Forschungsaktivitäten
Das Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffe im Bauwesen befasst sich mit folgenden Forschungsgebieten:
Baustoffe:
Eigenschaften von Sonderbetonen und Mörteln, Dauerhaftigkeit von Baustoffen, Herstellungstechnologie, Hochtemperaturverhalten von Baustoffen, numerische Simulationen zum Werkstoffverhalten.
Konstruktiver Ingenieurbau:
Stahlverbund-Sonderbauteile, Trag-, Verformungs- und Langzeitverhalten von Stahlverbundkonstruktionen, Brandverhalten von Bauteilen (Holz, Stahl, Stahlbeton, Stahlverbund), numerische Simulation des Trag- und Verformungsverhaltens von Bauteilen und Gesamttragwerken bei Normaltemperatur und bei Brandbeanspruchung.
Brandschutz:
Hochtemperaturverhalten von Baustoffen, Brandverhalten von Bauteilen und Bauwerken, dynamische Simulationen zur Brandentwicklung und zur Entrauchung von Gebäuden, Schadstofftransport, Sicherheitskonzepte.
Technologietransfer:
Chemische und mechanische Baustoffuntersuchungen, Baustoffentwicklungen, Bauteiluntersuchungen in situ und im Labor, Bauwerksanalysen, Erarbeitung von Sanierungskonzepten, Risikoabschätzungen, Erarbeitung von brandschutztechnischen Sicherheitskonzepten und Gesamtlösungen für den baulichen, betrieblichen und organisatorischen Brandschutz, Schadensgutachten.
Aktuelle Forschungsprojekte
Die Schädigungsentwicklung von Hochleistungsbetonen unter Ermüdungsbeanspruchung wurde bislang nicht systematisch beschrieben, insbesondere für moderne stahlfaserverstärkte Hochleistungsbetone. Daher sind numerische Modelle zur Materialdegradation oft Insellösungen, die an nicht auf die Modellierung abgestimmten Experimenten kalibriert wurden. Dieses Projekt verfolgt das Ziel, den Einfluss verschiedener Stahlfaserarten und -gehalte auf den Schädigungsfortschritt von Beton unter Ermüdungsbeanspruchung zu erfassen, zu beschreiben und mit Hilfe numerischer Modelle mehrskalig zu modellieren. Die Ermüdungsbeanspruchungen umfassen neben einstufigen Beanspruchungen Mehrstufenkollektive und Reihenfolgeeffekte. Für die Untersuchungen werden zwei Hochleistungsbetone (Referenzbetone des SPP2020) verwendet. Verwendet werden ein hochfester Beton mit endverankerten Stahlfasern mit Fasergehalten von 23 kg/m3 bis 115 kg/m3 sowie ein ultrahochfester Beton, der mit glatten, hochfesten Kurzdrahtfasern und Fasergehalten von 57 kg/m3 und 115 kg/m3 . Zur experimentellen und numerischen Analyse der Schädigungs- und Ermüdungsentwicklung wurden in der ersten Förderperiode umfangreiche statische Faserauszugsversuche sowie statische und zyklische Biegezugversuche und Druckschwellversuche durchgeführt und mit Hilfe von Schädigungsindikatoren die Degradation beschrieben. Als Schädigungsindikatoren werden unter anderem die Rissöffnungsentwicklung, die Steifigkeitsentwicklung oder die in Schädigung dissipierte Energie verwendet. Das enge Zusammenspiel zwischen Experiment und numerischer Simulation ermöglichte eine Kalibrierung und Validierung der Modelle und Materialbeschreibungen. In der zweiten Förderperiode werden die experimentellen Versuche durch hochzyklische mehrstufige Versuche unter Berücksichtigung von Reihenfolgeeffekten unter Biegezugschwell- und Druckschwellbeanspruchung ergänzt. Für die in silico Versuche werden gerade im Bereich der hochzyklischen Beanspruchungen die entwickelten Simulationsmodelle hinsichtlich der Effizienz weiterentwickelt. Dazu werden zur Modellierung und Prognose der Degradation bei hohen Zyklenzahlen Cycle-Jump Ansätze entwickelt und anhand spezifischer Versuche kalibriert und validiert. Basierend auf dem Vorgehen im geplanten Arbeitsprogramm wird das Zusammenspiel von Experimenten und Modellierung im Sinne eines Experimental-Virtual-Lab bewertet und optimiert. Mit dessen Hilfe soll zukünftig die Bewertung des Ermüdungsverhaltens von Hochleistungsbetonen in einer Kombination aus wenigen Versuchen und numerischen Berechnungen möglich werden.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert dieses Forschungsvorhaben im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 2020 "Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab".
Förderzeitraum: 2020 bis 2023
Projektförderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: 353513049
Partner:
Universität Duisburg-Essen
Institut für Mechanik
Prof. Dr.-Ing. Jörg Schröder, Dr.-Ing. Dominik Brands
www.uni-due.de/mechanika/
Webseite des SPP: https://www.spp2020.uni-hannover.de/de/
Beim Klinkerbrennprozess sind ca. 2/3 der CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von geogenem Kalkstein, der wesentlicher Bestandteil des Rohmaterials ist, prozessbedingt unvermeidbar. Die restlichen 1/3 der CO2-Emissionen stammen aus den Brennstoffen. Wenn es möglich wäre, bereits entsäuerten Kalk z.B. aus aufbereitetem Aufbruch von Betonbauwerken dem Klinkerbrennprozess wieder zuzuführen, könnten nicht nur ein wesentlicher Anteil der CO2-Emissionen eingespart, sondern durch die Substitution geogenen Kalksteins zusätzlich Ressourcen geschont werden. Dieses Ziel kann nur erreicht werden, wenn Zementstein und Gesteinskörnung bestmöglich getrennt werden und eine Kalkanreicherung in den feinen Bestandteilen erreicht wird. Als positiver Nebeneffekt wird eine hochwertige, rezyklierte Gesteinskörnung erreicht.
Um eine bestmögliche Trennung von Zementstein und Gesteinskorn zu erreichen, wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Beispiele sind konventionelle mechanische Brechverfahren; neuere Verfahren wie elektrodynamische Fragmentierung oder Trennung mittels Wasserdruck benötigen hohe Investitionen und sind derzeit allenfalls im Technikumsmaßstab verfügbar. In anderen Ansätzen wurde Betonaufbruch mit hohen Temperaturen bis 700°C aufbereitet.
In Vorarbeiten wurde nachgewiesen, dass mit einer zyklischen Hochtemperaturbeanspruchung bereits bei relativ niedrigen Temperaturen eine starke Schädigung des Zementsteins hervorgerufen werden kann. Effektive Temperaturen unter 500°C können in der Industrie, z.B. in Zementwerken als Prozesswärme verfügbar gemacht werden und müssen nicht durch Energieeinsatz erzeugt werden. Das Ziel der zyklisch-thermischen Vorschädigung ist eine deutlich verbesserte Trennbarkeit von Gesteinskörnung und Zementstein in einem „Reibmahlvorgang“. Hierfür können konventionelle, in Zementwerken vorhandene Mahltechniken mit veränderten Prozessparametern eingesetzt werden.
Im vorgeschlagenen Forschungsvorhaben soll an zwei praxisüblichen Modellbetonen nachgewiesen werden, dass eine Kombination aus zyklisch-thermischer Vorschädigung des Zementsteins mit abgestimmtem Reibmahlvorgang zu der notwendigen Anreicherung von Kalkbestandteilen im feinen Mahlgut führt, das als nahezu „CO2-freies-Sekundärrohmehl“ in den Klinkerbrennprozess zurückgeführt werden kann. Gleichzeitig wird geogener Kalkstein substituiert und eine hochwertige rezyklierte Gesteinskörnung erreicht.
Förderzeitraum: 2023 bis 2024
Projektförderer: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)
Projektnummer: 37942/01-23
Partner:
Portlandzementwerk WITTEKIND
Hugo Miebach Söhne KG
Hüchtchenweg 1
59597 Erwitte
www.wittekindzement.de
Abgeschlossene Forschungsprojekte
Die Schädigungsentwicklung von Hochleistungsbetonen unter Ermüdungsbeanspruchung wurde bislang nicht systematisch untersucht und beschrieben, insbesondere für moderne stahlfaserverstärkte Hochleistungsbetone. Daher sind bestehende numerische Modelle zur Materialdegradation oft Insellösungen, die meist an nicht auf die Modellierung abgestimmten Experimenten kalibriert wurden.
Dieses Projekt verfolgt das Ziel, den Einfluss verschiedener Stahlfaserarten und -gehalte auf den Schädigungsfortschritt von Beton unter Ermüdungsbeanspruchung zu erfassen, zu beschreiben und mit Hilfe der Phasenfeld-Theorie mehrskalig zu modellieren. Für die Untersuchungen werden zwei übliche Hochleistungsbetone verwendet. Ein Hochfester Beton der Druckfestigkeitsklasse C50/60, der mit endverankerten Stahlfasern mit Gehalten von 23 kg/m³ bis 115 kg/m³ modifiziert wird sowie ein Ultrahochfester Beton, der mit Hochfesten Kurzdrahtfasern ohne Endverankerung und Fasergehalten von 57 kg/m³ bis 115 kg/m³ modifiziert wird. Aufbauend auf statischen Faserauszugsversuchen, statischen und zyklischen Biegezugschwellversuchen sowie zyklischen Druckschwellversuchen wird mit Hilfe von Indikatoren die Schädigungsentwicklung beschrieben und die Modelle werden kalibriert. Als Schädigungsindikatoren werden unter anderem die Dehnungsentwicklung, die Steifigkeitsentwicklung oder die in Schädigung dissipierte Energie verwendet. Anschließend werden die Verläufe der Schädigungsindikatoren in Form verzerrungsbasierter Energiefunktionen beschrieben, die im makroskopischen Modell die Degradation abbildet.
Zur Modellbildung und Prognose des makroskopischen Materialverhaltens werden in silico Simulationen verwendet, welche auf mehrskaligen Ansätze basieren. Mesoskalig wird eine ellipsoide Einheitszelle als repräsentatives Volumenelement, bestehend aus einer in der Betonmatrix eingebetteten Einzelfaser, konstruiert und kalibriert. Aufbauend wird ein makroskopisches Materialgesetz zur Reduktion des Gesamtmodells angestrebt, welches die unterschiedlichen Faserausrichtungen in Form einer Orientierungsverteilungsfunktion berücksichtigt. Zur Abbildung von Schädigungslokalisierungen und Rissen findet auf beiden Skalen die Phasenfeld-Theorie Anwendung.
Basierend auf dem Vorgehen im geplanten Arbeitsprogramm wird das Zusammenspiel von Experimenten und Modellierung im Sinne eines Experimental-Virtual-Lab bewertet und optimiert. Mit dessen Hilfe soll zukünftig die Bewertung des Ermüdungsverhaltens von Hochleistungsbetonen in einer Kombination aus wenigen Versuchen und numerischen Berechnungen möglich werden.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert dieses Forschungsvorhaben im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 2020 "Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab"
Förderzeitraum: 2017 bis 2020
Projektförderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer: 353513049
Partner:
Universität Duisburg-Essen
Institut für Mechanik
Prof. Dr.-Ing. Jörg Schröder, Dr.-Ing. Dominik Brands
www.uni-due.de/mechanika/
Webseite des SPP: https://www.spp2020.uni-hannover.de/de/
Deutsches Zentrum für Schienenverkehrsforschung beim Eisenbahn-Bundesamt (DZSF)
Projektnummer 2018-I-6-1217
Gebäude werden überwiegend unter ihren Möglichkeiten und nicht im Einklang mit ihrer Planung betrieben. Die Belange derer, die für den Gebäudebetrieb verantwortlich sind, fließen zu wenig in die Planung ein. So gehen wertvolle Informationen aus der Planung durch eine nicht durchgängige Informationshaltung für die Betriebsphase verloren. Die Zieldefinitionen und messtechnische Ausstattung der meisten Gebäude ist zur Qualitätssicherung und Optimierung des Betriebs nicht geeignet. Anforderungen der Energiewende auf der Netzseite werden bisher noch nicht für den Gebäudebetrieb berücksichtigt.
Vor diesem Hintergrund ist es Ziel des Vorhabens Living Lab Gebäudeperformance durch konsequente Informationsvernetzung, Definition und Überprüfung von Gebäudequalitäten sowie eine kontinuierliche Qualitätssicherung Methoden aufzuzeigen, mit denen die Performance von Nichtwohngebäuden im Betrieb verbessert und die Umweltbelastung durch eine effiziente Decarbonisierung der Energieversorgung reduziert wird.
Das interdisziplinäre Projektteam besteht aus Mitarbeitern der Lehrstühle für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung, Baubetrieb und Bauwirtschaft, Werkstoffe im Bauwesen (Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen) sowie dem Lehrstuhl Elektrische Energieversorgungstechnik der Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik.
Bearbeitet werden vier Handlungsfelder:
Perform BIM – Methodenentwicklung und Testplattform zur leistungsfähigen Informationsvernetzung durch ein gemeinsames Bauwerksdatenmodell (engl. Building Information Modeling kurz BIM) in der Bau- und Immobilienwirtschaft für Entwerfen, Planen, Bauen, in Betrieb nehmen, Betreiben, Umnutzen und Rückbauen.
Perform SIMON – Methodenentwicklung und Testplattform zum Einsatz von Simulation, Bestandsanalysen und Monitoring zur kontinuierlichen Qualitätssicherung (Soll/Ist-Vergleich), Fehlererkennung und Verbesserung der Gebäudeperformance (Nutzungsqualität, Umweltwirkung).
Perform GRID – Methodenentwicklung und Testplattform zur Verbesserung der Gebäude-Netz-Interaktion durch Maßnahmen der Betriebsführung, Integration/Nutzung von Energiespeichern sowie intelligenter Sektorkopplung für Strom und Wärme.
Perform TRANS – Umsetzung und Verbreitung der Ergebnisse. Inhalt der Transferstrategie sind u. a. die Aktivierung des Neubaus HC am Campus Haspel als Living Lab, Ausbau des Smart Grid Labs, Begleitung externer Pilotprojekte wie dem Neubau der WSW Wuppertaler Stadtwerke und der Kreisverwaltung Mettmann, Nutzung von Lehrimpulsen und Entwicklung neuer Lehrformate, Veröffentlichungen und die Durchführung eines Symposiums.
Gefördert wird das Projekt durch die europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ in Verbindung mit Landesmitteln des Ministeriums für Heimat, Kommunales, Bau und Gleichstellung des Landes Nordrhein-Westfalen (MHKBG NRW).
Projektlaufzeit: 2017 - 2020
Building Information Modeling (BIM) als Basis für den Umgang mit digitalen Informationen zur Optimierung von Stoffkreisläufen im Bauwesen
Fördermittelgeber: DBU - Deutsche Bundesstiftung Umwelt
Die Schließung von Stoffkreisläufen im Bausektor scheitert meist an Bauprodukten, die sich nicht oder nur mit großem Aufwand recyceln lassen. Dies liegt neben den im Bestand zumeist fehlenden Informationen zum Verbleib der jeweiligen Produkte am Ende der Nutzungszeit eines Bauwerks an einer zunehmenden Vielfalt der im Hochbausektor eingesetzten Bauprodukte. Viele Bauprodukte weisen definierte Eigenschaften auf, die sie je nach Einsatzgebiet und -zweck für Bauwerke prädestinieren, aber auch zu einer immer größer werdenden Heterogenität von Bauabfällen führen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es neben der Optimierung des Recyclings auch die Reparaturfreundlichkeit im Schadens- oder Sanierungsfall zu erhöhen, um einen möglichst hohen Anteil an Materialien in den Rohstoffkreislauf zurückführen zu können. Des Weiteren sollen durch eine weitreichende und frühzeitige Aufnahme und Speicherung produkt- und stoffbezogener Informationen (z. B. in Bezug auf Gefahrstoffe) zu den eingebauten Materialien und ihrer Zuordnung zum Einbauort in digitalen Bauwerksdaten-Modellen bei der Wartung oder Instandsetzung während der Betriebsphase sowie beim Rückbau die Belange des Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutzes wesentlich besser als bisher berücksichtigt werden.
Zur Erreichung des o.g. Ziels ist die Analyse, Erfassung und Dokumentation relevanter Prozesse und stoff- bzw. produktbezogener Daten erforderlich. Hierzu werden zwei unterschiedliche Lebenszyklen aus Sicht der Baustoffe betrachtet, der Lebenszyklus des Baustoffes an sich und der Lebenszyklus des Bauwerks. Der Lebenszyklus des Baustoffes gliedert sich in die Phasen „Herstellung, Verarbeitung, Rückbau und Aufbereitung bzw. Entsorgung“. Demgegenüber gliedert sich der Lebenszyklus des Bauwerks in die Phasen der „Entwicklung, Planung, Realisierung, Betrieb und Abbruch“. In diesem Forschungsprojekt wird das Augenmerk auf die im Hinblick für die Baustoffe wichtigen Phasen „Realisierung und Abbruch“ gelegt. Der Abbruch wird hierbei einerseits im Sinne des Gesamtrückbaus eines Bauwerkes als auch als Teilprozess im Rahmen einer Instandhaltungsmaßnahme verstanden.
Durch die Betrachtung beider Lebenszyklen aus Prozesssicht mit Fokus auf den Informationsflüssen sollen alle relevanten Informationen der wichtigsten Konstruktions- und Massenbaustoffe analysiert und dokumentiert werden. Im vorliegenden Forschungsprojekt werden konkret Stahl, Baumetalle, mineralische Baustoffe (Beton, Mauerwerk, Putz), Trockenbaustoffe, Klebstoffe, Teppiche und Innenfarben betrachtet. Durch das Überlagern der Prozesse aus den unterschiedlichen Phasen der beiden Lebenszyklen werden die entstehenden Anforderungen an ein notwendiges Datenprofil für Baustoffe herausgearbeitet.
Im Hinblick auf Herkunft der stoffbezogenen Daten wird unterschieden in Projekte, in denen die Daten der Bauprodukte während der Bauausführung erhoben werden können – und teils im Rahmen der baubegleitenden Qualitätssicherung erhoben werden müssen – sowie in Rück- bzw. Umbaumaßnahmen im Bestand, bei denen die Beurteilung der vorhandenen Stoffe oft durch Inaugenscheinnahme und Beprobungen stattfindet. In diesen Fällen kann für baustoffbezogene Daten zumeist nur auf vorhandene, allgemein zugängliche Datenbanken zurückgegriffen werden. Beide Prozessvarianten sollen im vorliegenden Projekt untersucht und dargestellt werden.
In diesem Zusammenhang wird dabei die Methode BIM betrachtet, indem eine Integration der analysierten Daten mit dem Gebäudedatenmodell verfolgt wird. Um eine zeit- und praxisnahe Umsetzung und Anwendung der Forschungsergebnisse zu erzielen, wird eine erweiterbare Software-Applikation „RecycBIM“ entwickelt. Die Software-Applikation wird durch die Praxispartner an realen Baustellen getestet und validiert.
Projektlaufzeit: 01/2017 bis 12/2018
http://www.biminstitut.de/forschung/aktuelle-projekte-bim/fokus-rueckbau
Institut für Konstruktiven Ingenieurbau (IKIB)
Das Institut für Konstruktiven Ingenieurbau ist eine anerkannte Baustoffprüfstelle mit VMPA-Prüfsiegel.
Im Institut für Konstrukiven Ingenieurbau besteht die Möglichkeit der Untersuchungen an Gebäuden, Brücken usw., an Baustoffen wie Beton, Stahl, Holz, Glas usw. an Bauteilen mit Konstruktionsteilen.
Ebenso führen wir Untersuchungen auf Bauschäden und auf Ursachen von Bauschäden durch.
Für die verschiedenen Untersuchungen stehen uns eine große Versuchshalle und ein Chemielabor (Baustoffprüflabor) zur Verfügung
Kontakt: ikib[at]uni-wuppertal.de / www.ikib.uni-wuppertal.de
