Stadt der Zukunft

Bedeutung der Alterung von Baustoffen

Bevor ein neues Bauwerk errichtet wird, muss dieses zuerst akribisch geplant und entworfen werden. Dabei muss auch ein Nachweis darüber erbracht werden, dass das Bauwerk über die gesamte Nutzungsdauer tragfähig und gebrauchstauglich bleibt. Zur Erbringung dieses Nachweises gehen die Nachweiskonzepte in der Regel davon aus, dass die Bauwerke ihren Idealzustand nach der Erstellung für die gesamte Nutzungsdauer beibehalten. Tatsächlich altern die verwendeten Baustoffe jedoch und ändern ihren Zustand, wodurch sich auch die Eigenschaften der Bauwerke im Ganzen im Laufe der Nutzungsdauer ändern. Die Zuverlässigkeit und Qualität der Bauwerke nehmen dadurch ab und es kann darüber hinaus sogar zu einer Beeinträchtigung der Trag- und Gebrauchssicherheit kommen. Der Prozess der „Zustandsänderung“ bei der Alterung von Baustoffen und Tragwerken kann je nach Art des Baustoffes, wie zum Beispiel Holz, Stahl, Beton, und der Einwirkung chemische oder physikalische Ursachen haben und findet auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen statt, wie zum Beispiel von Mikrorissen im Stahl bis hin zu Abplatzungen am Beton. Im schlimmsten Fall kann die Beeinträchtigung der Trag- und Gebrauchssicherheit durch die alterungsbedingte Zustandsänderung katastrophale Unfälle zur Folge haben. Ein tragisches Beispiel für einen solchen Unfall aus der jüngeren Vergangenheit ist der Einsturz der Morandi-Brücke 2018 in Genua. Abgesehen von solchen katastrophalen Unfällen gewinnen Infrastrukturbauwerke, wie zum Beispiel Bahn- oder Autobahnbrücken, für unser alltägliches Leben und auch unsere Wirtschaft eine immer größere Bedeutung. Derzeit beträgt beispielsweise der umgerechnete monetäre Wert alleine der Verkehrsinfrastruktur im Bundesgebiet etwa 1.000 Mrd. €. Damit ist es nicht verwunderlich, dass die Qualität und auch die Umweltverträglichkeit und die Nachhaltigkeit von Bauwerken sowie das ökonomische Management von Infrastrukturbauwerken auf allen Entscheidungsebenen der Volkswirtschaft immer wichtiger werden. Um zukünftig katastrophale Unfälle verhindern und die Lebensdauer von Bauwerken sogar noch erhöhen zu können, gilt es, durch Forschung mehr über die Beschreibung, Bewertung und Prognose der zukünftigen Trag- und Gebrauchssicherheit eines Bauwerkes zu erfahren.

Ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördertes Graduiertenkolleg (GRK) ist ein Forschungsverbund, an dem in der Regel verschiedene Forschungseinrichtungen beteiligt sind und in Zusammenarbeit themenspezifische Forschung betreiben. Die Besonderheit an diesem Forschungsprogramm ist, dass Graduiertenkollegs Hochschulabsolventen durch regelmäßigen Austausch, verschiedene Weiterbildungsmaßnahmen und eine fachübergreifende Betreuung eine optimale Umgebung für eine Promotion bieten.

In dem von der DFG geförderten Graduiertenkolleg „Modelle für die Beschreibung der Zustandsänderung bei Alterung von Baustoffen und Tragwerken“ werden zuerst die verschiedenen chemischen und physikalischen Einwirkungen auf die Bauwerke untersucht. Hierzu gehören zum Beispiel hohe Krafteinwirkungen durch Sturmböen, häufig wiederkehrende Belastungen wie der Autoverkehr über eine Brücke, starke Temperaturschwankungen oder aber die Auswirkungen von Streusalzen oder Meerwasser auf den Stahlbeton. Dabei sollen das Phänomen der Alterung und die zur Zustandsänderung beitragenden Prozesse im Rahmen des Forschungsverbundes sowohl experimentell in Laboren und Versuchshallen als auch numerisch durch computergestützte Simulationen untersucht werden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollen anschließend in Einzelfällen Modelle entwickelt werden, die eine Prognose der Zustands- und Qualitätsänderung in die Zukunft erlauben. Die Prognosemodelle sollen die verschiedenen physikalischen und chemischen Prozesse dabei nicht getrennt voneinander abbilden, da in der Realität die verschiedenen Einflüsse von innen und außen auch nicht isoliert, sondern mehrheitlich zusammen wirken. Um möglichst realitätsnahe Prognosemodelle zu entwickeln, die eine zusammenhängende Aussage über die Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerkes ermöglichen, soll deshalb gerade auch das Zusammenwirken der Prozesse erfasst werden. Zudem sollen im Unterschied zu zurzeit vorhandenen Modellen die identifizierten Mechanismen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen der Materialstruktur, also von Nanometern bis hin zum mit dem bloßen Auge sichtbaren Bereichen und von relativ kurzen Zeiteinheiten bis hin zu Jahren untersucht und beschrieben werden. Nachdem die Ergebnisse auf kleineren Skalen durch Experimente validiert wurden, können daraus erste vereinfachende Ingenieurmodelle für eine Anwendung der Ergebnisse auf Tragwerksebene entwickelt werden.

Eine detailliertere Beschreibung des Forschungsvorhabens, die einzelnen Mitglieder und deren Forschungsschwerpunkte, bereits abgeschlossene Dissertationen im Rahmen des Graduiertenkollegs 2075 und weitere interessante Informationen können der Website des Graduiertenkollegs 2075 entnommen werden.

Graduiertenkolleg 2075

Beteiligte Institute

Institut für Angewandte Mechanik

Institut für Akustik

Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz - FG Baustoffe
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz - FG Massivbau
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz - FG Organische Baustoffe

Institut für Dynamik und Schwingungen

Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen

Institut für Statik 

Institut für Stahlbau

Die Urbanisierung ist ein weltweites Phänomen und die Verbesserung der Luftqualität in urbanen Gebieten ist eine Grundvoraussetzung für eine angemessene Lebensqualität. Viele Untersuchungen haben gezeigt, dass speziell die Feinstaubbelastung in der Luft Anlass zur Sorge gibt, weil sie die Ursache für diverse Gesundheitsprobleme darstellt. Zur Verringerung der Feinstaubbelastung gab es umfangreiche Diskussionen und Beschlüsse seitens der Politik, zur Reduktion der Feinstaubproblematik einzelne Straßen innerhalb von Städten für Kraftfahrzeuge zu sperren.

Die Effektivität derartiger Maßnahmen ist grundsätzlich unbekannt und Messkampagnen entsprechend zeit- und kostenintensiv. Numerische Simulation bieten hier einen sinnvollen Ansatz, um den potentiellen Erfolg der Maßnahmen sinnvoll abschätzen zu können. Die Qualität der numerischen Ergebnisse ist von mehreren Faktoren und Parametern abhängig.

Während wir den in unserem Institut entwickelten Strömungslöser für Windgeschwindigkeitsprofile bereits validieren konnten [1], wurde im Zuge einer Bachelorarbeit ein Verkehrssimulator basierend auf dem Nagel-Schreckenberg Modell implementiert [2], der den Verkehr in den Straßen dieses Stadtquartiers zeitabhängig modelliert. Das Quartier ist ein dicht bebauter Innenstadtbereich, der eine Ausdehnung ca. 500 x 500 m aufweist. Die einzelnen Fahrzeuge stoßen je nach Fahrsituation eine individuell gewichtete Menge an Feinstaub aus. Die Kombination aus dieser zeit- und fahrzeugabhängigen Feinstaubgenerierung und unterschiedlichen Windsituationen verschafft einen guten Überblick, welchen Einfluss die von der Politik besprochenen Maßnahmen haben können. Dafür wurden insgesamt 4 Stunden Echtzeit in Kombination mit drei verschiedenen Windsituationen simuliert. Auf diese Weise wurde die typische Hauptverkehrszeit in den Morgenstunden (06:00 – 10:00 Uhr) beispielhaft untersucht.

[1] S. Lenz, M. Schönherr, M. Geier, M. Krafczyk, A. Pasquali, A. Christen and M. Giometto: Towards real-time simulation of turbulent air flow over a resolved urban canopy using the cumulant lattice Boltzmann method on a GPGPU, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 189, pp. 151-162, 2019

[2] "Entwicklung und Integration eines Nagel-Schreckenberg Modells in einen CFD Solver zur Simulation von Schadstoffausbreitungen im urbanen Raum", Anna Wellmann, Bachelorthesis, 2019

Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen