"Bridging the Gap" mittels Mehrskalenstrukturanalysen

Mitunter etwas undifferenziert wird in statischen und dynamischen Mehrskalenanalysen von Bauwerken ein Allheilmittel zur Verbesserung der Qualität mechanischer Strukturberechnungen gesehen. Begründet wird dies mit der im Gegensatz zu konventionellen Strukturanalysen verwendeten chemischen, thermischen, feuchtigkeitsbezogenen und poromechanischen Information aus Skalen weit unterhalb der Makroskala des jeweiligen heterogenen Werkstoffs. Dabei wird gelegentlich übersehen, dass Mehrskalenanalysen nicht immer auf hinreichend gesicherten Annahmen beruhen. Dazu gehören die Anzahl der zu berücksichtigenden Skalen sowie Phasen innerhalb eines sogenannten Repräsentativen Volumenelements (RVE) einer bestimmten Skala, die geometrische Form von Einschlüssen innerhalb des RVE, das mathematische Homogenisierungsverfahren für den Transfer von Information von der betreffenden zur nächsthöheren Skala sowie die Behandlung des konzeptionell sehr anspruchsvollen Problems der Homogenisierung von Versagensmechanismen von Werkstoffen. Dies verdeutlicht die Aktualität des vorliegenden Forschungsprojekts. Ambitioniertes Ziel ist die Quantifizierung des Mehrwerts von Mehrskalenanalysen bei ausdrücklicher Anerkennung des sich in solchen Berechnungen manifestierenden wissenschaftlichen Fortschritts. Übergeordnetes Forschungsobjekt ist die im Bau befindliche Hongkong Zhuhai Macao Brücke. Mit einer Länge von 35.6 km überbrückt sie die Mündung des Perlflusses in die Südchinesische See. Für den Schiffsverkehr wird die Brücke durch einen 6.7 km langen Tunnel unter dem Meeresboden das Forschungsobjekt im engeren Sinn unterbrochen. Dem topographischen Bridging the Gap entspricht die mathematische Überbrückung mehrerer mechanischer Größenordnungen im Zuge von Mehrskalenanalysen von Tunnelsegmenten. Dabei handelt es sich um die Untersuchung (a) der Temperaturentwicklung und des Verzerrungszustandes in einem Stahlbetonsegment kurz nach der Herstellung und (b) des mechanischen Verhaltens (1) eines Segments nach Ausbruch eines Feuers, (2) des Modells eines langen Tunnelabschnitts bei Erdbebenbeanspruchung und (3) der Verbindung zweier benachbarter Tunnelelemente im Rahmen eines geeigneten Modells. Die Mehrskalenanalysen dieser vier Strukturen und die vorangehenden methodischen Entwicklungen werden an der TU Wien durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit Resultaten aus Versuchen verglichen, die von Angehörigen des College of Civil Engineering der Tongji University, Shanghai unter seinesgleichen in China nimmt es Rang eins ein zum geringeren Teil an der Baustelle, überwiegend jedoch in ausstattungsmäßig auf Weltklasseniveau befindlichen Laboratorien der genannten Universität durchgeführt werden. Zur Quantifizierung des Mehrwerts der Mehrskalenanalysen werden die Rechenergebnisse überdies mit Resultaten aus herkömmlichen Strukturanalysen, die bei der Bauwerksplanung von einem chinesischen Zivilingenieurbüro erstellt worden sind, verglichen. Sie stehen dem Wiener Forschungsteam ebenso wie die Versuchsergebnisse unentgeltlich zur Verfügung. Bei der Planung des Projekts waren neben dem zeitlichen und finanziellen Rahmen die experimentellen Randbedingungen zu berücksichtigen. Besonders geachtet wurde dabei auf größtmögliche Komplementarität der vier Versuchsgruppen. Die Einzigartigkeit des Projekts ist in der Trias von Experimenten, herkömmlichen Strukturberechnungen und Mehrskalen Strukturanalysen eines bemerkenswerten Bauwerks begründet. ii

Das Projekt "Bridging the Gap mittels Mehrskalenstrukturanalysen" bildete von September 2015 bis März 2020 den Rahmen für die erfolgreiche Kooperation von Bauingenieuren der TU Wien und der Tongji Universität, Shanghai, der führenden chinesischen Universität auf dem Gebiet des Bauwesens. Eva Binder, Thomas Schlappal, Hui Wang und Jiao-Long Zhang dissertierten unter Anleitung von Universitätsprofessor Herbert Mang und Associate Professor Bernhard Pichler. Herr Wang hat 2019 das erste Doppeldoktoratsstudium in der Geschichte der beiden genannten Universitäten abgeschlossen. Der zweite derartige Abschluss wird durch Frau Binder im Herbst 2020 erfolgen. Das Projekt war für alle beteiligten Personen ein Karriere-Sprungbrett. Eva Binder setzt ihren wissenschaftlichen Werdegang als Postdoc an der Linnaeus Universität in Vaxjö, Schweden, fort. Thomas Schlappal hat eine Karriere im praktischen Tunnelbau in Deutschland begonnen. Hui Wang hat einen "Assistant Professor" Posten an der Shanghai Jiao Tong Universität, der Nummer 47 im weltweiten QS Universitätsranking 2021, angetreten. Jiao-Long Zhang hat eine "Assistant Research Fellow" Stelle angetreten, die in ein Verfahren zur Festanstellung an der Tongji Universität münden wird. Bernhard Pichler wurde zum Universitätsprofessor für "Experimentelle Mechanik und Baustatik" an der TU Wien ernannt. Herbert Mang wurde der "International Science and Technology Cooperation Award" verliehen, die höchste Auszeichnung die das offizielle China an ausländische Wissenschaftler vergibt. In wissenschaftlicher Hinsicht wurde der Mehrwert von Mehrskalenanalysen anhand ausgewählter Beispiele aus dem Beton- und Stahlbetonbau aufgezeigt. Durch Mehrskalen-Material-Analysen von zementgebundenen Baustoffen konnten bisher unbekannte Prozesse auf der Mikrostruktur der Materialien identifiziert werden, die für das makroskopische Baustoffverhalten verantwortlich sind. Beispielsweise konnte auf dem Gebiet der Wärmeausdehnung gezeigt werden, dass nanoskopische Calcium-Silikat-Hydrate, die Produkte der chemischen Reaktion von Wasser mit Zement, spontan und reversibel Wasser abgeben, wenn sie erwärmt werden. Dadurch sinkt der durch Kapillarwirkung bedingte Unterdruck im Porenwasser und das Festkörperskelett der zementgebundenen Baustoffe dehnt sich makroskopisch messbar aus. Diese erstmals beschriebenen Prozesse wurden durch Kernspinresonanzrelaxometrie-Experimente unabhängig bestätigt. Somit haben Mehrskalen-Material-Analysen zu wesentlichen naturwissenschaftlichen Erkenntnissen auf dem Gebiet der Grundlagenforschung in den Materialwissenschaften geführt. Mehrskalen-Struktur-Analysen sind Tragwerksanalysen, die unter Einsatz von modernen Mehrskalenmaterialmodellen erfolgen. Es wurden Hagelschauer auf Autobahnplatten aus Beton, moderate Feuer in Tunnelbauwerken und die Festigkeitserhöhung von Probekörpern aus zementgebundenen Materialien bei hochdynamischer Beanspruchung untersucht. Weiters wurden neue Berechnungsmethoden und Dimensionierungsvorschläge für bewehrte Betongelenke und segmentierte Tunnelringe, wie sie von Tunnelbohrmaschinen hergestellt werden, entwickelt. Somit haben Mehrskalen-Struktur-Analysen zu wesentlichen ingenieurwissenschaftlichen Erkenntnissen auf dem Gebiet der anwendungsorientierten Grundlagenforschung im Beton- und Stahlbetonbau geführt.