Zement angreifende chemische Stoffe im Grundwasser wie z. B. Kohlensäure, Ammonium und Sulfat können die Grenztragfähigkeit von geotechnischen Bauteilen wie Verpressanker und Pfählen reduzieren. Dies soll anhand von Versuchen und numerischen Simulationen untersucht werden.
Aufgabenstellung und Ziel
Bei den laufenden Projekten und Baumaßnahmen der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) ergeben sich immer wieder Schwierigkeiten, die Auswirkungen eines chemischen Angriffs auf den Mörtel bzw. Beton bei geotechnischen Elementen wie Verpressankern, Kleinverpresspfählen und Betonpfählen bezüglich der dauerhaften Tragfähigkeit realistisch zu bewerten und angemessene Anforderungen an Baustoffe und Bauweisen festzulegen. Die in der Literatur und teilweise auch im Regelwerk sowie in Zulassungen beschriebenen Lösungsansätze sind zumeist entweder nicht praxistauglich oder aufgrund der gewählten Randbedingungen bei den dokumentierten Modellversuchen nicht ausreichend realitätsnah. Im Rahmen eines in drei Teile gegliederten Gesamtvorhabens (1. Einwirkungen von chemischen Substanzen aus dem Grundwasser, 2. Widerstand des Mörtels bzw. Betons gegenüber dem chemischen Angriff, 3. Veränderung des Tragverhaltens aufgrund der Veränderung des Mörtels bzw. Betons) wird in diesem Teilprojekt 3 die Grenztragfähigkeit der geotechnischen Elemente unter der Einwirkung eines chemischen Angriffs untersucht.
Ein Hauptaspekt des FuE-Vorhabens ist die Untersuchung des kalklösenden Kohlensäureangriffs auf Verpressanker. Zur Tragfähigkeit von Ankern und Verpresspfählen unter Einwirkung von kalklösender Kohlensäure sind bisher nur wenige Versuchsreihen (Manns und Lange 1993, Hof 2004, Triantafyllidis und Schreiner 2007) durchgeführt worden, welche aufgrund der differierenden Versuchsrandbedingungen nur schwer direkt vergleichbar sind. Unterschiede liegen zum Beispiel in der Größe der Ankerkörper und deren Herstellung. In allen Versuchsreihen zeigte sich in den ersten Monaten eine deutlich erkennbare Abnahme der Tragfähigkeit, die sich mit fortschreitender Dauer des chemischen Angriffs verlangsamte. Dabei variierte der Tragfähigkeitsverlust zwischen 20 und 70 Prozent. Diese divergierenden Ergebnisse für die Grenztragfähigkeit der Verpressanker sollen verifiziert und entsprechend der neuen Erkenntnisse angepasst werden.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Verpressanker und Kleinverpresspfähle werden im Rahmen von Baumaßnahmen der WSV - beispielweise bei Auftriebssicherungen von Schleusen- und Wehrsohlen, bei Rückverankerungen von Ufereinfassungen, aber auch bei der temporären Sicherung von Baugruben - verwendet. In den Fällen mit einem erhöhten chemischen Angriff aus dem Grundwasser oder dem Boden auf den Mörtel bzw. Beton dieser geotechnischen Elemente müssen diese aufgrund nicht ausreichender praxistauglicher Erkenntnisse und Lösungsansätze über die Tragfähigkeitsverluste durch kostenintensivere Konstruktionen wie z. B. Stahlrammpfähle ersetzt werden. Die Konsequenzen sind deutliche Kostensteigerungen, höhere Lärmbelästigungen, größere Erschütterungen sowie insgesamt ein gestiegener Arbeitsaufwand in Verbindung mit einer längeren Bauzeit.
Untersuchungsmethoden
Im Rahmen dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens wird zum einen ein umfangreiches Laborprogramm mit Modellankern, bei denen baupraktische Randbedingungen wie In-situ-Spannungszustände und der Verpressvorgang berücksichtigt werden können, durchgeführt. Zum anderen findet parallel die Untersuchung an Verpressankern hinsichtlich ihrer Grenztragfähigkeit bei betroffenen Bauvorhaben der WSV statt.
In Verbindung mit der Ruhr-Universität Bochum und der Firma Schudy Sondermaschinenbau erfolgte die Entwicklung eines Versuchsstandes, der im Frühjahr 2019 in Betrieb genommen wurde. Der Versuchsstand besteht insgesamt aus sieben Versuchscontainern. (Text gekürzt)
Die Tragfähigkeit von geotechnischen Bauteilen kann durch den Angriff betonaggressiver Wasserinhaltsstoffe markant verringert werden. Daher sollen geeignete Untersuchungsmethoden zur Erfassung der dauerhaften in situ Aktivität betonaggressiver Wasserinhaltsstoffe sowie physikochemische Schutzmechanismen für die Herstellung der Bauteile konzipiert werden.
Aufgabenstellung und Ziel
Aktuell gibt es bei den laufenden Projekten der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) immer wieder Schwierigkeiten, die Auswirkungen eines chemischen Angriffs auf den Mörtel bzw. Beton bei geotechnischen Elementen wie Verpressankern, Kleinverpresspfählen und Betonpfählen bezüglich deren dauerhafter Tragfähigkeit realistisch zu bewerten und angemessene Anforderungen an Baustoffe und Bauweisen festzulegen. Exemplarisch seien hier nur die Einwirkungen infolge von Ammonium bei der 5. Schleuse Brunsbüttel, infolge von kalklösender Kohlensäure an der Dortmund-Ems-Kanal (DEK)-Nordstrecke und an der Stadtstrecke Oldenburg sowie infolge von Sulfat an den Staustufen Besigheim und Hessigheim aufgeführt.
Die in der Literatur und teilweise auch im Regelwerk und in Zulassungen beschriebenen Lösungsansätze sind zumeist entweder nicht praxistauglich oder aufgrund der gewählten Randbedingungen bei den dokumentierten Modellversuchen nicht ausreichend realitätsnah. Im Rahmen eines in drei Teile gegliederten Gesamtvorhabens wird folgenden Fragestellungen nachgegangen:
1. Einwirkungen: Entwicklung geeigneter Untersuchungsmethoden zur Erfassung der dauerhaften In-situ-Aktivität betonaggressiver Wasserinhaltsstoffe aus Böden und Wässern auf geotechnische Elemente, Konzeption physikochemischer Schutzmechanismen bei der Herstellung. (Bearbeitung: K5, G3)
2. Widerstand: Wie verhalten sich Mörtel bzw. Beton der geotechnischen Elemente bei unterschiedlichen Einwirkungen? Wie kann der Widerstand zielsicher und dauerhaft beeinflusst werden? (Bearbeitung: B3, B2)
3. Tragverhalten: Welche Auswirkungen auf das Tragverhalten haben Veränderungen am Mörtel bzw. Beton geotechnischer Elemente als Folge eines chemischen Angriffs? (Bearbeitung: G2)
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Bei Bauvorhaben an Bundeswasserstraßen werden geotechnische Elemente wie Verpressanker, Kleinverpresspfähle und Betonpfähle aufgrund ihrer kostengünstigen und technisch ausgereiften Herstellung häufig eingesetzt. Typische Einsatzgebiete bilden dabei die Auftriebssicherung von Schleusen- und Wehrsohlen und die Rückverankerung von Ufereinfassungen sowie die temporäre Sicherung von Baugruben. Liegen erhöhte Gehalte betonaggressiver Substanzen in Grundwasser und Boden vor, können die vorgenannten geotechnische Elemente hingegen häufig nicht als dauerhafte Bauteile eingesetzt werden. In diesen Fällen ist man gezwungen, auf meist kosten- und platzintensivere Lösungen wie beispielsweise Stahlrammpfähle oder Ankertafeln und -wände zurückzugreifen. Infolgedessen ergeben sich für die zu erstellenden Bauwerke teils deutliche Kostensteigerungen, höhere Lärmbelästigungen, größere Erschütterungen und längere Bauzeiten.
Untersuchungsmethoden
Um im Vorfeld eine grobe Ersteinschätzung der zu erwartenden Betonaggressivität zu treffen und Laboranalysen auf ihre Plausibilität zu prüfen, wurden Karten zur potenziellen Betonaggressivität erstellt. Grundlage dafür sind die Hydrochemischen Hintergrundwerte, die von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe als „Web Map Service“ der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurden (Wagner et al. 2011). Für insgesamt 186 hydro-geochemische Einheiten, die sich aus geologisch-genetischen, lithologischen und hydrochemischen Gesichtspunkten in Deutschland ergeben, wurden die räumliche Verteilung der jeweiligen Expositionsklassen nach der DIN 4030, die sich aus den Hintergrundwerten für die Wasserinhaltsstoffe Ammonium, Magnesium und Sulfat ableiten lässt, dargestellt. (Text gekürzt)
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, typische Streubreiten norddeutscher bindiger Bodenarten und die Bedeutung einzelner Unsicherheitsquellen zu ermitteln. Eine detaillierte multivariate Analyse bestehender Daten soll die Grundlagen für eine erweiterte datengestützte Empfehlung von standortspezifischen Kennwerten liefern.
Aufgabenstellung und Ziel
Das Verformungsverhalten und das Scherfestigkeitsverhalten des Baugrunds werden anhand von Feld- und Laborversuchen beschrieben. Anschließend werden mit diesen Informationen von der Ingenieurin oder dem Ingenieur repräsentative Kennwerte für Standsicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsbetrachtungen festgelegt. Allerdings weist Boden als natürliches Baumaterial eine inhärente räumliche Variabilität auf. Baugrundaufschlüsse liefern hingegen Informationen beschränkt auf den jeweiligen Beprobungsort. Zudem genügt die für einzelne Baumaßnahmen verfügbare Anzahl an Versuchen selten für eine detaillierte statistische Datenauswertung.
Die übliche Zuordnung von homogenen Bodeneigenschaften in einer horizontalen Bodenschicht ist daher eine Vereinfachung einer oftmals viel komplexeren, räumlich heterogenen Bodenrealität (Phoon et al. 2022). Dementsprechend bestehen Unsicherheiten bei der Herleitung der repräsentativen Kennwerte, denen in der Praxis mit Erfahrungswissen, technischem Urteilsvermögen und lokalen Datenbeständen begegnet wird.
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Variabilität typischer „deutscher“ Böden zu ermitteln. Eine detaillierte multivariate Analyse vorhandener Daten aus Feld- und Laborversuchen soll die Grundlage für eine erweiterte datenbasierte Empfehlung von standortspezifischen Bodeneigenschaften und deren Variabilität liefern. Um dieses Ziel zu erreichen, werden folgende Forschungsfragen definiert:
- Wie groß ist die Variabilität der Kompressibilitäts- und Scherfestigkeitseigenschaften innerhalb einer pseudohomogenen Bodenschicht?
- Welche Aussagen hinsichtlich Datenqualität und Datenquantität lassen sich aus den Analysen ableiten?
- Wie wirkt sich die Variabilität von Scherfestigkeit und Kompressibilität auf für WSV-Projekte typische Bemessungssituationen aus?
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Im Forschungsvorhaben wird die These verfolgt, dass eine zunehmend datengestützte Festlegung repräsentativer Bodeneigenschaften für die Planung und Instandhaltung geotechnischer Bauwerke zu einer nachhaltigeren Bemessung führen kann. Die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse sollen die WSV bei einem optimalen Einsatz ihrer Ressourcen unterstützen. Die Grenzen der Sicherheit oder eine Veränderung der Gefährdungslage stehen dabei nicht zur Disposition.
Je besser die Kenntnis des Baugrundes und je größer das Wissen hinsichtlich der prägenden Baugrundeigenschaften, desto zutreffender sind Planung und Bemessung durchführbar. Die Konstruktion kann wirtschaftlich und nachhaltig ausgebildet werden. Durch die transparente Herleitung der Bodenkennwerte können Rechtstreitigkeiten reduziert werden. Wird der Baugrund hingegen unzutreffend beurteilt, steigt das Risiko für Kostensteigerungen und Verzögerungen durch die Wahl unvorteilhafter Bauverfahren oder Bauteile.
Die Ergebnisse werden in zukünftige Baugrundgutachten und geotechnische Planungen sowie die Weiterentwicklung bestehender Normen, z. B. EAU oder DIN EN 1997-1, Nationaler Anhang, einfließen. Darüber hinaus können die Erkenntnisse auf weitere Boden- (und Fels-)arten übertragen werden.
Das Projekt Condition Monitoring 4.0 adressiert die Herausforderungen rund um die zunehmende Informationsvielfalt und -menge und dadurch wachsende Komplexität, sowie überproportional hohem manuellen Aufwand und somit aktuell sehr hohen Kosten im Condition Monitoring. Mit dem neuen Ansatz aus dem Bereich des Maschinellen Lernen wird eine genaue Erkennung und automatisierte Diagnose von Schäden ermöglicht, indem ein Metamodell die Ergebnisse vieler einzelner Modelle (Ensemble Learning) nutzt und Schäden klassifiziert. Im Vergleich zu vorhandenen Lösungsansätzen, wird sowohl die gesamte Anlage als auch die einzelnen Komponenten betrachtet und somit eine hohe Überwachungsbreite und - tiefe gewährleistet. Sogenanntes Active Learning und halbüberwachte Verfahren (aus dem Teilbereich Weak Supervision/Semi-Supervised Learning) nutzen zusätzlich die Muster aus noch nicht klassifizierten Schäden und punktuell das wertvolle Wissen der Fachexperten, um unbekannte Schadmuster zu klassifizieren. Dadurch wird das Condition Monitoring System kontinuierlich verbessert. Hierdurch entstehen folgende Mehrwerte: Die automatische und genaue Diagnose von Schäden, die Reduktion von Komplexität und Aufwand für den Experten, die Nutzung unbekannter Datenmuster und das Expertenwissen sowie eine hohe Überwachungsbreite und -tiefe. Dies ermöglicht eine echte Skalierung auf viele Anlagen. Stillstandzeiten und Kosten können somit deutlich reduziert werden. Darüber hinaus wird im Laufe des Projektes ein großer Referenzdatensatz veröffentlicht. Dies wird weitere Forschungen und Entwicklungen auf diesem Gebiet ermöglichen und somit insgesamt zu besseren Condition Monitoring Systemen führen und einen wertvollen Beitrag zur Energiewende leisten.
Um die Diskrepanz zwischen der in den letzten Jahren deutlich gestiegenen Lebensdauer von PV-Modulen im Vergleich zu PV-Stromrichtern (SR) zu verringern und diese unabhängig von ihrem Einsatzgebiet robuster auszulegen, ist es das Ziel von PV4Life, ein allgemeingültiges Modell zu entwickeln, das die Alterung von Stromrichtersystemen bis auf Komponentenebene aus der Gesamtsystemsicht betrachtet. Das Vorhaben entwickelt neue Testverfahren zur beschleunigten Alterung von SR, erweitert die SR-Sensorik, verbessert SR-Komponenten und entwickelt einen digitalen Zwilling mit entsprechenden Alterungserscheinungen eines PV-SR mit integriertem KI-basierten Lebensdaueranalysator. In diesem Teilvorhaben wird an einer effektiven Nutzung von stromrichter-basierten Anlagen und ihrer kritischen Komponenten geforscht. Ziel ist es, mittels neuartiger disruptiver Sensoren, Verfahren der KI und digitaler Zwillingsmodelle, die Steigerung der Resilienz von Stromrichtersystemen, sowie deren Kosten einzusparen. Anhand von zyklischen Dauertests der passiven Komponenten von SUMIDA werden Datensätze generiert, die mittels KI-unterstützter Regelungen und digitaler Zwillinge zur Lebensdauer- und Ausnutzungsoptimierung individueller Stromrichter-Systeme beitragen werden. In dem beantragten Teilvorhaben werden auf Basis der generierten Messdaten die induktiven Bauelemente mit Sensoren ausgestattet und später im optimierten Betriebsmodus der Stromrichter eingesetzt.