KLUEDO | Fachbereich Bauingenieurwesen

Teilsignalisierung von Knotenpunkten - Untersuchungen zu Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten - (2018)

Johannes Roos

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten teilsignalisierter Knotenpunkte. An diesen sind nicht sämtliche, sondern nur bestimmte Verkehrsströme signaltechnisch geregelt. Erste Ansätze, sich dieses Verfahren zu Nutze zu machen, existieren seit den 1950er Jahren. Sie wurden ständig weiterentwickelt und schließlich nach Abschluss eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen zu Nutzen, Kosten und Sicherheit Bestandteil der Richtlinien für Lichtsignalanlagen der FGSV (Neuauflage 2010). Der Stand in Wissenschaft und Umsetzung im In- und Ausland weist dennoch bis heute Lücken auf. Für eine flächendeckende, praktische Realisierung fehlt es weiterhin an gesicherten Kenntnissen. Hier setzt diese Arbeit mit ihrem mehrstufigen Ansatz aus Literaturrecherche, Empirie, Mikrosimulation und konkreten Umsetzungsempfehlungen an. Auf Basis der Literatur über signalisierte und unsignalisierte Knoten wurden Überlegungen zum Verkehrsablauf an teilsignalisierten Lösungen angestellt. Die Vermutung, dass sich dieser aus Elementen beider Grundverfahren zusammensetzt, die jedoch anderen Randbedingungen unterliegen, konnte verifiziert werden. In einem ersten Schritt wurden teilsignalisierte Knotenpunkte hinsichtlich der Anzahl und Lage der Signalgeber bzw. der signaltechnisch gesicherten Verkehrsbeziehungen typisiert. Es konnten an Einmündungen und Kreuzungen drei empfehlenswerte Fälle der Teilsignalisierung identifiziert werden: - Teilsignalisierung ohne Fußgängerfurten - Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der linken Zufahrt - Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der rechten Zufahrt Diese bilden mit zuvor definierten Ausbaustandards, die Fahrstreifenaufteilungen – insbesondere das Vorhandensein von Linksabbiegestreifen in den Zufahrten – am Knotenpunkt berücksichtigen, die Grundlage für die Erstellung von Modellknoten, die in der weiteren Arbeit relevant sind. Da keine empirischen Untersuchungen über den Verkehrsablauf derartiger Knoten vorlagen, wurden in zwei Feldversuchen hierzu wichtige Kenngrößen an Einmündungen ermittelt. Es zeigte sich dabei, dass lange Wartezeiten vor allem für Linkseinbieger reduziert werden konnten. In der Gesamtbilanz wiegen diese Zeit- und Sicherheitsgewinne die leicht gestiegenen Wartezeiten in der Hauptrichtung auf. Der Fahrzeugabfluss in der Nebenrichtung konnte signifikant gesteigert werden, auch wenn die Zeitbedarfswerte einer Vollsignalisierung nicht erreicht wurden. Dies lag an einem Zögern der Verkehrsteilnehmer an der Haltlinie. Die Zeitlückenverteilung im Hauptstrom entspricht nicht mehr der sonst angenommenen negativen Exponentialverteilung, da durch die Signalisierung eine starke Pulkbildung entsteht. Es kommt zu so genannten Überzufälligkeiten mit vermehrt kleineren Lücken. Während der Mikrosimulation wurde nach dem „ceteris paribus“ Prinzip pro Ablauf immer nur eine Variable verändert. Somit konnten detailliert die Effekte der gewählten Einflussgrößen abgebildet werden. Es erfolgte eine Untersuchung der definierten Modellknotenpunkte mit der Software VISSIM bezüglich der Einflussfaktoren: - Ausbaustandard (Linksabbiegestreifen) - Fälle der Teilsignalisierung - Signalprogramme - Verkehrsstärken Es wurden Diagramme zur Bestimmung der mittleren Verlustzeiten in Abhängigkeit der Verkehrsstärken in Haupt- und Nebenrichtung sowie Matrizen zur Bestimmung der Einsatzgrenzen entwickelt. Für Kreuzungen konnten im Gegensatz zu Einmündungen nur geringe positive Effekte ermittelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten sind maßgeblich abhängig vom Ausbaustandard, Teilsignalisierungsfall und Signalprogramm. Die Teilsignalisierung deckt wie vermutet den Übergangsbereich zwischen konventioneller Vorfahrtregelung und Vollsignalisierung ab. Hierfür wurde der wissenschaftliche Beweis erbracht. Ergänzt werden die Betrachtungen durch die Möglichkeiten zur Integration des Fußverkehrs. In der Hauptrichtung ist eine gesicherte Fußgängerführung in Abhängigkeit vom gewählten Teilsignalisierungsfall nur in jeweils einem Ast realisierbar. Die Nebenrichtung lässt allerdings keine gesicherte Querung zu. Diese Problematik verstärkt sich an Kreuzungen durch das Vorhandensein von zwei Nebenrichtungen, so dass in diesen Fällen eine Teilsignalisierung aus Sicherheitsüberlegungen ebenfalls nicht empfohlen werden kann. Es wurden prinzipielle Führungsmöglichkeiten aufgezeigt und mittels eines Entscheidungsbaumes visualisiert, der die Auswahl geeigneter Teilsignalisierungsformen am Knotenpunkt unterstützt. An Kreisverkehren kann eine Teilsignalisierung unter bestimmten Konstellationen sinnvoll sein, um einerseits die Kapazität einzelner Zufahrten zu erhöhen oder andererseits eine gesicherte Fußgängerführung zu realisieren. Als problematisch haben sich nahezu ungehinderte Zuflüsse erwiesen. Diese treten auf, wenn der Zustrom nur selten durch andere Fahrzeuge auf der Kreisfahrbahn unterbrochen wird. Sie führen zu starker Kolonnenbildung. Die Installation einer LSA kann hier die mangelnden Unterbrechungen künstlich schaffen. Abgerundet wird die Arbeit durch weitere Einsatzmöglichkeiten von Teilsignalisierungen zur Priorisierung von Einzelfahrzeugen oder bestimmter Fahrzeuggruppen im ÖV und Rettungswesen oder zur Räumung von Bahnübergängen.

Zum Umgang mit der Komplexität von Bauvorhaben (Indikatorbezogenes Modell zur Bewertung von Komplexität in Bauprojekten) (2018)

Wilfried Hoffmann

Die Zusammenarbeit von Menschen in Projekten ist geprägt von ihren persönlichen Erfahrungen und Interessen im jeweiligen Umfeld. Dieses Umfeld − nennen wir es hier „System“ − hat wiederum eigene Interessen und befindet sich in einem erweiterten Umfeld. Dieses Systemumfeld kann bis zum Erreichen des Universums ausgedehnt werden. Die Notwendigkeit in großen Bauvorhaben, mit der Komplexität umgehen zu können, setzt die Kenntnisse der Zusammenhänge und den Willen zum systemorientierten Handeln voraus. In einem Bauprojekt ist eine endliche Menge von handelnden Personen mit ihren jeweiligen Rollen, Aufgaben und Abhängigkeiten in den sie umgebenden Systemen (Organisationen) vorhanden. Im Wesentlichen werden die Hauptfunktionen in Projekten durch Bauherr, Planer und der ausführenden Firma dargestellt. Eine besondere Rolle kommt hier dem Bauherrn bzw. seinen Erfüllungsgehilfen im Projektmanagement zu. Projektmanager haben als einzige die Chance, von Anfang bis Ende den gesamten Projektlebenszyklus zu erleben. Als Teil ihrer Aufgaben kümmern sie sich um die Zieldefinitionen für Organisation, Qualitäten und Quantitäten, Termine, Kosten und rechtliche Rahmenbedingungen und steuern die durch die Bauherren beauftragten Planer und ausführenden Firmen. Die heute bei großen Bauvorhaben vorkommenden „fungierenden Bauherren“ und die „öffentlichen Bauherren“ bestehen aus Bauherrenorganisationen mit einer Vielzahl von Akteuren. Hieraus erwächst die Notwendigkeit, die zahlreichen Beteiligten mit ihren verschiedenen Organisationen in Bezug auf die verschieden gelagerte Interessenlage zu koordinieren und zielorientiert zu führen. Durch die notwendige Integration der weiteren Systemkreise von Planern und ausführenden Firmen entstehen neue, zusätzliche Steuerungsaufgaben, und die Komplexität des Projektes steigt in Dimensionen, die ohne systemorientierten Ansatz nur schwer zu durchschauen und somit kaum noch zu bewältigen ist. Zur Klärung der Fragen, welche Gestalt die Komplexität in großen Bauvorhaben annehmen und wie ein Projektmanager mit diesen Herausforderungen umgehen kann, zielte die Arbeit auf die Erforschung der Grundlagen von Komplexität und die Analyse ihrer Auswirkungen auf das Bauprojektmanagement. Das entstandene Modell basiert auf zwölf charakterisierenden Eigenschaften komplexer adaptiver Systeme und bildet hieraus fünf Merkmale für den systemischen Aufbau und Ablauf von Bauvorhaben. Berücksichtigt wird, wie die Elemente und Teilsysteme zueinander stehen, und obwohl sie unterschiedliche Charakteristika bzw. Zustände aufweisen können, dennoch ein gemeinsames Verhalten erzeugen und eine Identität zum Umfeld herausbilden können. Hierzu sind neben Struktur und Veränderungen in einem komplexen System auch die Wahrnehmungen und das Verhalten der Beteiligten sowie die Umwelt eines Projektes maßgebend. Im Rahmen einer Expertenbefragung mit vierzig standardisierten Interviews, die mit Vertretern der drei Systemkreise Bauherr, Planer und ausführende Firma geführt wurden, konnte im ersten Schritt das Wissen über Komplexität und die Zusammenhänge zum Baumanagement herausgearbeitet werden. Diese Erkenntnisse wurden ergänzt um die Analyse verschiedener Bewertungsschemata und auf dieser Basis zehn Indikatoren herausgebildet, die sich in fünf Subsystemen eines Bauvorhabens darstellen. Jeder Indikator wurde in Bezug auf die fünf Merkmale der Komplexität in Bauvorhaben untersucht, und Teilaspekte wurden zur Bewertung herangezogen. Es erfolgt eine relative Bewertung mit einer Einstufung von 1 bis 5 (sehr geringe bis sehr hohe Komplexität). Das Modell liefert im Ergebnis Komplexitätsgrade der einzelnen Indikatoren, der Merkmale und letztlich des gesamten Bauvorhabens. Eine anwendungsorientierte Fallstudie mit anschließenden Optimierungsansätzen und darauf aufbauenden Präventionsvorschlägen verifizieren den Modellansatz. In der vorliegenden Arbeit konnte dargestellt werden, wie die unzureichende Wahrnehmung von Komplexität im Bereich des Projektmanagements, gerade zu Beginn eines Projektes, die Steuerung eines Projektes erschweren und Störungen im Projekt zur Folge haben. Das Ergebnis kann das Projektmanagement bei der Erfüllung seiner komplexen Aufgaben unterstützen und Entscheidungshilfen zur Prävention leisten. Die Modellierung erfolgt unter dem Bewusstsein, dass die getroffene Auswahl den Stand der Forschung darstellt, ohne jedoch einen Anspruch auf Vollständigkeit oder Unveränderlichkeit zu erheben. Weiteren Forschungsvorhaben im Aufgabenfeld des Projektmanagements können die beschriebenen Ansätze dienlich sein, um ergänzende Ansätze zu einem besseren Umgang mit Baumaßnahmen zu finden.

Zum Tragverhalten von Stahlbetonsandwichelementen mit stiftförmigen Verbundmitteln (2018)

Torsten Weiler

Sandwichelemente aus Stahlbeton genügen zahlreichen Ansprüchen hinsichtlich energetischer, wirtschaftlicher, architektonischer und gestalterischer Gesichtspunkte sowie tragfähiger Konstruktionen. Neben Sandwichwänden können Sandwichelemente auch als biegebeanspruchte Bauteile wie Sandwichdecken oder Sandwichdächer eingesetzt werden. Das große Potential solcher Elemente kann jedoch aufgrund fehlender Kenntnisse bezüglich des Last-Verformungs-Verhaltens bisher nicht ausgeschöpft werden. Das Tragverhalten von Stahlbetonsandwichelementen wird maßgeblich durch die Rissbildung in den Betonschichten beeinflusst. Während die Berücksichtigung der Rissbildung beispielsweise bei der Verformungsberechnung von biegebeanspruchten Stahlbetonbauteilen schon intensiv erforscht wurde und realitätsnah beschrieben werden kann, steht die Entwicklung einer abschnittsweisen Berücksichtigung der reduzierten Dehn- und Biegesteifigkeiten infolge der Rissbildung für biegebeanspruchte Sandwichelemente aufgrund der höheren Komplexität noch am Anfang. Bisher existieren nur Modelle, die die Rissbildung im Beton von Sandwichelementen für die Berechnung der Teilschnittgrößen und der Verformung näherungsweise berücksichtigen. Die Anwendung dieser Rissmodelle ist aber aufgrund verschiedener Annahmen und Vereinfachungen, die diesen Modellen zugrunde liegen, für die in dieser Arbeit untersuchten Sandwichelemente mit Stahlbetontragschichten nicht geeignet. Mithilfe eines realitätsnahen Ansatzes zur Bestimmung des Schubmoduls eines Dämmstoffes, der Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Berechnung des Last- Verformungs-Verhaltens eines Stahlbetonbauteils einschließlich der Berücksichtigung der Rissbildung sowie eines Modellvorschlags zur Nachrechnung der Schubversuche an Sandwichelementen wird ein eigenes Ingenieurmodell zur Nachrechnung des Last- Verformungs-Verhaltens von biegebeanspruchten Sandwichelementen entwickelt. Aufbauend auf diesem Ingenieurmodell erfolgt die Erstellung eines Berechnungswerkzeuges. Anhand der Nachrechnung zahlreicher Versuchsergebnisse kann gezeigt werden, dass mit diesem Berechnungswerkzeug eine sehr gute Übereinstimmung der rechnerisch ermittelten mit den im Versuch bestimmten Last-Verformungs-Kurven erzielt werden kann. Das neue Ingenieurmodell berücksichtigt sowohl die reduzierten Dehn- und Biegesteifigkeiten infolge der Rissbildung als auch abschnittsweise unterschiedlich große Schubsteifigkeiten der Kernschicht, die sich aus der Anordnung von stiftförmigen Verbundmitteln ergeben. Basierend auf dem Ingenieurmodell sowie den umfangreichen experimentellen Untersuchungen zum Last-Verformungs-Verhalten von Sandwichelementen wird ein Berechnungswerkzeug sowie ein Bemessungskonzept für Stahlbetonsandwichelemente mit stiftförmigen Verbundmitteln vorgestellt. Damit konnte ein Fortschritt erzielt und die Grundlage für den Einsatz von Sandwichelementen mit Stahlbetontragschichten sowie einer Kernschicht aus Dämmstoffplatten und stiftförmigen Verbundmitteln gelegt werden.

Keilzinkenverbindungen als Fügetechnik für dünne Bauteile aus mikrobewehrtem Hochleistungsbeton (2017)

Sebastian Peter Oster

Auf Grundlage von in erster Linie experimentellen Untersuchungen wurden im Rahmen der Arbeit Keilzinkenverbindungen zum Fügen dünner Bauteile aus mikrobewehrtem Hochleistungsbeton erforscht. Als Klebstoff kam hierbei ein rein zementgebundener Hochleistungsmörtel zum Einsatz. Die Entwicklung von Hochleistungsbetonen und neuartigen Bewehrungsformen, wie Glas- oder Kohlefasergelegen, ermöglicht die Realisierung von sehr filigranen Konstruktionen. Aus verschiedenen Gründen, beschränkt sich die Anwendung fast ausschließlich auf werksmäßig hergestellte Fertigteile. Um daraus größere Strukturen realisieren zu können, sind geeignete Fügetechniken erforderlich. Einen vielversprechenden Ansatz stellen hier Klebverbindungen dar. Das Kleben als flächige Fügetechnik zeichnet sich durch eine kontinuierliche Kraftübertragung und gleichmäßige Materialauslastung aus. Der große Vorteil von Zement-Klebstoffen im Vergleich zu Reaktionsharzklebstoffen ist, dass sie weitestgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sind. Neben zwei Hochleistungsmörteln, welche auf einer von Mühlbauer 2012 entwickelten Rezeptur basieren, wurde ein kommerzieller Hochleistungsmörtel eingesetzt. In einem ersten Schritt wurden verschiedene Voruntersuchungen durchgeführt. Im Mittelpunkt standen dabei Tastversuche mit unterschiedlichen Fugenvarianten. Das Versuchsprogramm sah verschiedene Fugengeometrien und Beanspruchungsarten vor. Neben Mikrobewehrung kam hierbei auch Stabstahlbewehrung zum Einsatz. Als besonders vorteilhaft hat sich die Keilgeometrie oder Keilzinkenverbindung, wie aus dem Holzbau bekannt, herauskristallisiert. Neben einer hohen Traglast weist diese weitere positive Eigenschaften auf, wie z.B. ein duktiles Tragverhalten. Auf Grundlage von Kleinteilversuchen wurden in einem nächsten Schritt Bruchkriterien entwickelt, die die Festigkeit der Klebfuge sowohl für eine kombinierte Schub- Druck- als auch für eine Schub-Zugbeanspruchung beschreiben. In einer umfangreichen Versuchsserie wurde schließlich das Tragverhalten von Keilzinkenverbindungen detailliert untersucht. Neben Zugversuchen wurden dabei auch Drei- und Vierpunktbiegeversuche durchgeführt. Das Versagen lässt sich vereinfachend in ein Fugenversagen und ein Bewehrungsversagen unterteilen. Ziel einer fachgerechten Konstruktion und Ausführung von Keilzinkenverbindungen muss ein Bewehrungsversagen und damit ein duktiles Tragverhalten sein. Einflussfaktoren auf das Tragverhalten sind der Flankenneigungswinkel, die Zahnlänge, der Bewehrungsgrad des Bauteils sowie die Art der Klebflächenvorbereitung und der verwendete Klebstoff. Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen wurde in einem letzten Schritt ein praxisgerechtes Bemessungskonzept für zugbeanspruchte, biegebeanspruchte sowie biege-querkraftbeanspruchte Keilzinkenverbindungen entwickelt.

Pendlerverkehr im ländlichen Raum - Ansatzpunkte für eine kollaborative Mobilität (2017)

Sascha Baron

Die kollaborative Mobilität, unter der sinngemäß das Teilen von Mobilitätsangeboten („Nutzen statt Besitzen“) mit Unterstützung durch Location-Based-Services verstanden wird, stellt den theoretischen Überbau dieser Arbeit dar. Hierunter fallen auch bereits bekannte Mobilitätskonzepte, z. B. Fahrgemeinschaften, Mitfahrerparkplätze und Carsharing. Der Begriff Location-Based-Services umfasst zeit-räumliche Dienstleistungen auf Basis der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT). Die Berufspendler mit Wohnort in ländlichen Räumen sind mit zunehmenden Mobilitätsproblemen, z. B. steigenden Mobilitätskosten und einem zunehmend unattraktiveren ÖPNV-Angebot konfrontiert. Gleichwohl sind soziale und berufliche Gründe sowie der Besitz von Immobilien die größten Hemmnisse, den Wohn- oder Arbeitsort zu wechseln. Die Koordination solcher Berufspendler stellt wegen des Wunsches nach Flexibilität und den zeitlich-räumlichen Gegebenheiten eine große Herausforderung dar. Mit der Verbreitung von Smartphones, dem einhergehenden Mobilitätswandel im Sinne der kollaborativen Mobilität und den hiermit verknüpften Entwicklungen der Sharing-Economy liegen mithilfe von Location-Based-Services technische Rahmenbedingungen vor, mit denen auch eine spontane Koordination von Fahrgemeinschaften möglich ist („Fahrgemeinschaftsbörsen der dritten Generation“). In der vorliegenden Arbeit werden daher die Potenziale und Ansatzpunkte für eine kollaborative Alltagsmobilität der PKW-Pendler am Beispiel von Mitfahrerparkplätzen, Fahrgemeinschaften und Location-Based-Services sowie die Wirkung der betrachteten Beispiele untersucht (Ziele). Zur Eingrenzung werden als Untersuchungsgruppe die täglichen, berufsbedingten Autopendler im Bundesland Rheinland-Pfalz, das stark ländlich geprägt ist, herangezogen. Hierzu werden Datengrundlagen zur Abschätzung eines Fahrgemeinschaftspotenzials der täglichen Autopendler in Rheinland-Pfalz geschaffen, ein zugehöriges Analysewerkzeug auf Basis einer GIS-Datenbank entwickelt und angewendet sowie eine Wirkungsanalyse von Mitfahrerparkplätzen und Location-Based-Services durchgeführt. Dazu werden auch eigene empirische Grundlagen mithilfe einer Internet-Befragung zur Exploration des Themenfeldes Pendlerverkehr sowie durch Pendlerinterviews und Verkehrsmengenerhebungen auf ausgewählten Mitfahrerparkplätzen in Rheinland-Pfalz erarbeitet. Hiermit wird erstmals die Wirkung von Mitfahrerparkplätzen seit ihrer Einführung in Rheinland-Pfalz untersucht. Im Mittel weisen Mitfahrerparkplätze einen Einzugsbereich von rund 10 km auf, im Median von rund 7,4 km. Fahrgemeinschaften, die Mitfahrerparkplätze in Rheinland-Pfalz benutzen, umfassen im Mittel 3,15 Personen je PKW. Mitfahrerparkplätze und Fahrgemeinschaften werden bei langen Arbeitswegen im Bereich von 50 km (für den einfachen Weg) überdurchschnittlich genutzt. Dabei liegen die Mitfahrerparkplätze in der Regel innerhalb des ersten Fünftels der einfachen Fahrtstrecke.

Beitrag zur Bemessung von dreischichtigen Wandtafeln mit Deckschichten aus haufwerksporigem Leichtbeton (2017)

Florian Hanz

Für den Bau von Wohn- und Gewerbegebäuden werden schon seit vielen Jahren Wandelemente aus haufwerksporigem Leichtbeton verwendet. DieWandelemente werden in Fertigteilwerken hergestellt und „just-in-time“ auf die Baustelle geliefert und aufgebaut. Die Wandelemente sind zum Teil massiv hergestellt (Wohnungsbau) oder aber mit einzelnen Dämmkernen versehen (gewerbliche Bauten). Als Zuschlagsstoffe kommen überwiegend Naturbims oder Blähton zum Einsatz. Durch einen, im Vergleich zu Normalbeton und gefügedichtem Leichtbeton, niedrigen Anteil an Zement, berühren sich die Zuschlagskörner nur punktuell. Dadurch entsteht die haufwerksporige Struktur. Durch diese Gefügestruktur und die Verwendung von porigen Leichtzuschlägen, erzielt haufwerksporiger Leichtbeton sehr gute bauphysikalische Eigenschaften, wie z. B. eine gute Wärmeleitfähigkeit. Den guten bauphysikalischen Eigenschaften stehen niedrige Festigkeiten gegenüber. Daher wird haufwerksporiger Leichtbeton als wärmedämmender Leichtbeton in der Regel nur für tragende Bauteile mit geringen Festigkeitsanforderungen eingesetzt. Gestiegene Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz zwingen deutsche Hersteller von Wandelementen aus haufwerksporigem Leichtbeton immer wieder zu Neuentwicklungen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Verwendung von haufwerksporigem Leichtbeton in dreischichtigen Wandelementen (Sandwichelemente) untersucht. Die Wandelemente bestehen dabei aus einer innenliegenden Tragschale, einer außenliegenden Vorsatzschale und einer dazwischenliegenden Schicht aus Dämmstoff. Die beiden Betonschalen werden durch entsprechende Verbindungselemente verbunden. In dieser Arbeit wurden als Verbindungselement in der Bauindustrie gebräuchliche Gitterträger gewählt. In einer Vielzahl an Versuchen wurden unterschiedliche Erkenntnisse zum Tragverhalten der Wandelemente gewonnen. An Vier-Punkt-Biegeversuchen wurde das allgemeine Tragverhalten von bewehrten Platten untersucht. In Auszugversuchen wurde die Tragfähigkeit von einbetonierten Gitterträgern bestimmt. Die Bestimmung des Last- Verformungsverhaltens der Verbundfuge (Schicht aus Dämmung und Verbindungsmittel) erfolgte anhand von Scherversuchen. An großformatigen Wandstreifen wurden zudem Vier-Punkt-Biegeversuche durchgeführt. Diese Versuche wurden mit aus Literatur entnommenen Berechnungsformeln für die Schnitt- und Verformungsgrößen aus der Verbundtragwirkung nachgerechnet. Hierbei wurden sehr gute Übereinstimmungen erreicht. Der Einfluss der Gitterträger auf den Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) des Wandquerschnittes wurde anhand von FE-Berechnungen untersucht. Aus den erzielten Ergebnissen wurden Tabellen generiert, welche eine einfache Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten unter Berücksichtigung der Gitterträger ermöglicht. Abschließend wird die Bemessung von dreischichtigenWandelemente aus haufwerksporigem Leichtbeton und Gitterträger als Verbindungselement der beiden Betonschalen nach DIN EN 1520 und den Erkenntnissen dieser Arbeit in einem Bemessungskonzept vorgestellt.

Untersuchungen zu neuartigen und gängigen Methoden der Baugrundertüchtigung (2017)

Andreas Becker

Die Arbeit behandelt neuartige und gängige Methoden der Baugrundertüchtigung. Die Notwendigkeit einer Baugrundertüchtigung ergibt sich, wenn der anstehende Baugrund nicht in der Lage ist, den beabsichtigten Einwirkungen einen ausreichenden Widerstand entgegenzusetzen. Hierbei kann es sich um Einwirkungen einer geplanten Baumaßnahme handeln, wobei diese Lasten statischer oder auch dynamischer Natur sein können. Auch wenn es sich um Hilfsmaßnahmen handelt, beispielsweise an Baustraßen, so müssen diese während der geplanten Bauzeit ihre Funktion sicher erfüllen. Als weiteres Beispiel sei die Verarbeitbarkeit eines Bodens genannt, wenn dieser als Baustoff bei der Errichtung eines Dammbauwerkes verwendet wird. Letztendlich unterliegen Erdbauwerke nicht nur mechanischen Belastungen, sondern können auch durch Erosionsvorgänge einer Beanspruchung ausgesetzt sein. Wird der Baustoff Boden diesen Anforderungen nicht in ausreichendem Maße gerecht, so muss er entweder gegen ein geeignetes Material ausgetauscht werden oder es werden beispielsweise aufwändige Ergänzungsmaßnahmen erforderlich. Um diese Maßnahmen zu umgehen, bieten sich in geeigneten Situationen die Ertüchtigung der vorgefundenen Böden an. Hierbei handelt es sich nicht nur um eine ressourcenschonende Vorgehensweise, oftmals ist diese Vorgehensweise auch die wirtschaftlichere. Der anstehende Boden muss nicht verfrachtet, möglicherweise deponiert und ein neues Material beigefahren werden. Die in situ Bearbeitung erfordert lediglich die Beistellung entsprechender Bauhilfsstoffe zur Ertüchtigung. Welche Art an Bauhilfsstoffen zum Einsatz kommt, richtet sich vorrangig nach den vorgefundenen Bodenverhältnissen. Als traditionelles und längst etabliertes Verfahren hat sich die Beimischung geeigneter Bindemittel hervorgetan. Zu nennen sind hier die beiden hydraulischen Bindemittel Kalk und Zement. Für die Anwendung dieser Stoffe existieren Regelwerke, die Prüfungs- und Kontrollmethoden vor und während des Einbaus solcher Boden-Bindemittel-Mischungen beschreiben. Trotz des seit langer Zeit bewährten Einsatzes, ist auch bei den beiden genannten Bauhilfsstoffen zu berücksichtigen, dass es sich letztendlich um Rohstoffe handelt, obwohl auch hier insbesondere bei den Kompositzementen bereits ein erhebliches Recyclingpotential genutzt wird. Jedoch fällt ins Gewicht, dass bei der Herstellung der Produkte klimaschädliches Kohlendioxid freigesetzt wird. Unter diesen Gesichtspunkten stellt die Verwendung von Industrieabfällen, die in gleichbleibender Güte anfallen, eine interessante Alternative dar. Neben diesen sogenannten by-products können auch recyclingfähige Materialien verwendet werden, sofern deren Eignung nachgewiesen werden kann. Eine gewisse Hürde bei der Verwendung der letztgenannten Alternativen stellen umweltrechtliche Fragestellungen dar. Zum einen handelt es sich um Abfälle und damit um Produkte, die rechtlich einer gänzlich anderen Würdigung und Bewertung unterliegen. Zum anderen müssen entsprechende Wechselwirkungen zwischen den Stoffen und der umgebenden Biosphäre berücksichtigt und bewertet werden. In der vorliegenden Habilitationsarbeit werden im ersten Kapitel zunächst als Ausgangspunkt die wesentlichen Merkmale und Eigenschaften beim Einsatz traditioneller Kalk- und Zementbeimischungen untersucht. Das Kapitel 2 schließt an mit Betrachtungen zu dem Baustoff Tonbeton. Hierbei handelt es sich um einen ebenfalls schon lange Zeit bekannten Baustoff, der zwar aufgrund seines eng begrenzten Anwendungsspektrums nur wenig verbreitet ist. Aufgrund seiner Ähnlichkeit zu aktuellen Baustoffen, den zeitweise fließfähigen, selbstverdichtenden Verfüllbaustoffen, gewinnt das Produkt jedoch an Bedeutung. Dies gilt umso mehr, als Prüf- und Kontrollmethoden aufgrund des ähnlichen rheologischen Verhaltens im frühen Zustand derzeit nur ansatzweise vorliegen. Die Kapitel 3 bis 5 umfassen neuartige Methoden der Bodenertüchtigung. Zu allen Verfahren liegen bereits Erfahrungen aus mehr als zwei Jahrzehnten vor. Diese Erfahrung beruht jedoch vorrangig auf exemplarischen Laborstudien. Zu nennen sind hier zunächst die Epoxidharze in Kapitel 3. Epoxide werden im Konstruktiven Ingenieurbau vermehrt eingesetzt. Auch in der Geotechnik finden sich neben Laboruntersuchungen bereits praktische Anwendungsfälle, die eine wirksame Ertüchtigung von Festgestein dokumentiert. Eigene Untersuchungen bestätigen die Wirksamkeit dieser Methode. Mit den Untersuchungen zu Boden-Gummi-Mischungen in Kapitel 4 werden Recyclingprodukte in die Ertüchtigungsmethoden mit einbezogen. Recyclinggummi steht in den unterschiedlichsten Formen zur Verfügung. Je nach Aufwand werden entweder komplette Reifen verbaut, zu Paketen verschnürt oder als Schreddergut in unterschiedlichen Siebfraktionen bis hin zu Pulver verbaut. Dementsprechend vielfältig ist auch das Anwendungsspektrum. Während insbesondere in den USA und einigen europäischen Ländern dieser „Baustoff“ bereits eine gewisse Akzeptanz besitzt, führen in Deutschland rechtliche und umwelttechnische Belange dazu, dass dieses Produkt derzeit nicht vermehrt eingesetzt wird. In dem letzten Kapitel 5 wird als Ertüchtigungsmethode die Verwendung von Enzymen vorgestellt. Die Untersuchungen belegen, dass dieses biologische Verfahren für bestimmte Anwendungen durchaus seine Berechtigung hat und auch konkurrenzfähig zu bestehenden Methoden auftreten kann.

Beitrag zur realitätsnahen Beschreibung des horizontalen Frischbetondrucks in Elementwänden mit integriertem Dämmstoff (2017)

Andreas Schmitt

Betonfertigteile mit integriertem Dämmstoff aus Polystyrol bieten eine ausgezeichnete Lösung zur baulichen Ausführung von Außenwandbauteilen. Die Vorteile gegenüber der Ortbetonbauweise, wie bspw. die Erfüllung hoher Qualitätsansprüche aufgrund der Vorfertigung im Fertigteilwerk oder das Entfallen von Arbeitsschritten auf der Baustelle, ermöglichen einen wirtschaftlichen Bauprozess. Bei der Halbfertigteilbauweise werden nur die äußeren Betonschalen vorgefertigt. Anschließend werden die Wände auf die Baustelle transportiert und mit Ortbeton zum Endquerschnitt verfüllt. Dies erspart den zeit- und kostenintensiven Schalungsvorgang und verringert gleichzeitig das Transportgewicht. Der beim Ausbetonieren der Halbfertigteile auftretende Frischbetondruck muss von Verbindungsmitteln, die zur Kopplung der Betonschalen dienen, mit ausreichender Sicherheit aufgenommen werden. Der Frischbetondruck ist derzeit nach DIN 18218 „Frischbetondruck auf lotrechte Schalungen“ anzunehmen. Die Beeinflussung durch einen integrierten Dämmstoff oder weitere Parameter einer Elementwand bleibt bisher allerdings unberücksichtigt. In Abhängigkeit der Randbedingungen wird der Frischbetondruck stark überschätzt, was zu einem unwirtschaftlichen Bemessungsergebnis im Bauzustand führt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die realitätsnahe Beschreibung des Frischbetondrucks in Elementwänden mit integriertem Dämmstoff. Angesichts der Vielzahl an Einflussparametern werden die theoretischen und experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit systematisch geplant und durchgeführt. In Voruntersuchungen werden bereits einflussschwache Einflussparameter ausgeschlossen und maßgebende Einflussparameter für weiterführende Untersuchungen bestimmt. Neben zahlreichen kleinmaßstäblichen Versuchsreihen, die größtenteils zur Analyse und Beschreibung von einzelnen geometrischen oder werkstoffspezifischen Eigenschaften dienen, werden auch großmaßstäbliche Elementwände untersucht. Diese verfolgen das Ziel, ein besseres Verständnis für die Entstehung des Frischbetondrucks unter Einbeziehung von bauausführungstechnischen Randbedingungen zu entwickeln. Auf Grundlage der theoretisch und experimentell gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit wird ein realitätsnahes Berechnungsmodell zur Ermittlung des horizontalen Frischbetondrucks in Elementwänden mit integriertem Dämmstoff abgeleitet. Nach Validierung des Modells an Großversuchen und vereinfachenden Annahmen für einen praxisgerechten Einsatz kann der Frischbetondruck analog zur DIN 18218 mithilfe von einfachen Gleichungen, Tabellen und Diagrammen ermittelt werden. Die Anwendung und der wirtschaftliche Vorteil des Berechnungsmodells werden am Ende der Arbeit anhand von zwei Berechnungsbeispielen demonstriert. Neben der Beeinflussung des Frischbetondrucks wirkt sich die Umlagerung von Zementleim aus dem Frischbeton in den Dämmstoff auch auf die Eigenschaften des Ortbetons und des Dämmstoffs der Elementwand aus. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich zwar die wärmedämmende Wirkung des Dämmstoffs verschlechtert, dies jedoch bei hohen Dämmstoffstärken zur Sicherstellung des Wärmeschutzes nach EnEV 2016 vernachlässigt werden kann. Die Druckfestigkeit des Ortbetons infolge des Zementleimentzugs wird durch die Verringerung des w/z-Werts und die nachbehandelnde Wirkung des feuchten Dämmstoffs positiv beeinflusst.

Kläranlagen in der Energiewende: Faulung optimieren & Flexibilität wagen (2017)

Am 30.11.2017 veranstalteten das Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft und tectraa, Zentrum für innovative AbWassertechnologien an der Technischen Universität Kaiserslautern die Fachtagung „Kläranlagen in der Energiewende: Faulung optimieren & Flexibilität wagen“ als gemeinsame Abschlussveranstaltung der Forschungsprojekte arrivee und ZEBRAS. Das BMBF-Verbundprojekt „Abwasserreinigungsanlagen als Regelbaustein in intelligenten Verteilnetzen mit erneuerbarer Energieerzeugung – arrivee“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Fördermaßnahme ERWAS gefördert. Projektpartner waren neben dem FG Siedlungswasserwirtschaft die Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft mbH (WiW), der Wupperverband, Becker Büttner Held (BBH), die Bergische Universität Wuppertal, die iGas energy GmbH, die Stadtwerke Radevormwald GmbH sowie die Transferstelle Bingen (TSB). Das Projekt „Zukunftsorientierte Einbindung der Faulung und Faulgasverwertung in die Verfahrenskette der Abwasserreinigung, Schlammbehandlung und -verwertung in Rheinland-Pfalz – ZEBRAS“ wurde im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten Rheinland-Pfalz (MUEEF) von FG Siedlungswasserwirtschaft und tectraa gemeinsam mit der Universität Luxemburg und der Ingenieurgesellschaft Dr. Siekmann + Partner mbH bearbeitet.

Handlungsempfehlungen für die Revitalisierung von Mehrfamilienhäusern aus den 1970er Jahren (2016)

Sebastian Johann

Die Entwicklung von Revitalisierungskonzepten für Wohnimmobilien ist ein komplexer und zeitintensiver Prozess, bei dem umfassendes Fachwissen und weitreichende Erfahrungen notwendig sind. Heterogene Gebäudetypen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Handlungsbedarfen machen den Konzeptentwicklungsprozess noch komplizierter. Diese Arbeit bietet einen Katalog mit priorisierten Handlungsempfehlungen zur Entwicklung von Revitalisierungsvarianten für Mehrfamilienhäuser aus den 1970er Jahren in den alten Bundesländern. Die Immobilien tragen mit ca. 2,4 Mio. Wohnung wesentlich zur Wohnraumversorgung in den alten Bundesländern bei und wurden bisher unzureichend erforscht. Darüber hinaus stehen durch das Alter, den häufig geringen Modernisierungszustand und vorhandene Potenziale der Mehrfamilienhäuser meist kurz- bis mittelfristig grundlegende Revitalisierungen an. Die erarbeiteten Handlungsempfehlungen basieren auf Auswertungen von Daten professionell-gewerblicher Wohnungsanbieter, über 13.700 Energieverbrauchsausweisen, Mieterbefragungen und der Datenbasis Gebäudebestand des IWU. Außerdem stützen sich die Empfehlungen auf eine Sekundäranalyse einer repräsentativen Wohnnachfrageuntersuchung für Deutschland sowie auf zwanzig Expertenbefragungen und umfangreiche Literaturanalysen. Durch eine Immobilienanalyse werden verallgemeinerungsfähige Aussagen über bauliche und technische Eigenschaften und Handlungsbedarfe für die Mehrfamilienhäuser gewonnen. Daneben erfolgt anhand einer Nachfrageanalyse die Bestimmung potenzieller Nachfragegruppen und deren Wohnanforderungen sowie daraus abgeleitet nachfrageseitige Handlungsbedarfe für die Mehrfamilienhäuser. Für die ermittelten baulichen und technischen sowie nachfrageseitigen Handlungsbedarfe werden durch eine Maßnahmenanalyse geeignete Revitalisierungsmaßnahmen gefunden. Diese Maßnahmen werden im Katalog der Handlungsempfehlungen angelehnt an ein Kundenanforderungsmodell nach technischen Gesichtspunkten und Nachfrageaspekten priorisiert. Anwender des Empfehlungskatalogs können ihre individuelle kaufmännische Perspektive einbringen, um ganzheitliche Revitalisierungskonzepte zu entwickeln. Durch eine entwickelte Berechnungshilfe können Kosten und Wirtschaftlichkeit der Konzepte bewertet werden. Die Handlungsempfehlungen zielen auf technische, funktionale, energetische, wirtschaftliche, soziale und architektonische Verbesserungen bei den Mehrfamilienhäusern. In zwei Fallstudien werden der Katalog der Handlungsempfehlungen und die Berechnungshilfe angewendet. Die Fallstudien deuten darauf hin, dass mit Hilfe des Katalogs der Handlungsempfehlungen und der Berechnungshilfe Revitalisierungsvarianten für Mehrfamilienhäuser aus den 1970er Jahren effizient entwickelt und deren Kosten und Wirtschaftlichkeit effizient eingeschätzt werden können. Die Forschungsergebnisse der Arbeit sind insbesondere für Wohnungseigentümer, Projektentwickler, Ingenieure, Berater und Investoren nützlich.

Fachbereich Bauingenieurwesen

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