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Zustandsänderung von Baustoffen und Tragwerken

Ausgangsbasis sind zum einen Unfälle der letzten Jahre, wie beispielsweise der Einsturz der Eislaufhalle in Bad Reichenhall oder der Koror-Babeldaob-Brücke in Palau. In beiden Fällen hatte das Tragwerk ohne vorherige erkennbare Anzeichen nach vielen Jahren der Nutzungsdauer unerwartet versagt. Zum anderen basiert das Interesse einer Verlängerung der Nutzungsdauer – ohne Einbußen hinsichtlich der Gebäudesicherheit – auch auf einem ökonomischen Hintergrund. »Der monetäre Wert der Verkehrsinfrastruktur im Bundesgebiet (liegt bei) ca. 600 Mrd. Euro. Bei einer durchschnittlichen Nutzungsdauer von ca. 60 Jahren bewirkt die Verlängerung der Nutzungsdauer um 10 Jahre eine Wertschöpfung von ca. 100 Mrd. Euro«, wird auf der Projektseite erläutert.

Ziel des fachübergreifenden Forschungsverbundes einer Vielzahl von Instituten der TU Braunschweig – darunter die Institute für Statik, für Angewandte Mechanik, für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen, für Wissenschaftliches Rechnen, für Stahlbau, für Kontinuumsmechanik – sowie dem Fraunhofer-Institut für Holzforschung ist die Entwicklung eines Konzeptes zur Bewertung der Zustandsänderung und damit der Qualität von Bauwerken des konstruktiven Ingenieurbaus. Bisher werden Eigenschaften von Bauteilen und Baustoffen bei der Erstellung des Gebäudes nachgewiesen. Zu diesem Zeitpunkt entsprechen ihre Eigenschaften dem Ideal. »Tatsächlich ändern sich der Zustand der Baustoffe und damit die Eigenschaften des Bauwerks im Laufe der Nutzungsdauer, sodass dessen Zuverlässigkeit und Qualität mit der Zeit abnehmen und sowohl die Tragsicherheit als auch die Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigt sein können«, wird erläutert. »Beton, Stahl oder Holz erfahren während ihrer Lebensdauer vergleichbare planmäßige und unplanmäßige Einwirkungen, die jedoch unterschiedliche Auswirkungen haben können. So diffundiert z. B. Kohlendioxid in Betonbauteile und bewirkt eine Karbonatisierung der oberflächennahen Schichten. Stahlbauwerke sind inert gegen Kohlendioxid. Besonders aggressive chemische Einwirkungen sind z. B. bei Abwasseraufbereitungsanlagen und Abwasserkanälen vorhanden und führen hier zu erhöhter Abnutzung und früher Schädigung der Bauwerksoberflächen, ohne dass die Tragfähigkeit zwangsläufig gefährdet wird. Die in der Regel auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen ablaufenden Prozesse sind miteinander verknüpft und beeinflussen sich gegenseitig. Auch die Art der Beanspruchung ist wesentlich. Wechselnde Anregungen führen zur Ermüdung eines Werkstoffs und zur Mikrorissbildung, z. B. bei Eisenbahnbrücken oder bei Windenergieanlagen, die unbeachtet katastrophale Folgen haben können. Sie müssen daher bereits beim Tragwerksentwurf und in ihrer Entwicklung berücksichtigt werden.«

Um den aktuellen Bauwerkszustand zu analysieren und Aussagen über den weiteren Verlauf machen zu können, werden verschiedene Modelle, die sowohl Ist-Stand als auch Prognosen aufzeigen, erstellt. Dabei soll durch die Berücksichtigung unterschiedlichster Parameter, die gleichzeitig auf ein Bauteil einwirken, eine integrale Information über die Zustandsänderung erarbeitet werden. Der Alterungsprozess wird mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen von der Mikrostruktur bis zur Bauwerksebene validiert. Dabei werden das mechanische Verhalten von Beton, Stahl und Holz, Phasenübergänge, Temperatur- und Feuchteentwicklung sowie die Stoffausbreitung in Bauteilen berücksichtigt. Anhand des wirklichen Baustoffzustands wird dann eine Prognose ermittelt. Ist der reale Zustand nicht zu ermitteln, werden mathematische Berechnungen zu Hilfe gezogen. Anhand von ausgewählten Tragwerken und Konstruktionen werden weiterhin Untersuchungen zur Resttragfähigkeit durchgeführt.

Dauerstandverhalten von Hochleistungsbeton
Im Teilprojekt »Auswirkungen von Dauerlasten auf das Tragverhalten von Massivbauteilen« wird das Materialverhalten von Betonen unter einer Dauerdruckbeanspruchung untersucht. Dauerdruckbeanspruchungen treten z. B. in Bauteilen wie Stützen, Wänden, Biegeträgern mit großen Betondruckzonen und Fundamenten auf und müssen bei der Bemessung berücksichtigt werden. Da bisherige Untersuchungen vorwiegend in den 1950er- und 1960er-Jahren an Normalbetonen durchgeführt wurden, wird im Forschungsvorhaben – auch im Hinblick auf die jüngste Weiterentwicklung der Betontechnologie – ein besonderer Fokus auf die Untersuchung von hochfesten Betonen gelegt. Das Dauerstandverhalten soll u. a. an entsprechenden Prüfkörpern in Dauerstandversuchen untersucht werden. Hierbei werden auch Einflüsse aus Vorschädigungen und Unstetigkeiten durch eine eingelegte Betonstahlbewehrung berücksichtigt. Ziel ist es, das Dauerstandverhalten von Betonen grundlegend zu erforschen und hierauf aufbauend Modelle – auch für die Anwendung in verschiedenen Bauteilsituationen – zu entwickeln.

Alterung und Schädigung erforschen
Die Dissertationen befassen sich mit der Zustandsänderung von Baustoffen, der Bewertung des Zustandes sowie der Ermittlung der Resttragfähigkeit. So wird beispielsweise die chemisch-physikalische Degradation von Beton untersucht oder die Bedeutung von Rissen für die Durchlässigkeit von Beton. Weiterhin spielt die Diffusivität der Zementmatrix eine wichtige Rolle bei der Bewertung der Dauerhaftigkeit. Bei porösen Materialien werden beim Alterungsprozess Mikrorisse, Rissausbreitung sowie das Bruchverhalten erforscht. Numerische Simulationen sollen Erkenntnisse über den Alterungsprozess im Zeitraffer geben. Neben den Testverfahren zu den Werkstoffen Beton und Stahlbeton werden auch der Alterungsprozess und das Schädigungsverhalten bei Überbeanspruchung der Baustoffe Stahl und Holz erforscht. Kurzberichte aller Dissertationsthemen zur Beanspruchung und Dauerhaftigkeit der verschiedenen Materialien können auf der Website des Graduiertenkollegs 2075 nachgelesen werden.

Weitere Informationen über das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt ist bei dem Sprecher Prof. Dr.-Ing. D. Dinkler, Institut für Statik, TU Braunschweig erhältlich.

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