Institute of Innovative Structures - Mainz

SETWIN

Funding:

• European Regional Development Fund (ERDF)
• Co-financed by the Ministry of Science, Continuing Education and Culture of Rhineland-Palatinate

Project duration: May 1, 2025 – April 30, 2028

Team:

• Henrik Stickel, PhD candidate and research assistant
• Prof. Dr.-Ing. Andreas Garg, Professor of Structural Design, Mainz University of Applied Sciences
• Prof. Dr.-Ing. Bernd Naujoks, Head of the Chair of Steel and Composite Structures, University of Wuppertal

Abstract description:

The planned doctoral thesis aims to develop a verification model for segmented towers for wind turbines. Particular focus will be placed on the horizontal and vertical joints between the individual precast concrete segments, which must withstand a combined load of torsional moment, bending moment, and shear force.

Further information:
Modern wind turbine towers with hub heights of approximately 120 m and above are often constructed as hybrid towers. The lower section consists of prestressed precast reinforced concrete elements, while the upper third comprises a steel tube tower. The precast segments are dry-jointed and vertically prestressed. As tower height and rotor size increase, wind loads rise significantly; in addition to bending, torsion also occurs. Gaps resulting from bending can further impede torsional stress transfer through the segment joints – an interaction that has so far been insufficiently understood.

In the InnoProm project "Segmented Towers for Wind Turbines (SETWIN)," Mainz University of Applied Sciences, in cooperation with the University of Wuppertal and in collaboration with Verheyen-Ingenieure, is developing a practical verification concept for prestressed segmented towers. Building on the warping-torsion-based approach introduced by Lutz Loh, doctoral candidate Henrik Stickel is investigating two questions in detail: (i) the combined stress of shear and torsion in the gaping horizontal joints, and (ii) the modeling of vertical joints and their influence on the overall load-bearing capacity. The aim is to simplify the design process while simultaneously increasing the accuracy of load-bearing capacity predictions, in order to enable more economical and robust towers.

Project partners:

• Hochschule Mainz
• Bergische Universität Wuppertal
• Verheyen Ingenieure

SLIMWOOD

Cross-laminated timber composite slabs for multi-storey buildings, Prefabricated X-Lam composite slab with ceiling-level line supports for flexible floor plan design

Flexible work location models, rethinking the neighborhood structure of large cities to improve the quality of living and working as well as other processes lead to an increasing need for more flexible building concepts that fit into existing city structures. Office and administrative buildings need to be flexible for changing requirements and need flexible usage options for the entire life cycle of the property. Modern timber structures can meet this requirement being modern, visually appealing and multi-storey to densify the neighborhood in grown city structures. Research focus is the development of a wide-span timber ceiling for multi-storey buildings without supports or girders within the slab span. Existing restrictions of conventional timber or timber composite slabs shall be lifted by variable floor plans with a high degree of prefabrication, simple joining technology and simple quality control. Support distances of around 12 m x 8 m should be achieved, which significantly exceeds usual reinforced concrete flat slab systems.

Objectives

• Development of a joist-free solid timber slab system for multi-storey buildings,
• Creating a contribution to the material and energy transition in construction with new construction and building technology,
• Improving the environmental balance and sustainability of multi-storey buildings compared to reinforced concrete buildings.

Methods

• Combination of suitable materials by matching their material parameters and composite properties,
• Creation of a multi-axial load distribution without additional supports,
• Topology development and analysis of the composite zone and joints,
• Development of a ceiling-level line connection to couple prefabricated mass-timber slab elements,
• Modeling fit with experimental verification.

Research team:

• M. Eng. Tom Bender, M. Eng. Henrik Stickel, Prof. Dr. Kay-Uwe Schober - Hochschule Mainz, Forschungsgruppe Holz und Kunststoffe
• Prof. Dr. Heiko Merle, Prof. Dr. Andreas Garg - Mainz UAS, Department of Civil and Environmental Engineering
• Dipl.-Ing. Gerhard Krummel - Stewecon GmbH
• Dr.-Ing. Aristidis Iliopoulos - Krummel GmbH

Duration: July 2023 – June 2026
Budget: 713,000 €
Contact: M. Eng. Tom Bender

Funding: Parts of the research were funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture according to a decision of the German Federal Parliament through the Agency for Renewable Resources. Its contents are solely the responsibility of the authors and do not necessarily represent the official views of the funding agency.

Bachelor's and Master's Theses, Small-Scale Research Projects

Students in the Civil Engineering program typically complete their thesis in their final semester, i.e., after passing all examinations. Theses can be assigned and supervised by professors and lecturers. Students can also propose their own thesis topics. The maximum processing time is four months.

Since we provide practical training, as many theses as possible are completed in cooperation with external partners from industry and government. Experience has shown that theses with external partners offer advantages for all involved: the university and students gain practical experience, and the external partner has the opportunity to address a problem for which they otherwise lack the capacity. Graduates are also frequently involved in the preparation and execution of research and development projects at the Institute of Innovative Structures - Mainz.

It is customary for the external partner to reimburse the graduate for expenses incurred; sometimes, a fee is also agreed upon.

InnoProm - kooperative Promotion

Optimierte modulare Bauweise von Windenergieanlagen 

Die geplante Promotionsarbeit zielt darauf ab, ein deutlich verbessertes Fertigteilkonzept für Hybridtürme zu entwickeln. Dabei sollen zunächst diverse Turmgeometrien im Grund- und Aufriss erstellt und bewertet werden. Das Resultat ist zunächst eine Rangliste diverser Turmgeometrien "aus einem Guss". 

Förderung:

• Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
• kofinanziert vom Ministerium für Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur Rheinland-Pfalz

Laufzeit: 16.4.2018 bis 15.4.2021

Team:

• Lutz Loh, Doktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter
• Prof. Dr.-Ing. Andreas Garg, Hochschule Mainz
• Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Mark, Ruhr-Universität Bochum

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Andreas Garg

Weitere Informationen

Förderkennzeichen: ZF4119601 Kl5 

PCC-Tower (pre-cast concrete tower) Erforschung, Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Betonfertigteil-Konzepts zum Bau von besonders hohen Windenergieanlagen, Onshore 

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung sogenannter Hybridtürme für besonders hohe Windenergieanlagen mit Nabenhöhen >130m, um den international wachsenden Bedarf an qualitativ hochwertigen und dennoch kostengünstigen Betonfertigteiltürmen zu decken. Anlass: Das PCC-Tower- Konzept favorisiert eine Fertigteillösung für das Betontragwerk und verfolgt zugleich einen neuen Ansatz, bei dem relativ kleine und leichte, in sich verzahnte Fertigteile in einem 2-stufigen, baustellennahen Produktionsverfahren hergestellt werden, wodurch es sich sehr stark von existierenden Bauverfahren unterscheidet.Die Hybridtürme bestehen aus einem extern vorgespannten Betontragwerk, auf dem ein Stahlturm aufgesetzt wird. Es sollen produktionstechnisch einfache, vergleichsweise kleinformatige, leicht montierbare Betonfertigteile zum Einsatz kommen. Diese können dezentral und somit baustellennah in herkömmlichen, d.h. in nicht spezialisierten Fertigteilwerken in Serie hergestellt werden, so dass große Transportdistanzen und die damit verbundenen Belastungen für Straßen, Verkehr, Umwelt und Polizei zukünftig entfallen. Entwicklung: Ziel ist es, geeignete Fugen- und Verbindungskonstruktionen zu entwickeln und zu erproben, welche den bemessungsrelevanten Anforderungen aus den statischen und dynamischen Einwirkungen Rechnung tragen. 

Das ZIM-Kooperationsprojekt wurde vom BMWI gefördert und hatte eine Laufzeit von zwei Jahren (1.1.2016 bis 30.11.2017)

Projektpartner:

• Tubularis GmbH
• Betonwerk Hachmeister GmbH, Andernach
• i3mainz, Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Andreas Garg

Förderkennzeichen 17003X10 

SandFast - „Entwicklung und Optimierung praxisgerechter Befestigungen von Sandwichelementen durch konstruktive Sonderlösungen“ 

Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der Optimierung praxisgerechter Verbindungen von Sandwichbauteilen. Dazu soll im ersten Schritt für direkte Befestigungen ein wirtschaftlicher Interaktionsnachweis für Zug- und Querkräfte festgelegt werden. Zur Steigerung der Tragfähigkeit von indirekten (verdeckten) Befestigungen, ist die Optimierung der Fugengeometrie mittels FEM-Simulation Ziel dieses Forschungsvorhabens. In statisch unbestimmten Mehrfeldsystemen unterliegen Sandwichelemente Zwangsbeanspruchungen infolge von Temperaturunterschieden. Durch die Entwicklung von praxisgerechten nachgiebigen Verbindungen kann die Tragfähigkeit der Sandwichbauteile erhöht werden. Das Projekt wird vom BMBF bei einer Laufzeit von 2,5 Jahren gefördert. Der offizielle Beginn des Forschungsprojekts war der 01. Juli 2010.

Projektpartner: 

• EJOT Baubefestigungen GmbH
• Fischer Profil GmbH
• Hilti AG
• REISSER-Schraubentechnik GmbH
• Roma Dämm-Systeme
• SOFiSTiK Service GmbH
• Universität Karlsruhe KIT
• Technische Universität Darmstadt
• ThyssenKrupp Bausysteme GmbH
• Trimo (Slowenien)

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Katrin Kilian

Förderkennzeichen 1790X09

SwichCore II - „Untersuchung und Verbesserung des Brandverhaltens von Kernwerkstoffen“ 

Das Forschungsvorhaben SwichCore II befasste sich mit der Untersuchung und Verbesserung des Brandverhaltens von Kernwerkstoffen. Hierzu wurden bereits im vorangegangenen Projekt SwichCore neue Kernmaterialien entwickelt, von denen zwei in SC II weiter optimiert wurden.Es handelt sich dabei zum einen um einen Resolharzschaum und zum anderen um einen Hybridschaum auf EPS-Basis (SiAC). Zusätzlich zu diesen Materialien wurde auch PIR, ein Polyurethan mit verbesserten Brandeigenschaften, getestet. Untersucht wurden im Rahmen des Forschungsprojekts vor allem die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe und deren Brandverhalten. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Ausbildung der Fugen, welche das Brandverhalten und den Feuerwiderstand der Bauteile ebenfalls entscheidend beeinflusst.Das Projekt wurde vom BMBF gefördert und hatte eine Laufzeit von 2,5 Jahren (1. Juli 2009 bis 31. Dezember 2011).

Projektpartner:

• BASF
• Brucha
• Fischer Profil
• Hexion Specialty Chemicals
• Metecno Bausysteme
• M-Profil
• Resolco International BV
• Romakowski
• Siempelkamp Handling Systeme
• Technische Universität Darmstadt
• ThyssenKrupp Steel
• Trimo d.d.

Project Number FP7-NMP-2007-SME-213302

EASIE –„Ensuring Advancement in Sandwich construction through Innovation and Exploitation“

Das Europäische Forschungsprojekt im 7. Forschungsrahmenprogramm der EU wurde am 01. Oktober 2008 begonnen. An dem Projekt nahmen insgesamt 19 Partner aus 10 Nationen teil. Die EASIE Forschung wurde durch den ECCS TWG 7.9 initiiert und wurde durch das iS-mainz koordiniert. Es hat sich in großem Umfang mit aktuellen Fragestellungen aus der Sandwichtechnik befasst. Der Vertrag mit der EU Kommission wurde Anfang Dezember 2008 unterzeichnet. 

Förderkennzeichen 1764X08

SandSet - „Erforschung von Sandwichelementen als selbst tragende Bauteile“

Das Forschungsvorhaben befasste sich mit dem Nachweis der Verwendbarkeit von Sandwichpaneelen als selbst tragende Bauteile ohne Unterkonstruktion. Dazu gehörte auch die Entwicklung von kraftschlüssigen Verbindungen der Elemente untereinander und die Verbindung von Decken – und Wandpaneelen. Die entsprechenden Nachweiskriterien waren festzulegen. Die Einsparung der Unterkonstruktion bedeutet eine Reduzierung von Herstellkosten und Montagezeiten und es eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten für Sandwichelemente. Das Projekt wurde vom BMBF gefördert bei einer Laufzeit von 3 Jahren. Der offizielle Beginn war der 01. Juli 2008.

Förderkennzeichen 1786X07

DiFuSe - „Entwicklung und Erforschung von Dichten Fugen für Sandwichelemente im Bauwesen“

Hauptziel des im März 2007 bewilligten Forschungsprojektes war es, die Dichtigkeit der Fugen in Konstruktionen aus Sandwichelementen zu untersuchen und daraus Richtlinien für das Design von neuen Fugen abzuleiten. Hierfür war es notwendig, die wesentlichen Parameter für den Transport von Luft, Wasser und Wärmeenergie durch die Fugen hindurch genau zu kennen. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert. 
Der offizielle Beginn des Forschungsprojekts war der 1. März 2007. Das Projekt wurde im August 2009 abgeschlossen und der Schlußbericht kann über Fraunhofer IRB (Suchbegriff: Sandwichtechnik) angefordert werden.

Förderkennzeichen 1705X06

SandTweak - „Optimierung der Geometrie und des Kernmaterials von Sandwichpaneelen mit metallischen Deckschichten“

Förderer: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Ziel des Projekts war es, Sandwichpaneele, die aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile immer häufiger eingesetzt werden, zu optimieren. Dies bedeutet, dass die Geometrie der Deckschichten und die Eigenschaften des Kernmaterials so angepasst werden sollten, dass sich hinsichtlich der Tragfähigkeit, der Kosten, der bauphysikalischen Eigenschaften, der Umweltverträglichkeit und der Produktionstechnik die günstigste Situation ergibt. Die Notwendigkeit, Material- und Herstellkosten zu reduzieren, bedingt vorherige wissenschaftlich fundierte Optimierungsprozesse. Als Vergleich dienten Stahltrapezbleche, deren Querschnittsgeometrie aufgrund umfangreicher Untersuchungen so ausgebildet ist, dass sie eine optimale Tragfähigkeit bei gleichzeitig minimalem Materialverbrauch aufweisen. Eine Optimierung von Sandwichbauteilen in vergleichbarer Weise ist deshalb von großem Nutzen. 
Diese Thematik ist sehr umfangreich. Aufgrund der großen Anzahl von Parametern, die Tragfähigkeit, bauphysikalische Eigenschaften und Produktionskosten bestimmen, erscheint zunächst eine Optimierung von Sandwichelementen relativ schwierig zu realisieren. Auf der anderen Seite sind optimierte Bauteile äußerst wichtig für die gesamte Sandwichindustrie.
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden eine Doktorarbeit und eine Abschlussarbeit angefertigt. 
Der offizielle Begin des Forschungsprojekts war der 1. September 2006 mit einer Bearbeitungszeit von zwei Jahren. 
Im Einzelnen waren folgende Projektpartner am Vorhaben beteiligt: 

• Hochschule Mainz, vertreten durch das Institut für Sandwichtechnik (Projektleitung)
• Technische Universität Darmstadt (Beratende Tätigkeit)

Die Forschungsarbeiten des Instituts für Sandwichtechnik wurden von zahlreichen Industriepartnern unterstützt: 
Sandwichhersteller:

• ECP Gesellschaft für GFK-Systemlösungen mbH
• Fischer Profil GmbH
• Romakowski Dämmsysteme
• ThyssenKrupp Hoesch Bausysteme
• Fischer Profile
• Trimo Engineering d.d. (Slowenien)

Hersteller der Kernmaterialien für Sandwichelemente: 

• BASF AG
• Bayer Material Science
• Deutsche Rockwool Minerawoll-GmbH
• JACKON Insulation GmbH
• Saint - Gobain Isover - Orsil (Tschechische Republik) 

Hersteller der Produktionsanlagen für Sandwichelemente: 

• SHS Siempelkamp