NEWSLETTER2014/2FAKULTÄT FÜR BAU- UND UMWELTINGENIEURWISSENSCHAFTEN

SEHR GEEHRTE LESERIN, SEHR GEEHRTER LESER!Mit Beginn des Winterse-mesters ist mein Kollege Prof. Martin Radenberg plan-mäßig als Dekan aus sei-nem Amt ausgeschieden. Für seinen intensiven Ein-satz, den er in den vergan-

genen zwei Jahren seiner Amtseinsatz zu unserer Fakultätsentwicklung erbracht hat, möchte ich mich an dieser Stelle, auch im Namen aller Fakultätsan-gehörigen, ganz herzlich bedanken.

Die erste Welle Studierender des doppelten Abitur-jahrgangs hat nach dem Sommer 2014 die ersten beiden Bachelorsemester in unserer Fakultät erfolg-reich durchlaufen. Betrachtet man das vergangene Jahr, so kann unsere Fakultät sicherlich mit einem gewissen Stolz verkünden, dass trotz der zusätzlich eingerichteten 90 Studienplätze der Vorlesungs- und Übungsbetrieb sehr gut organisiert abgelaufen ist. Sicherlich war in der einen oder anderen Vorlesung der Hörsaal etwas voller als in den Jahren zuvor, cha-otische Zustände wie ständig überfüllte Seminar-räume und endlose Warteschlangen in der Mensa wurden aber an der Ruhr-Universität nicht beobach-tet. Von dieser positiven Erfahrung bestärkt schauen wir optimistisch in die Zukunft und freuen uns auf den nächsten „starken“ Jahrgang von Studierenden der im Wintersemester 2014/15 an der Ruhr-Univer-sität das Studium begonnen hat.

Im Sommersemester hat das Rektorat der Ruhr-Universität das siebte und bislang letzte Research Department „Subsurface Modeling and Enginee-ring“ (SME) eingerichtet. Im Oktober dieses Jahres hat das RD SME dann in einer konstituierenden Sit-zung des Gründungsboards seine Tätigkeit offiziell aufgenommen. Viele Kollegen aus unserer Fakultät und der Fakultät für Geowissenschaften werden ge-meinsam „unter dem Dach“ des RDs an nationalen und internationalen Projekten, wie dem maschinel-len Tunnelbau oder der tiefen Geothermie arbeiten. Für zukünftige Verbundforschungsprojekte bietet

EDITORIAL

diese interfakultäre Einrichtung, die u.a. aus dem SFB 837 „Interaktionsmodelle für den maschinel-len Tunnelbau“ entstanden ist, sicherlich enorme Möglichkeiten, da das Research Department die na-tionale und internationale Sichtbarkeit unserer For-schungsaktivitäten in diesem Gebiet stark erhöht. Herrn Kollegen Prof. Günther Meschke, möchte ich an dieser Stelle für sein Engagement im Vorfeld der Einrichtung herzlich danken und ihm viel Erfolg für seine zukünftige Tätigkeit als Sprecher des Re-search Departments wünschen.

Wie in den vergangenen Monaten intensiv disku-tiert, hat die Evaluation der einzelnen Fakultäten durch das Rektorat für unsere Fakultät leider zu ei-ner maßgeblichen Kürzung der Stellen im Bereich der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus Technik und Verwaltung (MTV) geführt. Die Vorgabe des Rektorats i.G. 27,5 MTV-Stellen abzubauen, wobei betont werden soll, dass dieser Abbau bis zum Jah-re 2022 ausschließlich über auslaufende Arbeitsver-träge realisiert wird, stellt die Fakultät und die be-troffenen Lehrstühle und Einrichtungen vor große strukturelle Herausforderungen. Leider wird das Budget der Fakultät darüber hinaus noch um eine weitere Sparlast in Höhe von 6% des Haushalts be-lastet werden.

Um die Funktion und Leistungsfähigkeit der Fa-kultät auch in Zukunft sicherzustellen, werden ei-nige Maßnahmen nötig sein, die ich mit Ihnen in einer kollegialen und fairen Diskussion entwicklen und umsetzen möchte. Das Ziel muss dabei eine Fa-kultätsstruktur sein, die auch unter den aktuellen Randbedingungen und Sparlasten möglichst effizi-ent ist und sowohl in der Lehre als auch in der For-schung weiterhin leistungsfähig bleibt. Für meine zukünftige Amtszeit als Dekan stellen diese Ziele sicherlich eine große Herausforderung dar, für de-ren Erreichen ich schon jetzt um möglichst breite kollegiale Unterstützung werben möchte.

MIT HERZLICHEN GRÜSSEN,

IHR DEKAN PROF. DR.-ING. HOLGER STEEB

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PROMOTIONEN DER FAKULTÄT IM SOMMERSEMESTER 2014

▪ Dr.-Ing. Wiebke BailleThema: Hydro-mechanical Behaviour of Clays - Significance of Mineralogy

▪ Dr.-Ing. Pramio Garson Sembiring

Thema: Analytical and Numerical Solutions to Plane Strain Pro-blems in Continuum Dislocation Theory

▪ Dr.-Ing. Florian Fleischmann

Thema: Ein Beitrag zur Bestimmung der Rheologischen Eigen-schaften Selbstverdichtender Betone mit dem Kugel-Messsystem

▪ Dr.-Ing. Carlo Vinci (Bild 1)Thema: Hydro-mechanical coupling in fractured rocks: modeling and numerical simulation

▪ Dr.-Ing. Fritz Stefan HollmannThema: Bewertung von Boden und Fels auf Verklebungen und Fein-kornfreisetzung beim maschinellen Tunnelvortrieb

▪ Dr.-Ing. Qasim Abdulkarem Jassim Al-ObaidiThema: Hydro-Mechanical Behaviour of Collapsible Soils

▪ Dr.-Ing. Rebekka Ebel (Bild 2)Thema: Systemabhängiges Tragverhalten und Tragfähigkeiten stabilitätsgefährdeter Stahlträger unter einachsiger Biegebean-spruchung

▪ Dr.-Ing. Vishnukanthan KandasamyThema: Parallel Delaunay mesh generation using multiple gra-phic card processors

▪ Dr.-Ing. Sandra HohmannThema: Verfahren zur modellbasierten Ermittlung von Fahrzeit-verlusten auf Autobahnen

Bild 1

Bild 2

MARKUS KNOBLOCH – BERUFUNG AN DIE RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUMD ie Ru h r-Un ivers i -tät Bochum hat Herrn Markus Knobloch zum Professor ernannt. Er übernahm als Nachfol-ger von Herrn Professor Kindmann zum 1. Sep-tember 2014 den Lehr-stuhl für Stahl-, Leicht- und Verbundbau.

Markus Knobloch wurde 1976 in Frankfurt am Main geboren. Nach dem Abitur 1995 studierte er Bauingenieurwesen an der TU Darmstadt und schloss sein Studium mit der Vertiefungs-richtung Stahlbau ab. Von 2001 bis 2007 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter und Dokto-rand am Institut für Baustatik und Konstruk-tion der ETH Zürich. Anschliessend setzte er seine Studien als wissenschaftlicher Gast am Tokyo Institute of Technology, Japan so-wie der Queensland University of Technology, Brisbane, Australien fort und betätigte sich im baupraktischen Stahlbau als Projektleiter der Stahl- und Metallbau-Unternehmung Tuch-schmid AG, Frauenfeld.

Die Fachhochschule Nordwestschweiz be-rief Markus Knobloch 2010 zum Professor für Stahlbau und Verbundbau. Von 2011 bis 2014 war er Fachspezialist des Fachbereichs Stahl- und Leichtkonstruktionen der Gruner AG Ingenieure und Planer, Basel. Aufgrund seiner Habilitationsschrift zum Stabilitätsver-halten von Stahltragwerken im Brandfall ver-lieh die ETH ihm 2014 die Venia Legendi für das Lehrgebiet Stabilität und Duktilität von Stahltragwerken.

NEUES AUS DER FAKULTÄT

Markus Knobloch engagiert sich in verschiede-nen nationalen und internationalen Kommissi-onen, u. a. als Mitglied und Sekretär der Techni-schen Kommission 8 Stability der Europäischen Kommission für Stahlbau (ECCS TC 8) und der Working Group 1 der CEN TC 250/SC 3 sowie als Mitglied der Working Groups EN 1993-1-2 und EN 1994-1-1. Er ist designierter Präsident der Normenkommission SIA 264 Verbundbau und Mitglied der Kommission SIA 263 Stahlbau.

Seine Erfahrungen aus der Forschung und Lehre sowie aus dem direkten Kontakt zur Fer-tigung und Montage bringt Markus Knobloch zukünftig an der Ruhr-Universität Bochum ein. Der regional verankerte und international ausgerichtete Lehrstuhl für Stahl-, Leicht- und Verbundbau beabsichtigt die Grundlagen zum Trag- und Verformungsverhalten von Stahl- und Verbundbauten weiter zu entwickeln. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen insbesondere zur Entwicklung neuer Methoden für redundante, robuste und „smarte“ Tragstrukturen beitra-gen und innovative Tragwerke fördern, um die Lebensqualität zu erhöhen sowie Energie und Ressourcen effizient zu nutzen. Im Forschungs-verbund mit dem Institut für Baustatik und Kon-struktion (IBK) der ETH Zürich und in Koopera-tionen mit angrenzenden Forschergruppen und Lehrstühlen an der Ruhr-Universität sowie an anderen Hochschulen stehen dabei das Stabili-tätsverhalten, die Duktilität und das nichtlinea-re Verhalten von Tragwerken unter Berücksich-tigung großer Verformungen insbesondere bei außergewöhnlichen Einwirkungen im Mittel-punkt der geplanten Forschungsaktivitäten. Ein erstes Ziel stellt dabei die Entwicklung und Im-plementierung der Consolidated Testing Metho-de im Bereich des Brandingenieurwesens dar, welche zielgerichtet experimentelle und nume-rische Methoden vereint.

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PROF. DR. RER. NAT. ANDREAS SCHUMANN WIRD NEUES ORDENTLICHES MITGLIED DER NORD-RHEIN-WESTFÄLISCHEN AKADEMIE DER WISSEN-SCHAFTEN Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Diet-rich Hartmann konnte uns im Frühjahr in seiner Eigenschaft als Vizepräsident der Nordrhein-West-fälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste (AWK) die erfreuliche Mitteilung machen, dass Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schumann im März dieses Jahres auf Beschluss der Klasse für Ingeni-eur- und Wirtschaftswissenschaften als ordentli-ches Mitglied in die Akademie berufen wurde. Die Ernennungsurkunde wurde ihm im Mai anlässlich der Jahresfeier der Akademie überreicht (Bild 1).

Prof. Schumann wurde aufgrund seiner heraus-ragenden wissenschaftlichen Leistungen auf dem Gebiet der Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik als Experte für den Bereich „Wasser“ innerhalb der Fachgruppe Bauwesen der Akademie zugewählt. Die Zuwahl von Prof. Schumann in die Akademie gerät auch der Fa-kultät für Bau- und Umweltingenieurwissen-schaften der RUB zur Ehre, da hierdurch die wis-senschaftliche Reputation der Fakultät und ihre Forschungsstärke in großen Verbundprojekten hervorgehoben wird. Unsere Fakultät ist nun-mehr mit drei ordentlichen Akademiemitglie-dern, und damit überproportional im Vergleich zu anderen Fakultäten im Lande, vertreten; beru-

fen wurden bisher Prof. Hartmann (1996), Prof. Meschke (2010) und jetzt Prof. Schumann (2014).

Die Nordrhein-Westfälische Akademie der Wis-senschaften und der Künste ist eine Vereinigung der führenden Forscher des Landes NRW und versteht sich als Arbeitsakademie sowie auch als interdisziplinäre Gelehrten-Gesellschaft. Laut ihrem gesetzlichen Auftrag pflegt sie den wissenschaftlichen und künstlerischen Gedan-kenaustausch unter ihren Mitgliedern und mit Vertretern des politischen, wirtschaftlichen und künstlerischen Lebens. Gleichzeitig unter-hält sie intensive Beziehungen zu wissenschaft-lichen und künstlerischen Einrichtungen und zu Wissenschaftlern und Künstlern des In- und Auslands. Zudem berät sie die Landesregierung bei der Förderung von Wissenschaft und Kunst.

Bild 1: Die neuen Mitglieder und Ehrengäste bei der Jahresfeier 2014, Prof. Schumann: 4. v. rechts

PFINGSTEXKURSION 2014Nachdem die alljährlich stattfindende Pfingst-exkursion in den letzten Jahren aufgrund mangelnder Resonanz ausfal len musste, konnte die Baustellen-Exkursion für die Stu-dierenden unserer Fakultät in diesem Jahr wiederbelebt werden. Die Organisation über-nahmen die Lehrstühle für Massivbau, Bau-stofftechnik sowie Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb.

Mit zweistündiger Verspätung – verursacht durch den Jahrhundertsturm „Ela“ – startete die Exkur-sion zu ihrer ersten Zwischenetappe, Limburg a.d.L., wo die Baustelle der neuen Lahntalbrü-cke besichtigt wurde (Bild 1). Die Brücke besticht durch ihre sehr schlanke Bauweise, Rundstützen mit einem Durchmesser von 2,80 Metern und der – noch nicht fertiggestellte – filigrane Auf-bau passen sich optimal in das durch die Lahn geprägte Landschaftsbild ein. Besonders faszi-

Bild 2: ein Blick von oben: die Firma „HeidelbergCement“ in Schelklingen

Bild 1: Bau der neuen Lahntalbrücke in Limburg a.d.L.

niert waren die Studierenden von den verschieb-baren Hilfsstützen, die nach Fertigstellung der einen Fahrtrichtung mit Hydraulik-Pressen zur Position der zweiten Fahrtrichtung verschoben werden können.

Nach der Ankunft am Abend in Ulm und kur-zem Aufenthalt in der Unterkunft ging es weiter zum Ulmer Münster, wo eine Führung durch die Altstadt auf dem Programm stand. Bei der Fülle geschichtlicher Fakten blieb den Jung-Ingenieu-ren vor allem das laut Weltrekordbuch schiefste Gebäude der Welt – mit einer Schiefstellung von 2,50 Metern im First – in Erinnerung. Im An-schluss an die Führung klang der ereignisreiche erste Tag gebührend im Brauhaus „Drei Kannen“ in der Ulmer Altstadt aus.

Am Mittwochmorgen ging es dann aus studenti-scher Sicht recht früh (Abfahrt 7:30 Uhr) von Ulm zum Zementwerk Schelklingen der Firma „Hei-delbergCement“ (Bild 2), wo – aufgeteilt in zwei Kleingruppen – die gesamte Produktionskette beginnend bei der Rohstoff-Anlieferung bis hin zur Absackanlage besichtigt werden konnte. Als besonders beeindruckend empfanden die Studierenden während der ca. 3,5-stündigen Führung die Dimensionen des Werkes, die pro-duzierten Zementmengen und die vielseitige Verwendung alternativer Brennstoffe. Nicht zu-letzt durch die Beantwortung sämtlicher Frage-stellungen konnten die beiden Gruppen einen guten Einblick in die schwierige Logistik der

steten An- und Ablieferungen, in die Überwa-chung der Anlage und die Qualitätskontrollen der Produkte erhalten. Abgerundet wurde die Werksführung dann mit der Besichtigung der hauseigenen Kantine, bei der selbstverständ-lich auch Produktproben („Speis und Trank“) begutachtet wurden.

NEUES AUS DER FAKULTÄT

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Das nächste Ziel der Reise war Stuttgart, wo zu-nächst die Tunnelbaustelle der U12 in unmittel-barer Nähe zum Hauptbahnhof besichtigt wurde. Die Firma „Züblin“ bindet beim Ausbau der U12 diese Bahnlinie teilweise in offener Bauweise und teilweise im bergmännischen Vortrieb an beste-hende Bahnlinien und den Hauptbahnhof an. Be-sonders die Kombination der unterschiedlichen Bauverfahren auf engstem, urbanem Raum und die damit verbundenen hohen Anforderungen an die Baustellenlogistik in der Innenstadt war faszinierend. Im Anschluss an die Baustellenbe-sichtigung wurde noch eine Führung durch die Ausstellung S21 im Stuttgarter Hauptbahnhof angeboten, in der alle geplanten und zurzeit in der Umsetzung befindlichen Baumaßnahmen zu sehen sind. So konnte ein grober Überblick über das polarisierende Großprojekt „Stuttgart 21“ gewonnen werden. Das Abendprogramm führ-te dann in “Sophies Brauhaus”, wo nach kurzer Brauereiführung erneut fürstlich gespeist wurde. Gerade die ungezwungenen Gespräche mit Be-treuern und Professoren bildeten eine nette und anregende Abwechslung zum strikten Unialltag.

Am Donnerstagmorgen ging es dann um 9:30 Uhr zur Tunnelbaustelle Hallschlag (Bild 4), ei-ner weiteren Baustelle im Rahmen des U12-Aus-baus in Stuttgart. Nach einer kurzen Einführung durch die Firma „Kunz“ in die Baumaßnahme durfte die Baustelle vom Portal bis zur Ortsbrust besichtigt werden. Besonderheiten der Baustelle waren der bergmännische Vortrieb mit Ulmen-stollen, welcher durch die schlechten Bedingun-gen des anstehenden Bodens erforderlich war, und der Sicherungsverbau mit Spritzbeton in Trockenspritzweise.

Um 12:00 Uhr ging es dann zeitig weiter Rich-tung Zusmarshausen, wo eine Autobahnbau-stelle der A8 besichtigt wurde (Bild 5). Die Firma „Heilit+Woerner“ baut hier einen Autobahnab-schnitt in zweischichtiger Betonbauweise mit Gleitschalungsfertiger. Der neue Ausbau wird

Bild 3: Gruppenbild der Exkursionsteilnehmer

Bild 4: Tunnelbaustelle Hallschlag in Stuttgart

Bild 6: Die Exkursionsteilnehmer besuchen den Bau eines Einkaufzentrums in Böblingen

Bild 5: Autobahnbaustelle A8 nahe Zusmarshausen

NEUES AUS DER FAKULTÄT

in einem PPP-Vertrag erstellt, weshalb die Be-tonbauweise gewählt wurde, um eine möglichst lange Nutzungsdauer bei moderatem Erhaltungs-aufwand zu realisieren. Beeindruckend waren die Logistik und Abfertigung an der Ortbeton-Misch-anlage sowie die enorme Fertigungsleistung von maximal rund 1200 Metern (entsprechend rund 4.800 m³ Beton) am Tag im Drei-Schicht-Betrieb.Abends wurde in der Studentenkneipe Hotzen-plotz in Stuttgart gegessen und das Eröffnungs-spiel der Fußball-Weltmeisterschaft verfolgt.

Am Freitagmorgen trat die Gruppe die Rückfahrt an, wobei unterwegs noch die letzte Baustellen-besichtigung in Böblingen bei Stuttgart auf dem Plan stand. Dort entsteht im innerstädtischen Be-reich ein neues Einkaufszentrum, dessen Rohbau bereits abgeschlossen ist. Die Baustelle wurde von Mitarbeitern der Firma „HOCHTIEF“ vorgestellt. Imponierend an dieser Großbaustelle empfanden die Studierenden vor allem die Koordination der vielen Nachunternehmer und die Lagerlogistik auf engstem Raum.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Ex-kursion trotz des stürmischen Starts eine runde Sache war und alle Erwartungen an die Großpro-jekte mehr als erfüllt wurden. Auch der Spaß ab-seits der Baustellen kam an den geselligen Aben-den in privater Atmosphäre auf keinen Fall zu kurz.

„Meine Kommilitonen und ich können jedem emp-fehlen, in den nächsten Jahren an der Pfingstexkur-sion teilzunehmen! Unser Dank gilt den Professoren Breitenbücher, Mark und Thewes für die Begleitung durch die ganze Woche und die Einladungen zum Es-sen, den Betreuern Herrn Gesing, Kunz und Wink-ler für die gesamte Planung und Logistik vor Ort so-wie Frau Wegener für die Organisation im Vorfeld der Exkursion. Zum Abschluss bedanken wir uns bei der Forschungsgesellschaft Konstruktiver Ingeni-eurbau e. V. und der Kommission zur Vergabe von Qualitätsverbesserungsmitteln, ohne deren finanzi-elle Unterstützung diese Exkursion in dem Rahmen nicht hätte realisiert werden können.“ Robert Lutz im Namen der Teilnehmer

Der Fachschaftsrat war auch in diesem Som-mersemester nicht untätig. Nachdem die Fakul-tät nun schon seit einem Jahr in dem Gebäude IC Ihr neues Zuhause fand, ist der Kommraum stets gemütlicher geworden. Neben vielen Pflan-zen sind nun auch neue Sofas angekommen um den Studierenden einen bessere Lern- und Erho-lungsraum zu bieten.

Bei dem diesjährigen Sommerfest ging es trotz verstecktem Stand hoch her. Unser neuer Rodeo-Stand lockte nicht nur Studenten sondern auch viele Mitarbeiter und Professoren an und sorg-te für einen erfolgreichen, unterhaltsamen Tag.

NEUES AUS DEN FACHSCHAFTEN UND STUDIENGÄNGENFACHSCHAFT BAUINGENIEURWESEN

Unsere wohlbekannten Cocktails versüßten die-sen noch zusätzlich.

Das Fußballturnier fand diesen Sommer dank des neuen Kunstrasenplatzes bei Regen statt. Die Teams trotzten dem Wetter und nach einem langen Tag voller nervenaufreibender Parti-en setzte sich ein studentisches Team in letz-ter Sekunde gegen den Lehrstuhl für Informa-tik durch.

Auch im kommenden Semester freuen wir uns, zahlreiche Ersties willkommen zu heißen. Des-weiteren sind Veranstaltungen wie das alljähr-

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liche Kickerturnier, das Glühstück und die be-rühmt-berüchtigte BauIng-Party in Planung. Wir hoffen auf eine rege Teilnahme und wün-

schen in diesem Sinne allen Studierenden, Mit-arbeitern und Professoren der Fakultät ein erfolg-reiches Semester.

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPEN KIBKON – KONSTRUKTIONSTEILPRÜFUNG

LAS VEGAS HIGH ROLLER - ERMÜDUNGSVERSUCH AN EINEM SPANNKABELAm 1. April 2014 wurde in Las Vegas, Nevada eine neue Touristenattraktion eröffnet, der Las Vegas High Roller (Bild 1), ein Riesenrad mit einer Re-kordhöhe von 167 m. Der Durchmesser des Rie-senrads beträgt 158,5 m.

Im Zuge der Fertigstellung des derzeit höchs-ten Riesenrads der Welt bekam der Bereich Kon-struktionsteilprüfung den Auftrag, die Ermü-dungsfestigkeit der Seile unter mehrachsiger Belastung zu untersuchen. Bei den Seilen han-delt es sich um Full Locked Coil Strands mit ei-nem Nenndurchmesser von 75 mm, einer Quer-schnittsfläche von 3890 mm² und einer Bruchlast von 5620 kN (Bild 2). Infolge Rotation des Rie-senrads und gleichzeitiger Windeinwirkung er-fahren die vorgespannten Seile eine mehrachsi-ge Ermüdungsbelastung. Für die experimentelle Simulation der Ermüdungsbelastung wurde eine Lastwechselzahl von 657.000 angenommen, was eine Nutzungsdauer von 50 Jahren entspricht.

Anstelle der zunächst geforderten dreiaxialen zy-klischen Belastung des Seils (Bild 3) wurde von KIBKON ein Versuchsaufbau mit einer verän-derlichen Axiallast und einer Auslenkung in zu-nächst nur einer Ebene vorgeschlagen und um-gesetzt. Nach erfolgter Prüfung in einer Ebene sollte eine 90°-Drehung des Seils um die eigene Achse erfolgen, sodass die Auslenkung in der zweiten Ebene simuliert werden kann. Die gefor-derte Belastungshistorie in axialer und lateraler

Bild 1: Las Vegas High Roller

Bild 2: Seilquerschnitt „Full Locked Coil Strand“

Richtung wurde mit sinusförmigen Steuerfunk-tionen approximiert. Die Versuchsdurchfüh-rung erfolgte auf dem Aufspannfeld der Kon-struktionsteilprüfung unter Verwendung eines Prüfzylinders mit 2.500 kN Kapazität in Kraft-regelung für die Axialbelastung und eines Prüf-zylinders mit 160 kN Kapazität in Wegregelung für die Mittenauslenkung des 6 m langen Seils (siehe Bild 4).

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPEN KIBKON – KONSTRUKTIONSTEILPRÜFUNG

Beide Prüfzylinder wurden über eine gemein-same Regelelektronik gesteuert und überwacht, die maßgebenden Parameter für die Ermü-dungsbelastung sind in Tabelle 1 zusammen-gefasst.

Zugbelastung Mittenauslenkung

Fmean 890 kN Smean 0 mm

Fa ± 452 kN Sa ± 42

Frequenz 0.45 Hz

Phasenverschiebung 241.3°

Lastwechsel 657.000

Tabelle 1: Prüfparameter für Lastfall 1 - Ermüdungsbelastung in Radebene

Bild 3: Dreiaxiale Ermüdungsbelastung

Bild 4: Zweiaxialer Versuchsaufbau in der Konstruktionsteilprüfung

Für eine Spannungsanalyse wurden auf den Ankerköpfen des vollverschlossenen Seils Deh-nungsmessstreifen appliziert. Beide Seilen-den wurden werksmäßig in den Gabelanker-köpfen eingegossen. Die Relativbewegung des dabei entstandenen Verankerungskeils zum Gabelankerkopf wurde während der Versuchs-durchführung über Wegaufnehmer aufgezeich-net (Abb. 5).

Im 24-Stunden Betrieb des Ermüdungsversu-ches wurden auftretende Drahtbrüche mit ei-nem Schallmessgerät aufgezeichnet. Darüber konnte anschließend die zum Einzeldrahtbru-chereignis zugehörige Lastwechselzahl be-stimmt werden.

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Nach Abschluss der Ermüdungsbelastung wur-de die statische Resttragfähigkeit der Seilprobe im statischen Zugversuch ermittelt. Die Zug-prüfung erfolgte in der 20 MN Universalprüf-maschine (Bild 6).

Bild 5: Messung der Relativbewegung des Veranke-rungskeils mittels Wegaufnehmer

Bild 6: Seilprobe in 20 MN Universalprüfmaschine zur Prüfung der Resttragfähigkeit

SONDERFORSCHUNGSBEREICH 837

ZWEITE FÖRDERUNGSPHASEParallel zu den klassischen Bauverfahren für den Vortrieb bergmännisch aufgefahrener Tun-nel hat sich der maschinelle Tunnelbau weltweit als vielseitig einsetzbares und wirtschaftliches Bauverfahren zur Herstellung unterirdischer Verkehrsanlagen etabliert. Sein Anteil an der gesamten Streckenlänge aufgefahrener U-, Stadt- und S-Bahntunnel in Deutschland hat sich in den letzten 20 Jahren auf nunmehr ca. 60% verdoppelt. Die stetige Weiterentwicklung der Maschinentechnik, die maßgeblich auch in Deutschland vorangetrieben wird, ermöglicht heute Schildvortriebe in ganz verschiedenarti-gen Bodenverhältnissen mit Schilddurchmes-sern bis hin zu 17,5 m.

Die Eingrenzung vortriebsbedingter Risiken des maschinellen Tunnelbaus verlangt dabei insbe-sondere bei geologisch und tunnelbautechnisch

schwierigen Verhältnissen den Einsatz wirklich-keitsnaher Prognosemodelle. Voraussetzung für solche Modelle ist die wirklichkeitsnahe Erfas-sung der vielfältigen Wechselwirkungen zwi-schen dem Baugrund, den am Schildvortrieb beteiligten Komponenten bzw. Prozessschritten und der oberirdischen Bebauung. Heterogene geologische Verhältnisse und oft nur unscharf erfassbare Baugrundeigenschaften stellen dabei im Vergleich zu anderen ingenieurtechnischen Aufgaben besondere Anforderungen.

Vor diesem Hintergrund hat die Deutsche For-schungsgemeinschaft (DFG) den Sonderfor-schungsbereich ,,Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau‘‘ (SFB 837) an der Ruhr-Universität Bochum eingerichtet. Im SFB 837 werden von einem Forscherteam aus un-terschiedlichen Fachbereichen des Bauinge-nieurwesens, der Geowissenschaften und des

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPENSONDERFORSCHUNGSBEREICH 837

Maschinenbaus numerische Modelle und Simu-lationsmethoden, Entwurfskonzepte sowie Stütz- und Abbautechnologien für den maschinellen Tunnelbau entwickelt.

Gesamtziel des SFB in der zweiten Förderperiode ist es, auf Grundlage einer Reihe von wissen-schaftlichen Teilzielen und des in der ersten För-derphase entwickelten tieferen Verständnisses für die Wirkungsweise der einzelnen Teilkom-ponenten bzw. Prozesse und deren Wechselbe-ziehungen, Optimierungspotentiale für vorhan-dene bzw. Impulse für neue Technologien und Entwurfsstrategien aufzuzeigen und auf Basis numerischer Modelle und Simulationsmethoden verlässlichere Prognosen für vortriebsbedingte Risiken, insbesondere für den innerstädtischen Tunnelbau, zu ermöglichen. Damit verbunden ist die übergeordnete, langfristige Zielsetzung der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und der Zuver-lässigkeit des maschinellen Tunnelbaus sowie die Verringerung der Risiken beim Bau unterir-discher Infrastruktur. Diese Ziele waren im Kern bereits seit Beginn des SFBs gültig; sie wurden allerdings im Laufe der ersten Förderperiode an neu aufgetretene Fragestellungen angepasst.

Das Forschungsprogramm des SFB in der bean-tragten Förderphase orientiert sich an den folgen-den langfristigen, miteinander jeweils eng ver-koppelten wissenschaftlichen Teilzielen (Bild1):

PROJEKTBEREICH A: ▪ Erhöhung der Zuverlässigkeit der vortriebsbeglei-

tenden seismischen Vorauserkundung zur Iden-tifikation von Hindernissen und abrupten Ände-rungen der geologischen Verhältnisse vor der Ortsbrust mit Hilfe von Vorwärtsanalysen und Inversen Methoden,

▪ Erfassung und Beschreibung der Baugrund-ei-genschaften mit der jeweils notwendigen Abbil-dungsqualität sowie

▪ Verbesserung von Methoden und Materialien zur Ortsbruststützung auf der Basis eines vertief-

ten Verständnisses für die auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen ablaufenden Mechanismen der Ortsbruststützung bei Erd-druck- und Hydroschilden mit Hilfe experimen- teller Methoden und numerischer Modelle.

PROJEKTBEREICH B: ▪ Neu- bzw.- Weiterentwicklungen von Werkstoffen

und Entwurfskonzepten für schädigungstolerante segmentierte Tunnelschalen im Hinblick auf die hohen Beanspruchungen während des Vortriebs und der Nutzung,

▪ Entwicklung möglichst optimal an die geolo-gischen Verhältnisse angepasster Ringspaltmör-tel zur Verpressung des Ringspalts in Verbindung mit skalenübergreifenden Modellen zur Abbil-dung der Wechselwirkungen mit dem Boden.

PROJEKTBEREICH C: ▪ Aufbau einer monitoring- und simulationsgestütz-

ten Vortriebssteuerung im Verbund mit einer wirk-lichkeitsnahen, gesamtheitlichen Beschreibung des Vortriebsprozesses sowie von Ersatzmodellen,

▪ Entwicklung von Methoden zur musterbasierten Identifikation von Baugrundszenarien und die Fest-legung optimierter Messprogramme hinsichtlich der erzielbaren Informationsqualität,

▪ Verbesserung der Bauabläufe im maschinellen Tunnelbau und deren Planung auf Basis einer durchgehenden, simulationsgestützten Abbildung der gesamten Prozesskette und Risikoanalyse,

▪ die Entwicklung von Laborversuchen, nume-rischen Modellen und Simulationsmethoden, um vertiefte Erkenntnisse über die Schneidrad-Boden-Interaktionen, die tatsächliche Stützdruckvertei-lung an der Ortsbrust, das Abrasionsverhalten der Abbauwerkzeuge und den Materialtransport inner-halb der Abbaukammer für unterschiedliche geo-technische und maschinentechnische Randbedin-gungen zu erhalten.

▪ Aufbauend auf diesen modellbasierten Grund- lagen, entgegen dem heute vielfach verwendeten empirischen Vorgehen, soll ein zielgerichteter, kon-trollierbarer Vortriebsprozess ermöglicht werden.

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PROJEKTBEREICH D: ▪ Aufbau einer Bewertungsmethodik für die Inter-

aktionsmodellierung basierend auf verschiedenen Fachmodellen mit Hilfe eines Produktmodells für den maschinellen Tunnelbau unter Berücksichti-gung von Datenunschärfen sowie

▪ Risikomodelle für Tunnelvortriebe in dicht be-bauten innerstädtischen Gebieten auf Basis neuer Methoden zur großflächigen Datenerfassung und zuverlässiger Gebäudemodelle.

Bild 1: Komponenten und Prozesse beim maschinellen Tunnelbau und deren Einbindung in vier Projektbereiche

BIOLOGISCHE WACHSTUMSPROZESSE ZUR ENERGIEBASIERTEN TOPOLOGIEOPTIMIERUNGUm die ingenieurwissenschaftliche Dimensi-onierung während Konstruktionsprozessen zu unterstützen, existieren unterschiedliche mathe-matische Methoden zur Berechnung von Struk-turen mit maximaler Steifigkeit. Diese Verfahren werden unter dem Begriff Topologieoptimierung zusammengefasst.

Inspiriert von biologischen Wachstumsprozes-sen hat der Lehrstuhl für Mechanik – Material-

theorie (Prof. Dr. rer. nat. Klaus Hackl, Dr.-Ing. Philipp Junker) ein Modell zur Topologieopti-merung entwickelt. Analog zu natürlichen Pro-zessen, werden optimierte Strukturen dadurch generiert, dass Material dort wächst, wo mecha-nische Spannungen maximal sind. Durch die so erzielte Erhöhung der Steifigkeit, die mit ei-ner Reduktion der mechanischen Dehnungen einhergeht, werden die Spannungen minimiert. Die Besonderheit des hier entwickelten Modells ist seine energiebasierte Formulierung: Einzig die freie Helmholtzenergie muss postuliert wer-

MECHANIK – MATERIALTHEORIE

den, um eine materialspezifische Topologieop-timierung zu erreichen. Durch thermodynami-sche Prinzipien können Evolutionsgleichungen entwickelt werden, die das Wachstum des Mate-rials beschreiben.

Zu Beginn der Topologieoptimerung muss ein Bauraum mit entsprechenden Randbedingun-gen in Form von Lagerungen und extern angrei-fenden Kräften definiert werden. Durch diese äu-ßeren Einflüsse wird während der numerischen Umsetzung des Modells ein Spannungsfeld er-zeugt, das bei ausbleibender Modifikation des Mo-dells zu einem recht gleichmäßigen und ineffizi-enten Wachstum führt: Es erscheint die triviale Lösung, in der der gesamte Bauraum mit Materi-al belegt wird. Um effizientere Strukturen zu er-halten, wurde im aktuellen Ansatz ein dynamisch adaptierter Grenzwert für die thermodynamische Triebkraft definiert, sodass Wachstum nur dann eintritt, wenn die Triebkraft diesen Grenzwert überschreitet. Aufgrund dieser Restriktion, die als Nebenbedingung interpretiert werden kann, taucht das numerische Problem des „Checker-boarding“ auf, also einer zwischen den Dichte- werten 1 und 0 oszillierenden Lösung. Im Fini-te-Elemente-Kontext heißt dies, dass Elemente komplett mit Masse belegt werden, direkt angren-zende Elemente aber massefrei bleiben. Dieser Ef-fekt setzt sich periodisch fort, mit der Folge einer schachbrettartigen Verteilung von Material. Die so erzielten Strukturen sind verständlicherweise nicht produzierbar. Um dieses numerische Arte-fakt zu vermeiden, wurde die Helmholtz Energie um eine Feldfunktion und deren Gradienten er-weitert, was im mathematischen Kontext einer Regularisierung entspricht. Durch die so erzielte Konvexifizierung der kondensierten Energie er-geben sich Lösungen, die sowohl netzunabhän-gig sind als auch kein Checkerboarding mehr zei-gen. Dieses Verfahren der Regularisierung hat sich bereits in anderen Anwendungsbereichen, z.B. Materialschädigung und Lokalisierung von Phasentransformationen, bewährt.

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPENMECHANIK – MATERIALTHEORIE

Bild 1: Entwicklung der Materialverteilung im Drei-Punkt-Biegebalken

Bild 2: Entwicklung der Materialverteilung für einen Würfel. Auflager und Belastung sind oben links gezeigt.

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3 wiederum eine Fachwerkstruktur, wobei die Wandstärke nicht konstant ist. Das sich später bildende Kreuz verstärkt die Steifigkeit zusätz-lich zu den beiden Balken, wodurch ein maxi-males Flächenträgheitsmoment realisiert wird. Bild 4 zeigt schließlich, dass für identischen Bauraum wie in Bild 3, nun aber mit Torsionsbe-lastung, eine gänzlich andere Struktur zur opti-malen Steifigkeit führt: ein Hohlkasten. Dieser besitzt bei minimalem Materialeinsatz ein ma-ximales polares Widerstandsmoment.

In zukünftigen Forschungsarbeiten werden Strukturen optimiert, bei denen Schädigungs-prozesse simultan mitberücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang wird der Lehrstuhl für Mechanik – Materialtheorie mit Mathema-tikern aus Essen und Dortmund im Rahmen ei-nes MERCUR-Projektes kooperieren.

Das Modell zur Topologieoptimierung wurde in ein 3D-Finite-Elemente-Programm implemen-tiert und auf unterschiedliche Randwertproble-me angewendet. Die Simulation wird gestoppt, wenn die erreichte Steifigkeit das 104-fache der ursprünglichen Steifigkeit erreicht hat. Bild 1 zeigt die Entwicklung der Materialverteilung für einen Drei-Punkt-Biegebalken. Bereits ganz zu Beginn des Optimierungsprozesses „ahnt“ das Modell, welche finale Struktur gebildet werden muss: Der der angreifenden Kraft ge-genüberliegende Balken verstärkt durch die Fachwerkanbindung das Widerstandsmoment gegen Biegung.

Bild 2 zeigt für einen würfelförmigen Bauraum mit zentrischer Druckbelastung und Lagerun-gen in allen vier Ecken auf der gegenüberliegen-den Seite die Materialverteilung. Es entsteht ein Vierbein. Unter Biegung entwickelt sich in Bild

Bild 3: Entwicklung der Materialverteilung unter Bie-gung. Auflager und Belastung sind oben links gezeigt.

Bild 4: Entwicklung der Materialverteilung unter Tor-sion. Auflager und Belastung sind oben links gezeigt.

UNTERSUCHUNGEN ZUR HERSTELLUNG VON BOHRPFÄHLEN AUS DRÄNBETONDränbeton bezeichnet einen Beton mit hauf-werksporigem Gefüge, der für Entwässerungs-maßnahmen eingesetzt wird. Die Haufwerkspo-rigkeit wird durch die Verwendung lediglich einer eng begrenzten Korngruppe (z. B. 4/8 oder 8/16 mm) erreicht. Dabei entsteht ein sog. „Ein-kornbeton“, bei dem – im Unterschied zu einem Beton mit geschlossenem Gefüge – die Hauf-werksporen nicht mit Mörtel bzw. Zementleim ausgefüllt werden. Die Mörtelzugabe wird so weit reduziert, dass die einzelnen, vollflächig mit Mör-tel umhüllten Gesteinskörner lediglich punktför-mig an den Kontaktstellen miteinander verkittet werden, die Hohlräume (Hohlraumgehalt rd. 20 – 25 Vol.-%) jedoch als solche auch im erhärte-ten Zustand erhalten bleiben. Dränbeton wird vornehmlich für Entwässerungsaufgaben im Tief- und Wasserbau eingesetzt. Zudem eignet er sich auch für die Verwendung als Deck- und Tragdeckschicht im Straßenbau.

Ziel dieses durch die Bundesanstalt für Wasser-bau (BAW) geförderten Forschungsvorhabens, das der Lehrstuhl für Baustofftechnik gemein-sam mit dem Lehr- und Forschungsgebiet Geo-technik der Bergischen Universität Wuppertal bearbeitet, ist es, eine geeignete Vorgehenswei-se aus geotechnischer, bauverfahrenstechnischer und baustofflicher Sicht zu erarbeiten, um Mög-lichkeiten und Grenzen einer zielsicheren Her-stellung von Dränbetonbohrpfählen als dränie-rende Elemente von Verbauwänden aufzuzeigen. Die Herstellung von einzelnen Bohrpfählen aus dränagefähigem Beton innerhalb von über-schnittenen Bohrpfahlwänden kann im Einzel-fall geeignet sein, um den Aufbau eines Wasser-drucks hinter der Wand zu verhindern und so die gesamte Verbaukonstruktion wirtschaftli-cher auszuführen.

In der ersten Bearbeitungsphase wurde am Lehrstuhl für Baustofftechnik eine einschlä-

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPENBAUSTOFFTECHNIK

gige und umfangreiche Literaturrecherche zu den Themen „Dränbeton“ und „Unterwasserbe-ton“ durchgeführt. Dokumentiert in Form eines Sachstandberichtes wurden neben dem momen-tanen Stand der Technik auch aktuelle Trends in der Entwicklung beider Betone. Die Ergebnisse der Literaturrecherche werden in die folgenden Laboruntersuchungen einbezogen. Hierzu galt es, die aus der Literatur bekannten allgemeinen Anforderungen der aufgeführten Betone zu be-schreiben. Neben dem Vergleich verschiedener Zusammensetzungen hinsichtlich ihrer Frisch- und Festbetoneigenschaften waren auch die Auf-arbeitung und Beschreibung der Ausgangsstoffe sowie Besonderheiten bei der Verarbeitung die-ser Betone Bestandteile des Berichtes.

In der zweiten noch folgenden Phase dieses For-schungsvorhabens sind einschlägige Material-prüfungen im Labor vorgesehen. Das Ziel der Laboruntersuchungen ist es, geeignete Betonzu-sammensetzungen für eine erste Erprobung in si-tu aufzubereiten. Hierbei werden in den Labor- und Prüfeinrichtungen der Ruhr-Universität Bochum ausgewählte Materialzusammensetzungen in Be-zug auf ihre Eigenschaften untersucht und ana-lysiert werden. Es gilt die Zusammensetzungen hinsichtlich einer adäquaten Verarbeitung und der notwendigen Eigenschaften wie z. B. der Druckfes-tigkeit oder Wasserdurchlässigkeit zu optimieren.

Neben der Bestimmung von klassischen Eigen-schaften ist vor allem die Ermittlung der Erosions-festigkeit des Zementleims von großer Bedeutung. Besonders wichtig ist sie, wenn der Frischbeton mit Wasser (z. B. Grundwasser) beim Einbau in Berüh-rung kommt. Dränbeton kann – im Gegensatz zu normalen Betonen, die über ein ausreichend kom-paktes Gefüge und gutes Zusammenhaltevermö-gen im Frischzustand verfügen – aufgrund seiner Haufwerksporen vollständig von Wasser durch-spült werden. Dabei besteht eine erhöhte Gefahr des Auswaschens vom Zementleim. Um dies zu mi-nimieren, ist ein ausgeprägtes Adhäsionsverhalten

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des Bindemittelleimes anzustreben, so dass auch nach dem Durchströmen klebefähiger Leim auf den groben Gesteinskörnern zurückbleibt und die erforderliche feste Verbindung zwischen diesen her-beiführen kann. Untersucht werden soll, inwieweit es möglich ist, diesem Verhalten durch die Zugabe von als zweckmäßig erachteten Zusätzen wie bei-spielsweise Kunststoffdispersionen, Stabilisierern oder speziell für Unterwasserbetone entwickelten UW-Compounds entgegenzusteuern. Gleichzeitig steht der Einbau des Betons in der Praxis im Fokus. Berücksichtigt werden erforderliche Eigenschaf-ten, die für klassische Einbauverfahren (z. B. Con-tractorverfahren) notwendig sind. Darüber hinaus werden auch alternative Einbauverfahren eruiert und die damit verknüpften Anforderungen an den Frischbeton mit einbezogen. Beispielsweise ist für den Einbau von Dränbeton ein Verfahren denkbar, bei dem dieser über ein kontinuierlich gezogenes Schüttrohr eingebaut wird. Diese Einbringmethode bietet sich für einen Beton an, der durch eine stei-fe Konsistenz und folglich ein für das Contractor-verfahren unzureichendes Fließverhalten aufweist. Bei diesem Verfahren, tritt der Dränbeton allein durch sein Eigengewicht aus dem Schüttrohr aus.

Erste Tastuntersuchungen zeigten u.a., dass die beprobten Einkornbetone durch gezielte Zuga-be von stabilisierenden Zusätzen erosionsfest gegenüber das Auswaschen des Zementleims eingestellt werden konnten (vgl. Rez 2 und Rez 4 in Bild 1).

Bild 1: Ausbreitmaß in Abhängigkeit vom Masseverlust beim Auswaschen des Zementleimes

Wie in Bild 1 zu erkennen ist, wiesen jedoch die Betone mit der höchsten Erosionsfestigkeit auch die geringsten Ausbreitmaße auf. In weiteren Un-tersuchungen gilt es vor allem, die Zusammen-setzung der Betone in Bezug auf die Konsistenz und Erosionsfestigkeit weiter zu optimieren.

INFORMATIK IM BAUWESEN

REISE DURCH KÜNSTLICHE WELTENWie in den RuhrNachrichten berichtet, hat der Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen die Besu-cher der ExtraSchicht am 28. Juni 2014 mit einer Technikführung im Virtual-Reality-Labor begeis-tert. Mit dem Ziel, einen Einblick in die Welt der Virtual-Reality-Technik und deren Sinnhaftigkeit zu bekommen, tauchten die Besucher mit einer 3D-Brille und einer Leinwand der Größe 3,5 x 2,2 Metern ein in die virtuelle Realität (VR). Sie wur-den ein Teil der scheinbaren Realität und konnten tatsächlich in das konstruierte Geschehen ein-greifen. Als „Avatar“ gingen sie durch Gebäude, technische Anlagen und Tunnel und griffen in-

teraktiv nach Werkzeugen. Die Besucher fanden die VR-Erfahrung „großartig“, auch wenn eini-gen anschließend etwas „flau“ war.

Als Virtual Reality wird die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in ei-ner in Echtzeit computergenerierten, interak-tiven virtuellen Umgebung bezeichnet. Hierzu ist es besonders wichtig, ein Gefühl von Im-mersion zu erzeugen. Im Ingenieurwesen wird Virtual Reality in den Bereichen Digital Engi-neering, Computational Steering und Visual Analysis verwendet.

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPENINFORMATIK IM BAUWESEN

Am Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen wird das Virtual Reality Labor sowohl für die Lehre als auch für viele unterschiedliche Forschungs-projekte eingesetzt. In den Lehrveranstaltun-gen „Geometrische Modellierung und Visuali-sierung“ und „Building Information Modeling“ sowie in zahlreichen Bachelor- und Masterarbei-ten bereiten Studierende des Bauingenieurwe-sens und der Angewandten Informatik dreidi-mensionale Modelle und Simulationsergebnisse auf und visualisieren diese anschließend in der

virtuellen Welt des VR-Labors. Zu aktuellen For-schungsthemen, in denen das VR-Labor eine Rolle spielt, gehören beispielsweise die Anima-tion von Ausführungsvorgängen im Hochbau, die zeitabhängige und interaktive Darstellung von Setzungen in Tunnelbauprojekten (Lehr-stuhl für Massivbau), die Visualisierung bild-basierter 3D-Rekonstruktionsergebnisse und die animierten Resultate einer numerischen Si-mulation zur Wellenausbreitung (Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik).

ERFASSUNG DES AUSBAUFORTSCHRITTS AUF BASIS VON VIDEOS UND BIMDurch Unsicherheiten in der Planung und unvor-hersehbaren Störungen kommt es bei der Durch-führung von Innenausbauarbeiten häufig zu Abweichungen gegenüber dem ursprünglichen Bauablaufplan. Studien zeigen, dass die Kosten für den Innenausbau zwischen 25 % und 40 % des Gesamtvolumens eines Bauprojektes liegen. Bei Kenntnis des tatsächlichen aktuellen Baufort-schritts bzw. –zustands können gezielt Gegen-maßnahmen eingeleitet werden, falls es zu Prob-lemen kommt. Derzeit ist die Zustandserfassung in der Praxis aufgrund der manuellen Aufnahme und Verarbeitung der Daten ein sehr zeit- und ar-beitsintensiver und auch stark subjektiv geprägter Prozess. Um einen erhöhten Grad der Automati-sierung für die Zustandserkennung im Innenaus-bau zu ermöglichen, wurde am Lehrstuhl für In-

formatik im Bauwesen ein Konzept entwickelt, das automatisch Verzögerungen im Innenausbau an-hand des Vergleichs von Ist-Videodaten und Soll-Planungsdaten vorhersagt. Dieses Konzept bein-haltet eine Bewegungsabschätzung eines mobilen Geräts (z.B. ein Tablet-Computer) und die Erken-nung des aktuellen Baufortschritts durch den Einbezug von Informationen eines BIM-Modells mitsamt des dazugehörigen Bauablaufplans (4D-BIM). Das mobile Gerät wird durch das Bauwerk-sinnere geführt. Dabei werden durch integrierte Sensoren Video-Daten und Daten einer Inertia-len Messeinheit (IMU) aufgezeichnet. Die Erken-nung des Fortschritts einer Ausbauaktivität be-inhaltet einerseits die Erkennung veränderlicher Bauobjekte (z.B. Einbau eines Heizkörpers), an-dererseits auch die Abschätzung des Grades der Vervollständigung (z.B. Fertigstellung einer Tro-ckenbauwand).

Bild 1: Eindrücke bei der Technikführung im VR-Labor im Rahmen der ExtraSchicht 2014 (Fotos Schirde-wahn (links), Hahn (rechts))

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Bei der Auswertung der Ist-Videodaten wird zu-nächst die Bewegung der Kamera im Gebäude durch Methoden des Computer Vision rekonst-ruiert. Dadurch kann die Position und Orientie-rung der Kamera zu jedem Einzelbild bestimmt werden. Nach einer initialen Registrierung mit dem Gebäudemodell ist es möglich, virtuelle Ansichten der realen Kameraaufnahmen zu er-zeugen (siehe Bild 1). Mithilfe der gewonnenen Bewegungsinformation und der Geometrie der Objekte im Gebäudemodell können Bereiche im Bildmaterial bestimmt werden, in denen zu un-tersuchende Objekte zu erwarten sind. Damit können innerhalb der Videos einzelne Bilder und in diesen einzelne Bereiche definiert und somit der Suchraum für weitere Methoden drastisch reduziert werden.

Im Anschluss daran können in weiteren Schrit-ten die Bildbereiche, in denen der Fortschritt re-levanter Objekte und Aktivitäten erkannt werden muss, durch Bildverarbeitungsalgorithmen (sie-he Bild 2) und Methoden des maschinellen Ler-nens analysiert werden. Dabei werden die Bild-ausschnitte von perspektivischer Verzerrung befreit und individuelle Erkennungsschemata für Objektklassen erlernt. Eine Unterscheidung

Bild 1: Reales Kamerabild und korrespondierende virtuelle Ansicht des Gebäudemodells

Bild 2: Verbesserung der Merkmalsabbildung von Trockenbauwänden durch Bildverarbeitung

Bild 3: Beispiele für die Erkennungsergebnisse für Heizkörper. Obere Reihe: Heizkörper nicht installiert; untere Reihe: Heizkörper installiert

von verschiedenen Fertigstellungsgraden erlaubt es, relevante Zustände voneinander zu unter-scheiden, wodurch letztendlich Aussagen über den Zustand bzw. den Fortschritt des Ausbaus getroffen werden können. Erste Ergebnisse, die durch die Erkennung des Ausbauzustandes von Heizkörpern (siehe Bild 3) und Trockenbauwän-den ermittelt wurden, haben gezeigt, dass das vorgestellte Konzept erfolgreich Aussagen über die Fertigstellung von Objekten und Aktivitäten im Innenausbau zulässt.

EIN INTEGRIERTES TUNNELINFORMATIONSMO-DELL FÜR DEN MASCHINELLEN TUNNELBAUDer maschinelle Tunnelbau ist ein komplexer Prozess, bei dem viele Aspekte, wie zum Beispiel die vorliegenden Bodenverhältnisse, die oberir-dische Bebauung oder die Stabilität des Tunnel-bauwerks berücksichtigt werden müssen. Daher ist eine detaillierte Planung und Ausführung notwendig zur Gewährleistung eines sicheren und ökonomischen Tunnelvortriebs. Sowohl in der Planung als auch in der Ausführung werden große Mengen von Informationen unterschied-lichster Art erzeugt, auf deren Basis Entschei-dungen über die Gestaltung des Vortriebspro-zesses gefällt werden. Diese Informationen umfassen Planungsdaten, Messdaten während des Vortriebs, aber auch Daten aus Vorerkun-dungen und Protokollen. Um die Vielfalt der Daten vereinheitlicht betrachten und analysie-ren zu können, ist eine zentrale und gut struk-turierte Zusammenstellung unumgänglich.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 837 wurde am Lehrstuhl für Informatik im Bauwe-sen ein integriertes Tunnelinformationsmo-dell (TIM) zur Verwaltung anfallender Daten im maschinellen Tunnelbau entwickelt. Es be-steht hauptsächlich aus vier Teilmodellen: dem Baugrunddatenmodell, dem Tunnelmodell, dem Tunnelmaschinenmodell und dem Bebau-ungsmodell. Das Baugrunddatenmodell bein-haltet sowohl die Bodenverhältnisse, die zu Be-ginn des Tunnelprojekts bestimmt wurden, als auch aktualisierte Bodenverhältnisse, die wäh-rend des Tunnelvortriebs ermittelt werden. Das Tunnelmodell ist in Kooperation mit der Tech-nischen Universität München entstanden und speichert das Tunnelbauwerk zusammen mit dem Ringspalt, der sich während des Tunnel-vortriebs bildet. Dieses Teilmodell wurde im Rahmen der Konferenz ICCBEI 2013 in Tokio vorgestellt und mit dem Best Paper Award aus-gezeichnet. Das Tunnelmaschinenmodell be-schreibt die Vortriebsmaschine und erfasst zu-

dem die gesammelten Messdaten der Maschine, die während des Ausbaus zur Überwachung ge-sammelt werden. Das Bebauungsmodell erfasst die oberirdische Bebauung an der Geländeober-kannte. Während eines Tunnelvortriebs sind vor allem Bauwerke an der Oberfläche durch auftre-tende Setzungen des Baugrunds gefährdet. Da-durch könnte es zu Schädigungen von Bauwer-ken kommen, die die strukturelle Integrität des Bauwerks gefährden. Daher muss bei der Pla-nung unbedingt die oberirdische Bebauung be-rücksichtigt werden.

Die einzelnen Teilmodelle wurden auf Basis der Methode des Building Information Mode-ling (BIM) entwickelt und im Sinne eines Mul-ti-Modell-Containers miteinander verknüpft. BIM beschreibt die digitale und dreidimensio-nale Modellierung von Bauwerken mit Informa-tionen über den gesamten Lebenszyklus, von der Planung, über die Ausführung bis hin zur Be-wirtschaftung. Die Industry Foundation Classes (IFC) stellen in diesem Zusammenhang einen Datenstandard dar, um vorwiegend oberirdische Bauwerke zu beschreiben. Dieser Standard wur-de am Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen für den maschinellen Tunnelbau erweitert, um neben inhaltlichen Informationen auch geeig-nete geometrische Informationen für die Visu-alisierung abzubilden.

Mit Hilfe einer Visualisierung von Daten können große Mengen an Informationen sehr schnell, in-teraktiv und intuitiv ausgewertet werden. In einem Datenmanagement-Tool werden die im TIM ge-speicherten Daten in einer räumlich und zeitlich abhängigen, 3-dimensionalen Umgebung präsen-tiert (siehe Bild 1). Um die Interaktivität weiter zu fördern, können die Daten im TIM im Virtual-Re-ality-Labor am Lehrstuhl für Informatik im Bau-wesen angezeigt werden. Dies ist besonders inte-ressant für die Interpretation von räumlich und zeitlich abhängigen Setzungsinformationen. Mit Hilfe einer großformatigen Darstellung lassen

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPENINFORMATIK IM BAUWESEN

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sich Zusammenhänge über den Verlauf und die Ursachen von Setzungen erkennen. In Bild 2 ist die Visualisierung der Setzungen im VR-Labor dargestellt. Die Steuerung findet hierbei über ei-nen Touch Table statt.

Bild 1: Datenmanagement-Tool zur Darstellung der Daten im Tunnelinformationsmodell

Bild 2: Visualisierung von Setzungsdaten in einer Virtual Reality Umgebung

WINDINGENIEURWESEN UND STRÖMUNGSMECHANIK

IM LAUFENDEN JAHR 2014 KONNTEN BIS OKTOBER ZWEI DER IN DER ARBEITSGRUPPE FORSCHENDEN DOKTORANDEN IHRE WISSENSCHAFTLICH SEHR INTERESSANTEN DISSERTATIONSVORHABEN ER-FOLGREICH ABSCHLIESSEN

Dr.-Ing. Stefan Lachmann, Oer-Erkenschwick, promovierte im ersten Quartal des Jahres. In sei-ner Dissertation „Kontinuierliches Monitoring zur Schädigungsverfolgung an Tragstrukturen von Windenergieanlagen“ beschäftigt er sich mit der Lebensdauerabschätzung bzw. der Prognose der Restlebensdauer der Tragstruktur von Windener-gieanlagen. Gerade im Fokus des laufenden Aus-baus („Revamping“) von Windenergieanlagen in den nächsten Jahren, aber auch für den Weiterbe-trieb von älteren Anlagen, die ihre Nutzungsdauer bereits erreicht haben bzw. in den nächsten Jahren

erreichen, hat dieses Forschungsvorhaben eine ho-he Bedeutung. Bislang wird die mechanische Le-bensdauer von Windenergieanlagen relativ grob auf Basis von abgeschätzten Einwirkungen berechnet. Um die Aussagefähigkeit und Zuverlässigkeit der Schätzungen zu verbessern, werden in der Arbeit gerichtete Prognosemethoden entwickelt, die direkt auf das Betriebsfestigkeitsproblem abgestellt sind. Dabei müssen die Betriebsbeanspruchungen für maßgebende Tragwerkskomponenten möglichst realitätsnah erfasst werden. Der Doktorand entwi-ckelte dafür ein kontinuierlich arbeitendes Messsys-tem mit modernen Sensoren zur Erfassung der me-chanischen Tragwerksantwort („Structural Health Monitoring“). Das Monitoring-System wurde an ei-ner bestehenden Windenergieanlage in Dortmund montiert (Bild 1), und eine umfangreiche Daten-menge wird seitdem kontinuierlich über schnelle

Datenleitungen auf einem Fakultätsserver gespei-chert. Mit Hilfe einer statistischen, multivariaten Datenanalyse wird eine Datenbasis als Grundlage für die Lebensdauerabschätzung des Turmtrag-werks geschaffen. Begrenzt auf bestimmte, im Rah-men einer Schwachstellenanalyse identifizierte, maßgebende Konstruktionsdetails werden in der Arbeit repräsentative Ermüdungsfestigkeitsunter-suchungen durchgeführt und so Schädigungsgra-de des Turmtragwerks einerseits, aber auch Lebens-dauerreserven nachgewiesen.

im Zuge des Ersatzes deteriorierte Spannbetonkon-struktionen aus den 1960er und 1970er Jahren und der Ertüchtigung von Verkehrswegen aufgrund der Zunahme des straßengebundenen Güterverkehrs stellt. Im Rahmen der Genehmigungsplanung für Brückenbauwerke ist stets die aeroelastische Stabi-lität eines Brückenbauwerks nachzuweisen. Infol-ge des anhaltenden Trends zur Entwicklung sehr wirtschaftlicher Bauverfahren kommt es jedoch in jüngerer Zeit häufig zu Nachweisproblematiken für den Bauzustand. Es ist nicht überraschend, dass davon insbesondere Brückenträger im Vorschub-zustand angesichts von Vorschubweiten von oft 100 m und teilweise erheblich mehr betroffen sind.

Frau Dr.-Ing. Sarkic entwickelt mit ausgesuch-ten Methoden der numerischen Strömungsme-chanik ein Simulationsverfahren, welches neben den mittleren und turbulenten Strömungseffek-ten insbesondere die lokalen bewegungsinduzier-ten Wechselwirkungen an im Wind schwingenden Brückentragwerken wiedergibt. Erste Simulatio-nen turbulenter Strömungen werden auf der Basis von RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)- und URANS (Unsteady RANS)-Verfahren gelöst. Für gebäudeaerodynamische Probleme kommen soge-nannte High-Re (Hohe Reynoldszahl)-Formulie-rungen und Turbulenzmodelle zum Einsatz, z.B. das LLR-k-ω Modell. Der entscheidende Durch-bruch gelingt der Doktorandin durch die genaue Ergebnisanalyse mehrerer ausgedehnter Messseri-en (Bild 2) im Bochumer Grenzschichtwindkanal. Bei der Validierung der Simulationsergebnisse an-hand der experimentell gefundenen Referenzdaten zeigt sich der wichtige Einfluss von stark instatio-nären Strömungsablösungen vom schwingenden Brückenquerschnitt. Hierdurch motiviert wird das Rechenverfahren um hochauflösende Simulationen mittels der Large-Eddy-Simulation (LES) erweitert, allerdings ist damit ein hoher Rechenaufwand ver-bunden (Bild 3). Diesen durch lokale Adaption der Rechengitter und der Strömungslöser reduzieren zu können, ist ein weiteres, entscheidendes For-schungsergebnis der Arbeit.

Bild 1: Referenzwindenergieanlage und einige Sensoren des Monitoring-Systems

Die englischsprachige Dissertation „Validated nu-merical simulation of fluid-structure interactions of bridge girders in turbulent wind fields“ von Dr.-Ing. Anina Sarkic, Belgrad/Serbien, bewegt sich in dem wissenschaftlich und technisch äußerst anspruchsvollen und komplexen Themenbereich der Fluid-Struktur-Interaktionen. Sie untersucht in ihrer Arbeit das sehr komplexe aeroelastische Ver-halten von schwingenden Brückenüberbauten und identifiziert kritische Instabilitätspunkte. Die For-schung ist nicht zuletzt motiviert durch die große Aufgabe, die sich für die öffentliche Hand und die Bauwirtschaft angesichts der anstehenden Erneue-rung zahlreicher Autobahnbrücken in Deutschland

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPENWINDINGENIEURWESEN UND STRÖMUNGSMECHANIK

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Bild 2: Teil des Messaufbaus im Bochumer Grenz-schichtwindkanal

Bild 3: Beispiel eines Rechengitters für eine dreidimen-sionale LES-Simulation der instationären Strömungsab-lösung vom schwingenden Brückenquerschnitt

RESSOURCENEFFIZIENTES BAUEN

METHODENENTWICKLUNG ZUR BESCHREIBUNG VON ZIELWERTEN ZUM PRIMÄRENERGIEAUF-WAND UND CO2-ÄQUIVALENT VON BAUKONSTRUK-TIONEN ZUR VERKNÜPFUNG MIT GRUNDSTÜCKS-VERGABEN UND QUALITÄTSSICHERUNG BIS ZUR ENTWURFSPLANUNGDer Bausektor ist für einen beträchtlichen Teil des Primärenergieverbrauches und des Aussto-ßes an Treibhausgasen in Europa verantwortlich. Lange Zeit wurde das Augenmerk auf die Ener-gieeffizienz in der Betriebsphase eines Gebäu-des gelegt, da in dieser Phase die höchsten CO2-Einsparungspotenziale zu realisieren waren. Durch die Einführung der nZEB-Verordnung (nearly Zero Energy Building, dt.: Fast-Null-Ener-giehäuser), die das Ziel hat die CO2-Emissionen aller Neubauten bis 2020 auf fast Null zu redu-zieren, kommt dem Neubau von großen Bau-projekten in Zukunft eine entscheidende Rolle

zu. Wenn alle Neubauten als Fast-Null-Ener-giehäuser geplant werden, und damit der Ener-giebedarf in der Betriebsphase reduziert wird, wird sich eine Verschiebung der Effizienzopti-mierung hin zur Erstellungsphase der Gebäu-de vollziehen. Damit verschiebt sich der Fokus der Betrachtung auf die verbauten Materialien und Konstruktionen und deren ökologischen Einfluss auf Herstellung und Rückbau. Durch eine nachhaltige Material- und Konstruktions-auswahl können somit Primärenergie und CO2 Emissionen eingespart werden. Über die Be-schreibung und die Vorgabe von Zielwerten für den Primärenergieaufwand und das CO2-Äqui-valent dieser Konstruktionen kann die Vorent-wurfsplanung beeinflusst werden. Somit wäre neben der Vorgabe von Energiestandards für die Betriebsphase auch eine Vorgabe von Zielwer-ten für die Erstellungsphase des Gebäudes zu er-

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPENRESSOURCENEFFIZIENTES BAUEN

reichen. Die Überlegungen gehen dahin, einen nicht zu überschreitenden Wert an mit der Kon-struktion verbundenen Treibhausgasemissionen sowie einen Zielwert für den Anteil an nachwach-senden Rohstoffen festzulegen. Diese Vorgaben müssen vergabekonform definiert werden, ohne einzelne Materialien zu bevorzugen. Für die Re-alisierung der Ressourceneffizienz- und CO2-Ein-sparungsziele bietet der moderne Holzbau her-vorragende Möglichkeiten. Allerdings gibt es bis jetzt noch keine durchgängigen Verfahren, wie sich die Anforderungen an zu errichtende Ge-bäude nach ökologischen Kriterien schon von der Grundstücksvergabe über die Entwurfspla-nung, bis hin zur Ausführung umsetzen lassen.

Das Forschungsprojekt ist als Begleitprojekt zur Entwicklungsphase der Neubebauung des ehe-maligen Kasernengeländes der Prinz-Eugen-Ka-serne in München geplant. Als Vorreiter möchte die Stadt München den urbanen Holzbau in der Stadt weiter voranbringen. Ein Teilbereich des Are-als, der ca. 500 Wohnungen umfasst, soll als öko-logische Mustersiedlung umgesetzt werden (Bild 1) mit dem Ziel, benötigten, bezahlbaren Wohnraum unter Berücksichtigung ökologischer Kriterien zu schaffen. Insgesamt umfasst das neue Stadtquar-tier ca. 1.800 Wohnungen.

Mustersiedlung sollen vier Gebäudetypologien errichtet werden (Bild 2):

▪ Typ 1: Atriumhäuser (2-3-geschossig) ▪ Typ 2: Reihenhäuser (3-geschossig) ▪ Typ 3: Zeilenbauten als Blockrandbebauung

(5- bis 7-geschossig) ▪ Typ 4: Stadthäuser (4-geschossig)

Bild 1: Ökologische Mustersiedlung: Teilbereich (süd-licher Teil) des Bebauungsplans für die Prinz-Eugen-Kaserne in München

Jede Gebäudetypologie kann in mehreren Bau-konstruktionen umgesetzt werden. Dabei kom-men der Massivholzbau, der Holzständerbau und der Hybridbau infrage. Entsprechend der Bau-weise resultieren unterschiedliche Holzmassen, Kennwerte für die Umweltwirkungen und Be-sonderheiten bei der Umsetzung. Aufgrund der Holzbauweise ergeben sich hohe Ansprüche be-züglich des Brandschutzes. Demnach werden die Gebäudetypen in Gebäudeklassen entsprechend den Brandschutzanforderungen eingeordnet. Als Energiestandard ist ein sehr hoher Wärmedämm-standard und Luftdichtheit vorgesehen: KfW Ef-fizienzhaus 55, ggf. KfW Effizienzhaus 40 -Stan-dard der EnEV2009.

Die Projektdurchführung erfolgt gemeinsam mit der TU München und der Landeshauptstadt Mün-

Bild 2: Anordnung der Gebäudetypen der ökologischen Mustersiedlung

Typ 1

Typ 2

Typ 3

Typ 4

Die Rahmenbedingungen für die ökologische Mustersiedlung beinhalten innovative Energie-versorgungskonzepte, Plus-Energiestandard und Holzbauweise der Gebäude. Im Bereich der

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HYDROLOGIE, WASSERWIRTSCHAFT UND UMWELTTECHNIK

chen. Im ersten Projektabschnitt (Arbeitspaket 1) werden Lebenszyklusberechnungen von Ge-bäuden mit unterschiedlichen Bauweisen zu-sammengetragen und Zielwerte ökologischer Kriterien für die Gebäudevorgaben festgeschrie-ben. Diese Aufgaben werden federführend von der RUB durchgeführt. Der zweite Projektab-schnitt (Arbeitspaket 2) beschäftigt sich mit der Begleitung der Zielefestschreibung über die un-terschiedlichen Planungsphasen und die Unter-

INTERNATIONALE KOOPERATION „PROJECT DU-AL DRAINAGE“ – VERBESSERUNG DER SIMULATI-ONSTECHNIK FÜR URBANE RÄUMEine Besonderheit des Sommers 2014 waren häu-fige kurzzeitige aber intensive Starkregen im Zu-sammenhang mit Gewitterzellen, die in einigen Bundesländern, insbesondere aber in Nordrhein- Westfalen auftraten. Einen Spitzenplatz in der Rei-he dieser Starkregen nimmt das Ereignis am 28. Ju-li 2014 in Münster ein. Innerhalb weniger Stunden fielen im Maximum 292 mm Niederschlag. Wenn man sich den Effekt dieses Niederschlages vorstel-len möchte: Was passiert, wenn man 29 randvoll gefüllte Wassereimer auf einer Fläche von einem Quadratmeter auskippt? In einem bebauten Gebiet kommt fast die gesamte Wassermenge zum Ab-fluss. Diese Wassermenge übersteigt die Entwässe-rungskapazität des Kanalnetzes um das Vielfache. Die Folge sind Straßen, die sich in Flüsse verwan-deln und überflutete Stadtteile. In einem DFG-ge-förderten Kooperationsprojekt des Lehrstuhls für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik und des Centre for Water Systems, University of Exeter in Großbritannien wird der Frage nachge-gangen, wie man derartige Ereignisse simulieren kann, um den Überflutungsschutz zu verbessern. Zunächst muss man hierbei von zwei interagie-renden Entwässerungssystemen ausgehen, dem Kanalnetz und (falls dieses überlastet ist) dem Sys-

tem der Straßen und Wege, die sich in bevorzug-te Fließwege verwandeln. Um diese Abflussbedin-gungen zu beschreiben, benötigt man deshalb ein Modell, das sowohl den Oberflächenabfluss als auch die Kanalisation berücksichtigt, ein soge-nannte Dual-Drainage (DD) Modell. Die gemein-samen Forschungsarbeiten zielen darauf ab, effek-tive numerische Lösungsverfahren zu entwickeln, die insbesondere die Interaktionen zwischen bei-den Systemen beschreiben können. So wird Ober-flächenabfluss an den Straßeneinläufen (Gullys) zu Abfluss im Kanalnetz, das Kanalnetz gibt aber bei Überlastung wieder Wasser an die Oberfläche ab. Die Herausforderung besteht im Wechsel zwi-schen 1- und 2d – Simulationsansätzen und der Beschreibung der Wirkung der Bebauung, die die Abflüsse in Stadtgebieten beeinflusst (Bild 1). Die gemeinsamen Arbeiten haben gezeigt, dass die Pa-rallelisierung der Rechenalgorithmen eine Mög-lichkeit bietet, um genaue und effiziente Modelle zu entwickeln. Dabei werden numerische hydrau-lische Modelle mit systemtheoretischen Ansätzen wie z.B. dem Diffusionswellen- Ansatz gekoppelt. Durch die Anwendung hochaufgelöster digitaler Geländemodelle werden Fliesswege und Überflu-tungshöhen berechnet, die dazu dienen Kanalnet-ze zu bewerten und später zu optimieren (Bild 2). Hierzu werden derzeit neue Testfälle in Koopera-tion mit der Emschergenossenschaft untersucht.

stützung bei der Erarbeitung von tragfähigen Konzep-ten zur Verwirklichung von großflächigem urbanem Holzbau. Das dritte Arbeitspaket besteht aus dem Monitoring der einzelnen Planungsschritte und der Einspeisung von Forschungsergebnissen in die prak-tische Planung im Holzbau. Gleichzeitig werden die Möglichkeiten der stofflichen CO2-Einsparung als An-satzpunkte für andere Kommunen dargestellt und die Übertragbarkeit der Ergebnisse sichergestellt. Die Pro-jektlaufzeit beträgt 20 Monate.

NEUES AUS DEN LEHRSTÜHLEN UND ARBEITSGRUPPENHYDROLOGIE, WASSERWIRTSCHAFT UND UMWELTTECHNIK

Bild 1: Häufig wird der Oberflächenabfluss und das Ka-nalnetz mit 1d Fliesswegsimulationen beschrieben (lin-ke Seite). Die Simulation von Überflutungsflächen er-fordert eine 2D Oberflächenabflusssimulation in einem Raster (rechte Seite) (Aus: Leandro, J., 2008. „Advanced Mo-

delling of Flooding in Urban Areas: Integrated 1D/1D and 1D/2D Mo-

dels“. PhD Thesis, Exeter University).

Bild 2: Ein digitales Geländemodell (linke Seite) das dazu Überschwemmungsgebiet und die zugehörige Wasser-tiefe des P-Dwave Modells (rechte Seite). Es zeigt die Cockenzie Street in Glasgow, UK. (Aus: leandro, J., Chen, A.,

and Schumann, A., 2014 „A 2D Parallel Diffusive Wave Model for floodplain inundation with variable time step (P-DWave), Journal

of Hydrology, 517(19) p 250-259).

SIEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT UND UMWELTTECHNIK

MKULNV-PROJEKT: OPTIMIERUNG DER MIKROBI-ELLEN BRENNSTOFFZELLEN-TECHNIK FÜR DEN KLÄRANLAGENBETRIEB – PHASE 2In Deutschland fallen jährlich rund 10 Milliarden m³ Abwasser an, welche in insgesamt 9632 Abwas-serbehandlungsanlagen gereinigt werden (Stand 2010). Mehr als ein Zehntel dieser Abwassermen-ge (ca. 1,4 Mrd. m³) fällt alleine in NRW an und wird hier in 634 kommunalen Kläranlagen aufbe-reitet. Die Reinigung dieser Abwassermengen ge-hört mit zu den größten „Energieverbrauchern“ der Kommunen und benötigt deutschlandweit etwa 4.400 Gigawattstunden (GWh) und in NRW etwa 1200 GWh elektrische Energie im Jahr. Alleine der Energiebedarf für die Kläranlagen in NRW wür-de ausreichen um alle Haushalte einer Großstadt mit 600.000 Einwohnern, wie etwa Düsseldorf, ein

Jahr lang mit Strom zu versorgen. Angesichts des immer weiter steigenden Bedarfs an Energie und der damit verbundenen Emission von klimaschäd-lichen Treibhausgasen ist es essentiell, neue und innovative Verfahren in der Abwasserreinigung zu entwickeln und zu implementieren, welche in der Lage sind, den Energieverbrauch einer Kläranlage weiter zu reduzieren. Mit den bisherigen Methoden der anaeroben Schlammbehandlung und der Ver-brennung des hierbei entstehenden Methans kann zwar bereits etwa eine Kilowattstunde (kWh) elek-trische Energie pro kg abgebauten organischem Substrat (kg CSB) erzeugt werden, allerdings liegt das chemische energetische Potential der im Ab-wasser enthaltenen Stoffe etwa bei 4 kWh/kg ab-gebautem CSB. Genau an diesem Punkt setzt das vom MKULNV finanzierte Projekt an – mit Hilfe

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der mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) lässt sich die chemische Energie aus den Abwasserinhalts-stoffen direkt und ohne Umwege über eine mecha-nische Stufe in elektrische Energie umwandeln, was theoretisch bedeutet, dass mit dieser Techno-logie weitaus höhere Energieausbeuten als mit der konventionellen Schlammfaulung möglich sind. Die Funktionsweise und der schematische Auf-bau der in diesem Projekt verwendeten membran-losen Einkammer-MBZ mit Luftkathode ist in Bild 1 dargestellt. In einer mikrobiellen Brennstoffzelle werden die organischen Abwasserinhaltsstoffe von sogenannten exoelektrogenen Bakterien, welche als Biofilm auf einer aus Graphitfasern bestehen-den Anode wachsen, abgebaut. Die bei dieser Oxi-dation zu CO2 und Protonen (H+) frei werdenden Elektronen (e-) werden von den Bakterien nun an die Anode abgegeben, von der aus sie über einen externen Stromleiter durch einen äußeren Wider-stand hin zu einer aus Kohlenstoffgewebe beste-henden Kathode geleitet werden. An der Kathode werden diese Elektronen nun auf der dem Medi-um zugewandten Seite auf Luftsauerstoff, welcher durch die Kathode ins Innere der MBZ diffundiert, übertragen, und zusammen mit den Protonen ent-steht als Abfallprodukt Wasser.

Bild 1: Funktionsweise und schematischer Aufbau einer membranlosen Einkammer-MBZ mit Luftkathode

bestand in der labormäßigen Optimierung der Elektrodenmaterialien und der Auswahl einer MBZ-Konfiguration im Hinblick auf ein späteres „up-scaling“. Ziel von Phase 2 soll es nun sein, die Technik der mikrobiellen Brennstoffzellen für eine praxisnahe Anwendung auf kommuna-len Kläranlagen in NRW zu etablieren. Aufbauend auf den Ergebnissen aus Phase 1 sollen weitere Optimierungen bezüglich der Elektrodenmate-rialien im Labormaßstab durchgeführt werden. Hierzu werden die MBZ zum einen mit zwei an-statt mit nur einer Kathode ausgestattet, es wird zum anderen eine Graphitbürste als alternatives Anodenmaterial getestet und anstelle des teuren Platin-Katalysators wird günstigeres Mangan- dioxid auf leistungssteigernde Wirkung überprüft. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen anschlie-ßend beim Prozess des sogenannten „up-scalings“ auf 10L MBZ-Prototypen übertragen werden die für den dauerhaften Betrieb auf einer kommuna-len Kläranlage weiter angepasst und optimiert wer-den. Der erste Prototyp einer 10L-MBZ wird der-zeit auf der Versuchsanlage Ölbachtal betrieben (Bild 2). Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die Verringerung des internen Widerstandes der MBZ gelegt, da dieser den limitierenden Fak-tor der Leistungsausbeute darstellt.

Letztendlich sollen vier 10L MBZ über einen Zeitraum von einem Jahr auf der KA Bottrop unter Mitwirkung der Emschergenossenschaft/Lippeverband kontinuier-lich betrieben und unter-sucht werden. Aus den Beobachtungen sollen Erkenntnisse gewonnen werden, inwiefern Fak-toren wie z.B. schwan-kende Abwasserzusam-

Das über drei Jahre geförderte Projekt ist in zwei Phasen unterteilt. Die Aufgabe der ersten Phase

Bild 2: Foto des 10L-MBZ Prototyps

mensetzungen und Temperaturen die Leistung, die Wartung und den Betrieb der MBZ unter rea-len Bedingungen beeinflussen.

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Univ. Jun.-Prof. Dr.-Ing. Annette Hafner ▪ Windingenieurwesen und Strömungsmechanik

Univ. Prof. Dr.-Ing. R. Höffer ▪ Stahl-, Leicht- und Verbundbau

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Univ. Prof. Dr.-Ing. P. Mark ▪ Statik und Dynamik

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Univ. Prof. Dr. rer. nat. A. Schumann ▪ Mechanik – Kontinuumsmechanik

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Univ. Prof. Dr. rer. nat. H. Stolpe ▪ Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb

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▪ 5. Juni 2015 „Das Beste aus Forschung und Lehre“ Programm in den Fakultäten, im Rahmen des Ersten großen Alum-ni-Treffens der RUB RUB50-Gala mit unseren Alumni im Rahmen des Er-sten großen Alumni-Treffens der RUB

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▪ 8. Juni bis 12. Juni 2015 Internationale Wocheweitere Informationen zu 50 Jahre RUB Feierlichkeit:http://www.ruhr-uni-bochum.de/rub50/

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▪ 04.12.2014 - Sichtbare Strömungen ▪ 08.01.2015 - Wie kommt das Neue in

die Köpfe ... der Kunden? ▪ 05.02.2015 - Ohne eingebettete Systeme

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und bebende Tribünen ▪ 02.07.2015 - Über offene Türen, kostenloses Es-

sen und unsichere Garagen - IT-Sicherheit im Alltagweitere Informationen unter:http://www.ing.rub.de/live/ingfueralle

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