Effiziente Dimensionierungsgrundlagen für die - Stahl

Effiziente Dimensionierungsgrundlagen für die Tragbohlen kombinierter
Stahlspundwände
Dipl.-Ing. Adrian Just
Präsentation anlässlich des Spundwandseminars 2015 in Köln
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung
10. Dezember 2015, Köln
Effiziente Dimensionierungsgrundlagen für die
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann
Dipl.-Ing Adrian Just
Institut für Konstruktion und Entwurf
Schwerpunkte: Stahlbau, Holzbau und Verbundbau
10.12.2015
Pfaffenwaldring 7
70569 Stuttgart
Quelle: General Catalogue Steel Sheet Piling, ArcelorMittal, 2008
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
Inhaltsverzeichnis
1. Motivation / Projekt
2. Halterung durch den Boden
3. Torsionssteifigkeit der Doppelbohle
– Torsionsversuche
– Numerische Untersuchungen (FEM)
4. Vereinfachte Bemessung / Kriterien
– Stabilität nach DIN EN 1993-1-1
– Überblick und Bemessungsablauf
– Knicken (schwache Achse, über Bettung)
10.12.2015
– Biegedrillknicken (über Bettung)
– Biegedrillknicken (über Verschweißung)
5. Zusammenfassung und Ausblick
Quelle: General Catalogue Steel Sheet Piling, ArcelorMittal, 2008
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
1 Motivation Kombinierte Stahlspundwände
Zwischenbohlen (Z-förmig) leiten Kräfte an die Tragbohlen weiter
Tragbohlen (hier: H-förmig)
Länge von bis zu 35 Metern
Große Schlankheit
Halterung durch den Boden bisher nicht angesetzt
Stabilitätsbemessung
Systematische Untersuchung
Doppeltragbohlen: über einen Teil der Länge verschweißt
Konstruktion mit Einzeltragbohlen
Zusammenwirken?
Konstruktion mit Doppeltragbohlen
Zwischenbohlen
Tragbohlen
Quelle: Katalog Stahlspundwände Verkaufsprogamm, ArcelorMittal, 2007-3
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
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Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
1 Motivation Einbausituation
Hafenanlage (am Beispiel CT Altenwerder)
cu
cu
Hohlraum
c
Kombinierte
Stahlspundwand
Unterschied je nach Länge der
Einbettung in tragenden Boden:
– über die gesamte Bohlenlänge
10.12.2015
– über einen Teil der Bohlenlänge
Quellen: nach [3,4]
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Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
1 Projekt (IGF 16493N)
AiF/IGF (FOSTA): Projekt 16493N / FOSTA P813
– Projektkoordination
Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA)
– Forschungsstellen
Universität Stuttgart
Institut für Konstruktion und Entwurf
Prof. Dr.-Ing. U. Kuhlmann
10.12.2015
Technische Universität Hamburg-Harburg
Institut für Geotechnik und Baubetrieb
Prof. Dr.-Ing. J. Grabe
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
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10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
2 Einfluss und Ansatz des Bodens
Einfluss des Bodens (Schallück, Grabe, TUHH)
– Versuche, numerische & analytische Nachrechnung
– Parameterstudie
– Berücksichtigung verschiedener Bauweisen (Teile des Querschnitts nicht gebettet)
Ansatz des Bodens über Dreh- und/oder Wegfedern (Federkonstanten cu und c )
Quelle: [3]
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10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Torsionstheorie
Versuche an der Uni Stuttgart und Torsionstheorie
T
Statisches System:
gabelgelagerter Einfeldträger
L
Analytischer Zusammenhang:
ã
T L
G IT
Querschnittstreue!
Großer Unterschied zwischen
offenen, dünnwandigen und
geschlossenen Querschnitten
Hier z. B.: IT,offen
1/300 · IT,Kasten
Quelle: [8]
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Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Torsionstheorie
Unterschiedliches Verhalten der Doppeltragbohle je nach Grad der
Verbindung an den Schlössern
Zwei Einzelquerschnitte:
Wölbkrafttorsion maßgebend
Ein Kastenquerschnitt:
St. Venantsche Torsion maßgebend
Quelle: [5]
10.12.2015
Ziel der Untersuchung:
Torsionssteifigkeit des Querschnitts je nach Verschweißungsgrad
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Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Versuchsaufbau
T
Versuchsaufbau:
Gesamtübersicht
L
Vorderes Lager:
drehbares Gabellager
Hinteres Lager:
Festes Gabellager
Rahmen
Rahmen
Doppelbohle
Doppelbohle
Achse
10.12.2015
Halterung durch Winkel
Gesamtlänge = 17 m
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10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Versuchsaufbau
Maschinenweggesteuerte
Krafteinleitung
Rechter Zylinder: Druck
Linker Zylinder:
Zug
Maschinenwege der beiden
Zylinder gekoppelt
Lasteinleitung über den
Rahmen als Gabellager
Verwölbung durch Teflon an
allen Kontaktflächen zwischen
Rahmen und Bohle so frei wie
möglich
Quelle: [8]
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10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Versuchsaufbau
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Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Versuchsaufbau
2 Träger, je 3 Schweißmuster: Verschweißung 0 % (1), 10 % (2), 20 % (3)
(1)
(2)
10.12.2015
(3)
Quelle: [3]
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Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Versuchsaufbau
Messtechnik
Neigungsmesser Rotation
DMS Spannungen
Wegmesser (längs)
Verwölbung
10.12.2015
Seilaufnehmer
Rotation
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10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Ergebnisse
0°
13,5°
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10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Ergebnisse
Verwölbung: ohne Verschweißung ca. 10 mm (mit bloßem Auge sichtbar)
FEM zeigt: Verwölbung entwickelt sich immer zwischen Schweißnähten
Quelle: [3]
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10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Ergebnisse
Versagen tritt infolge Längsverformung aus Verwölbung auf
Versagensmodus: gleichzeitiges Versagen mehrerer Schweißnähte
Vergleich zum FEM-Modell: lokale Spannungsmaxima an den Nähten
Quelle: [3]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
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Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Ergebnisse
TorsionsmomentenRotations-Kurven
600
Variante 1 - Peiner Träger
Variante 1 - ArcelorMittal
500
Variante 1
(schwarz / grau)
(fast) keine
Verschweißung
Variante 2 - Peiner Träger
Variante 2 - ArcelorMittal
400
Variante 3 - Peiner Träger
Variante 3 - ArcelorMittal
300
200
Variante 2 (grün)
10 % Verschweißung
100
Variante 3 (blau)
20 % Verschweißung
0
0
2
4
6
8
Verdrehung
10
12
14
[°]
Quelle: [3]
10.12.2015
Unverschweißte Doppelbohle: sehr torsionsweiches Tragverhalten
Höherer Verschweißungsgrad
Höhere Torsionssteifigkeit
Aus Torsionssteifigkeit wird modifiziertes Torsionsträgheitsmoment berechnet
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Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Ergebnisse
FEM-Parameterstudie: Ergebnisdiagramm
(Erreichtes) IT,eff im Vergleich zu IT,box je nach Verschweißungsgrad
Mit steigendem Verschweißungsgrad:
IT,eff nähert sich IT,box
1,10
1,00
0,90
0,80
0,70
Deutliche Erhöhung
von IT,eff wird schon
bei kleinen Verschweißungsgraden
10.12.2015
1-m-Raster
erreicht
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
HZM 880 A
0,10
HZM 1080 D
0,00
0
20
40
60
80
100
Verschweißungsgrad [%]
Quelle: [3]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
3 Torsionssteifigkeit der Doppelbohle Ergebnisse
Zusammenhang zwischen IT,eff und dem Verschweißungsgrad:
Zwei Einzelbohlen:
Wölbkrafttorsion
Mindestprofilhöhe: 800 mm
1-m-Raster
1,10
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
Ein Kastenquerschnitt:
St. Venantsche Torsion
0,50
0,40
0,30
0,20
HZM 880 A
0,10
HZM 1080 D
0,00
10.12.2015
0
20
40
60
80
100
Verschweißungsgrad [%]
in der Praxis relativ üblich: 10 bis 20 %
Quelle: [3]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung / Kriterien
Stabilität nach DIN EN 1993-1-1
Kriterien, wann Stabilität bzw. bestimmte
Stabilitätsphänomene keine Rolle spielen
– Ausschluss von Knicken um die schwache Achse
(über Bodenbettung)
– Ausschluss von Biegedrillknicken (über
Bodenbettung)
– Ausschluss von Biegedrillknicken (über erhöhtes
Torsionsträgheitsmoment infolge Verschweißung)
Möglichkeiten, die stützende Wirkung des
Bodens und die versteifende Wirkung der
Verschweißung zu berücksichtigen
10.12.2015
– Wirtschaftlichere Knicklängenbestimmung
– Ansatz höheren Torsionsträgheitsmoments
Quelle: General Catalogue Steel Sheet Piling, ArcelorMittal, 2008
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Stabilität n. DIN EN 1993-1-1
Stabilität = Versagen eines Bauteils infolge seitlichen Ausweichens
und/oder Verdrehen bevor die Querschnittstragfähigkeit erreicht ist
Für H-förmige Spundwand-Tragbohlen relevante Phänomene:
Biegeknicken
Biegedrillknicken
Quelle: [7]
10.12.2015
Bemessung z. B. möglich über Ersatzstabverfahren
Rückführung des tatsächlichen Stabes (mit wirklichen Lagerungsbedingungen) auf
einen Ersatzstab (Einfeldträger) und Abminderung der Querschnittsträgfähigkeit
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Stabilität n. DIN EN 1993-1-1
Kombinierter Nachweis von
Biegeknicken (um beide Achsen)
und Biegedrillknicken über eine
Doppelformel
Einfluss Knicken:
bzw.
Einfluss Biegedrillknicken:
Starke Achse
Schwache Achse
10.12.2015
y
cu
cu
c
z
LT
Mehr Information zur Bodenbettung in [3,5,6]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Bemessungsablauf / Kriterien
Notwendigkeit prüfen: keine
Prüfung der Kriterien nötig bei
Einbettung über ganze Länge
Eingangswerte zusammenstellen
Quelle: nach [4]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Bemessungsablauf / Kriterien
Notwendigkeit prüfen: keine
Prüfung der Kriterien nötig bei
Einbettung über ganze Länge
Eingangswerte zusammenstellen
Kriterium 1: Ausschließen von
Biegeknicken um die schwache
Achse (durch Bodenbettung)
Quelle: nach [4]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Bemessungsablauf / Kriterien
Notwendigkeit prüfen: keine
Prüfung der Kriterien nötig bei
Einbettung über ganze Länge
Eingangswerte zusammenstellen
Kriterium 1: Ausschließen von
Biegeknicken um die schwache
Achse (durch Bodenbettung)
Kriterium 2: Ausschließen von
Biegedrillknicken (durch Bodenbettung)
Quelle: nach [4]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Bemessungsablauf / Kriterien
Notwendigkeit prüfen: keine
Prüfung der Kriterien nötig bei
Einbettung über ganze Länge
Eingangswerte zusammenstellen
Kriterium 1: Ausschließen von
Biegeknicken um die schwache
Achse (durch Bodenbettung)
Kriterium 2: Ausschließen von
Biegedrillknicken (durch Bodenbettung)
Kriterium 3: Ausschließen von
Biegedrillknicken (durch Verschweißung, nur bei Doppeltragbohlen)
Quelle: nach [4]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Kriterium 1 (Knicken z-z)
Ausnutzung der vorhandenen Bodenbettung (Federsteifigkeit c):
Knicklänge für Knicken um die schwache Achse wird vergrößert
7
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
P = cL /EI
10.12.2015
Quelle: nach [3]
Aus dem Diagramm: wirklicher Knicklängenbeiwert , hier
Lf < 0,3·Lges (Randbedingung bei Herleitung der Kurve)
z
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Kriterium 1 (Knicken z-z)
Kriterium aus Rückrechnung von Ncr,y und Ncr,z
(sobald Ncr,z > Ncr,y ist, tritt Knicken um die starke Achse zuerst auf)
(aus dem Diagramm)
Für den Nachweis bedeutet das:
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Kriterium 2 (Biegedrillknicken)
Ausnutzung der Bodenbettung wie bei Kriterium 1 (wirkliche Knicklänge)
Kriterium aus Rückrechnung des Knicklängeneinflusses auf den
Abminderungsbeiwert LT je nach Fall des Biegedrillknickens
(sobald
0,2 bzw. 0,4 ist, tritt Biegedrillknicken nicht auf)
oder
c1 und c2 sind Rechenwerte (enthalten Material, System und Querschnitt)
10.12.2015
Für den Nachweis bedeutet das:
siehe [3,4,5]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
4 Vereinfachte Bemessung Kriterium 3 (Biegedrillknicken)
Ausnutzung der erhöhten Torsionssteifigkeit (IT,eff) durch Verschweißung
Kriterium aus Rückrechnung des Einflusses von IT über Mcr auf den
Abminderungsbeiwert LT je nach Fall des Biegedrillknickens
(sobald
0,2 bzw. 0,4 ist, tritt Biegedrillknicken nicht auf)
aT ist ein Rechenwert (enthält Material, System und Querschnitt)
10.12.2015
Für den Nachweis bedeutet das:
siehe [3,4]
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
Zusammenfassung
Lösung für große Hafenanlagen:
Kombinierte Stahlspundwände
Tragbohlen = schlanke Stäbe
Stabilitätsbemessung maßgebend
Boden kann jetzt vereinfacht angesetzt
werden
wirtschaftlichere Bemessung
Drei Kriterien entwickelt, um einzelne
Stabilitätsphänomene auszuschließen:
Biegeknicken um die schwache
Achse (über Bodenbettung)
Biegedrillknicken (Zwei Kriterien:
über Bodenbettung und über
Verschweißung Doppelbohlen)
Quelle: General Catalogue Steel Sheet Piling, ArcelorMittal, 2008
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
Danksagung
Unser Dank gilt unseren Partnern und Unterstützern
Das IGF-Vorhaben 16493N (P813) Entwicklung von effizienten
Dimensionierungsgrundlagen für die Tragbohlen kombinierter
Stahlspundwände der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.
(FOSTA) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der
industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.
Wir danken außerdem den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses.
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
10.12.2015
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
Literaturreferenzen
[1]
EN 1993-1-1: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1-1: Allgemeine
Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. Mit zugehörigem NA, Dezember 2010.
[2]
EN 1993-5: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 5: Pfähle und
Spundwände. Mit zugehörigem NA, Dezember 2010.
[3]
Kuhlmann, U., Leitz, B., Just, A., Grabe, J., Schallück, Chr.: Entwicklung von effizienten
Dimensionierungsgrundlagen für die Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände. Schlussbericht des
AiF-FOSTA-Projekts P813 (IGF-Nr. 16493N). Düsseldorf: 2014.
[4]
Kuhlmann, U., Leitz, B., Just, A., Grabe, J., Schallück, Chr.: Simplified criteria and economic design
for king piles of combined steel piling walls according to Eurocode 3, part 1-1. In englischer Sprache
veröffentlicht. Steel Construction Design and Research, Vol. 8, Issue 2. Ernst & Sohn, Berlin: Mai
2015.
[5]
Leitz, B.: Zum Tragverhalten von kombinierten Stahlspundwänden. Dissertation. Veröffentlichung
des Instituts für Konstruktion und Entwurf (Universität Stuttgart), Nr. 2015-1. Stuttgart: 2015.
[6]
Schallück, Chr.: Zum Tragverhalten von kombinierten Spundwänden. Dissertation, Veröffentlichung
des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb (TU Hamburg-Harburg), geplante Veröffentlichung 2016.
[7]
Kuhlmann, U.: Schlanke Tragwerke (Stabilität). Modul 10770: Vorlesungsskript und zugehörige
Vorlesungsfolien. Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart. Stuttgart: 2015.
[8]
Just, A.: Torsionssteifigkeit von doppelten Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände Planung
eines Versuchs und numerische Untersuchungen. Diplomarbeit. Institut für Konstruktion und Entwurf
(Universität Stuttgart), Nr. 2011-37X. Stuttgart: 2011.
Tragbohlen kombinierter Stahlspundwände
10.12.2015
Quelle: nach [4]
Gesamtes Ablaufdiagramm der vereinfachten Bemessung
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Adrian Just, Dr.-Ing. Bernadette Leitz
Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart

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