Advanced Construction Technology and Innovative Geotechnical Engineering#
Von
O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Wulf Schubert
Institut für Felsmechanik und Tunnelbau
O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gernot Beer
Institut für Baustatik
Die Bauindustrie ist mit einem Anteil von ca. 10 % des BNP und einer Beschäftigungsrate von 20% der größte industrielle Arbeitgeber in der Europäischen Union. Deshalb ist die Bauindustrie ein bedeutender Faktor für die konjunkturelle Entwicklung der EU. Infolgedessen ist der Fortschritt im Bauwesen von hoher gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Relevanz. Aktuelle Forschungsthemen betreffen wichtige Fragen der Lebensqualität, der Nachhaltigkeit, des Umweltschutzes, der Katastrophenvorsorge und der Wirtschaftlichkeit. Infolge der großen Breite der Forschungsbereiche im Bauingenieurwesen werden die Bereiche Advanced Construction Technology und Innovative Geotechnical Engineering getrennt behandelt.
© Forschungsjournal WS 03/04
Advanced Construction Technology
Der Bausektor lässt sich nur schwer im industriellen Sinne systematisieren. Kaum ein Bauwerk gleicht dem anderen. Man baut in der Regel Prototypen, deren tatsächliches Tragverhalten sich nicht experimentell verifizieren lässt. Deshalb repräsentieren eine Vielzahl von Vorschriften (Bauordnung, Normen, Richtlinien, Zulassungen etc.) den „Stand der Technik“. Forschungsergebnisse aus dem geplanten Forschungsschwerpunkt sind für eine stetige Weiterentwicklung unumgänglich. Notwendige Forschungsthemen betreffen nicht nur Neu- und Umbauten, sondern auch Fragen der Bauwerkserhaltung und Sanierung. Bereits heute liegen beispielsweise die Erhaltungskosten von Brücken in ähnlicher Größenordnung wie das Budget für Neubauten. Künftig wird die Erhaltung und Revitalisierung der Bausubstanz eine Hauptaufgabe der Baubranche darstellen.
Die geplanten Forschungsinhalte verfolgen folgende Ziele:
- Entwicklung verbesserter Methoden zur Projektierung, Planung, Ausführung und zum Betrieb von Bauwerken
- Verbindung von theoretischer Forschung, numerischen Simulationsmethoden und hochtechnologischer Versuchstechnik
- Integrierte Werkstoff- und Konstruktionsforschung
Bestehende Infrastruktur, Ausstattung, Kompetenzen
Das Bautechnikzentrum (BTZ) bietet die ideale Infrastruktur für experimentelle Methoden, die zur Verifizierung von numerischen Simulationsmethoden unabdingbar sind. Im BTZ sind folgende Labors vertreten:
Konstruktive Versuchsanstalt (KVA): Aufspannfeld mit 200 m2 Grundfläche. Belastung bis zu 4 MN möglich. Digitale Messung von 48 Messwerten gleichzeitig.
Holzbau & Holztechnologie: 2 kraft- und weggesteuerte Zugprüfgeräte (max. 850 kN) und 1 Universalprüfgerät (Lastbereich bis 300 kN), Holztechnologielabor.
Bauphysik: Fenster- und Fassadenprüfstand, Schallprüfstand für Fenster, Türen, Fassaden, Deckenkonstruktionen und Fußbodenaufbauten, Schalllängsleitungsprüfstand.
Die Erweiterung mit der Technischen Versuchs- und Forschungsanstalt (TVFA) für Festigkeits- und Materialprüfung ist in Planung. Damit verfügt die TU Graz über ein kompaktes Kompetenzfeld für Material und Konstruktion. Für numerische Simulationen und Untersuchungen steht neben der EDV Ausstattung der Institute der Supercomputer des Zentralen Informatikdienstes zur Verfügung.
Kompetenzen bestehen auf dem Gebiet der experimentellen Versuchstechnik, numerischen Simulationsmethoden, design codes, virtuellen Realität, Bauinformatik etc. Die einzelnen Institute kooperieren in der Lehre und Forschung mit vielen nationalen und internationalen Universitäten und Forschungseinrichtungen (MIT, Univ. of Sydney, ETH etc.) und sind in zahlreichen europäischen und internationalen Gremien (EUROCODE Ausschüsse, ENCORD, IABSE etc.) vertreten. Seit 1.1.2003 arbeitet das holz.bau forschungs gmbh Kompetenzzentrum mit einem Budget von € 2,8 M und einer Laufzeit von 4 Jahren.
© Forschungsjournal WS 03/04
Forschungsbereiche
Das virtuelle Bauwerk
Der heutige Einsatz computerorientierter Methoden ist für einzelne
Bereiche des Planungs- und Bemessungsprozesses teilweise weit entwickelt. Derzeit ist jedoch die Kommunikation aller an der Planung und der Bauausführung Beteiligten (Architekt, Bauingenieur, Statiker, Bauphysiker, Gebäudetechniker, Elektrotechniker, Facility Manager etc.) sowie eine nahtlose Schnittstelle mit numerischen Simulationsmodellen noch nicht implementiert.
a) Abgeschlossene Projekte
EUREKA Projekt CIMSTEEL, FFF-Projekt „Computer Integrated Informationsystem“, PROSECCO (Product and Service Concept for Business Line Construction), OSB8000-Forschungshaus.
b) Laufende Projekte
FFF-Projekt: „FEM Modellierung im Stahlbrückenbau“, FFF-Projekt Virtuelles Prototyping von zylindrischen Silostrukturen. Plusenergiewohnbau.
c) Geplante Projekte
Virtuelles Bauwerk (Koordinator: Bauinformatik): Ein Datenaustausch
mit der übergeordneten Datenbank für Projektentwicklung, Projektplanung und Facility Management soll realisiert werden. Es ermöglicht die Kommunikation aller an der Planung und Bauausführung
Beteiligten während der Planungs-, Herstellungs- und Betriebsphase
bis zum Abbruch und Entsorgung.
Simulationsmethoden im Bauwesen
Zielsetzung ist die statische sowie dynamische Berechnung von Bauwerken aus Verkehrslasten sowie aus außergewöhnlichen Einwirkungen wie z.B. Brand, Explosion oder Erdbeben. Dabei spielt das Zusammenwirken von Bauwerk und Untergrund eine nicht unerhebliche Rolle.
a) Abgeschlossene Projekte
Brite/Euram Projekt SIMCES (System Identification to Monitor Civil Engineering Structures), BEFE Concrete.
b) Laufende Projekte
Erdbebenanalyse von Lagertanks, Rolling Stock analysis of bridges, Tragverhalten von Stahlbetonkonstruktionen unter Hochtemperatureinfluss
(Brand), Rückhaltesysteme auf Straßenbrücken, Simulation der Boden-Bauwerkinteraktion. „holz.bau“ Projekt: P01_shell structures (flächige Holzprodukte).
c) Geplante Projekte
Dynamik und Bauwerk (Koordinator: Baustatik): Simulationsmethoden
für die Bemessung von Bauwerken unter dynamischen Einwirkungen sollen verbessert und weiterentwickelt werden. Untersucht werden z.B. das Tragverhalten von Betonbauten, die Boden-Bauwerkinteraktion, das elasto-plastische Tragverhalten von Stabwerken, Platten und Schalentragwerken.
Die Fläche im Holzbau (Koordinator: Holzbau & Holztechnologie): Entwicklung einer mechanisch-konsistenten Berechnungstheorie für Flächenprodukte wie Brettsperrholz und Spanprodukte unter Berücksichtigung der wesentlichen mechanischen Eigenschaften. Die Erweiterung soll auf das dynamische Verhalten wie z. B. Schwingungsanregungen oder Erdbeben erfolgen.
Grundlagen der europäischen „design codes“
Die Europäischen Design Codes (EUROCODES) stellen die komprimierte
Zusammenfassung des State-of-the-art im konstruktiven Ingenieurbau dar. Ziel ist es zum Fortschritt dieses Wissens durch theoretische Forschung, durch moderne numerische Simulationsverfahren
und durch experimentelle Forschung beizutragen.
a) Abgeschlossene Projekte
Traglasten von Stäben aus Stahl bei Druck und Biegung, Nichtlineare
Berechnung von räumlichen Stabtragwerken aus Stahl, Entwurf der Önorm B 4750 (EC-nahe Spannbeton-Norm).
b) Laufende Projekte
Influence of cross-section shape on lateral restraints on the spatial buckling behaviour of steel members, Plastische Tragfähigkeit von semi-kompakten Stahlquerschnitten, Projekt Strassenbrücken, Innovative Ansätze zum Durchstanzproblem, Schubtragvermögen in kreisförmigen Stahlbetonstäben, „holz.bau“ Projekt: P07_Standardisation
(Umsetzung europäischer Normenwerke).
c) Geplante Projekte
SEMI-COMP (EU Antrag, Stahlbau): Plastic member capacity of semi-compact steel sections - a more economic design
ECOSTAB (EU Antrag, Stahlbau): Economic treatment of combined
actions in stability assessments for steel structures
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Innovationen in Material und Konstruktion
Vor allem bei den Baustoffen Beton und Holz konnten im letzten
Jahrzehnt bemerkenswerte technologische Fortschritte erzielt werden. Die neuen Materialien zeichnen sich nicht nur durch eine verbesserte Dauerhaftigkeit aus, sondern sie eröffnen auch neue Wege und Möglichkeiten für innovative Bauweisen.
a) Abgeschlossene Projekte
Entwicklung leistungsfähiger Holzleimbauteile durch den Einsatz von maschinell festigkeitssortiertem Holz, Intelligent Manufacturing of Wood Products using Color, x-ray and Computer Tomography-based Quality Control, Entwicklung innovativer Hartholzprodukte für den Einsatz im Baubereich, Die Glas-Beton-Verbundbauweise, Verstärkung von Brettschichtholz durch schräg zur Faserrichtung aufgeklebte Glasfasergewebe.
b) Laufende Projekte
Thermisch verfestigtes Glas in der Glas-Beton-Verbundbauweise, Brückenbaumethoden mit dünnwandigen Querschnitten aus UHPC, Entwicklung von Stabtragwerken aus Hochleistungsbeton mit innovativen
Bewehrungen, XXL-Starkholz, Maschinelle Sortierung von Brettschichtholzlamellen, „holz.bau“ Projekt: P03_qm-online (Qualitätsüberwachung der Produktion), „holz.bau“ Projekt: P05_grading (Sortierung).
c) Geplante Projekte
Der virtuelle Baum (Koordinator: Holzbau & Holzbautechnologie): Das Arbeitsgebiet umfasst die geometrische Beschreibung des Baumstammes in den globalen und lokalen Unregelmäßigkeiten und aufbauend auf diese Geometrie mechanische Berechnungen des Versagens unter Verwendung räumlicher Bruchkriterien und neuer Erkennungsverfahren wie z. B. die Mikrowelle.
Bauwerkserhaltung
Mit dem Ziel des nachhaltigen Bauens hat die ökologische Bewertung
von Baustoffen und Bauteilen und die vergleichende Lebenszyklusanalyse
von unterschiedlichen Bauweisen (Massivbau, Stahlbau) große Bedeutung.
a) Abgeschlossene Projekte
Autobahnbrücke Urstein: Entwicklung eines neuen Brückendecks in Verbundbauweise.
b) Laufende Projekte
Erhaltung und Instandsetzung von Brückenbauwerken, Entwicklung
von Methoden zur Diagnostik des Brückenzustandes, Eisenbahnübergang
Jauntal für die Koralm-Strecke der HL AG: (Umbau zu Verbundsystem für die Hochleistungsstrecke)
c) Geplante Projekte
Bauwerksinstandsetzung (Koordinator: Baustofflehre): Zu Fragen der Bauwerkssanierung sollen Methoden zur Beurteilung der Sanierungswürdigkeit von Hochbauten (ökologisch, ökonomisch, energetisch, statisch-konstruktiv) entwickelt werden, wozu eine lebenszyklusweite Gebäudedokumentation beiträgt. Es soll die Resttragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit verwendeter Produkte bestimmt werden.
Beteiligte Organisationseinheiten
Bauinformatik, Baustatik, Baustofftechnologie, Betonbau, Stahlbau und Flächentragwerke, Holzbau & Holztechnologie, Konstruktive Versuchsanstalt
(KVA), Technische Versuchs- und Forschungsanstalt für Festigkeits- und Materialprüfung (TVFA), Tragwerkslehre, Hoch- und Industriebau, Projektentwicklung und Management und andere.
Nähere Information unter:
www.cis.tu-graz.ac.at/ibb
www.cis.tu-graz.ac.at/shf
www.ifb.tugraz.at
Innovative Geotechnical Engineering
Ein Ziel dieses Forschungsbereiches ist, durch die enge Vernetzung verschiedener Wissenschaftsdisziplinen den bereits bestehenden Schwerpunkt Geotechnik an der TU Graz weiter zu stärken und die führende Rolle der Gruppe Geotechnik Graz in Österreich und auch international weiter auszubauen.
Durch neue Zugänge in der Labortechnik einerseits, sowie durch Weiterentwicklung der Analyse-, Beobachtungs- und Modellierungsmethoden andererseits soll der komplexe Baustoff Gebirge und die Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Baugrund zutreffender beschrieben werden, wodurch die Unsicherheiten beim Bauwerksentwurf reduziert werden können. Folgende Schwerpunkte bilden den Kern des Forschungsbereiches:
Gebirgscharakterisierung
Die Gebirgscharakterisierung ist die Grundlage für jede ingenieurmäßige
Auseinandersetzung mit dem Gebirge im weiteren Sinne. Sie umfasst die Beobachtung in der Natur, das Ermitteln von physikalischen Größen inklusive der hydraulischen Eigenschaften, die statistische Bearbeitung der Daten und das Modellieren.
Ziel der Gebirgscharakterisierung ist die Kontrolle des Unsicherheitsfaktors „Baugrund“ bei der Errichtung von Ingenieurbauwerken und bei der Beurteilung von Naturgefahren. Die zuverlässige Ermittlung von Gesteins- und Gebirgskennwerten erfordert auf Grund ihrer natürlichen großen Bandbreite interdisziplinäre Zusammenarbeit.
Ein breites Spektrum natur- und ingenieurwissenschaftlicher Methoden kommt zur Anwendung. Die komplexen Eigenschaften des Gebirges, im Besonderen von Störungsgesteinen stellen eine besondere Herausforderung dar, wobei der Betrachtungsbereich bis in größere Tiefen der oberen Erdkruste ausgedehnt werden muss. Diese Eigenschaften können derzeit zum Teil nur empirisch erfasst werden. Intensive Beschäftigung mit dem Baugrund vom Mikro- bis in den Makrobereich soll dazu beitragen, die Empirie durch wissenschaftlich fundierte Methoden zu ergänzen, bzw. zu ersetzen.
Zur zutreffenden Berechnung sind die Entwicklung von gebirgsartspezifischen Materialmodellen, sowie die Verbesserung von Berechnungsmethoden erforderlich. So sind z.B. für normal konsolidierte Tonböden und locker bis mitteldicht gelagerte Sande Stoffgesetze, die unterschiedliches Steifigkeitsverhalten bei Be- und Entlastung berücksichtigen, im Rahmen von numerischen Berechnungen von Bedeutung. Bei überkonsolidierten Tonböden und dicht gelagerten Sanden ist vor allem die Simulation von so genannten Scherbändern zur Nachbildung der natürlichen Mechanismen erforderlich.
Die Verbesserung in der Kenntnis der Gebirgseigenschaften dient unter anderem zur Erhöhung der Prognosesicherheit, der Auswahl der geeigneten Lösemethoden, der Auswahl effizienter Baumethoden und der Erhöhung der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der zu errichtenden Bauwerke.
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Interaktion Bauwerk-Gebirge
Bei der Realisierung von Bauwerken wie z. B. Gebäuden, Brücken, Kraftwerken, Tunnels, Straßen- und Eisenbahnanlagen sowie Wasserver- und Abwasserentsorgungseinrichtungen
kommt der Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund eine wesentliche Bedeutung zu. Dies gilt auch für die Auswirkung neuer Bauwerke auf bestehende Nachbarbauwerke.
Die Entwicklung komplexer Systeme unter Einbeziehung der das Gebirge und das Bauwerk charakterisierenden Unsicherheiten ist eine Notwendigkeit. Im Zuge des Schwerpunktes wird insbesondere der Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Gebirge beim innerstädtischen, oberflächennahen und dem tiefliegenden Tunnelbau, wie es für die Alpentransversalen zur Anwendung kommt, sowie bei Gründungen von Sperrenbauwerken nachgegangen. Für beide Aufgabenbereiche weisen Österreich und die an der TU Graz vorhandenen Forschungsinstitutionen eine herausragende Kompetenz auf.
Natural Hazards
Ziel dieses Forschungsbereiches ist es, in enger Zusammenarbeit mit den anderen Teilbereichen die Ursachen und das Entstehen von Naturgefahren, den Ablauf extremer Ereignisse und deren Auswirkung
auf die Kulturlandschaft und den Menschen zu untersuchen sowie zuverlässige Prognosen zu ermöglichen.
Die Phänomene umfassen Langzeitvorgänge, sowie oft katastrophale
Kurzzeitereignisse. Die Untersuchungsmethoden schließen die Auswertung von Ereignissen, Messung, Monitoring, Modellbildung, Berechnungen und Modellversuche ein.
Monitoring
Die Beobachtung hat in der Geotechnik wegen der praktischen Unmöglichkeit der genauen Erfassung und Quantifizierung aller Parameter und Einflussfaktoren eine herausragende Stellung und ist integrierter Bestandteil des Geotechnical Engineering.
Auf dem Gebiet der Messdatenanalyse im Tunnelbau ist die Gruppe Geotechnik Graz weltweit führend. Verbesserungen in der Messtechnik und den Analyseverfahren sollen diese Position verstärken. Das langfristige Ziel ist ein Werkzeug zu entwickeln, welches über eine teilautomatisierte Messdatenanalyse auf Basis von Expertenwissen verfügt. Ein Monitoringsystem für Massenbewegungen basierend auf GPS kann autonom und kontinuierlich eingesetzt werden. Eine Auswertesoftware mit speziellen Algorithmen zur Steigerung der erreichbaren Genauigkeit wurde entwickelt. Das System ist seit drei Jahren bei einer tiefen Massenbewegung erfolgreich im Einsatz und ist eine wichtige Grundlage für die geotechnische Modellierung. Die Gründe für den zeitlichen Verlauf der Kinematik von Massenbewegungen sollen erforscht werden, um das Risiko einer Rutschung abschätzen zu können. Die Untersuchung der Korrelation von mikroseismischen Daten mit GPS bestimmten Bewegungen wird dafür ein neues Forschungsthema sein.
Beteiligte Organisationseinheiten
Technische Geologie und Angewandte Mineralogie, Bodenmechanik und Grundbau, Felsmechanik und Tunnelbau, Wasserbau und Wasserwirtschaft, Navigation und Satellitengeodäsie, Fernerkundung und Photogrammetrie, Geoinformatik, Baubetrieb und Bauwirtschaft, Bergbaukunde (MUL), Institut für Weltraumforschung (ÖAW), Institut für Geothermie und Hydrogeologie (JR)
www.geotechnical-group.TUGraz.at