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Nachhaltiges Bauen und Produzieren

Dieser Forschungsschwerpunkt ist dem energieeffizienten Bauen, dem Bauen im Bestand, der Baustoffoptimierung - sowie der Weiterentwicklung von Produktionsverfahren und -anlagen unter Nachhaltigkeitsaspekten gewidmet. Die interdisziplinäre Initiative Building Information Modeling (BIM) verfolgt das Ziel, innovative Methoden und Technologien zu entwickeln und zu integrieren, um Abläufe entlang des Lebenszyklus von Bauwerken zu optimieren. Enge Verzahnungen mit den Bereichen "Industrie 4.0", Produktion und Logistik, "Internet of Things", "Smart Cities" und "SmartGrids" sind im Arbeitsgebiet gelebte Praxis.

Aktuelle Projekte

Zweiachsig gespannte Hohlkörperdecken - Optimierung der Hohlkörperform und Entwicklung eines Bemessungskonzeptes

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Andrej Albert / Dipl.-Ing. Denis Busch, M. Sc.

Laufzeit: 2013-2019

Um die hohe Eigenlast von Stahlbetondecken zu reduzieren und somit bei gleicher Deckendicke größere Spannweiten zu erzielen, werden in den vergangenen Jahren verstärkt zweiachsig gespannte Hohlkörperdecken eingesetzt. Die einzigen Hohlkörperdecken-Systeme, welche derzeit über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik verfügen, sind die Systeme der Firma Heinze Cobiax Deutschland GmbH, bei denen kugel- oder ellipsoidförmige Hohlkörper verwendet werden. Der „Schwachpunkt“ solcher Hohlkörperdecken ist deren Querkrafttragfähigkeit. Um die Querkrafttragfähigkeit auf einfache und auf der sicheren Seite liegende Weise im Rahmen der Bemessung einer Decke nachzuweisen, wird sie für Decken mit kugelförmigen Hohlkörpern mit 55% der Querkrafttragfähigkeit einer Massivdecke angesetzt. Bei Verwendung der ellipsoidförmigen Hohlkörper wird pauschal eine Querkrafttragfähigkeit von 50% der Querkrafttragfähigkeit einer Massivdecke angenommen. Die Reduktion des Eigengewichtes der Decken durch die Hohlkörper beträgt 25% bzw. 30%.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes werden zwei Ziele verfolgt:

  1. Entwicklung von Hohlkörperformen, die bei einer Reduktion des Eigengewichtes von ca. 30% die Querkrafttragfähigkeit der Decke geringer reduzieren als kugel- oder ellipsoidförmige Hohlkörper.
  2. Erarbeitung eines Querkraftbemessungskonzeptes für Stahlbetonhohlkörperdecken, das die Querkrafttragfähigkeit besser prognostiziert, als dies die pauschale Reduktion der Querkrafttragfähigkeit im Vergleich zu einer Massivdecke erlaubt.

Im Rahmen der Optimierung der Hohlkörperform erwiesen sich kegelstumpfförmige Hohlkörper, welche in alternierender Weise in der Stahlbetondecke angeordnet werden, als optimal. Bei Anwendung dieser neuartigen Hohlkörper wurde bei einer Gewichtsreduktion von ca. 30% eine Querkrafttragfähigkeit in Höhe von ca. 70% der Querkrafttragfähigkeit einer Massivdecke erreicht. Die Ergebnisse der FEM-Berechnungen wurden im Rahmen von Bauteilversuchen im Maßstab 1:2 vollumfänglich bestätigt.

Zur Erarbeitung eines Bemessungskonzeptes für die Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonhohlkörperdecken wurden zunächst die in der Literatur verfügbaren Bemessungskonzepte für Stahlbetonmassivdecken analysiert. Die in der Literatur verfügbaren Ansätze lassen sich grob in zwei Gruppen unterteilen: empirische Modelle, zu denen u.a. das Modell, welches in der europäischen Bemessungsnorm DIN EN 1992 (EC2) verwendet wird, gehört und mechanisch begründete Modelle (beispielsweise das Modell von Görtz). Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird aufbauend auf bereits in der Literatur vorliegenden Modellen zunächst ein mechanisches Modell für die Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit von Massivdecken entwickelt und dieses im Anschluss durch Modifikationen einzelner Parameter auf die Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit von Hohlkörperdecken übertragen.


Abgeschlossene Projekte

Ressourcenschonende Reduktion von Bewehrungsstahl in Stahlbetonhochbaudecken

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Andrej Albert / Dr.-Ing. Andreas Dridiger

Fördermittelgeber: Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung

Laufzeit: 2015-2018

Bei der Auslegung von Stahlbetonbauteilen ist neben der Tragfähigkeit auch die Gebrauchstauglichkeit sicherzustellen. In diesem Zusammenhang sind in Hochbaudecken u.a. die Rissbreiten zu begrenzen.

Der erforderliche Nachweis zur Rissbreitenbegrenzung kann grundsätzlich mit den in Eurocode 2 vorgegebenen Rechenverfahren erbracht werden. Von zentraler Bedeutung ist es dabei aber, die in dem Bauteil auftretenden Schnittgrößen wirklichkeitsnah abzuschätzen. Dies wird in vielen Fällen dadurch erschwert, dass zusätzlich zu den äußeren Lasten auch Zwangschnittgrößen (infolge von Temperaturänderungen und Schwinden des Betons) auftreten und dass die Größe dieser Zwangschnittgrößen stark von der Steifigkeit der Decke selbst und somit auch von der Größe der äußeren Lasten abhängen. Das Ziel des hier beschriebenen Forschungsprojektes war es, Rechenverfahren zu erarbeiten, mit deren Hilfe die zur Rissbreitenbeschränkung benötigte Zwanglängskraft in Stahlbetonhochbaudecken in guter Übereinstimmung mit der Wirklichkeit bestimmt werden kann.

Teil des Forschungsprojektes war ein umfangreiches Programm  experimenteller Untersuchungen, die im Labor der TU Kaiserslautern durchgeführt wurden. Alle anderen Teile des Projektes wurden an der Hochschule Bochum bearbeitet.

Anhand von Nachrechnungen der durchgeführten Versuche wurden zunächst die maßgebenden Eingangsparameter der verwendeten FEM-Modelle kalibriert. Mit diesen Modellen wurde dann eine Parameterstudie durchgeführt, mit deren Hilfe die wichtigsten Einflüsse auf die Zwanglängskräfte in Decken identifiziert werden konnten. Auf diese Weise konnte ein Verfahren zur Bestimmung der Zwanglängskraft in einachsig gespannten Einfeldplatten bei gleichzeitiger direkter Einwirkung entwickelt werden. Darüber hinaus konnte auch ein Verfahren entwickelt werden, mit dessen Hilfe die in mehrfeldrigen einachsig gespannten Deckenplatten wirkenden Zwangkräfte sehr wirklichkeitsnah abgeschätzt werden können.

Mit Hilfe der entwickelten Verfahren wird es in Zukunft möglich sein, die Zwangkräfte in Stahlbeton-Hochbaudecken deutlich wirklichkeitsnäher als bislang abzuschätzen. Hierdurch wird auch eine Einsparung von Bewehrung sowie eine an den tatsächlich wirkenden Kräften orientierte Verteilung derselben möglich.


Sichere Automatisierungstechnik für den demographischen Wandel

rojektleitung: Prof. Dr.-Ing. Daniel Schilberg

Fördermittelgeber: Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen

Laufzeit: 2016 - 2017

Projektkurzbeschreibung: 2011 wurde vom Sachverständigenrat die Expertise „Herausforderungen des demografischen Wandels“ veröffentlicht. Ziel der Expertise war es, Demografie und Wachstumspotenziale unter den Gesichtspunkten Arbeits-, Güter- und Finanzmärkte zu betrachten, ein Ergebnis ist, dass die Gesellschaft in Deutschland altert. Parallel zu der Entwicklung der Altersstruktur gibt es technologische Fortschritte im Bereich der Informationstechnik, die einen erheblichen Einfluss auf unsere Arbeitswelt haben werden. Die Erforschung der daraus erwachsenden gesellschaftlichen Potenziale erfordert zum einen, dass die Disziplinen der Mechatronik noch weiter zusammenwachsen und zum anderen, dass die Integration weiterer zumeist nicht technischer Disziplinen wie der Medizin oder der Sozialwissenschaften voranschreitet. In Deutschland wird diese Entwicklung mit „Industrie 4.0“ und in des USA mit „Cyber Physical Systems“ bezeichnet.

Auf der Grundlage der Leistungszuwächse der autonomen und teilautonomen technischen Systeme in den vergangenen 10 Jahren wird das Einsatzspektrum technischer Systeme im Allgemeinen und der Robotik im Speziellen stark erweitert. Die Dokumente „The German Standardization Roadmap“ und „A Roadmap for U.S. Robotics – From Internet to Robot“ zeigen auf, wie die Durchdringung von Berufs- und Privatleben von Robotik-Systemen, die auf einer starken Informationsvernetzung beruhen, geprägt wird. Damit Roboter im privaten wie dienstlichem Umfeld ältere Menschen unterstützen zum einen weiterhin selbstständig und produktiv tätig zu sein und zum anderen eine soziale Teilhabe ermöglichen, sind grundlegende Arbeiten in der Mensch-Maschine-Interaktion notwendig. Ein Roboter der in 20 Jahren ähnlich wie das Mobiltelefon heute unserer ständiger Begleiter wird, muss sich nicht nur im Bereich der Mechanik und Energieversorgung weiterentwickeln, sondern muss Intentionen von Menschen erkennen um diese zu unterstützen und muss über sein Verhalten Intentionen erkennen lassen um eine sichere Interaktion zu ermöglichen, die zu großen Teilen aus nonverbaler Kommunikation besteht. Hierfür muss ein Informationsmodell für die Robotik entwickelt werden, das atomare Fähigkeiten (rotatorische und translatorische Bewegungen) des Roboters zu komplexeren Fähigkeiten aggregiert und diese kontextsensitiv mit Strategien zur Funktionserfüllung verknüpft. Des Weiteren muss dieses Fähigkeits-Funktions-Mapping für den menschlichen Anwender transparent und nachvollziehbar ablaufen, damit tatsächlich Intentionen aus dem Vorgehen abgeleitet werden können.


Cyber physische Roboter Interaktion (CyRobI)

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Daniel Schilberg

Fördermittelgeber: DFG

Laufzeit: 2016

Projektkurzbeschreibung: Ziel des Forschungsvorhabens CyRobI ist die Entwicklung eines intendierenden Robotersystems. Ausgangspunkt dafür stellt die Formulierung eines Informationsmodells für ein generisches Robotersystem dar, das Informationen aus den vier zuvor genannten Schritten in ihrem Entstehungskontext ablegt und die weitere Informationsverarbeitung durch Korrelation, Aggregation und Analyse ermöglicht. Hierfür müssen folgende Forschungsfragen im Vorhaben beantwortet werden:

  • Welchen Beitrag können moderne, vernetzte Informations- und Kommunikationstechnologien sowie neuartige analytische Algorithmen für die Selbstbeschreibung eines Robotersystems liefern?
  • Wie kann ein selbstbeschreibungsfähiges Robotersystem für den Anwender einfach, flexibel und effizient nutzbar gemacht werden?
  • Wie ist der Informationsfluss und damit die Informations-Integration für die Maschine-Maschine und Mensch-Maschine Kommunikation zu realisieren?

Zur Erreichung der Ziele des Vorhabens und Beantwortung der Forschungsfragen gliedert sich das Projekt in drei Phasen. Zunächst sollen in der ersten Phase Anforderungen an das System erhoben werden und in eine Spezifikation überführt werden. In der zweiten Phase wird das einzusetzende Robotersystem entwickelt. Hierbei kommt zuerst der Aufbau der Systemarchitektur zum Einsatz, gefolgt von dem Informations-Integrations-Modell sowie der Einbindung zusätzlicher Sensorik. Das Informations-Integrations-Modell dient der formalen Selbstbeschreibung von Aufgaben und Funktionen sowie den Fähigkeiten des Roboters. Auf Basis dieses Modells werden die atomaren Funktionen zu höheren Fähigkeiten aggregiert und an die Umgebung kommuniziert. In der dritten Phase werden die Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Phasen eins und zwei in zwei Demonstratoren umgesetzt. In einer ersten Stufe wird ein Toy-Model Demonstrator für die Konzeptüberprüfung eingesetzt, um dann in einer zweiten Stufe einen auf Sechs-Achs-Industrie-Robotern basierenden Demonstrator umzusetzen.