Berührungslose Deformationsanalyse in der Baustoff- und Konstruktionsprüfung durch digitales Bildkorrelationsverfahren

Service Lehren und Lernen der Technischen Hochschule Nürnberg

Im Jahr 2018 werden im Baustofflabor im Rahmen eines Lehrforschungsprojekts Baustoff- und Konstruktionsprüfungen durchgeführt, die mit Hilfe eines neuen Messequipments berührungslos auf Verformungen analysiert werden können.
Das System nutzt stereoskope Kameraanordnungen, um die Oberflächenverformung eines Bauteils  zu erfassen. Digitale Bildverarbeitung ermöglicht anschließend auch bei komplexen Bauteilgeometrien die Darstellung von flächenhaften Verformungszuständen. Im Vergleich zu konventionellen Messmethoden findet das bei vergleichsweise einfachen Präparationen der Probekörper statt.
Die Messevorrichtung der Firma Limess GmbH wurde im Frühjahr 2018 durch das Labor für Baustofftechnologie angeschafft. Ein Lehrforschungsprojekt – gefördert vom Service Lehren und Lernen der THN – ermöglichte eine Kofinazierung des Messsystems und die Einrichtung des Geräts für den Einsatz in Lehre und Forschung. Mehrere studentische Hilfskräfte führten erste Versuche mit dem System durch, konzipierten Lehrversuche, konstruierten Kameraaufnahmevorrichtungen für die verschiedenen Prüfstände und visualisierten komplexe Spannungszustände unterschiedlichster Baustoffprüfungen.
Ziel ist es, das Messgerät Ende 2018 an den vorhandenen Prüfmaschinen universell im Lehr- und Laborbetrieb einsetzen zu können.

Video: Schwellendruckprüfung an einer Holzverbindung

 

 

Foto: www.baustoffOHM.de / Schwellendruckprüfung an einer Holzverbindung

BBSR Zukunft Bau-Projekt „Bauwerksabdichtung mit Frischbetonverbundfolie – Grundlage zur Erstellung eines Regelwerks für eine innovative Bauart“

Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR), Forschungsinitiative „Zukunft Bau“

Im Studienjahr 2017 wurden zahlreiche Untersuchungen zu Frischbetonverbundsystemen (FBVS) durchgeführt und ein vom BBSR gefördertes Forschungsprojekt unter Leitung des Deutschen Beton- und Bautechnikvereins e.V. in Berlin begonnen.
In eigenen Untersuchungen im Baustofflabor der Fakultät BI wurden in den letzten Jahren verschiedenste Einflussgrößen auf Verbundstörungen, die im praktischen Betrieb vorkommen können, näher untersucht. Die Verbundabdichtungen bestehen i. d. R. aus einer dehnfähigen Dichtungsschicht und einer Vlies- oder Klebeschicht. Zwischen Vlies- bzw. Klebeschicht und Frischbeton entsteht mit dem Erhärten des Betons ein Haftverbund. Die Verbundschicht zum Beton hin soll hierbei so dicht sein, dass ein seitlicher Feuchtetransport in dieser Schicht nicht möglich wird, also keine Hinterläufigkeit entsteht. Gleichzeitig ist die Dehnfähigkeit der Dichtungsschicht hoch genug, um eine rissüberbrückende Wirkung sicherzustellen. Die Kombination dieser Wirkungen verspricht dem wasserundurchlässigen Betonbauwerk eine zusätzliche Sicherheit bei besonderen Bauwerksrandbedingungen wie z. B. schwer abschätzbare Zwangskräfte, chemischen Angriffen oder hohen Nutzungsanforderungen. 
Vor allem der Hinterlaufschutz wurde näher mit einem eigenen Versuchsaufbau in Anlehnung an DIN EN 12390 T8 und ASTM D 5385 untersucht. Variiert wurden baustellenbezogene Einflussgrößen wie Verschmutzung durch Erdreich oder Zementschlämme sowie Einflüsse aus Verdichtung und Konsistenz des Frischbetons auf die Verbundwirkung und laterale Wassereindringung.

Das Thema FBVS wird aktuell sehr in der Fachöffentlichkeit diskutiert. Im April 2017 fand das 2. Fachkolloquium des DBV zu diesem Thema statt. Gleichzeitig wurde ein Arbeitskreis ins Leben gerufen, der die wesentlichen Planungs- und Ausführungshinweise dieser Bauweise zusammenstellen und bis Ende 2018 ein Merkblattentwurf hierzu erarbeiten soll. Die Fakultät BI der TH Nürnberg ist in diesem Arbeitskreis ebenfalls vertreten.  

 

 

Grafik: www.baustoffOHM.de / Aufbau und Funktionsweise von FBVS
Foto: www.baustoffOHM.de / Hinterlaufprüfungen werden mit fluoreszierendem Prüfwasser durchgeführt

Betonstift der Schreibgeräteserie Staedtler Concrete

  • Foto: www.baustoffOHM.de
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Das erste Gespräch zu einer Idee des Nürnberger Schreibgeräteherstellers Staedtler Mars, einen Stift aus Beton herzustellen, wurde bereits im Sommer 2014 gemeinsam mit Prof. Dr. Freimann geführt. Aber erst Mitte 2015 wurde in dem Unternehmen die Idee wieder aufgegriffen und ein Projekt zur Umsetzung initiiert. Gemeinsam mit dem Baustofflabor der Fakultät Bauingenieurwesen wurde mit einer sehr kleinen und vertraulichen Arbeitsgruppe die Entwicklung einer geeigneten Zementleim-Mischungszusammensetzung vorangetrieben. Nach nunmehr fast 2 Jahren Entwicklungs- und Optimierungsphase bis zur Marktreife und Vorbereitung der Produktion wurde die fertiggestellte Betonstiftserie Staedtler Concrete auf der Schreibwarenmesse Insights-X im Oktober 2017 in Nürnberg erfolgreich vorgestellt. Der Prozess der Entwicklung war durch ein kreatives Miteinander geprägt zwischen der Design- und Entwicklungsabteilung von Staedtler, vertreten durch Peter Weiß und Michael Schulze, sowie einem Team im Baustofflabor mit den BA-Studierenden Verena Pösold und Christian Fratscher, dem Laboringenieur Dipl.-Ing. Thomas Killing und dem Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Thomas Freimann.
Die Aufgabenstellung umfasste nicht nur die betontechnische Optimierung einer schlagzähen und leicht einbaufähigen dichten Betonhülse mit einer Wanddicke im Bereich von 1,3 bis 1,5 mm, sondern umfasste auch Fragen der Schalungsherstellung, Mischtechnologie und Einfüllmethodik für eine dichte, gleichmäßige Struktur.
Zahlreiche Form- und Strukturvarianten, eine Vielzahl von Verbesserungsschritten in der Schalungs- und Einfülltechnologie und eine ständige Optimierung der Betonzusammensetzung waren erforderlich, um ein überzeugendes Ergebnis zu erhalten. In der ersten Phase des Projekts war lange unklar, ob die gestellten Anforderungen überhaupt zielsicher erreichbar sind.
Hinreichende Festigkeit lässt sich einfach erreichen, aber eine hohe Duktilität des Hochleistungsmörtels war ebenso erforderlich. Zudem müssen alle Bestandteile des Mörtels die speziellen Prüfungen des Herstellers zur Hygiene und Toxizität usw. erfüllen.
Verena Pösold und Christian Fratscher haben dieses erfolgreiche Projekt von Beginn an bis zur Messevorstellung mit betreut und fertigen nun ihre Bachelorarbeiten hierzu an. Die Stiftserie Staedtler Concrete wird voraussichtlich Mitte 2018 auf dem Markt erscheinen.

Beim PROMOTIONAL GIFT AWARD 2018 wurde der Stift in der Kategorie Premiumprodukt ausgezeichnet.

 

 

Ableitwiderstand von Industrieböden

Für ein regionales Unternehmen wurden Untersuchungen zum Ableitwiderstand von Industriebodenplatten durchgeführt. Im Rahmen eines Neubaus soll versucht werden, ohne Beschichtungen nur mit der Betonoberfläche für einen Industrieboden einen hinreichend kleinen Ableitwiderstand zu erhalten, der die Grenzanforderungen nach Regelwerk einhält. Dieser liegt in den meisten Vertragswerken bei RA ≤ 109 Ω. Aufbauend auf sehr alten Untersuchungen der TU Stuttgart wurden mit den später tatsächlich geplanten Betonen (Zement, Gesteinskörnung) Probekörper mit Ruß und Graphit in unterschiedlichem Verhältnis und Konzentration hergestellt. Diese Probekörper wurden definiert gelagert und in Abhängigkeit des Feuchtegehalts (Austrocknungsprozess) die Ableitwiderstände ermittelt. Ebenso ist die Bestimmung der Sorptionsisotherme von Bedeutung, um die Ausgleichsfeuchte im Nutzungszustand abschätzen zu können. Der Ableitwiderstand steigt mit niedrigerer Restfeuchte deutlich an, lässt sich aber wirksam durch Ruß/Graphit-Zugabe verringern. Zurzeit fließen die Erkenntnisse in die Neubauplanung mit ein.

 

 

Foto: www.baustoffOHM.de / Probeplatten mit unterschiedlichen Gehalten an Ruß- und Graphit-Pigmenten

Entwicklung eines formflexiblen Schalungswerkzeugs zur Herstellung gekrümmter Betonelemente (Flex4Beton)

Projektpartner und Projektvolumen: Technische Hochschule Nürnberg, Fakultät Bauingenieurwesen und Maschinenbau, Hochschule München, Fakultät Bauingenieurwesen und Maschinenbau
Klebl GmbH, PERI, Reckli GmbH, Becker Architekten, Herz GmbH
Fördersumme 730.000 € (davon 90% Förderanteil durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung) über 3 Jahre.

Bei besonders repräsentativen Gebäuden besteht seitens der Bauherren und Architekten oft der Wunsch, optische Akzente durch den Einsatz dreidimensional gekrümmter Freiformflächen aus Beton zu setzen. Diese Strukturen lassen sich mit Hilfe des klassischen Schalungsbaus in der Regel nicht oder nur mit großem Arbeits- und Ressourcenaufwand bewerkstelligen. Die Schalungen sind nach einmaliger Benutzung meist nicht weiter zu gebrauchen und müssen häufig verschrottet oder kostenintensiv modifiziert werden. Neben Nachhaltigkeits- und Umweltaspekten führen die damit verbundenen Schalungs- und Realisierungskosten dazu, dass viele Architekturkonzepte verworfen werden. Um die Kosten für den Formenbau zu reduzieren, besteht neben dem nur begrenzt wirksamen Ansatz, die Lohn- und Werkstoffkosten zu senken auch die Alternative, neue, innovative Formgebungstechnologien einzusetzen. Im Verbundprojekt Flex4Beton wird daher ein Verfahren entwickelt, mit welchem dreidimensional gekrümmte Geometrien aus Beton einfacher, schneller und kostengünstiger realisierbar sind. Das Lösungsprinzip beruht auf der Technologie der formflexiblen Werkzeuge, auch Pin-Type Tools genannt, die es ermöglichen, schnell und ohne zusätzlichen Materialaufwand eine Vielzahl unterschiedlicher Geometrien zu erzeugen. Der Grundgedanke ist, die starre Form durch eine Vielzahl von einstellbaren Stiften, ähnlich einem Nagelbrett, zu ersetzen. Diese Stifte werden automatisiert eingestellt und erhalten ihre Positionen direkt aus einer 3D-CAD Geometrie. Die so entstehende stufige Repräsentation der gewünschten Freiformfläche wird mit einer elastischen Schicht, der sogenannten Interpolationsschicht, geglättet, welche zugleich die Formoberfläche der Geometrie darstellt.
Das Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Eignung der Technologie für formflexible Schalungen nachzuweisen und die wesentlichen Einsatzparameter und Randbedingungen (z. B. zu erwartende Flächenlast durch Frischbetondruck, zeitlich stabile Beibehaltung der eingestellten Form, Ausbildung der Randabschalung, Robustheit der mechanischen und elektronischen Komponenten) für eine Praxisanwendung zu ermitteln.

 

 

Grafik: www.baustoffOHM.de / Prinzipskizze
Foto: www.baustoffOHM.de / Vorerst noch starrer Schalkörper zur Optimierung der Randabstellungen und Interpolationsschicht

Doka Base

Zusammen mit dem Schalungshersteller DOKA aus Österreich wurden orientierende Untersuchungen an einem neuartigen tragfähigem Perimeterdämmsystem durchgeführt. Das Wandschalungssystem Doka-Base Paneel besteht aus einem XPS-Dämmkern und einem beidseitig aufgebrachten Hochleistungsmörtel mit Glasfasergittereinlage. Durch die beidseitige Aussteifung kann das System als selbsttragende Perimeterdämmung verwendet werden und auf die außenseitige Schalung verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil ist der dichte Verbund mit dem Frischbeton. Untersuchungen im Baustofflabor zur Wassereindringtiefe haben gezeigt, dass durch die Verbundzone ein wirksamer Hinterlaufschutz erreicht werden kann. Weitere Vorteile liegen in der Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung innerhalb des Wandquerschnitts. Der deutlich geringere Temperaturgradient führt zu geringeren Eigenspannungen in der Betonkonstruktion bei gleichzeitig höherem Reifegrad. Ebenso stellt das System durch die Verbundwirkung eine günstige Nachbehandlungsmaßnahme dar.
Die Entwicklungsabteilung von DOKA mit Thomas Hochgatterer bereitet zurzeit gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. T. Freimann einen Beitrag für den Wiener Baukongress im April 2018 vor. Das Thema lautet: Optimierung der Betonrandzone durch ein neuartiges, innovatives Dämm-Verbund-System und wirtschaftliche Realisierung bei erdberührten Betonbauteilen.

 

 

Foto: www.baustoffOHM.de / Doka Base Paneel ist ein selbstaussteifendes Schalungssystem für Perimeterdämmung im Verbund mit Frischbeton

Holzleichtbeton

(von der Staedtler-Stiftung gefördertes Projekt)

Das Anfang 2010 gestartete Projekt wurde gemeinsam mit der Fakultät Architektur durchgeführt und im Juli 2011 mit den aktiven Arbeiten beendet.
Der Abschlussbericht wurde im November 2011 fertig gestellt.
In dem Projekt wurden vom Baustofflabor unter Einbindung eines wissenschaftlichen Mitarbeiters die mechanisch-physikalischen Grundlagen zu den Werkstoffeigenschaften des neuartigen Baustoffs Holzleichtbeton erarbeitet und dokumentiert.

Abschlussbericht:
Roland Krippner; Thomas Freimann: Holzleichtbeton mit Textilbewehrung - Verbundwerkstoff für plattenförmige Bauteile, Nov. 2011, Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg

 

 

Foto: www.baustoffOHM.de / Biegezugprüfung an einer HLB-Platte

Polymermodifizierte Betone

Auftragsforschung der Wacker Chemie AG

Das bereits 2009 begonnene Vorhaben konnte Anfang 2011 beendet werden. In einem Anschlussauftrag wurden 2011 weitere Fragestellungen zur Optimierung des Betongefüges durch Zugabe von Polymerdispersionen bearbeitet. Das Projekt wurde im November 2011 beendet.

Zwischenbericht:
Thomas Freimann: Polymere zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit von Beton, Nov. 2011,
Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg (nicht öffentlich)

 

 

Foto: www.baustoffOHM.de / Untersuchungen zum Einfluss von Polymeren auf die Rheologie der Zementleime

PCE-basierte Fließmittel im Industriebodenbau

Auftragsforschung der Deutschen Bauchemie e.V

Im Mai 2011 wurde ein Projekt zu Auswirkungen von PCE-basierten Fließmitteln im Industriebodenbau begonnen und wesentliche Versuche im vorlesungsfreien Zeitraum im August und September abgewickelt. Das Projekt wurde im November 2011 beendet.

Abschlussbericht:
Thomas Freimann: PCE-basierte Fließmittel im Industriebodenbau, Nov. 2011,
Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg (nicht öffentlich)

 

 

Foto: www.baustoffOHM.de

Thermografische Untersuchungen

Die Thermografiekamera der Fakultät Bauingenieurwesen erlaubt ein breites Untersuchungs- und Anwendungsspektrum für Untersuchungen der Wärmeverteilung bzw. des Wärmeabflusses an Bauteiloberflächen. Nicht nur thermografische Aufnahmen und Diagnosen für Gebäude sind möglich, sondern auch versteckte Feuchtstellen und Luftundichtigkeiten können nachgewiesen werden. Die sehr geringe Messunsicherheit der Kamera liegt im Bereich kleiner 1/10 Kelvin, so dass sie auch für das Sichtbarmachen von Strömungen im Wasserbau genutzt werden kann. Die Kamera wird für vielfältige Untersuchungen im Baustofflabor und im Wasserbaulabor bei der Lehrausbildung, der studentischen Forschung und für Auftragsforschungen eingesetzt.

 

 

Foto: www.baustoffOHM.de

Untersuchungen der äquivalenten Biegezugfestigkeit von Stahlfaserbetonen

Im Rahmen von Bachelorabschlussarbeiten wurden Untersuchungen zur äquivalenten Biegezugfestigkeit von Stahlfaserbetonen durchgeführt. Neben unterschiedlichen Fasertypen wurde vor allem der Einfluss unterschiedlicher Prüfparameter der Gerätesteuerung untersucht, um die Präzision der Prüfanlage zu bestimmen. In einem kleinen Ringversuch mit anderen Prüflaboren sollte die Aussagefähigkeit der Ergebnisse miteinander verglichen werden.

 

 

www.baustoffOHM.de

Entwicklung eines „Kohlebetons“

Auftragsforschung für die HILTI Entwicklungsgesellschaft mbH

Das Ziel der Untersuchungen war die Entwicklung eines Betons, der eine vergleichbare Druckfestigkeit wie gewachsene Kohle aufweist. Die Betonstruktur sollte hierbei möglichst homogen und gleichmäßig druckfest sein, um eine Ähnlichkeit in den mechanischen Materialeigenschaften wie bei Kohle zu erreichen.
An Betonblöcken aus diesem Material wurden dann Bohrgeräte und Befestigungsmethoden für den Einsatz im Kohlebergbau getestet.

 

 

www.baustoffOHM.de

Untersuchungen zur Zugfestigkeit von Mörteln und Ziegelsteinen

Auftragsforschung

Die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit von Mauermörteln und Ziegelsteinen sollte im Auftrag eines Industriepartners in einer vorher definierten Raumrichtung mit unterschiedlichen Belastungsgeschwindigkeiten bestimmt werden.
Variiert worden sind die Belastungsgeschwindigkeiten. Zugfestigkeiten an spröden mineralischen Baustoffen werden zumeist indirekt über Spalt- bzw. Biegezugfestigkeiten ermittelt. Die Prüfung auf zentrische Zugfestigkeit erfordert daher eine individuelle Probekörperherstellung. Für die Versuche wurden gesägte Prismen zentrisch auf Zug geprüft, an denen Metallstempel zentrisch angeklebt worden sind. Damit war eine gleichmäßige zentrische Lasteinleitung der Zugkräfte in den Ziegelsteinprobekörper gewährleistet.

 

 

Foto: www.baustoffOHM.de