Standsicherheit von Böschungen unter dynamischen Einwirkungen CDM... · 2013. 4. 8. ·...

Standsicherheitsnachweis von Böschungen unter dynamischen Einwirkungen

Geotechnisches Symposium „Standsicherheit von Kippen des Braunkohlenbergbaus“

Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe in Cottbus am 22./23.03.2013

Dipl.-Ing. Yves Koitzsch | CDM Smith Consult GmbH

Geotechnisches Symposium Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe am 22./23. März 2013 in Cottbus Koitzsch, Yves: Standsicherheitsnachweis von Böschungen unter dynamischen Einwirkungen

Motivation

• Erdbebengefährdung in Dtl. gering, jedoch keineswegs vernachlässigbar

• Gebiete mit seismischen Aktivitäten (Niederrhein. Bucht, Schwäbische Alb/ Hohenzollergraben, Gera/Schmölln)

• dynam. Einwirkungen z.B. relevant bei:

Sanierungsmaßnahmen (Sprengung)

Nachnutzung von Flächen

Nutzung ehemaliger TRL als wasser-wirtschaftliche Stauanlagen

• auftretende dynamische Einwirkungen müssen bei Planung oder Überprüfung berücksichtigt werden, z.B. bzgl. Rele-vanz für Standsicherheit

Warum sind dynamische Einwirkungen relevant?

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Motivation

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Auswirkung Dynamik auf Tragsicherheit/Gebrauchstauglichkeit


Motivation

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Auswirkung Dynamik auf Tragsicherheit/Gebrauchstauglichkeit


Inhalte

1 Motivation bzw. Veranlassung

Warum sind dynamische Einwirkungen relevant? Auswirkung auf Tragsicherheit/Gebrauchstauglichkeit

2 Dynamische Eingangsgrößen

Normungen und Empfehlungen Erforderliche Informationen | Recherche- und Suchmöglichkeiten Methoden zur Ableitung und Berücksichtigung

3 Ablauf dynamische Berechnung

Berechnungsverfahren Schritte einer dynamischen Analyse Bewertung der Ergebnisse

4 Anwendungsbeispiele

Hafenböschung in verflüssigungsfähigem Sand Industrielle Absetzanlage

5 Zusammenfassung

Was kann die dynamische Berechnung leisten?

Ausblick

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Dynamische Eingangsgrößen

Bauwesen, Erd- und Grundbau

• DIN 4149 (04/2005): Bauten in deutschen Erdbebengebieten; Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten (Hilfsmittel für Erd-/Grundbau)

• DIN EN 1998 / EC 8 (12/2010): Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben:

Teil 1: Grundlagen und Regeln für Hochbauten

Teil 5: Gründungen, Stützbauwerke und geotechnische Aspekte

Wasserbau/Talsperren

• DIN 19700 (07/2004): Teil 10 Gemeinsame Festlegungen, Teil 11 Talsperren (volldyn. Berechnungen unter definierten Randbedingungen)

• ATV-DVWK-M 502 (2002): Berech-nungsverfahren für Staudämme

• DVWK-M 242 (1996): Berechnungs-verfahren für Gewichtsstaumauern

ThürTA-Stau (06/2005): Technische Anleitung Stauanlagen

Schweizer Basisdokument zu dem Nachweis der Erdbebensicherheit von Stauanlagen (03/2003)

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Normungen und Empfehlungen (Auszug)

→ zahlreiche aktuelle Veröffentlichungen und Empfehlungen → z.Zt. „kein genormtes“ Verfahren für dynamische Berechnungen



• Kenntnisse zur potenziellen seismischen Gefährdung

• geotechnische und dynamische Feld- sowie Laboruntersuchungen

• standortbezogenes seismologisches Gutachten (Auslegungserdbeben)

• Wiederkehrintervalle/Auftretens-wahrscheinlichkeiten (BmEB, BtEB)

• seismologische Standortparameter

• zutreffende Beschleunigungsverläufe

• maximale Spitzenbeschleunigungen

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Was wird grundsätzlich an Daten/Informationen benötigt?

bohrloch- und refraktionsseismische Messung (GGL GmbH)



Karten der seismischen Gefährdung

Spitzenbodenbeschleunigungen, PGA-Werte

Größenordnung einer Beschleunigung, die wahr-scheinlich in best. Zeitspanne überschritten wird

spezifiziert 10%-ige Wahrscheinlichkeit des Über-schreitens eines Bodenbewegungsparameters

Auszug Erdbebenkataloge

PEER | Pacific Earthquake Engineering Research Center

NOAA | National Oceanic and Atmospheric Administration Strong Motion Data Catalog Search

USGS | U.S. Geological Survey NSMP | National Strong-Motion Project

ESD | European Strong-Motion Database

GSHAP | Global Seismic Hazard Assessment Program

Wahl eines repräsentativen Beben-verlaufes anhand Standortparameter

Karten Spitzenbeschleunigung mit Auftretenswahrscheinlichkeiten

Normierung Bebenverlauf auf Spitzenbeschleunigung

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Recherche- und Suchmöglichkeiten



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Recherche- und Suchmöglichkeiten (Gefährdungskarten)

Horizontale Beschleunigungswerte

(Untergrundtyp A) für Referenz-

Wiederkehrperiode 95 (10 Jahre mit

Wahrscheinlichkeit 10%) u. 500 Jahre

(50 Jahre, Wahrscheinlichkeit 10%)

Quelle: http://seizkarta.gfz.hr/karta.php

seismisches Risiko Deutschland

Karte makroseismische Intensitäten

aus DIN 4149

internationale Karten am Beispiel Kroatien

Erdbebengefährdungskarte für 9,5%

Überschreitungswahrscheinlichkeit

von Bodenbeschleunigung PGA in

100 Jahren (bzw. P = 10-03 p.a., T =

1.000 Jahre)

Grünthal, G.: „Erdbebengefährdung für

die Bemessung von Stauanlagen nach

DIN 19700“ (20.11.2007)

nach EC 8 Teil 1 maßgebend für Unter-suchungen nach Forderungen der Schadensbegrenzung (Verformungen)

nach EC 8 Teil 1 maßgebend für Untersuchungen nach Forderungen der Tragfähigkeit (Standsicherheit)



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Recherche- und Suchmöglichkeiten (Aufzeichnungen, Daten)

Geotechnisches Symposium Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe am 22./23. März 2013 in Cottbus Koitzsch, Yves: Standsicherheitsnachweis von Böschungen unter dynamischen Einwirkungen 22.03.2013 11



Methode 1:

• Erdbebenzonen Bemessungswerte Bodenbeschleunigung

• Faktorisierung (Bedeutungsbeiwerte, Untergrundparameter)

• vereinfachte Ableitung/Verwendung pseudo-statischer Ersatzlasten

Methode 2:

• Verwendung Beschleunigungsverläufe (Accelerogramme)

• dynamische Anregung des Modells, Beobachten der „Reaktion“ oder

• dynamische Berechnung nach sugzes-siver Scherfestigkeitsreduzierung

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Methoden zur Ableitung und Berücksichtigung



Methode 1 (Anlehnung an DIN 4149)

• EZ Intensitätsintervalle / Bemes-sungswerte der Beschleunigung

• gefordert wird somit Nachweis ab PGA > 0,4 m/s² bzw. 0,041 g

• ag,vert durch Abminderung von ag,horiz ermitteln (Faktor 0,7)

• Bemessungswerte mit Aufschlägen g1 versehen, die sich an Bedeutung „Bauwerk“ orientieren (Kat. I... IV)

• zusätzliche Berücksichtigung Unter-grundparameter S (Lage auf Lockerge-stein oder felsartigem Untergrund und Verwitterung)

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Methode 1: vereinfachte quasi-statische Ansätze


• Bemessungsspektrum mit Maximal-werten der spektralen Beschleu-nigung für lineare Berechnungen

• für elast. Antwortspektrum und Intervall TB < T < TC (größte Amplitu-den bei dyn. Beanspruchung) gilt:

• Verhaltenswert q (Duktilität „Bauwerk“)

• Rückrechnungen: q = 1,75 (horiz.) und q = 2,55 (vert.) für Verhaltens-beiwerte von Erdbauwerken

Beispiel:

• Damm mit zu schützenden Objekten im Vor-land; Erdbebenzone EZ = 2

• ag,hor = 0,60 m/s² und ag,vert = 0,70 × ag,hor = 0,42 m/s²

• Beiwert g1 = 1,4 (Bedeutungskategorie IV)

• Untergrundparameter S = 1,25 für Lage des Gebietes auf felsartigem Untergrund

• quasi-statische Ersatzlasten für Erdstatik:

ab,hor = 1,50 m/s² = 0,153 g

ab,vert = 0,71 m/s² = 0,072 g

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Methode 1: vereinfachte quasi-statische Ansätze Dynamische Eingangsgrößen

q

0S1g

a(T)d

Sβ g

mit

Sd(T).. Bemessungsspektrum

b0... Verstärkungsbeiwert der Spektralbeschleunigung mit

Referenzwert b0 = 2,5 für 5% viskose Dämpfung

q... Verhaltensbeiwert für die Duktilität des „Bauwerkes“



• quasi-statische Ersatzlasten werden oft für maximale Beschleunigung abgeleitet dann sehr hoch und konservativ

• pos. Beschleunigungen folgen im nächsten Zeitschritt negative Beschleuni-gungen (D = 0,2 sec.!), die beginnender Deformation „entgegenwirken“

• Erdbeben verursachen bei Dämmen und Böschungen zusätzlich zu den statischen auch dynamische Belastungen

• Frequenzband Erdbeben oft deutlich höher als Eigenfrequenzen von Dämmen und Böschungen quasi-statische Einwirkungen werden i.d.R. wieder abgemindert

• PWD-Veränderungen aus dynamischer Einwirkung bleiben unberücksichtigt Gebrauchstauglichkeit des Systems nach Konsolidation?

• keine Berücksichtigung modellspezifischer Eigenfrequenzen usw. möglich

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Methode 1: Nachteile quasi-statischer Ansätze



• deutlich komplizierter und aufwändiger, jedoch unter verschiedenen Randbedingungen gefordert (z.B. Damm als Sperrbauwerk, TK 1, H > 40 m)

• umfangreiche Berechnungsteilschritte notwendig, z.B.:

a) Eigenfrequenzanalysen am ungedämpften Modell

b) Ableitung Systemdämpfung bzw. Verwendung entsprechender Stoffgesetze

c) dynamische Berechnung mit Auslegungserdbeben (SiEB)

d) Tragsicherheitsuntersuchungen mit Beschleunigungsantworten

e) dynamische Berechnungen mit schrittweise reduzierten Scherfestigkeiten

f) Gebrauchstauglichkeitsuntersuchungen mit von c) abweichendem Beben

• iterative Prozesse mit Sensitivitätsanalysen für Kennwerte, horizontale/ vertikale dynamische Anregung, Beschleunigungsantworten usw.

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Methode 2: dynamische Berechnungsansätze


Ablauf dynamische Berechnung

• Vorgabe eines definierten Verschie-bungsbetrages unterer Modellrand

• Eintrag als harmonische Anregung (horizontal und vertikal)

• Festlegung Beobachtungspunkte

• Messen und Auswerten Verschie-bungsantworten |u|

• Bestimmung der ersten drei System-eigenfrequenzen (w1… w3)

• Vgl. z.B. mit Näherungsformel aus Schweizer Basisdokument mgl.:

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a) Eigenfrequenzanalysen am ungedämpften System

h

svxω 3 1... 31 x1 = 2,40 | x2 = 5,52 | x3 = 8,65

vs… mittlere Scherwellengeschwindigkeit im Dammmaterial h… Dammhöhe

Modellausschnitt

Verschiebungsantworten



• Berücksichtigung Eigenfrequenzen des Berechnungsmodells (w1… w3)

• vereinfachte Ableitung von Rayleigh-Dämpfungsparametern (a, b)

a… Steuerung Einfluss Masse auf die Dämpfung und des Bereiches niedriger Frequenzen

b… Steuerung der Dämpfung proportional zur aktuellen Steifigkeit

z… definiert als viskose Dämpfung in % der kritischen Dämpfung (z = 5%)

• alternativ: Verwendung höherwer-tiger Stoffgesetze mit Dämpfung

• statische dynamische Steifigkeiten für Volldynamik

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b) Einführung einer „Systemdämpfung“

b Dämpfung a Dämpfung

iii 2 2

zwwba

Quelle: Grundbautaschenbuch, Teil 1, 6. Auflage

Dämpfungsparameter a = 0,5236

b = 2,653×10-03



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c) dynamische Berechnung

• wiederum Vorgabe eines Deforma-tionsbetrages

• Kopplung Deformationsbetrag mit echter Bebenaufzeichnung ()

• Beschleunigungsantworten Bereich potenzielle Versagenskinematik

• max. Beschleunigungsantworten horizontal|vertikal in unterschied-lichen Zeitschritten!

• i.d.R. kein Kollaps in dyn. Berech-nung trotz hoher Deformationen

• „maßgebender“ Sicherheitsbeiwert (SMsf) hier nicht ableitbar

horizontal vertikal

Auswort Beschleunigungsant-worten (horizontal/vertikal) an Beobachtungspunkten



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d) Tragsicherheitsuntersuchungen mit Beschleunigungsantworten

• Mittelwert Beschleunigungsantwort

• Auswahl repräsent. Beschleunigung, Abminderung auf Effektivwert

• Wichtung ag,hor|vert im Bereich „maß-gebender“ Versagenskinematik

• Beschleunigungsantworten quasi-statische Ersatzlasten

• Ersatzlasten dann auch in konventio-nellen Berechnungen verwendbar

• echte dynamische Berechnung dann eigentlich umgangen; Einwirkungen jedoch aus Dynamik ermittelt

Auswertung der Beschleunigungsantworten Bebenanregung horizontal/vertikal

Punkt MW ax MW ay

maximale Beschleunigungsantwort [m/s²] -0,985 0,929

Zeitpunkt der maximalen Beschleunigungsantwort [s] 6,16 5,20

zugehörige Beschleunigungsantwort in orth. Richtung [m/s²] 0,207 -0,498

rechnerische Beschleunigung in x-Richtung [g]: -0,100 -0,051

rechnerische Beschleunigung in y-Richtung [g]: 0,021 0,095



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e) dynamische Analysen mit abgeminderten Kennwerten*)

• schrittweise Abminderung Festig-keitsparameter (gf/c)

• größtmöglicher Abminderungsfaktor stat. Standsicherheitsberechnung

• volldynamische numerische Berech-nung für jede Abminderungsstufe

• Versagenspunkte/Scherdehnungen Aufzeichnung einzelner Berech-nungsschritte (avi-Format)

• qualitative Bewertung zusammen-hängende Versagenskinematik

• iterative Näherung zum „vorhande-nen“ Standsicherheitsniveau

• relativ aufwändige Auswertungen

BS 00 gf/c = 1,0 BS 01 gf/c = 1,1 BS 02 gf /c = 1,2 BS 07 gf /c = 1,7 BS 08 gf /c = 1,8

Schicht cref φ cref φ cref φ cref φ cref φ

kN/m² ° kN/m² ° kN/m² ° kN/m² ° kN/m² °

T 8 5,0 19,0 4,5 17,4 4,2 16,0 2,9 11,5 2,8 10,8

T 9 0,1 19,0 0,1 17,4 0,1 16,0 0,1 11,5 0,1 10,8

T 10 5,0 20,0 4,5 18,3 4,2 16,9 2,9 12,1 2,8 11,4

T 11 2,8 30,5 2,5 28,2 2,3 26,1 1,6 19,1 1,6 18,1

T 12 2,0 27,5 1,8 25,3 1,7 23,5 1,2 17,0 1,1 16,1

T 13 0,1 30,0 0,1 27,7 0,1 25,7 0,1 18,8 0,1 17,8

T 14 19,7 24,6 17,9 22,6 16,4 20,9 11,6 15,1 10,9 14,3

T 15 50,0 35,0 45,5 32,5 41,7 30,3 29,4 22,4 27,8 21,3

*) von Wolffersdorff, P.-A.; Mey, A.: Standsicherheitsnachweise für

Staudämme bei Erdbebenbeanspruchung mit der Finite-Elemente-Methode


Anwendungsbeispiel 1

Randbedingungen

• geplante Hafenerweiterung in seis-misch aktiver Region in Kroatien

• Verbesserung durch Bebenanregung „verflüssigbarer“ Bodenschichten (Sande, schluffige Sande)

• Untergrundverbesserung mittels Steinsäulen (Vibro Stone Column)

• Unterwasseraushub bis -20 m; Böschung mit Neigung 1:3

• dynamische Untersuchungen mittels FEM zur Ausführungsoptimierung (Umfang Untergrundverbesserung)

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Hafenböschung in verflüssigungsfähigem Sand



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• insb. 1997-2001 Kroatien seismisch äußerst aktives Gebiet (1.925 auf-gezeichnete Beben)

• Bsp. Ston–Slano salt plant: Beben 09/1996; M = 6,0; Imax = VIII °MSK; Nachbeben M = 4,5; Imax = VI °MSK

• umfangreiche Forschungen/Studien kroatischer Erdbebenkatalog

• normierte Accelerogramme (z.B. NEPH4*), BAR, STON und ULCINJ)

• Karten mit PGA-Werten für versch. Referenz‐Wiederkehrperioden

• Skalierung Accelerogramme um PGA

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Quelle: GEOFIZIKA VOL. 18-19 2001-2002 Seismicity of Croatia in the period 1997–2001 (20.12.2002)

Herak, M.: Earthquake hazard in Southern Croatia (Dalmatia) in terms of PGA for 4 return periods

*) synthetischer Verlauf, übrige Verläufe aufgezeichnet



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ausgewählte Ergebnisse

• Auslegungserdbeben ULCINJ, 04/1979 (ca. 300 km südöstlich, M = 6,9)

• hohe Deformationsantworten

• Beschleunigungsantworten ag,hor|vert = 0,182 g (!) | 0,064 g

• Optimierung Ausführungstiefe Bodenverbesserung (9 bis 13 m)

• Wirksamkeit Bodenverbesserung nachgewiesen potenzielle Versagenskinematik unterhalb

• geringe Reserven Gesamtstand-sicherheit (Reserve „räumliche Einspannung“)



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Abdeckung einer Industriellen Absetzanlage



Aufgabenkomplexe:

• vertikale/horizontale Deformation

• Standsicherheit Innenböschungen unter dynamischen Einwirkungen

• besteht Gefährdung des „Freilegens“ abgedeckter Bereiche

• Langzeitbeständigkeit EAD (Gefälle-stabilität Gerinne)

• bilden sich gegenläufige Gefälle und Vernässungsbereiche?

• Sensitivitätsbetrachtungen (Festig-keitseigenschaften Schichten, Beben-anregung usw.)

• Vgl. mit quasi-statischen Ansätzen

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„besondere“ Randbedingungen:

• sehr langes Berechnungsmodell (1.650 m) ohne „Symmetrieeffekte“

• versch. Stoffgesetze (MC, Soft-Soil)

• vorgegebenes Auslegungserdbeben

• unterschiedliche Fragestellungen (Standsicherheit und Verformungen)

• Dämme bereits standsicher profiliert Betrachtung Beckeninnenbereich

• Erfahrungswerte für „spezielle geom. Situation“ nicht recherchierbar

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0,29

0,49

-0,45

0,56

0,34

-1,20

1,31

3,45

-2,59

2,69

-1,22

-2,23

2,59

-1,89

1,93

-1,68

1,02

-1,85

0,83

1,05

-0,66

0,54

-0,41

0,52

-0,39

0,42

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ho

rizo

nta

lbesch

leu

nig

un

g

Zeit [s]

Beschleunigung in G

Beschleunigung in m/s²

-0,34

0,92

-0,82-0,95

1,14

-0,61

0,83

1,10

2,19

-1,78

-0,87

2,02

2,63

-2,01

1,80

-0,90

0,76 0,79

-0,75

0,93

-0,60

-0,39

0,22

-0,23 -0,19

0,24

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Vert

ikalb

esch

leu

nig

un

g

Zeit [s]

Beschleunigung in G

Beschleunigung in m/s²

FE-Netz mit ca. 34.000 Knoten und Beobachtungspunkten



ausgewählte Ergebnisse:

• Beschleunigungsantworten modera-ter als in quasi-statischen Ansätzen

• unterschiedliche Reaktion (ag,res.) linke/rechte Beckeninnenböschung

• differenzierte Festigkeitsansätze in MC- bzw. Soft Soil-Stoffgesetz mit totalen bzw. effektiven Parametern

• Standsicherheitsforderung erfüllbar, Schwerpunkt rechte Innenböschung

• Volldynamik: keine ausgeprägten Versagensmechanismen trotz hoher Kennwertabminderungen!

• keine Beeinflussung Gerinnestabilität

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Tragsicherheitsuntersuchungen: MC-Modell, totale Festigkeiten, gekoppelte undränierte Analyse (Methode B in Plaxis)

Gebrauchstauglichkeitsuntersuchungen: Soft Soil-Modell, eff. Festigkeiten, gekoppelte undr. Analyse (Methode A) mit anschl. Konsolidation



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Zusammenfassung

• Anwendungsfälle denkbar, in denen dyn. Berechnungen gefragt sind

• dynamische Berechnungsverfahren u.U. in Anwendungsfällen erfolgreich, in denen quasi-statische Ansätze „versagen“

• Abbildung standortspezifischer dynamischer Anregungen

• Berücksichtigung Frequenzbandbreite dynamischer Einwirkungen

• gekoppelte dynamische Berechnungen und Auswertungen mgl. (z.B. Auswirkungen PWD-Veränderungen und anschließende Konsolidation)

• Berücksichtigung einer mitschwingenden Wassermasse (z.B. Staudamm)

• Vorteil ergeben sich aus Verwendung der FE-Berechnung allgemein (potenziell Versagenskinematik, Soffgesetze, Verformungen)

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ...

CDM Smith Consult GmbH

Weißenfelser Straße 65 H

04229 Leipzig

Glückauf!

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