Institute of Innovative Structures - Mainz

SETWIN

Förderung: 

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

Laufzeit: 01.05.2025-30.04.2028

Team:

• Henrik Stickel, Doktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter
• Prof. Dr.-Ing. Andreas Garg, Professor für Tragwerksplanung, Hochschule Mainz
• Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Naujoks, Leiter des Lehr- und Forschungsgebiets Stahlbau und Verbundkonstruktionen, Bergische Universität Wuppertal

Kurzbeschreibung:
Die geplante Promotionsarbeit dient dem Ziel, ein Nachweismodell für Segmentierte Türme für Windenergieanlagen zu entwickeln. Dabei wird ein besonderer Fokus auf die horizontalen und vertikalen Fugen zwischen den einzelnen Betonfertigteilsegmenten gelegt, die eine kombinierte Belastung aus Torsionsmoment, Biegemoment und Querkraft abtragen müssen.

Weitere Informationen:
Türme moderner Windenergieanlagen werden ab Nabenhöhen von etwa 120 m häufig als Hybridtürme ausgeführt. Im unteren Bereich bestehen diese aus vorgespannten Stahlbeton-Fertigteilen, das obere Drittel aus einem Stahlrohrturm. Die Fertigteilsegmente werden trocken gefügt und vertikal vorgespannt. Mit wachsender Turmhöhe und größeren Rotoren steigen die Beanspruchungen aus Wind deutlich; neben Biegung tritt dabei auch Torsion auf. Klaffende Fugen infolge Biegung können den Torsionsabtrag über die Segmentfugen zusätzlich erschweren – eine bislang nur unzureichend erfasste Wechselwirkung.

Im InnoProm-Projekt „Segmentierte Türme für Windenergieanlagen (SETWIN)“ entwickelt die Hochschule Mainz in kooperativer Promotion mit der Bergischen Universität Wuppertal und in Zusammenarbeit mit Verheyen-Ingenieure ein praxistaugliches Nachweiskonzept für vorgespannte Segmenttürme. Aufbauend auf dem von Lutz Loh eingeführten, auf Wölbkrafttorsion basierenden Ansatz, werden von Promovend Henrik Stickel zwei Fragestellungen detailliert untersucht: (i) die kombinierte Beanspruchung aus Querkraft und Torsion in den klaffenden Horizontalfugen, (ii) die modellhafte Erfassung von Vertikalfugen und deren Einfluss auf die globale Tragfähigkeit. Ziel ist es, die Bemessung zu vereinfachen und gleichzeitig die Genauigkeit der Tragfähigkeitsprognosen zu erhöhen, um wirtschaftlichere und robustere Türme zu ermöglichen.

Projektpartner: 

• Hochschule Mainz
• Bergische Universität Wuppertal
• Verheyen Ingenieure

SLIMWOOD

Kreuzverleimte Holzverbunddecken für mehrgeschossige Gebäude, vorgefertigte X-Lam-Verbunddecken mit deckenhohen Linienstützen für flexible Grundrissgestaltung

Kurzbeschreibung: 
Flexible Arbeitsplatzmodelle, die Neugestaltung der Quartiersstruktur in Großstädten zur Verbesserung der Wohn- und Arbeitsqualität sowie anderer Prozesse führen zu einem steigenden Bedarf an flexibleren Gebäudekonzepten, die sich in bestehende Stadtstrukturen einfügen. Büro- und Verwaltungsgebäude müssen flexibel auf sich ändernde Anforderungen reagieren und über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg flexible Nutzungsmöglichkeiten bieten. Moderne Holzkonstruktionen erfüllen diese Anforderung: Sie sind modern, optisch ansprechend und mehrgeschossig, was zur Verdichtung von Stadtvierteln bei wachsenden Stadtstrukturen beiträgt. Der Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung einer weitgespannten Holzdecke für mehrgeschossige Gebäude ohne Stützen oder Träger innerhalb der Deckenspannweite. Bestehende Einschränkungen konventioneller Holz- oder Holzverbunddecken sollen durch variable Grundrisse mit hohem Vorfertigungsgrad, einfacher Verbindungstechnik und unkomplizierter Qualitätskontrolle aufgehoben werden. Es sollen Stützabstände von ca. 12 m x 8 m erreicht werden, was die üblichen Stahlbeton-Flachdeckensysteme deutlich übertrifft.

Ziele:

• Entwicklung eines trägerlosen Massivholzdeckensystems für mehrgeschossige Gebäude,
• Beitrag zur Material- und Energiewende im Bauwesen durch neue Bau- und Gebäudetechnologien,
• Verbesserung der Umweltbilanz und Nachhaltigkeit mehrgeschossiger Gebäude im Vergleich zu Stahlbetonbauten.

Methoden:

• Kombination geeigneter Materialien durch Abstimmung ihrer Materialparameter und Verbundeigenschaften,
• Erzeugung einer mehrachsigen Lastverteilung ohne zusätzliche Stützen,
• Topologieentwicklung und -analyse der Verbundzone und der Verbindungen,
• Entwicklung einer Linienverbindung auf Deckenebene zur Kopplung vorgefertigter Massivholzdeckenelemente,
• Modellanpassung mit experimenteller Verifizierung.

Forschungsteam:

• 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 – Technische Hochschule Mainz, Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen
• Dipl.-Ing. Gerhard Krummel – Stewecon GmbH
• Dr.-Ing. Aristidis Iliopoulos – Krummel GmbH

Laufzeit: Juli 2023 – Juni 2026
Budget: 713.000 €
Kontakt: M. Eng. Tom Bender

Förderung: Teile der Forschung wurden vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gemäß Beschluss des Deutschen Bundestages über die Agentur für Erneuerbare Energien gefördert. Die Inhalte liegen in der alleinigen Verantwortung der Autoren und geben nicht notwendigerweise die offizielle Meinung der Förderagentur wieder.

Bachelor- und Masterarbeiten, Kleine Forschung

Studierende des Studiengangs Bauingenieurwesen fertigen normalerweise im letzten Studiensemester, d.h. nach Ablegen sämtlicher Prüfungen, ihre Abschlussarbeit an. Abschlussarbeiten können von Professoren und Lehrbeauftragten ausgegeben und betreut werden. Die Studierenden können auch selbst Themenvorschläge für ihre Abschlussarbeit machen. Die Bearbeitungszeit beträgt maximal 4 Monate.

Da wir praxisnah ausbilden, werden möglichst viele Arbeiten in Kooperation mit externen Partnern aus Wirtschaft und Behörden erstellt. Es hat sich gezeigt, dass Abschlussarbeiten mit externen Partnern für alle Beteiligten Vorteile bieten: Hochschule und Studierende kommen in Kontakt mit der Praxis, und der externe Partner hat die Möglichkeit, ein Problem bearbeiten zu lassen, für das er sonst keine Kapazitäten hat. Auch zur Vorbereitung und Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten amInstitute of Innovative Structures - Mainz werden häufig Absolventen eingesetzt.

Es ist üblich, dass der externe Partner dem Absolventen die entstehenden Auslagen ersetzt, manchmal wird auch eine Vergütung vereinbart.

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