung bei damit einhergehender Stagnation neuer Entwicklungen auf. Aufbauend auf den gemeinsamen Eigenschaften der Deckensysteme wird eine Typologie erarbeitet, die die Einteilung der Steineisendecken in verschiedene Typen sowie die Charakterisierung der einzelnen Deckensysteme ermöglicht. Im Weiteren werden die zur Herstellung der Steineisendecken verwendeten Baustoffe, die baupolizeiliche Zulassung und das historische Bemessungsverfahren behandelt. Eine Zusammenstellung der ursprünglichen Bemessungsmethoden und -regelungen dient der Bewertung der damaligen Vorgehensweise zur Bemessung von Steineisendecken. Da es im Rahmen heutiger Nachbemessungen üblich ist, auf das n-Verfahren zurückzugreifen und die historischen Steineisendecken nach den zur Erbauungszeit gültigen baupolizeilichen Regelungen zu bemessen, werden erste Vorschläge für die Korrektur der Bemessungsparameter unterbreitet. Die Beschreibung möglicher die Tragfähigkeit der historischen Steineisendecken beeinflussende Befunde bildet den Abschluss des ersten Teils dieser Arbeit. Im 2. Band werden die zahlreichen historischen Steineisendeckensysteme zu einem Katalog aufbereitet. In diesem sind nach Kenntnisstand des Verfassers alle in der historischen Fachliteratur beschriebenen Steineisendecken unabhängig von der Existenz einer Patent- oder Gebrauchsmusterschrift sowie der Anwendung der Decke in der Praxis dokumentiert und zeichnerisch in einheitlichem Maßstab dargestellt. Darüber hinaus wird der zweite Band durch die ausführliche Abhandlung der für die Herstellung jedes Deckensystems nötigen Arbeitsschritte ergänzt. Im 3. Band werden eine repräsentative Auswahl historischer Erlasse und Verfügungen sowie zahlreiche Illustrationen zur Erläuterung von Band 1 und Band 2 zusammengestellt.
High Medieval chimneys, although often the focal point of contemporary representative buildings, are rarely a topic of construction history. More often they appear in art or architectural history where they are discussed regarding their style and ornamentation. It is however worthwhile to examine these important representative objects with the tools of the construction historian. In them, we can find important information regarding the contemporary craftsmanship and skills. Based on extensive firsthand examinations and building archaeology this paper aims to discuss the planning and building process of the highly complex cut-stone chimney system in the keep of Schönburg Castle (1201 CE) using new methods of reverse engineering.
Among the many innovative church constructions in the Île-de-France during the twelfth century that immediately followed the ground-breaking new building of the abbey church of Saint-Denis, the high vaults in the cathedral of Notre-Dame in Paris mark a turning point – both in sheer dimensions and in their quality of execution as stone constructions. On the other hand, some solutions in design and construction that can be observed in these vaults remain unique within the dynamic development of Gothic vaulting in the great cathedrals built in the following years. On closer view it turns out that the general design of the vault as well as its construction details are hardly understood until now, mainly because they have been overlooked in a unifying perspective on Gothic architecture coined by the idealistic view of the Gothic Revival in the nineteenth century. Further, the particular relation between vault design and stereotomy needs to be clarified, and its significance needs to be understood.
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.
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.