Aktuelle Projekte

BIM zur Optimierung von Stoffkreisläuften

Building Information Modeling (BIM) als Basis für den Umgang mit digitalen Informationen zur Optimierung von Stoffkreisläufen im Bauwesen
Fördermittelgeber: DBU - Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Projektlaufzeit: 01/2017 bis 12/2018

http://www.biminstitut.de/forschung/aktuelle-projekte-bim/fokus-rueckbau

Erfassung und Modellierung des Einflusses von Stahlfasern auf die Schädigungsentwicklung von Hochleistungsbetonen unter Ermüdungsbeanspruchung

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" in Kooperation mit Herrn Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder und Herrn Dr.-Ing. Dominik Brands vom Institut für Mechanik, Universität Duisburg-Essen.

Projektlaufzeit: 09/2017 - 09/2020

LIVING LAB GEBÄUDEPERFORMANCE

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 - 2019