Teilprojekt D2

Numerische Simulation des Tragverhaltens textilverstärkter Bauwerke

Leitung Mitarbeiter Ziele Methoden Ergebnisse Veröffentlichungen Diplomarbeiten

Leitung

4. Förderperiode

Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kaliske
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Graf
Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke

1. - 3. Förderperiode

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Möller; federführend
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Graf
Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke

Mitarbeiter

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Möller (beratend)
Dr.-Ing. Andreas Hoffmann
Dr.-Ing. Frank Steinigen

Ziele

Die Verstärkung von Stahlbeton-Tragwerken mit textilen Flächenstrukturen wird nur dann zuverlässig beherrscht, wenn die theoretischen Grundlagen bekannt sind und das veränderte Tragverhalten im Einzelfall rechnerisch nachgewiesen werden kann. Zur Erhöhung der Tragfähigkeit werden neuartige, in diesem SFB entwickelte, textile Verstärkungen eingesetzt.

Abb. 1: Balken unter zyklischer Belastung - Spannungs- und Rißzustand.

Die numerische Simulation des Tragverhaltens soll sowohl Aussagen zum globalen Systemversagen als auch zu lokalen Effekten wie Schubversagen und Delamination liefern.

In der 1. Förderperiode wurde ein numerisches Berechnungsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe der Deformations- und Spannungszustand textilverstärkter Stahlbetonbauwerke unter einsinniger Beanspruchung beurteilt werden kann. Dieses Berechnungsmodell stützt sich auf geschichtete hybride Schnittkraftelemente, die bei der physikalisch nichtlinearen Stahlbetonanalyse erfolgreich eingesetzt werden. Durch Einführung einer beliebigen Anzahl diskret gekoppelter paralleler Referenzebenen wurde das klassische Schichtenmodell so erweitert, daß Verzerrungen senkrecht zu den Referenzebenen und Schubverzerrungen in Grenzflächen zwischen den Schichten diskret berücksichtigt werden können (Multi-Referenzebenen-Modell, MRM).

Neben der Nachrechnung von Versuchen werden Aufgaben der Tragwerksplanung behandelt.

In der 2. Förderperiode wurden die theoretischen Grundlagen des MRM grundlegend überarbeitet. Gegenüber dem gemischten Vorgehen in der 1. Förderperiode – hybride finite Schnittkraftelemente und Interfaceelemente mit Verschiebungsansatz – wurde eine neue, in sich konsistente hybride Formulierung des MRM entwickelt.

Für allgemeine Be-, Ent- und Wiederbelastungsvorgänge unter Berücksichtigung der während der Belastungsgeschichte akkumulierten Materialschädigung wurde das MRM in der 2. Förderperiode um endochrone Stoffgesetze erweitert.

Für die Verstärkungsschicht aus einer textilen Flächenstruktur in Feinbetonmatrix wurden in der 1. Förderperiode alternativ eine verschmierte Stoffbeschreibung und eine komponentenorientierte Stoffbeschreibung eingeführt. In der 2. Förderperiode wurde die komponentenorientierte Stoffbeschreibung, die auch für zyklische Belastung geeignet ist, um eine dehnungsabhängige Schädigungsfunktion erweitert, die das spezielle Verbundverhalten zwischen Feinbeton und Textilroving abbildet.

In der 3. Förderperiode werden die Algorithmen unter Berücksichtigung von Datenunschärfe, zeitabhängiger Belastung sowie neuer Werkstoffe und Werkstoffkombinationen weiterentwickelt. Die Verbundbeschreibung mit dem MRM wird durch eine Meso-Makro-Interaktionsmodellierung ausgebaut. Zur Erfassung der Datenunschärfe bei der numerischen Simulation wird die Methode der Fuzzy-Stochastischen Finiten Elemente (FSFEM, s. Teilprojekt E3) eingesetzt und für die Lösung der fuzzy-zufälligen Bewegungsgleichung weiterentwickelt.

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Methoden

Für die geometrisch und physikalisch nichtlineare numerische Simulation textilverstärkter Stahlbetonkonstuktionen werden MRM-Elemente eingesetzt, bei denen die Verzerrungen senkrecht zu den Referenzebenen und Schubverzerrungen in Grenzflächen zwischen den Schichten berücksichtigt werden können.

Multi-Referenzebenen-Modell
d2_mrm.pdf (490 kB)
Werkstoffverhalten
d2_wsv.pdf (188 kB)
globale Schädigungsindikatoren
d2_gsi.pdf (87 kB)

Ergebnisse

Mit den in der 1. Förderperiode entwickelten Algorithmen wurde das Tragverhalten zahlreicher textilverstärkten Stahlbeton-Tragwerken simuliert. Die beiden ersten Beispiele dienen zur Verifikation des Berechnungsmodells; es sind Nachrechnungen von Versuchen der Teilprojekte C1 und D1. Das Tragverhalten realer Konstruktionen - einer Plattenbalkendecke und eines Dachfaltwerkes - zeigen die Beispiele 3 und 4. Dabei wurde auch das physikalisch nichtlineare Stahlbetonverhalten erfaßt.

Beispiel 1: Schubversuch
d2_bsp1.pdf (161 kB)
Beispiel 2: Einfeldplatten
d2_bsp2.pdf (125 kB)
Beispiel 3: Plattenbalkendecke
d2_bsp3.pdf (136 kB)
Beispiel 4: Dachfaltwerk
d2_bsp4.pdf (147 kB)

Abb. 3: Dachfaltwerk - Spannungs- und Rißzustand

Mit den in der 2. Förderperiode entwickelten Algorithmen konnte das Tragverhalten von textilverstärkten Stahlbeton-Tragwerken unter allgemeinen Lastprozessen simuliert werden. Anhand der Beipiele 5 und 6 wurde das Berechnungsmodell verifiziert; es sind Nachrechnungen von Versuchen des Teilprojektes D1. Im Beispiel 6 wird die Anwendung globaler Schädigungsindikatoren gezeigt.

Veröffentlichungen

2010

Steinigen, F.; Graf, W.; Kaliske, M.: Numerical modelling of textile strengthened RC structures including a smeared crack approach. In: Mechtcherine, V.; Kaliske, M. (eds.): Fracture and Damage of Advenced Fibre-reinforced Cement-based Materials, Aedificatio Publishers, Freiburg, 2010, pp. 223-230
Steinigen, F.; Graf, W.; Kaliske, M.: Compact RC structures with textile strengthening: Computational models and application. In: Zingoni, A. (ed.): Advances and Trends in Structural Engineering, Mechanics and Computation, Taylor & Francis Group, London, 2010, pp. 289-292
Graf, W.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.; Kaliske, M.: Numerical simulation of RC structures under impact loads - Ideas, models and examples to the consideration of uncertain data. In: Sas, P.; Bergen, B. (eds.): Proceedings of ISMA2010 International Conference on Noise and Vibration Engineering including Uncertainty in Structural Dynamics (USD2010), Katholieke Universiteit Leuven, 2010, pp. 5027-5042
Freitag, S.; Steinigen, F.; Graf, W.; Kaliske, M.: Numerical Long-Term Simulation of TRC Strengthened RC Structures. In: Brameshuber, W. (ed.): Proceedings of the International RILEM Conference on Material Science (MatSci) - Volume I, 2nd International Conference of Textile Reinforced Concrete (ICTRC), Aachen, RILEM Publications S.A.R.L., Bagneux, 2010, pp. 319-329
Sickert, J.-U.; Steinigen, F.; Graf, W.; Kaliske, M.: Numerische Simulation textilbetonverstärkter Plattenstrukturen. In: Anwendertagung Leichter bauen - Zukunft formen, Dresden, 2010, TUDALIT-Magazin S.14, Volltext (21 S.) CD-DOM
Graf, W.; Freitag, S.; Sickert, J.-U.: Uncertain structural processes and neural network application. In: 4th European Conference on Computational Mechanics (ECCM 2010), Paris, 2010. – CD-ROM
Graf, W.; Kaliske, M.; Sickert, J.-U.; Pannier, S.: Konzepte zur Beurteilung der Robustheit von Tragwerken. 14. Dresdner Baustatik-Seminar, TU Dresden, Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke, 2010, S. 69-91

2009

Steinigen, F.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Kaliske, M.: Rehabilitation of existing spatial RC structures with textile strengthening. In: Kuczma, M. (Hrsg.); Wilmanski, K. (Hrsg.); Szajna, W. (Hrsg.): Proceedings of the 18th International Conference on Computer Methods in Mechanics – CMM2009, Zielona Góra, 18.–21.5.2009. Zielona Góra : The University of Zielona Góra Press, 2009, pp. 443-444
Steinigen, F.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Kaliske, M.: Nachträglich textilverstärkte Stahlbetontragwerke - Strukturanalyse mit unscharfen Daten. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textile Reinforced Structures : Proceedings of the 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, D–01062 Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 301-312 URN: urn:nbn:de:bsz:14-ds-1244047124333-78222
Graf, W.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Numerical simulation of structures using generalized models for data uncertainty. In: Brebbia, C.A.; Carlomagno, G.M. (eds.): Computational Methods and Experimental Measurements XIV Southampton : WIT Press, 2009, pp. 511-521
Sickert, J.-U.; Graf, W.; Steinigen F.: Structural dynamics under consideration of imprecise probability. In: Papadrakakis, M.; Lagaros, N.D.; Fragiadakis M. (eds.): ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering (COMPDYN2009), Rhodos, 2009. p. 186, Volltext (11 S.), CD-ROM
Graf, W.; Kaliske, M.; Hoffmann, A.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Computational models for textile reinforced concrete structures. In: Ghafoori, N. (ed.): 5th International Structural Engineering and Construction Conference (ISEC-05), Las Vegas, 2009. London : Taylor & Francis/Balkema, pp. 589-594
Möller, B.; Graf, W.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Fuzzy random processes and their application to dynamic analysis of structures. Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems (MCMDS) 15 (2009) 6, pp. 515-534 – doi: 10.1080/13873950903375338
Graf, W.; Jenkel, C.; Pannier, S.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Numerical structural monitoring with the uncertainty model fuzzy randomness. International Journal of Reliability and Safety 3 (2009) 1/2/3, pp. 218-234
Geißler, G.:The Cohesive Crack Tip Model within the Finite Element Method - Implementations, Enhancements, Applications. Dissertation, Dresden: Fakultät Bauingenieurwesen, Technische Universität Dresden, 2009.

2008

Chudoba, R.; Möller, B.; Meskouris, K.; Zastrau, B.; Graf, W.; Lepenies, I.: Numerical Modeling of Textile Reinforced Concrete. In: Dubey, A. (edt.): Textile-Reinforced Concrete. Proceedings of ACI Fall Convention. Kansas City, November 2005. SP-250CD—11, 2008 – CD-Rom
Graf, W.; Hoffmann, A.; Kaliske, M.; Möller, B.: Die Statik bleibt dynamisch. In: 12. Dresdner Baustatik-Seminar. TU Dresden, Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke, 2008, S. 67-86
Sickert, J.-U.; Kaliske, M.; Graf, W.: Fuzzy stochastic earthquake analysis of structures. In: COST C26: Urban Habitat Constructions under Catastrophic Events. Datasheet, International Symposium, University of Malta, 2008
Sickert, J.-U.; Kaliske, M.; Graf, W.: Strengthening of earthquake damaged structures by means of textile reinforced structures. In: COST C26: Urban Habitat Constructions under Catastrophic Events. Datasheet, International Symposium, University of Malta, 2008
Steinigen, F.; Graf, W.; Kaliske, M.; Sickert, J.-U.: Numerical monitoring of textile reinforced concrete structures. In: Topping, B.H.V.; Papadrakakis, M. (eds.): 9th Internat. Conference on Computational Structures Technology, Athens, 2008. Proceedings, Civil-Comp Press : Stirlingshire, 2008, p. 183, Volltext (12 S.), CD-ROM
Kaliske, M.; Graf, W.: Numerisches Tragwerksmonitoring und Prognose des Tragwerkverhaltens. In: Wagner, W. (Hrsg.): Baustatik-Baupraxis 10. Bericht, Universität Karlsruhe (TH), 2008, S. 183-192

2007

Curbach, M.; Graf, W.; Jesse, D.; Sickert, J.-U.; Weiland, S.: Segmentbrücke aus textilbewehrtem Beton - Konstruktion, Fertigung, numerische Berechnung. In: Beton- und Stahlbetonbau 102 (2007) 6, S. 342-352 – doi:10.1002/best.200700550
Graf, W.; Hoffmann, A.; Möller, B.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Analysis of textile reinforced concrete structures under consideration of non-traditional uncertainty models. Engineering Structures 29 (2007) 12, pp. 3420-3431

2006

Steinigen, F.; Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.: Numerical simulation of textile reinforced concrete considering dynamic loading process. In: Hegger, J.; Brameshuber, W.; Will, N. (eds.): Textile Reinforced Concrete – Proceedings of the 1st International RILEM Conference, Aachen, 2006. RILEM, pp. 275-284
Steinigen, F.: Numerische Simulation des Tragverhaltens textilverstärkter Bauwerke. Dissertation, Veröffentlichungen Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke, Heft 11, TU Dresden, 2006
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Textile reinforced concrete structures under uncertain dynamic loading processes. In: Mota Soares, C. M. et al. (eds.): 3th European Conference on Computational Mechanics (ECCM), Lisboa, 2006. Book of Abstracts, Springer, Dordrecht, p. 750, CD-ROM
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Sickert, J.-U. Simulation of load-bearing capacity of structures by fuzzy random processes In: Topping, B.H.V. (ed.): 8th Internat. Conference on Computational Structures Technology, Gran Canaria, 2006. Proceedings, Civil-Comp Press, Stirlingshire, 2006, pp. 421-422, Volltext CD-ROM
Freitag, S.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Pannier, S.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Tragwerke aus Textilbeton – unscharfe numerische Simulation. In: Ruge, P.; Graf, W. (eds.): 10. Dresdner Baustatik-Seminar. Dresden, 2006, S. 123-132 – PDF-Datei, 544 kB

2005

Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: Numerical simulation of structures with textile reinforcement. Computers and Structures 83 (2005) 19-20, p. 1659-1688 – doi: 10.1016/j.compstruc.2004.11.024
Steinigen, F.; Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.: Textile reinforced RD folded plate structures considering cyclic loading and damage. In: Hofstetter, G.; Meschke, G.: Numerical Modelling of Concrete Cracking, EUROMECH Colloquium 460, Innsbruck, 2005. CD-ROM
Möller, B.; Graf, W.: Tragwerksprozesse in der Baustatik. In: Möller, B: Baustatik-Baupraxis 9, TU Dresden, 2005, S. 381-393
Graf, W.; Möller, B.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.; Bartzsch, M.: Numerical models concerning RC structures with textile strengthening. In: Hara, T. (ed.): 3th Intern. Structural Engineering and Construction Conference, ISEC-03 Tokuyama College of Technology, Shunan, 2005. Taylor & Francis / Balkema, London, Rotterdam, pp. 175-183
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Rehabilitation of existing spatial RC structures with the aid of textile strengthening. In: Ramm, E.; Wall, W. A.; Bletzinger, K.-U.; Bischoff, M.: 5th International Conference on Computation of Shell & Spatial Structures, Salzburg, 2005. Book of Abstracts, p. 240, paper (4 pp.), CD-ROM
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Sickert, J.-U.; Steinigen, F.: Tragwerke aus Textilbeton – Berechnungsmodelle, Anwendungen. In: Bautechnik 82 (2005) 11, S. 782-795 – doi:10.1002/bate.200590231

2004

Möller, B.; Brückner, A.; Ortlepp, R.; Steinigen, F.: Verstärken mit textilbewehrtem Beton - Experimente und numerische Simulation. In: Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004) 6, S. 466-471 – doi:10.1002/best.200490118
Chudoba, R.; Graf, W.; Meskouris, K.; Zastrau, B.: Numerische Modellierung von textilverstärktem Beton. Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004) 6, S. 460-465 – doi:10.1002/best.200490117
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: Numerical models concerning structures with multi-layered textile strengthening. In: Topping, B. H. V. (ed.), 7th Int. Conference on Computational Structures Technology, Lisboa, 2004, Proceedings, Civil-Comp Press, Stirling, Abstract, pp. 97-98, Volltext (21 S.), CD-ROM
Graf, W.; Möller, B.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: RC-Structures with multi-directional, multi-layered textile strengthening. ECCOMAS 2004, University of Jyväskylä, 2004, Book of Abstracts, Vol. II, p. 80, Volltext (17 S.), CD-ROM
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Sickert, J.-U.; Liebscher, M.: Numerische Simulation des Sprengabbruches von Tragwerken. In: 8. Dresdner Baustatik-Seminar. TU Dresden, Lehrstuhl für Statik, 2004, Bericht, S. 41-68
Bartzsch, M.; Graf, W.; Möller, B.; Sickert, J.-U.: Modification of structures with uncertain parameters. In: Neittaamäki, P. (ed.) ECCOMAS 2004. University of Jyväskylä, 2004, Book of Abstracts, Vol. II, p. 82, paper (17 S.), CD-ROM
Bartzsch, M.; Graf, W.; Möller, B.: Modification of Composite Structures using Fuzzy Processes. In: Iyengar, NGR.; Kumar, A. (eds.): ICCMS-04. IIT Kanpur, 2004, Proceedings, pp. 636-645

2003

Graf, W.; Möller, B.; Hoffmann, A; Steinigen, F.: Models and experiments concerning structures with multi-directional, multi-layered textile strengthening. In: Anagnostopoulos, P.; Carlomagno, G.M.; Brebbia, C.A. (Eds.): Computational Methods and Experimental Measurements XI. Halkidiki 2003, WIT Press, Southampton, Boston, pp. 611-620
Möller, B.; Steinigen, F.; Graf, W.; Hoffmann, A.: Berücksichtigung von zyklischer Belastung und Schädigung bei der numerischen Simulation von Textilbeton. In: Curbach, M. (Ed.): Textile Reinforced Structures. Proceedings of the 2nd Colloqium on Textile Reinforforced Structures (CTRS2), Dresden, Germany, 29.9.2003-1.10.2003. Dresden: Sonderforschungsbereich 528, Technische Universität Dresden, 2003, pp. 423-434
Steinigen, F.; Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.: RC structures with textile reinforcement and strengthening. In: Bicanic, N.; de Borst, R.; Mang, H.; Meschke, G. (Eds.): Computational Modeling of Concrete Structures. Proceedings of the Euro-C Conference 2003, St. Johann im Pongau, A. A. Balkema, Lisse, pp. 759-768
Sickert, J.-U.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Möller, B.; Steinigen, F.: Uncertain safety: textile strengthened reinforced concrete constructions. In: Techtextil-Symposium 2003, Frankfurt/M., CD-ROM

2002

Graf, W.; Möller, B; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: Numerical simulation of RC structures with textile reinforcement. In: Mang, A. H.; Rammerstorfer, F. G.; Eberhardsteiner, J. (eds.): Fifth World Congress on Computational Mechanics. Vienna, 2002, 10 pp., http://wccm.tuwien.ac.at
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: Nachträgliche Verstärkung von Stahlbeton-Konstruktionen mit textilen Bewehrungen. In: Baustatik – Baupraxis 8. TU Braunschweig, 2002, S. 161–173

2001

Graf, W.; Hoffmann, A.; Möller, B.; Steinigen, F.: Numerical simulation and experimental measurements of RC-structures with textile reinforcements. In: Brebbia, C. A.; Carlomagno, G. M.; Villacampa, Y. (Eds.): Computational Methods and Experimental Measurements X. Alicante 2001, WIT Press, Southampton, Boston, pp. 387-396
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: Numerische Simulation des Tragverhaltens textilverstärkter Bauwerke. In: 1. Fachkolloquium Textilbeton. RWTH Aachen, 2001, S. 233-244 (PDF-Datei, 1182 kB)
Vassilev, T.: Bewertung von Modellen zur numerischen Simulation textilverstärkter Stahlbeton-Konstruktionen. Veröffentlichungen des Lehrstuhls für Statik. H. 3 (2001), TU Dresden
Graf, W. et al.: Aspekte der Theorie und Berechnung von Tragwerken. In: Festschrift Prof. Dr.-Ing. Bernd Möller 60 Jahre. TU Dresden, Lehrstuhl für Statik, 2001, S. 359–381

2000

Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: Textile Bewehrungen für leichte Beton-Konstruktionen. In: 4. Dresdner Baustatik-Seminar. Technische Universität Dresden, Lehrstuhl für Statik, 2000, Bericht, S. 47–66
Möller, B.; Beer, M.; Graf, W.; Hoffmann, A.: RC-folded plate structures with textile reinforcement. In: Onate, E. (Ed.): ECCOMAS Barcelona. 2000, CD-Rom
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: Long term damage processes in RC-folded plate structures with textile reinforcement. In: Selvadurai, A. P. S.; Brebbia, C. A. (Eds.): Damage and Fracture Mechanics VI. Montreal, WIT Press, Southampton, Boston, 2000, pp. 119-128
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Steinigen, F.: Long term damage processes in RC-folded plate structures with textile reinforcement. In: Selvadurai, A.P.S.; Brebbia, C.A. (Eds.): Damage and Fracture Mechanics VI. Montreal, WIT Press, Southampton, Boston, 2000, pp. 119–128

1999

Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Beer, M.: Ultimate limit load of RC-folded plate structures with textile reineforcements. In: Carlomagno, G.M.; Brebbia, C.A. (Eds.): Computational Methods and Experimental Measurements IX. Sorrento 1999, WIT Press, Southampton, Boston, 1999, pp. 453–462
Möller, B.; Graf, W.; Hoffmann, A.; Kluger, J.: Judgment of damage in RC-folded plate structures using a global dynamical damage indicator. In: Fryba, L.; Naprestek, J. (Eds.): EURODYN, Prag 1999. A. A. Balkema Publ., Rotterdam, 1999, pp. 599-604

1998

Möller, B.; Beer, M.; Graf, W.; Hoffmann, A.: FE-Modellierung von Composite-Konstruktionen aus Stahlbeton und textilen Verstärkungen. In: Finite Elemente in der Baupraxis. TU Darmstadt, Berlin : Ernst u. Sohn, 1998, S. 151-160