Erfolgreicher Einsatz von pultrudierten GFK-Profilen in Architektur und Ingenieurbau auf Grundlage der ersten Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassung

© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Bautechnik 91 (2014), Heft 7 495

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ICH

TREPO

RT

Matthias Oppe, Heiko Trumpf

Erfolgreicher Einsatz von pultrudierten GFK-Profilen in Architektur und Ingenieurbau auf Grundlage der ersten Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassung

1 Anlass

Tragende Profile aus pultrudierten glasfaserverstäktenKunststoffen werden aufgrund vielfältiger Vorteile seitJahrzehnten erfolgreich im gesamten Hoch-, Tief- undBrückenbau in Deutschland umfangreich eingesetzt. Auf-grund des geltenden „bauaufsichtlich nicht geregelten“Statuses durch eine Allgemeine Bauaufsichtliche Zulas-sung oder einer Produkt- und Bemessungsnorm war bis-her immer eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) für jedeseinzelne Projekt erforderlich.

Mit der Erteilung der Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zu-lassung (abZ) Z-10.9-299 für den Zulassungsgegenstand„Pultrudierte Profile aus glasfaserverstärkten Kunststof-fen; Doppel-T-Profil, U-Profil, Winkelprofil, Vierkantpro-fil und Flachprofil“ des Antragsstellers Fiberline Compo-sites A/S, Middelfart (DK) [1] im Dezember 2011 ist nundie Verwendbarkeit bzw. Anwendbarkeit durch das Deut-sche Institut für Bautechnik (DIBt) im Sinne der Landes-bauordnung und somit „bauaufsichtlich geregelt“ nachge-wiesen.

Die Vorteile der abZ für Architekten und Ingenieure sindein Meilenstein für diese innovative Bauweise:

– Direkter Einsatz und Planung mit GFK-Profilen imHoch- und Ingenieurbau,

– Breite Anwendung auf Basis geregelter Produktkenn-werte und Bemessungsvorschriften,

– Keine Versuchsreihen zur Ermittlung der Material-kennwerte und Tragfähigkeiten notwendig,

– Keine gutachterliche Stellungnahme und ZiE inkl. deszeitlichen und monetären Aufwands erforderlich,

– Keine Fremdüberwachung der verwendeten GFK-Pro-file für das jeweilige Bauvorhaben,

– Der Prüfingenieur kann sich ebenfalls direkt auf dieabZ beziehen.

Die Erfassung von vielfältigen Profiltypen, umfangrei-chen Profilgrößen und Bemessungsregeln eines innova -tiven Werkstoffes ist für eine abZ zunächst ungewöhnlichund wurde durch den Gutachterausschuss des DIBt alskritisch betrachtet. Die nun vorliegende abZ ist ein Kon-sens einer klassischen abZ mit einem Normencharakter,

DOI: 10.1002 / bate.201400044

Die Firma Fiberline Composites A/S hat im Dezember 2011 dieAllgemeine Bauaufsichtliche Zulassung Z-10.9-299 für pultru-dierte glasfaserverstärkte Kunststoffprofile (GFK-Profile) vomDeutschen Institut für Bautechnik in Berlin erlangt. Weitrei-chende theoretische Untersuchungen und umfangreiche Ver-suchsreihen bilden die Grundlage dieser Zulassung. Architek-ten und Ingenieure können nun direkt eine breite Palette anGFK-Konstruktionsprofilen im Hoch- und Ingenieurbau einset-zen. Experimentelle Untersuchungen und eine gutachterlicheStellungnahme bzw. Zustimmung im Einzelfall (ZiE) sowie eineprojektbezogene Fremdüberwachung sind nicht mehr erforder-lich. Bestandteil der Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassungist neben umfangreichen Angaben zu den Materialkennwertenein umfassendes Bemessungskonzept mit normativem Charak-ter. In den vergangenen Jahren wurden bereits diverse Projek-te auf Grundlage dieser Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulas-sung erfolgreich umgesetzt. Im Fokus dieses Beitrags stehendie Vorstellung des Bemessungskonzeptes auf der Grundlagedieser Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassung, erweiterteBerechnungsansätze und die Vorstellung bereits in Deutsch-land umgesetzter ausgewählter Projekte.

Keywords Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung; abZ; Werkstoffe,faserverstärkte; Leichtbau

Successful implementation of pultruded (GFRP) profiles inarchitecture and civil engineering based on the first officialgeneral technical approvalPultruded Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) profiles de-veloped by the firm Fiberline Composites A/S were granted ageneral technical approval (no. Z-10.9-299) by the German Insti-tute for Building Technology in Berlin in December 2011. Thisapproval is based on extensive theoretical analysis as well as aseries of rigorous experiments. Architects and engineers arenow able to implement a wide variety of GFRP profiles withinthe construction and civil engineering fields without the needfor elaborate experimental investigations or experts’ ap-praisals, or requiring explicit individual approvals or externalmonitoring of projects. The technical approval is subject notonly to extensive information of material characteristics andproperties, but also to a comprehensive design concept basedon relevant codes and standards. Several diverse projectshave been successfully completed in recent years due to theissuing of the general technical approval. This article focuseson the under lying design concept developed based on thistechnical approval, extended design checks as well as show-cases of some selected national projects realized in Germany.

Keywords Technical approval; materials; fibre-reinforced; light-weightstructures

BERICHT

496 Bautechnik 91 (2014), Heft 7

M. Oppe, H. Trumpf: Erfolgreicher Einsatz von pultrudierten GFK-Profilen in Architektur und Ingenieurbau auf Grundlage der ersten Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassung

bestehend aus I. Allgemeinem Teil und II. BesonderenBestimmungen und Anhängen, in denen das Produkt unddessen Bemessung geregelt sind. Zu beachten ist, dass dievorliegende abZ Z-10.9-299 nur für Profile aus glasfaser-verstärkten Kunststoffen der Fiberline Composites A/Sanwendbar ist. Aufgrund des komplexen und hersteller-spezifischen Matrix- und Faseraufbaus sowie Herstel-lungsverfahrens können die Werkstoffkennwerte, Ein-flussfaktoren und Bemessungsnachweise nicht auf Pro-dukte anderer Hersteller übertragen werden.

Grundlage dieser abZ ist die „Gutachterliche Stellung-nahme als Hilfestellung für eine abZ für pultrudierte glas-faserverstärkte Langerzeugnisse aus Kunststoffverbund-werkstoffen der Firma Fiberline Composites A/S“ vomLehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau an derRWTH Aachen [2], in die bereits Materialuntersuchungendes Instituts für Kunststoffverarbeitung (ebenfalls RWTHAachen) eingeflossen sind. Diese Materialuntersuchun-gen wurden durch zwei weitere Gutachten der IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH,Dresden komplettiert [3, 4]. Der Schwerpunkt der ergän-zenden Untersuchungen lag in der Bestimmung verschie-dener Einfluss- und Abminderungsfaktoren sowie der Ermittlung von Materialkennwerten auf Grundlage desjeweils maßgebendsten Profils für diese Materialeigen-schaft.

2 Vorstellung der Allgemeinen BauaufsichtlichenZulassung Z-10.9-299

2.1 Zulassungsgegenstand und Anwendungsbereich

Der Inhalt der abZ ist sehr klassisch aufgebaut (Bild 1).Für den Entwurf und die Bemessung von Tragwerkensind Abschnitt 3, mit Angaben zu den EinflussfaktorenA1, A2 und A3, Bemessungswerten der Bauteilwiderstän-

de (Steifigkeiten Ei/Gi, Festigkeiten fi/τm, Dehnungen εi)und Sicherheitsbeiwerten γmR/γmC, sowie Anlage 3 mitden Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeitsnachwei-sen (Querschnittsnachweise, Stabilitätsnachweise, Ver-bindungsnachweise) maßgebend.

Der Zulassungsgegenstand erfasst pultrudierte Profile ausglasfaserverstärkten ungesättigten Polyesterharzen alsDoppel-T-Profil (I-Profil), U-Profil, Winkelprofil (L-Profil),Vierkantprofil und Flachprofil mit Außenabmessungenbis zu 360 mm und Materialstärken von 5–18 mm. Derprozentuale Glasfaser-Massegehalt, die Kombination undLageanordnung des Armierungsaufbaus aus Rovings,Matten und Gelegen unterliegen dem Betriebsgeheimnisder Firma Fiberline Composites A/S und sind beim DIBthinterlegt.

Der Anwendungsbereich erfasst die Verwendung als tra-gende Bauteile unter den folgenden Bedingungen:

– die Einwirkungen resultieren nur aus vorwiegend ru-henden Belastungen,

– planmäßige Torsionsbelastungen werden nicht überdie I-, U-, L- oder Flachprofile abgeleitet,

– bei Vierkanthohlprofilen ist unter bestimmten Bedin-gungen eine planmäßige Torsionsbelastung zulässig,

– Biegedrillknicken (Kippen) der Profile ist konstruktivausgeschlossen und

– die Temperatureinwirkung ist nicht größer als +80 °C.

Die GFK-Profile sind normalentflammbar und werdensomit gemäß DIN 4102-1 [5] in die Baustoffklasse B2 ein-geordnet.

Gegenüber der Gutachterlichen Stellungnahme [2] hatdas DIBt den Anwendungsbereich in der abZ einge-schränkt und diverse Bemessungsansätze abgeändert.Gleichzeit verweist die abZ in Anlage 3, Absatz 1, Vorbe-merkungen auf die Grundlagen der Nachweise in denDissertationen TRUMPF [6] und OPPE [7] und eröffnetsomit in Abstimmung mit den Projektbeteiligten eineweitreichendere Anwendung.

2.2 Grundlagen der Allgemeinen BauaufsichtlichenZulassung

Die „Gutachterliche Stellungnahme als Hilfestellung füreine abZ für pultrudierte glasfaserverstärkte Langerzeug-nisse aus Kunststoffverbundwerkstoffen der Firma Fiber-line Composites A/S“ [2] erfasst ca. 280 Materialprüfun-gen als Coupon- und Bauteilversuche zur Querschnitts -tragfähigkeit und zur Bestimmung der Bemessungswerteder Bauteilwiderstände, ca. 120 Bauteilversuche zur Stabilität (Beulen, Knicken, Biegedrillknicken) zur Be-stimmung der Traglastkurven und ca. 110 Versuche an ge-schraubten Verbindungen zur Bestimmung der Bolzen-tragfähigkeit. Aus diesen umfangreichen Versuchspro-grammen wurden nach dem statistischen Verfahrengemäß EN 1990 [8] Widerstandsfunktionen aufgestellt,

Bild 1 Inhalt der Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassung Z-10.9-299Content of Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung Z-10.9-299

Teil I: Allgemeine Bestimmungen

Teil II: Besondere BestimmungenAbschnitt 1: Zulassungsgegenstand und An -wendungsbereichAbschnitt 2: Bestimmungen für die BauprodukteAbschnitt 3: Bestimmungen für Entwurf und BemessungAbschnitt 4: Bestimmungen für die AusführungAbschnitt 5: Bestimmungen für Nutzung, Unter-haltung, Wartung und Zustandskontrollen

Anlagen 1.1-1.5: Pultrudierte Profile aus glasfaserverstärk-ten Kunststoffen

Anlage 2.1: Verbindungen – Abstände der Bohrungen/Anzugsmomente

Anlagen 2.2-2.7: Verbindungen – Konstruktive Ausbildun-gen

Anlage 3: Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeitsnach-weise

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M. Oppe, H. Trumpf: Successful implementation of pultruded (GFRP) profiles in architecture and civil engineering based on the first official general technical approval

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Bemessungskonzepte entwickelt, Variationskoeffizientenbestimmt und Teil sicherheitsbeiwerte ermittelt.

Des Weiteren wurden an der IMA GmbH, Dresden zu-nächst diverse Langzeituntersuchungen zur Ermittlungdes Kriechverhaltens durchgeführt [3]. Mittels 162 Zeit-stand-Kriechversuchen und Zeitstand-Bruchversuchenkonnten das Langzeitverhalten charakterisiert und ent-sprechende Abminderungsfaktoren bestimmt werden.

Da das komplette Profilprogramm im Jahr 2008 hinsicht-lich des Lagenaufbaus optimiert wurde, waren abschlie-ßende Untersuchungen am jeweils maßgebenden Profilaus Sortiment 0 (vor 2008) bzw. Sortiment 1 (nach 2008)zur Bestimmung der Mindesteigenschaften der Konstruk-tionsprofile erforderlich [4].

2.3 Bestimmungen für Entwurf und Bemessung (Teil II, Abschnitt 3)

Werden GFK-Profile als tragende Bauteile eingesetzt,sind die entsprechenden Nachweise für den Grenzzu-stand der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit nachdem Teilsicherheitskonzept zu führen.

Für den Nachweis der Tragfähigkeit ist

Ed < Rd

und für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit ist

Ed < Cd

zu erfüllen.

Dabei ergibt sich der Bemessungswert der Einwirkung Ed

aus den charakteristischen Werten der Einwirkungenunter Berücksichtigung der Teilsicherheitsbeiwerte γ F,

des Beiwerts ψ und der Einflussfaktoren der Einwir-kungsdauer A1. Diese sind in Abhängigkeit von der Pul-trusionsrichtung der Laminate bezogen auf die FestigkeitA1

f bzw. die Steifigkeit (den E-Modul) A1E anzusetzen. Ab-

weichend von anderen Richtlinien, wie z. B. der BÜV-Richtlinie „Tragende Kunststoffbauteile im Bauwesen“[9], werden die Einflussfaktoren A1 den einzelnen Einwir-kungen und nicht den Bemessungswiderständen zugeord-net. Sie liegen zwischen 1,0 und 1,9.

Alle für die Bemessung anzusetzenden Baustoffeigen-schaften wie Steifigkeiten, Festigkeiten sowie Querkon-traktionszahlen der Profile sind entsprechend angegeben.Des Weiteren sind die beim Nachweis der Gebrauchs-tauglichkeit zu berücksichtigenden Grenzdehnungenbzw. Grenzstauchungen tabelliert.

Der Bemessungswert des Bauteilwiderstandes Rd ergibtsich aus dem charakteristischen Wert der Baustoffeigen-schaft unter Berücksichtigung des Materialsicherheitsbei-wertes γM, des Einflussfaktors für Medieneinfluss A2 unddes Einflussfaktors für Umgebungstemperatur A3.

Die Teilsicherheitsbeiwerte für die Widerstandsmodellewurden basierend auf statistischen Auswertungen gemäßEN 1990, Anhang D [8] ermittelt und anschließend kon-servativ festgelegt. Der Materialsicherheitsbeiwert istbeim Nachweis der Tragfähigkeit γMr = 1,35 und beimNachweis der Gebrauchstauglichkeit mit γMc = 1,0 anzu-setzen.

2.4 Pultrudierte Profile aus glasfaserverstärktenKunststoffen – Querschnittswerte (Anlagen 1.1-1.5)

In den Anlagen 1.1-1.5 sind alle relevanten Querschnittefür sämtliche 53 in den Zulassungen enthaltenen Kon-struktionsprofile tabellarisch zusammengefasst. Tab. 1zeigt die Angaben beispielhaft für U-Profile.

Tab. 1 Profiltabelle U-Profile [1]Properties for U-profiles [1]

U-Profil h b tf tw r A As,z As,y g Iyy Izz eh × b × t mm mm mm mm mm mm2 mm2 mm2 kg/m mm4 mm4 mm

Faktor 1 1 1 1 1 103 103 103 1 106 106 1

U 120 × 50 × 6 120 50 6 6 7,5 1,27 0,648 0,510 2,29 2,65 0,279 13,5

U 140 × 40 × 5 140 40 5 5 5 1,06 0,630 0,340 1,91 2,78 0,131 9,1

U 160 × 48 × 8 160 48 8 8 8 1,95 1,15 0,653 3,51 6,57 0,338 12,0

U 200 × 60 × 10 200 60 10 10 10 3,04 1,80 1,02 5,48 16,0 0,825 15,0

U 240 × 72 × 8 240 72 8 8 8 2,97 1,73 0,979 5,35 23,3 1,23 16,5

U 240 × 72 × 12 240 72 12 12 12 4,38 2,59 1,47 7,89 33,2 1,71 18,0

U 300 × 90 × 15 300 90 15 15 15 6,85 4,05 2,30 12,3 81,2 4,18 22,4

U 360 × 108 × 18 360 108 18 18 18 9,86 5,83 3,31 17,8 168 8,67 26,9

Faktor 1 1 1 1 1 103 103 103 1 106 106 1



2.5 Geschraubte Verbindungen (Anlagen 2.1–2.7)

Basierend auf den typischen GrenzzustandskategorienScher-Lochleibungsbeanspruchung bzw. Beanspruchungsenkrecht zur Laminatebene beinhaltet die Zulassung einin sich geschlossenes Bemessungskonzept für geschraub-te Verbindungen. Für Interaktion infolge Scher-Lochlei-bungs- und Zugbeanspruchung sowie für Grundlagen derNachweise wird auf [7] verwiesen. Da die Tragfähigkeitbzw. die auftretenden Versagensmechanismen von ge-schraubten Verbindungen bei Beanspruchung in Lami-natebene ganz wesentlich von den vorhandenen Rand-und Lochabständen abhängen, werden in der Zulassungentsprechende Mindestwerte vorgegeben. Zusätzlich sindmaximale Anziehmomente MA sowie Vorspannkräfte FV

angegeben, um eine Beschädigung des Laminats unmittel-bar unter der Unterlegscheibe auszuschließen.

Beispielhafte Darstellungen von möglichen konstruktivenAusführungen geschraubter Verbindungen liefern demAnwender eine Hilfestellung bei der Detailauslegung desTragwerks.

2.6 Trag- und Gebrauchstauglichkeitsnachweise(Anlage 3)

2.6.1 Allgemeines

Anlage 3 der Zulassung enthält sämtliche für die Bemes-sung eines Tragwerks aus pultrudierten GFK-Profilen er-forderlichen Nachweise und hat somit einen normativenCharakter. Während zunächst hinsichtlich des Ansatzesvon Profilkennwerten, Materialkennwerten, Sicherheits-beiwerten sowie Einflussfaktoren auf die entsprechendenAnlagen (s. Abschn. 2.2–2.5) verwiesen wird, folgen an-schließend detaillierte Angaben zur Ermittlung der rele-vanten Einwirkungen, welche dann in den entsprechen-den Nachweisen berücksichtigt werden müssen.

2.6.2 Nachweise der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit

Die erforderlichen Nachweise in den Grenzzuständender Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit sind in Ab-schnitt 5 detailliert beschrieben. Grundsätzlich ist nach-zuweisen, dass:

Für Festigkeitsnachweise und Nachweise nach TheorieII. Ordnung gilt für „ständig“ wirkende Lasten:

A1f · A2 · A3 ≥ 1,75.

Für Stabilitätsnachweise und für den Nachweis linearesBeulen gilt für „ständig“ wirkende Lasten:

��A1f · A2 · A3 ≥ 1,35.

.1f

k Fk

MR 2 3

A ERA A

Normalspannungen und Schubspannungen sind über dasfolgende quadratische Interaktionskriterium zu überla-gern:

Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit sind nebenden üblichen Verformungsnachweisen für Bauteile aus faserverstärkten Werkstoffen auch Nachweise der Grenz-dehnungen bzw. Grenzstauchungen zu führen. Für denDehnungsnachweis gilt:

2.6.3 Stabilitätsnachweise

Im Abschnitt 5.2.3.1 ist der Nachweis zum Plattenbeulenfür eine Schlankheit des Stabes von λ = lk/i < 30 angege-ben. Das Plattenbeulen von Vierkantprofilen wird ausge-schlossen. Für die Ermittlung der kritischen Beulspan-nung σcr werden isotrope Beulwerte kσ für unterschied -liche Spannungsverteilungen über das Querschnittsteil inder Tabelle auf Blatt 5 angegeben. Die kritische Beulspan-nung wird klassisch aber unter Berücksichtigung der E-Moduln Ecx und Ety definiert:

σcr = kσ · σe mit

Der Beulnachweis erfolgt auf Basis einer ideal-kritischenBeulspannung σcr auf der Widerstandsseite:

In [6] erfolgt der Nachweis des Plattenbeulens auf derGrundlage von Beulversuchen an offenen I- und U-Profi-len (Flansche/einseitig gestützte Querschnittsteile) undVierkantprofilen (Stege/zweiseitig gestützte Querschnitts-teile). Zur Bestimmung der kritischen Beulspannung σcr

werden orthotrope Beulwerte kσ (Ermittlung kσ unter An-satz der Differenzialgleichung und Energiemethode) fürdas herstellerspezifische Steifigkeitsverhältnis Ecx/Ecy aufGrundlage der linearen Beultheorie angegeben. Für dasWiderstandsmodell werden zwei Beultraglastkurven(Flansch- und Stegbeulen) auf Basis des AYRTON-PERRY-Formates zur Berücksichtigung der physikalischen undgeometrischen Imperfektionen vorgeschlagen (Bild 2).Auf dieser Grundlage wird eine Querschnittsklassifika -tion, Querschnittsklasse 3 und 4 analog zum StahlbauDIN EN 1993, eingeführt. In Analogie kann mit den an-gegebenen Beultraglastkurven ein Beulnachweis geführt

.

1xd

cr

MR 2 3A A

1.xd

x

MR 2 3

2

xyd

xy

MR 2 3

2

fA A

f

A A

.d

mgrenzE

0,8

12(1 ).e

2cx ty

2

xy yx2

E E t

b



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werden – wenn die vorhandene Spannung unterhalb derBeultragspannung liegt, kann die Querschnittsklassifika -tion entsprechend entfallen.

Im Abschnitt 5.2.3.2 wird der Nachweis des Biege -knickens auf Basis der ideal-elastischen Knicklast Nki an-gegeben.

mit NRk als charakteristische Wert der ideal-elastischen Knicklast Nki

In [6] erfolgt der Nachweis des Biegeknickens auf derGrundlage von umfangreichen Knickversuchen an I- undU-Profilen um die starke und schwache Achse sowie anVierkantprofilen. Drei Biegeknickspannungslinien (Vier-kantprofil, I- und U-Profile starke Achse, I- und U-Profileschwache Achse) auf Basis des AYRTON-PERRY-Formateszur Berücksichtigung der physikalischen und geometri-

1,0d

Rk

MR 2 3

NN

A A

schen Imperfektionen werden als Widerstandsmodell an-gegeben (Bild 3). Der Nachweis erfolgt unter Berücksich-tigung der Querschnittsklassifikation 3 und 4.

Gemäß Abschnitt 5.2.3.3 ist das Biegedrillknicken derGFK-Profile konstruktiv auszuschließen.

In [6] erfolgt der Nachweis des Biegedrillknickens auf derGrundlage von umfangreichen Biegedrillknickversuchen

1,0E,Rd

f,Rd

N

N

mit Querschnittsklasse 4 f,Rdf eff ux,2

modf

M,f

NA f

A

mit Querschnittsklasse 3 ,f,Rdf cx

modf

M,f

NA f

A

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50

bezogene Schlankheit

χp

ideale BeultheorieKarmanVersuche Stegbeulen V240Versuche Flanschbeulen U120 & U140Quetschversuch I240 und I200FE-Simulation StegbeulenFE-Simulation FlanschbeulenBeultragspannungskurve StegBeultragspannungskurve Flansch

Bild 2 Beultraglastkurven für das orthotrope Plattenbeulen [6]Buckling curves for local plate buckling

λ–p = ��fcx/σcrp��

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00


χf

Vierkanthohlprofile

Euler

Bemessungsmodell

Bild 3 Biegeknickspannungslinie für Vierkantprofile (Imperfektionsbeiwert αf = 0,4) [6]Buckling curves for square hollow sections (imperfection αf = 0.4) [6]

λ–f = ��fux2/σcrf��



an I-Profilen. Für das ideale Biegedrillknickmoment Mcr

für doppelsymmetrische, orthotrope und dünnwandigeProfile werden die Beiwerte C1, kw und C2 für wölbfreieund wölbbehinderte Gabellagerung sowie unterschied -liche Belastungssituationen (Momente und Einzellasten)angegeben. Analog zum Beul- und Biegeknicknachweiswird auch zum Biegedrillknicken auf Basis des AYRTON-PERRY-Formates zur Berücksichtigung der physikali-schen und geometrischen Imperfektionen eine Biegedrill-knickspannungslinie als Widerstandsmodell angegeben(Bild 4). Der Nachweis erfolgt wiederum unter Berück-sichtigung der Querschnittsklassifikation 3 und 4.

Der Stabilitätsnachweis für das Plattenbeulen, Biegekni-cken und Biegedrillknicken am Ersatzstab kann alterna-

mit Querschnittsklasse 4 f,Rdf eff,y ux,2

modf

M,lt

NW f

A

1,0E,Rd

f,Rd

M

M

mit Querschnittsklasse 3 ,f,Rdf el,y cx

modf

M,lt

MW f

A

tiv auch mit einem Spannungsnachweis nach der TheorieII. Ordnung unter Berücksichtigung einer geeigneten Ersatzimperfektion durchgeführt werden. Hinweise zumAnsatz der schlankheitsabhängigen Ersatzimperfektionsind in [6] angegeben.

Alle Nachweise in [6] basieren auf Teilsicherheitsbei -werten γm,i, die auf Basis der umfangreichen Versuchs -reihen nach DIN EN 1990 [8] gemäß des semi-probabilis-tischen Sicherheitskonzeptes der Eurocodes bestimmt wurden.

2.6.4 Geschraubte Verbindungen

Bild 5 zeigt typische Versagensmechanismen für ge-schraubte Verbindungen, welche auf Basis der in Ab-schnitt 5.5 angegebenen Nachweisformate getrennt von-einander zu untersuchen sind. Generell kann die Span-nungsverteilung unter Beanspruchung in Laminatebenein Analogie zur Stabwerkstheorie beschrieben werden.

Dabei sind Rand- und Lochabstände sowie die Eingangs-parameter (Festigkeiten für die maßgebende Beanspru-chungsrichtung, Spannungsintensitätsfaktoren ktc und

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00


χlt

Versuche mit wölbbehinderter Lagerung wb

Versuche mit teilweiser Wölbbehinderung twb

ideale Biegedrillknicktheorie

FEM-Simulationen wb

Bemessungsmodell wb

Bemessungsmodell wf

Bild 4 Biegedrillknickspannungslinie für I-Profile (Imperfektionsbeiwert αf = 0,5) [6]Lateral torsional buckling curves for I-profiles (imperfection αf = 0.5) [6]

λ–lt = ��fux2/σcrlt��

Zugversagenin Längsrichtung(neben dem Schaft)

Zugversagenin Querrichtung

(vor dem Schaft)

Schubversagen(vor dem Schaft)

Lochleibungs-versagen

(vor dem Schaft)

Bild 5 Typische Versagensmechanismen für geschraubte Verbindungen in pultrudierten GFK-Profilen [7]Typical failure mechanisms for bolted connections in pultruded GFRP-profiles [7]



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kcc, maßgebende Breite, Randabstand usw.) entsprechendzu berücksichtigen.

2.7 Vorschlag für Korrekturen

Die folgenden Unklarheiten und Unstimmigkeiten sowieKorrekturvorschläge wurden in den letzten zwei Jahrenbei der Verwendung der abZ zusammengestellt (Tab. 2).

3 Erfolgreicher Einsatz in der Architektur und im Ingenieurbau

3.1 Fiberline Design Handbook

Die Firma Fiberline Composites A/S hat im April 2014auf der Basis der abZ Z-10.9-299 das Bemessungshand-buch in einer neuen Auflage [10] veröffentlicht. Das Bemessungshandbuch ist für die praktische Anwendungsehr hilfreich und kann kostenlos als Download von derUnternehmensseite heruntergeladen werden (www.fiber-line.com). Neben den Berechnungsgrundlagen mit Erläu-terungen zum Werkstoff und Qualitäten wird die Bemes-sung nach der abZ Z-10.9-299 vorgestellt. Zusätzlich wer-den die Deckelemente aus GFK für den Einsatz im Hoch-und Ingenieur- sowie Brückenbau zusammengestellt(nicht Bestandteil der abZ Z-10.9-299). In zwei Bemes-sungsbeispielen „Maschinenhaus“ und „Brückenbau-werk“ können die Umsetzung der Bemessungsregeln undder Einsatz der umfangreichen Profilpalette nachvoll -zogen werden. Das letzte Kapitel „Einsatzbedingungen“gibt wichtige Informationen zu den Themen Brandschutz,chemische Beständigkeit, Bearbeitung, Handling/Trans-port, Umweltverträglichkeit und Toleranzen.

3.2 Architektur3.2.1 Smart Material House – IBA Hamburg

Das von Kennedy & Violich Architecture entworfene„Smart Material House“ ist ein Reihenhaus mit vier Einhei-ten im Passivhausstandard, welche u.a. mit einem innova -tiven und intelligenten Konzept zur solaren Energiegewin-nung ausgestattet sind [11]. Knippers Helbig hat die flexibleund nachführbare Photovoltaikanlage entwickelt, BuroHappold war für die Technische Gebäudeausrüstung ver-antwortlich. Somit ist dieses Gebäude ein Bauvorhaben, andem beide Unternehmen der Autoren beteiligt waren.

Die Textilstreifen vor der Fassade (Twister) folgen durchVerdrehen um die eigene Achse dem Tagesverlauf derSonne (Bild 6). Darüber hinaus lassen sich Aussicht undVerschattung von den Bewohnern individuell steuern. Aufdem Dach sind pultrudierte GFK-Flachprofile angeordnet,die sich durch elastisches Verbiegen dem Jahreszyklus derSonne anpassen. Hierbei war faserverstärkter Kunststoffdas optimale Material, da es geringe Steifigkeit mit hohenBiegezugfestigkeiten kombiniert. Durch die Verwendungzugelassener Profile war eine Zustimmung im Einzelfall(ZiE) für dieses Bauvorhaben nicht erforderlich.

3.2.2 Holländerbrücke Reinbek

Die „Holländerbrücke“ Reinbek bei Hamburg ist eine au-ßergewöhnliche Stahl-Leichtbaubrücke mit einem GFK-Fahrbahndeck für Fußgänger- und Radfahrer (Bild 7).Aufgrund des nahegelegenen Einkaufszentrums und di-verser Schulen wurde ein von den Nutzern hochfrequen-tiertes und ästhetisch anspruchsvolles Bauwerk über dieinnerstädtische Bundesstraße als Ersatzneubau im Jahr2009 realisiert. Das Bauwerk mit einer Gesamtlänge von98,0 m und einer Überbaubreite von 3,50 m spannt überfünf Felder. Auf die zwei geschweißten Hohlkästen miteiner Bauhöhe vom 350 mm konnte das pultrudierteFahrbahndeck FBD300 ohne Verbundwirkung erfolg-reich verlegt werden. Das Fahrbahndeck mit den Abmes-sungen 333 × 80 × 50 mm (b × h × t) wurde ursprünglichfür Leichtbaubrücken in den Niederlanden entworfen(NEN 6788: 1995 mit einem Lastansatz von 2 kN/m²und einem dreiachsigen Fahrzeug 300 kN) und kam dortbei Dutzenden von Brücken zum Einsatz. Die Kerne desFBD 300 wurden im Bereich der Befestigungen miteinem Hartschaumkern HPDM 500 verstärkt, sodass dasFahrbahndeck unterseitig mit selbstschneidenden Gewin-

Bild 6 Testlauf Fassade – Smart Material House, IBA Hamburg Testing of facade – Smart Material House, IBA Hamburg

Bild 7 Holländerbrücke Reinbek Holländerbrücke Reinbeck

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Tab. 2 Unklarheiten und Unstimmigkeiten sowie Korrekturvorschläge zur abZ Z-10.9-299Inconsistencies within and suggestions for corrections to abZ Z-10.9-299

abZ Abschnitt in der Z-10.9-299 Anmerkung Korrekturvorschlag

abZ Kapitel 3.1.1 Es ist unklar, warum ausschließlich Verbindungs- Erweiterung auf die Verwendung mittel aus nicht rostendem Stahl verwendet von Stahlschraubenwerden dürfen.

abZ Kapitel 3.1.2 Es ist nicht ersichtlich, ob die Faktoren A1 mit Erweiterung und Darstellung der jeder Einwirkung entsprechend der Dauer einzeln Summenformel der DIN 1055-100: oder mit dem Bemessungswert global kombiniert Formeln 14, 15, 16 sowie 22, 23, 24werden müssen.

abZ Kapitel 3.1.3 In der Tab. „Festigkeiten“ sollte das „in“ gestrichen Korrektur der Tabellewerden, sodass lediglich „Scherfestigkeit Laminat-ebene ftxy“ verbleibt.

abZ Anlage 3, Kapitel 4.6 In der abZ wird auf die DIN 1055-3 verwiesen, Die Lasteinwirkungsdauer für in der Lasten des Abschnitts 6.1 als „ständig“ zu Verkehrslasten (Fußgänger und betrachten sind. In der DIN-EN 1995-2 „Holz- Radfahrer) ist gemäß DIN-brücken“ sind Verkehrslasten aber als „kurz“ EN 1995-2 „Holzbrücken“ als definiert. „kurz“ zu berücksichtigen.

abZ Anlage 3, Kapitel 3 und Kapitel 5.1 Der Faktor A1E wird in Anlage 3, Kapitel 3 als Einflussfaktor A1

E für die Einflussfaktor „beim Nachweis der Gebrauchs- Berücksichtigung der Einwirkungs-tauglichkeit“ beschrieben. In Anlage 3, Kapitel 5.1 dauer beim Nachweis der wird dieser jedoch für Stabilitätsnachweise Gebrauchstauglichkeit sowie bei (Grenzzustand der Tragfähigkeit) genutzt. den Stabilitätsnachweisen

abZ Anlage 3, Kapitel 5.2.2 Beim Schubnachweis ist die Scherfestigkeit der Klärung erforderlichLaminatebene ftxy mit 40 N/mm² zu verwenden. Gegebenenfalls müsste die interlaminare Scher-festigkeit τm mit 20 N/mm² Anwendung finden.

abZ Anlage 3, Kapitel 5.2.3.1 Der Nachweis ist nur zu führen, wenn die Nachweis nach [5] ist zu Schlankheit des Stabes ≥ 30 ist. Das Plattenbeulen berücksichtigen.kann auch für Regelquerschnitte inkl. Vierkant-profile eintreten. Der Ansatz eines isotropen Beul-wertes kσ erscheint kritisch. Es ist unklar, auf welcher Grundlage diese Angaben basieren.

abZ Anlage 3, Kapitel 5.2.3.2 Es sollte erwähnt werden, welcher E-Modul für Zusätzliche Angabe im Text. die Ermittlung von NRk bzw. NKi zu verwenden Nachweis nach [5] ist zu ist. Ein Nachweis auf Basis einer idealen Knicklast berücksichtigen.NKi ist bedenklich.

abZ Anlage 3, Kapitel 5.2.3.3 Das Biegedrillknicken kann nicht immer kon- Nachweis nach [5] ist zu struktiv ausgeschlossen werden. berücksichtigen.

abZ Anlage 3, Kapitel 5.5.2 In der Beschreibung der Variablen wurde ft mit fc fc gegen ft austauschenverwechselt.

abZ Anlage 3, Kapitel 5.5.2 Es fehlt für die Tabelle auf Blatt 7 von 8 der Erweiterung Abbildung auf Blatt 8 Anlage 3 eine Erklärung von „w“. von 8 in Übereinstimmung mit [6]

abZ Anlage 3, Kapitel 5.5.2 Die Gleichung für den Lochleibungsdruck ist Änderung der Berechnungsformel falsch. Anstatt der Multiplikation mit ist eine erforderlichDivision durch (dL/ds)² erforderlich.

abZ Anlage 3, Kapitel 5.3 Em = Mittelwert des zugehörigen E-Moduls Dieser Wortlaut sollte in DARF „Für die Ermittlung des Mittelwertes IST der […]“. geändert werden.

abZ Anlage 3, Kapitel 5.3 In Pultrusionsrichtung wird der Nachweis nie Hinweis, dass der Nachweis der maßgebend. Für transversale Zugspannungen Grenzdehnungen nur für trans-wird der Nachweis immer maßgebend. Für transversale Zugspannungen erfolgen versale Druckspannungen wird der Nachweis nie muss.maßgebend.

abZ Anlage 3, Kapitel 5.4 Der Wortlaut „Als maximale Durchbiegung ist Der Wortlaut sollte in eine einzuhalten: max f = L/200“ erfordert zwingend Empfehlung geändert werden.die Einhaltung. In Anbetracht des geringen E-Moduls kann dies zu einer starken Überdimen-sionierung führen, obwohl keine Gebrauchs-tauglichkeitsanforderungen aus der Nutzung vorliegen.



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deschrauben M12 an die überstehenden Flansche desHohlkastens verschraubt werden konnte [12]. Auf Basisder abZ konnte von Prof. FELDMANN, Lehrstuhl fürStahlbau und Leichtmetallbau an der RWTH Aachen, dieZIE für das bauaufsichtlich nicht geregelte Fahrbahndecksehr schnell erstellt werden.

3.3 Ingenieurbau3.3.1 Zellkühlturm

Im Industriebau weisen GFK-Tragwerke seit einigen Jahren eine marktbeherrschende Stellung für Zellkühl -türme auf (Bild 8). Grund dafür ist die außergewöhnlicheDauerhaftigkeit und somit der minimale Wartungsaufwandunter hoher Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturen.Das Tragwerk inkl. Verkleidung der Zellkühltürme kannaufgrund des geringen spezifischen Gewichtes als Ersatz-bauwerk neben der endgültigen Lage erstellt und miteinem Mobilkran sehr effizient eingehoben werden, sodassdie Ausfallzeit eines Austauschbauwerks minimiert ist. Dieeinfache Verbindungstechnik mittels Schrauben ermöglichteine schnelle und flexible Installation sowie Erweiterung.

3.3.2 Helihoist-Plattformen

Die hervorragende Korrosionsbeständigkeit, kombiniertmit dem geringen spezifischen Gewicht bei hoher Trag -fähigkeit, prädestiniert den Einsatz von GFK-Profilen beiOff-Shore-Konstruktionen. Neben dem umfangreichenEinsatz auf Bohrinseln werden GFK-Konstruktionen be-vorzugt für Helihoist-Plattformen verwendet (Bild 9). DieHelihoist-Plattformen dienen den Technikern auch beiwidrigem Wetter vom Hubschrauber aus als Zugangsebe-ne für Wartungsarbeiten von Windkraftanlagen. Anforde-rungen von Windparks sind insbesondere die Dauerhaf-tigkeit in der salzhaltigen Umgebung, geringes Gewicht,minimale Instandhaltung und Rutschfestigkeit.

3.3.3 Fahrbahndecks im Brückenbau

Von der abZ bisher nicht erfasst, aber in der Praxis im In-und Ausland bereits in Hunderten von Projekten umge-

setzt, wurden in den letzten Jahren diverse Fahrbahn-decks für Brückenbauwerke entwickelt. Ein Auszug mitAngabe der Fahrbahndeckbezeichnung, -abmessung und -traglast ist in der Tab. 3 aufgeführt. Einige Fahrbahn-decks wurden von den Autoren direkt für ein bzw. mehre-re Bauvor haben entwickelt, die Laminatkomposition ist

Bild 9 Helihoist-Plattform Helihoist platform

Bild 8 GFK-Tragwerk Zellkühlturm GFRP construction of cell cooling tower

Tab. 3 Auszug von GFK-FahrbahndecksInformation about GFRP planks and deck profiles

Bezeichnung Abmessung Geometrie Gewicht Lastenklasse[mm] [kg/m]

HD/MD/LD 40 × 500 offene Profile mit Stegen, 8,5 max. 5 kN/m2

nach unten offen

FBD 300 80 × 333 geschlossenes Profil mit drei 14,5 Q300, Fahrzeug 300 kN trapezförmigen Kernen gemäß NEN 6788

FBD450 (CLAP Deck) 130 × 311 geschlossenes Profil mit zwei 10,9 MLC 40, Fahrzeug dreieckigen Kernen 450 kN

FBD600 (Asset-Profile) 225 × 531 geschlossenes Profil mit 28,2 LM 1 gemäß EN 1991-2, zwei dreieckigen Kernen Fahrzeug 600 kN

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Literatur

[1] Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung (abZ) Z-10.9-299für den Zulassungsgegenstand ‚Pultrudierte Profile ausglasfaserverstärkten Kunststoffen; Doppel-T-Profil, U-Profil,Winkelprofil, Vierkantprofil und Flachprofil. Fiberline Com-posites A/S, Middlefahrt (DK), Deutsches Institut für Bau-technik, Dezember 2011.

[2] SEDLACEK, G.; OPPE, M.; TRUMPF, H.: Gutachterliche Stel-lungnahme als Hilfestellung für eine allgemeine bauauf-sichtliche Zulassung für pultrudierte glasfaserverstärkteLangerzeugnisse aus Kunststoffverbundwerkstoffen der

Firma Fiberline Composites A/S. Lehrstuhl für Stahlbau,RWTH Aachen, Aachen 2004, unveröffentlicht.

[3] RIDZEWSKI, J.; HEINRICH, F.: Bestimmung des statischenLangzeitverhaltens an pultrudierten GFK-Profilen. IMADresden, Prüfbericht B218/5, April 2007.

[4] RIDZEWSKI, J.; HEINRICH, F.: Zusammenfassender Prüf -bericht der Profiluntersuchungen an Sortimenten der Fa. Fiberline Composites A/S. IMA Dresden, PrüfberichtB492/08, Juni 2009.



spezifisch für die Last-Norm-Anforderung ausgelegt undsomit teilweise mit besonderen Lastansätzen bestimmtworden.

3.3.4 GFK-Stahlverbundbrücke Friedberg

In Friedberg wurde 2008 Europas erste GFK-Stahlver-bundbrücke fertiggestellt (Bild 10). Besondere Anforde-rungen wie Robustheit, gute ökologische Kennwerte, Ge-wichtseinsparung, Korrosionsbeständigkeit und niedrigeWartungs- und Instandhaltungskosten sowie eine rascheMontage konnten mit dieser Konstruktion gewährleistetwerden. Bei der Brücke werden pultrudierte GFK-Profile(FBD600) als Fahrbahn verwendet und über eine Klebe-verbindung mit dem Stahlhaupttragwerk verbunden.Somit wurde zum einen eine werkstoff- und beanspru-chungsgerechte Verbindungstechnik gewählt, zum ande-ren kann eine Verbundtragwirkung von GFK-Fahrbahnund Haupttragwerk aktiviert werden. Diese Konzeptionermöglicht die Überbrückung großer Spannweiten undkann wirtschaftlich mit Betonbrücken konkurrieren. DieÜberführung über die Bundesstraße 455 ist das Ergebniseiner Kooperation zwischen dem hessischen Landesamtfür Straßen- und Verkehrswesen (HSLV) und dem Insti-

tut für Tragkonstruktion und Konstruktives Entwerfender Universität Stuttgart. Um Erfahrungen über das Lang-zeitverhalten der Werkstoffe zu sammeln, kommt ein inZusammenarbeit mit der Materialprüfanstalt der Univer-sität Stuttgart entwickeltes Monitoringkonzept zum Ein-satz.

4 Zusammenfassung

Mit der Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung Z-10.9-299 (abZ) in Verbindung mit dem aktualisierten Bemes-sungshandbuch der Firma Fiberline Composites A/S istendlich ein Durchbruch für den Einsatz von pultrudiertenglasfaserverstärkten Kunststoffprofilen in Deutschland er-reicht worden. Aufgrund des normativen Charakters derabZ können für Standardkonstruktionen ohne aufwändi-ge Zustimmung im Einzelfall komplexe GFK-Tragwerkegeplant, bemessen und erstellt werden. Sowohl die Bemes-sungsvorschriften als auch der Anwendungsbereich soll-ten in den nächsten Jahren schrittweise erweitert werden,um die vielfältigen Vorteile noch effizienter und erfolgrei-cher umzusetzen. Bereits jetzt ist die praktische Anwen-dung dem bauaufsichtlich geregelten Bereich weit voraus.Die Autoren haben auf Grundlage theoretischer, empiri-scher und praktischer Arbeiten die Erfahrungen mit derabZ bereits auf weitere faserverstärkte Konstruktionspro-file, z. B. Einsatz von Karbon fasern oder als GFK-Kreis-hohlprofil-Wickellaminat mit veränderlichem Quer-schnitt, in weiteren nationalen und internationalen Pro-jekten direkt umsetzen können. Die Visionen undInnovationen erscheinen unbegrenzt – eine unschätzbareMotivation für jeden Architekten und Ingenieur.

Dank

Wir möchten den folgenden, an der Allgemeinen Bauauf-sichtlichen Zulassung Z-10.9-299 beteiligten Personen,Einrichtungen und Firmen danken: PETER THORNING,M.Sc. / Fiberline Composites A/S, Prof. em. Dr.-Ing. Dr.hc GERHARD SEDLACEK † / Institut und Lehrstuhl fürStahlbau und Leichtmetallbau der RWTH Aachen, Prof.Dr.-Ing. JENS RIDZEWSKI / IMA Dresden und dem Gut-achterausschuss sowie den Mitarbeitern des DeutschenInstituts für Bautechnik, Berlin.

Bild 10 GFK-Stahlverbundbrücke in Friedberg GFRP steel composite bridge

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[5] DIN 4102-1: Brandverhalten von Baustoffen und Bautei-len, Teil 1: Baustoffe – Begriffe, Anforderungen und Prüfun-gen. Mai 1998.

[6] TRUMPF, H.: Stabilitätsverhalten ebener Tragwerke aus pul-trudierten faserverstärkten Polymerprofilen. DissertationRWTH Aachen, Aachen: Shaker-Verlag, Mai 2006.

[7] OPPE, M.: Zur Bemessung geschraubter Verbindungen vonpultrudierten faserverstärkten Polymerprofilen. Schriftenrei-he Stahlbau, Heft 66, Aachen: Shaker-Verlag, 2009, ISBN:978-3-8322-8247-9.

[8] EN 1990 Basis of structural design. CEN European Com-mittee for Standardization, Brussels, July 2001.

[9] BÜV-Empfehlungen: Tragende Kunststoffbauteile im Bau-wesen [TKB] – Entwurf, Bemessung und Konstruktion, Dis-kussionsentwurf. Fassung Oktober 2002.

[10] Fiberline Bemessungshandbuch/Fiberline Design Manual.Fassung in deutscher Sprache vom 24.04.2014, www.fiber -line.com.

[11] KNIPPERS, J.; RIEDERER, J.; LIENHARD, J.; OPPE, M.; JUNG-JOHANN, H.: Multifunctional adaptive Façade at IBA 2013Hamburg, design studies for an integral energy harvestingfaçade shading system, Textile Composites and Inflatable

Structures VI. Proceedings of the VI International Confe-rence on Textile Composites and Inflatable Structures, Mu-nich, October 2013, pp. 473–481, ISBN: 978-84-941686-0-4.

[12] NEN 6788: Design Rules of Steel Bridges. Nederlands Nor-malisatie Instituut, 1995.

[13] SOBEK, W.; TRUMPF, H.; STORK, L.; WEIDLER, N.: PlasticMaterials; The Holländerbrücke – Economic and archi-tectural sophisticated design made of Steel and GFRP.Steel Construction – Design and Research, Berlin: Ernst &Sohn Verlag, September 2008.

AutorenDr.-Ing. Matthias OppeKnippers Helbig GmbHTübinger Straße 12–16D-70178 Stuttgart [email protected]

Dr.-Ing. Heiko TrumpfHappold Ingenieurbüro GmbHPfalzburger Straße 43–44D-10717 [email protected]

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Erfolgreicher Einsatz von pultrudierten GFK-Profilen in Architektur und Ingenieurbau auf Grundlage der ersten Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassung