HBVSens

Verbundvorhaben "Hybride Holzbrücken mit Klebverbund - Qualitätssicherung und Zustandserfassung mittels integrierter Sensoren"

Motivation

Die stetig wachsende Verkehrsbelastung und der schlechte Bauzustand vieler Brückenbauwerke erfordern neben einem optimierten Erhaltungsmanagement zunehmend den Neubau von Brücken, um die Leistungsfähigkeit der Verkehrsinfrastruktur und die Mobilität zu erhalten. Während im Hochbau der Baustoff Holz aufgrund seines herausragenden Potentials für die Erreichung der Klimaschutzziele bereits eine Renaissance erlebt, spielt Holz im Infrastrukturbau bisher nur eine untergeordnete Rolle. Überführungsbauwerke mit kurzen und mittleren Spannweiten über querende Wasserläufe, Straßen und Schienenwege sind in der Verkehrsinfrastruktur am häufigsten vertreten. In diesem Segment stellen Überbauten in Holz-Beton-Verbundbauweise (HBV-Bauweise) ökologisch und ökonomisch sinnvolle Alternativen zu den etablierten Stahl- und Massivbauweisen dar! In den bisher in Deutschland errichteten HBV-Brücken wurde der Verbund zwischen Holz und Beton ausschließlich mit Hilfe mechanischer Verbindungsmittel (Dübelleisten, Kerven, HBV-Schubverbinder) realisiert. Ökonomische und mechanische Vorteile bietet die flächige Verbindung von Holz und Beton mit modernen Klebstoffsystemen bzw. Polymermörtel. Die Nutzung von Stahlbetonfertigteilen und die Vorfertigung im Werk ermöglichen bei dieser Technologie Zeit- und Kostenersparnisse bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität. Kürzere Bauzeiten vermindern die Verkehrsbehinderung und daraus resultierende Folgekosten. Vorteile im Vergleich zu reinen Holzbrücken sind – neben der aus dem Hochbau bekannten höheren Steifigkeit und Tragfähigkeit – der bei HBV-Brücken vorhandene konstruktive Holzschutz und der verbesserte Lastabtrag durch die Betonplatte. Eine praxisrelevante und kostenoptimierte HBV-Bauweise in Kombination mit dem Einsatz von auf nachwachsenden Rohstoffen basierten Klebstoffsystemen würde zu einer deutlichen CO2-Reduzierung im Infrastrukturbau beitragen.

Gesamtzielstellung

Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, eine neuartige HBV-Bauweise mit flächiger Verklebung zwischen Beton und Holz für den Brückenbau zu etablieren. Dies erfordert die Entwicklung einer baupraktisch robusten Herstellungstechnologie und Klebfugenausführung sowie die Erforschung des mechanischen Langzeitverhaltens von geklebten HBV-Bauteilen unter Temperatur- und Feuchteeinflüssen. Im zentralen Fokus des Forschungsvorhabens steht die geklebte Verbundfuge. Zur Detailanalyse wird ein neuartiger Sensoransatz erforscht, der auch zur Zustandsüberwachung von HBV-Brücken genutzt werden soll. Ziel ist die Integration von ortsaufgelöst und verteiltmessenden faseroptischen Sensoren für die Erfassung des Dehnungszustandes der Klebfuge, sowie die Erfassung der Temperatur und Feuchte. Dies erfordert die Validierung und Analyse geeigneter Sensoren und einen Vergleich mit konventionellen Verfahren. Die Eignung der Herstellungstechnologie soll an HBV-Bauteilen und einem Großdemonstrator mit integrierter Sensorik unter unterschiedlichen Umgebungseinflüssen erforscht und nachgewiesen werden. Die Erarbeitung eines Bemessungskonzeptes zusammen mit Empfehlungen für den Entwurf, die Vergabe, die Ausführung, den Erhalt sowie die sensorbasierte Prüfung (Monitoring) von geklebten HBV-Brücken soll den Transfer dieser ökonomischen und ökologischen Bauweise in die Praxis erleichtern.

Teilvorhaben 2 (Bearbeitung durch Fachhochschule Erfurt, Professur Ingenieurholzbau): "Erforschung des Feuchteeinflusses auf den Holz-Beton-Verbund und die Klebfuge"

Zur Erreichung der Arbeitsziele von HBVSens werden die Kompetenzen der Kooperationspartner durch
enge Zusammenarbeit innerhalb von drei Teilprojekten gebündelt. Teilvorhaben 2 fokussiert auf die
Erforschung der Auswirkungen hygrischer Beanspruchung auf HBV-Bauteile und deren Verbundfuge. Ein
Teilaspekt ist die Erforschung der Holzfeuchteentwicklung über den Bauteilquerschnitt und die Definition
von Feuchteprofilen anhand der Bewertung verschiedener mikroklimatischer Einflussgrößen (z.B
Kondensatbildung in der Verbundfuge). Unter Ansatz der Feuchteprofile sind Spannungs- und
Dehnungsanalysen in den Teilquerschnitten durchzuführen und eine Bewertung des Feuchteeinflusses auf
die Tragfähigkeit der Hybridbauteile abzuleiten. Darüber hinaus erfolgt eine Analyse der Dauerhaftigkeit der
Klebfuge infolge zyklisch wechselnder hygrischer Beanspruchung. Ein weiterer Teilaspekt ist die
Untersuchung der Anwendbarkeit innovativer feuchtesensitiver faseroptischer Sensorik zur
experimentellen, aber auch praktischen Anwendung. Die Anwendung der Bauweise in der Praxis soll durch
die Erarbeitung von Anwendungsempfehlungen und durch die Ergänzung der geklebten HBV-Bauweise in
vorhandenen Regelwerken des Ingenieurbaus gefördert werden.

Teilvorhaben und Verbundpartner

Teilvorhaben 1
"Erforschung des Langzeittragverhaltens unter mechanischer und thermischer Beanspruchung" Bauhaus-Universität Weimar - Fakultät Bauingenieurwesen - Professur Stahl- und Hybridbau, Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraus (Koordinator)

Teilvorhaben 2
"Erforschung des Feuchteeinflusses auf den Holz-Beton-Verbund und die Klebfuge" Fachhochschule Erfurt - Fakultät Bauingenieurwesen und Konservierung/Restaurierung - Fachrichtung Bauingenieurwesen, Prof. Dr.-Ing. Antje Simon

Teilvorhaben 3
"Erforschung der faseroptischen Sensorik und Messtechnik" Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar, Dr.-Ing. Martin Ganß

Planlaufzeit

2022 bis 2025

Förderer

Das Vorhaben wird durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Förderprogramm „Nachwachsende Rohstoffe” bei der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. gefördert.

Weiterhin wird das Vorhaben durch ein breites Konsortium von Firmen bei der Erreichung der gesetzten Ziele unterstützt.