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Die digitale Transformation hat während der Pandemie Covid-19 eine rasante weltweite Evolution in vielen gesellschaftlichen Bereichen erfahren. Deutlichlangsamer entwickeln sich die Grundlagen und vor allem die operative Umsetzung eines ressourceneffizienten und klimaverträglichen Bauens. Der Beton-Kalender 2022 greift diese Themen auf und bringt hochaktuelle Beiträge zur Digitalisierung, zur Nachhaltigkeit und zur Instandhaltung sowie zur Verstärkung von Bauwerken.

Im Teil 1, Kapitel „Beton“, werden von Frank Dehn und Udo Wiens neben aktuellem Wissen aus Forschung, Praxis und Normen auch viele Hinweise zur Herstellung und zur Nachbehandlung von Frischbeton, neue Forschungserkenntnisse zu den lastunabhängigen und lastabhängigen Verformungen sowie zur Dauerhaftigkeit gegeben. Von besonderer Praxisrelevanz sind die einzelnen Abschnitte zum selbstverdichtenden Beton, zum Sicht-, Leicht- und Faserbeton. Kurz werden auch die Themen des Betonrecyclings, der numerischen Simulation von Beton sowie von neuen normativen Entwicklungen angeschnitten. Der regelmäßig wiederkehrende Beitrag wurde auf den neuesten Stand der Technik gebracht und durch aktuelle Forschungsergebnisse und Regelwerksangaben ergänzt. Dies betrifft beispielsweise das System der Betonbauqualitätsklassen (BBQ), den Carbonbeton, Betone unter Verwendung von Geopolymeren und alkalisch-aktivierten Bindemitteln sowie das Konzept der Expositionswiderstandsklassen der nächsten Eurocode-2-Generation.

Ein Schwerpunktthema in diesem Beton-Kalender ist der Schutz und die Instandsetzung von Betonbauteilen.

Der erste Beitrag hierzu wurde von einem Autorenteam mit Heinrich Bastert, Hans-Carsten Kühne, Christoph Dauberschmidt, Stephan Vestner, Hendrik Morgenstern, Michael Raupach, Lars Wolff, Bernd Schwamborn, Angelika Eßer und Ingo Schachinger erstellt. Im Hinblick auf den Schutz und die Instandsetzung von Betonbauteilen werden die wichtigsten Regelwerke in Deutschland für den allgemeinen Hochbau, den Verkehrswegebau mit beispielsweise den Bundesfernstraßen und den Wasserbauwerken sehr systematisch dargestellt. Dabei ist die Dauerhaftigkeit neben der Bauwerkssicherheit ein wesentliches Kriterium, das bei der Planung und der laufenden Instandhaltung von Bauwerken zu beachten ist. Vielfach wird in Normen und Richtlinien daher die Erstellung eines projektspezifischen Instandhaltungsplans gefordert, der im Zuge der Bauwerksplanung erstellt wird und die Komponenten der Wartung, der Inspektion und der Instandsetzung umfasst. Wertvoll im Beitrag sind die Hinweise zur Bauwerksdiagnose und zur Instandsetzungsplanung bis hin zum kathodischen Korrosionsschutz bei chloridbelasteten Stahlbetonbauteilen. Auch der Abschnitt der Oberflächenschutzsysteme mit vielen praktischen Beispielen, den Instandsetzungsmörteln bzw. -betonen sowie den Rissfüllstoffen und der Untergrundvorbereitung sind von hoher Praxisrelevanz.

Für Österreich wurden von Reinhard Pamminger die grundlegenden Regelwerke hinsichtlich des Schutzes und der Instandsetzung von Betonbauteilen zusammengestellt. Neben den Methoden zur Bestandsanalyse und zur Bewertung des Bauwerkszustandes sowie einer Einführung in die ÖNORM B 4704 und die öbv-Richtlinie „Erhaltung und Instandsetzung von Bauten aus Beton und Stahlbeton“ wird auch ein guter Überblick über die verträglichen und gegenüber den am Bauwerk auftretenden Einflüssen widerstandsfähigen Instandhaltungsprodukte gegeben. Wichtig für eine qualitativ hochwertige Instandsetzung sind neben den geeigneten Produkten die sachkundigen Unternehmen und das entsprechend ausgebildete und erfahrene Personal. Dazu werden ergänzend zu den ÖNORMEN EN 1504 noch allgemeine Grundanforderungen angeführt.

Die wesentlichen Richtlinien und die Erfahrungen der Ingenieurpraxis in Bezug auf den Schutz und die Instandsetzung von Betonbauteilen in der Schweiz wurden von Raphael List, Yves Schiegg und Björn Mühlan zusammengestellt. In der Schweiz gibt es außer der Normenreihe SN EN 1504 die SIA-269-Reihe, welche speziell für die Erhaltung von Tragwerken erarbeitet wurde. Des Weiteren werden den Planern im Bereich der Instandhaltung und des Schutzes von Betonbauteilen entsprechende Handbücher und Richtlinien des Bundesamtes für Strassen (ASTRA) zur Verfügung gestellt. Eine Besonderheit neben den Injektionsmethoden für Risse und dem Korrosionsschutz der Bewehrung ist der Einsatz von Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB) für die Instandsetzung von Betontragwerken. Aufgrund mechanisch sehr hoher Leistungsmerkmale wie beispielsweise der Druckfestigkeit, der Biegezugfestigkeit oder der Dichtigkeit sind Anwendungen von geringen Schichtstärken sowohl zur Instandsetzung als auch zur Tragwerksverstärkung möglich.

Der Beitrag zur neuen Erhaltungsstrategie für Brücken der Bundesfernstraßen in Deutschland wurde von Andreas Jackmuth, Wilfried König, Gero Marzahn, Olaf Mertzsch und René Pinnel bearbeitet. Neben einigen statistischen Informationen zur Entwicklung der Brückenflächen der Bundesfernstraßen von 1970 bis 2020 wird festgestellt, dass es über 70 % Spannbetonbrücken und nur etwa 17 % an Stahlbetonbrücken im Bereich der Bundesfernstraßen gibt. Die in naher Zukunft notwendigen Maßnahmen betreffen vor allem die Instandhaltung und Modernisierung des Brückenbestandes. Derzeit werden die Ingenieurbauwerke alle drei Jahre im Wechsel einer Hauptprüfung und nachfolgend einer einfachen Prüfung nach DIN 1076 unterzogen. Im Rahmen der Bauwerksprüfung wird der von außen visuell erkennbare Bauwerkzustand mit einer Zustandsnote versehen. Diese Zustandsnote bewertet weder die Tragfähigkeit noch trifft sie Aussagen über bauzeitbedingte oder normative Defizite. Daher wurde ein Traglastindex eingeführt, welcher in fünf Stufen die Tragfähigkeit einer Brücke klassifiziert. Im Beitrag werden die Erhaltungsstrategien gemäß DIN 1076 beschrieben und auf die Erhaltungsbedarfsprognose dieser Ingenieurbauwerke eingegangen. Es ist das Ziel dieser Strategie, die notwendigen Erhaltungsmaßnahmen anhand der baulichen als auch der verkehrlichen Priorität zu steuern, um den volkwirtschaftlichen Schaden durch Stau, Verkehrsumleitungen und Emissionen etc. zu minimieren.

Von Alfred Strauss, Andreas Pürgstaller, Stefano Pampanin, Panos Spyridis und Konrad Bergmeister wird das aktuell wichtige Thema zur Robustheit von Ingenieurstrukturen erläutert. Die jüngsten Brückeneinstürze in Europa zeigen eindeutig, dass ein Mindestmaß an Robustheit im Entwurf und in der Konstruktion von Bauwerken von evidenter Wichtigkeit sind. Neben diesem Mindestmaß an Robustheit gewinnt die Resilienz zur Wiederherstellung eines Systems in seiner Funktionalität nach einem Schadensereignis an Bedeutung.

Im Rahmen der derzeitigen sechs Robustheitsformate wird zusätzlich als neuer Ansatz die seismische Robustheit für Bauwerke in Erdbebengebieten aufgenommen. Die einzelnen Konzepte werden strukturiert mit Beispielen untermauert dargestellt und es werden praxisrelevante Hinweise gegeben. Gezielt wird auch auf bestehende Strukturen in Bezug auf deren Robustheit eingegangen.

Ein wichtiger Aspekt bei der Robustheitsbewertung von Baustrukturen ist die Identifizierung und Bewertung der Einwirkungsszenarien. Bei der Bewertung der seismischen Robustheit wird eine neue Methode, die sogenannte „vereinfachte Mechanismusmethode – SLaMA-Methode“ (Simple Lateral Mechanismus Analysis) in ihren Grundzügen vorgestellt. Die Schnittgrößen werden als Folge der Verformungen ermittelt (displacement based design). Diese Methode eignet sich für eine relativ schnelle Abschätzung des Gebäudeverhaltens vor und nach einer Ertüchtigungsmaßnahme. Deshalb ist sie sowohl als Abschätzungsmethode für die Implementierung einer mittel- bis langfristigen Strategie zur Reduktion der Erdbebengefährdung als auch zur Bewertung der Robustheit geeignet.

Mit einer strukturierten Vorstellung von Konzepten zur Robustheitsbewertung und -quantifizierung schließt dieses Kapitel ab. Die Robustheitsnachweise können dabei auf der Mikro-, der Meso- oder der Makroebene (gesamte Bauwerke) durchgeführt werden.

Ein interdisziplinäres Autorenteam um Michael Haist, gemeinsam mit Konrad Bergmeister, Manfred Curbach, Patrick Forman, Georgios Gaganelis, Jesko Gerlach, Peter Mark, Jack Moffatt, Christoph Müller, Harald S. Müller, Jochen Reiners, Christoph Scope, Matthias Tietze und Klaus Voit hat sich mit dem nachhaltigen Konstruieren und Bauen mit Beton beschäftigt. Die Autoren haben den aktuellen Stand des Wissens und der Forschung zum Thema des klimaverträglichen und nachhaltigen Bauens mit Beton zusammengestellt. Zusätzlich wird analog zu den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit ein neuer Grenzzustand der Klimaverträglichkeit vorgeschlagen. Dieser beschreibt den äquivalenten CO₂-Einsatz zur Erzielung einer bestimmten Tragfähigkeit und Nutzungsdauer und wird einem aus der Klimaforschung abgeleiteten Grenzwert gegenübergestellt.

Ein großes Augenmerk wird auf den derzeitigen Stand des Wissens zur Nachhaltigkeitsbewertung und Ökobilanzierung gelegt. Dabei wird die Baustoff-, die Bauteil- und die Bauwerksebene unterschieden. Detailliert wird auf die Bindemittel, die Gesteinskörnung (z. B. rezyklierte aus Tunnelausbruchmaterial) sowie auf die derzeitigen und zukünftig möglichen Arten der Bewehrung (z. B. Carbonbewehrung) und die Ressourceneffizienz sowie auf die Topologieoptimierung umfassend eingegangen. Ein wichtiger Ansatz zur verbesserten Nachhaltigkeit ist auch die Verlängerung der planmäßigen Nutzungsdauer der Bauwerke. Abschließend werden noch einige Leitlinien für ein nachhaltiges Bauen einschließlich notwendiger Änderungen bei der Ausbildung formuliert.

Der zweite Teil beginnt mit einem Beitrag über die digitale Zustandserfassung von Gebäuden und Infrastrukturbauwerken sowie von Naturgefahren, erarbeitet von Konrad Bergmeister, Alfred Strauss und Markus Hoffmann. Die Digitalisierung unter Einsatz moderner Sensorik, der technische Stand von Hochleistungsdrohnen sowie die Möglichkeiten in der Analyse großer Datenmengen mittels intelligenter Algorithmen unter Verwendung von Methoden aus der künstlichen Intelligenz erlauben bereits jetzt eine digitale Zustandserfassung. Die automatisierte Auswertung nach Schadensmerkmalen ist derzeit auch in der Forschung nur teilweise realisiert. Im Beitrag werden strukturiert die aktuellen messtechnischen Möglichkeiten mit unbemannten Luftfahrzeugen – Drohnen (unmanned aircraft vehicle – UAV) – dargestellt, der Einsatz von Fotogrammmetrie, Laserscan, Thermografie und Multispektralanalyse für verschiedene Anwendungen praxisrelevant diskutiert und wertvolle Hinweise zum aktuellen Stand der Technik gegeben. Neben den Aufnahmen von Gebäuden werden auch Infrastrukturabschnitte bestehend aus Brücken etc. behandelt und mögliche Einsatzgebiete bei Naturgefahren zur quantitativen und qualitativen Erfassung möglicher Einwirkungen sowie zur Erfassung des visuellen Zustandes der Schutzbauwerke beschrieben. Diese neuen digitalen Erhebungsmethoden gerade zur Früherkennung und zusätzlich – sowie in bestimmten Fällen ersatzweise – zu den bereits vorgeschriebenen periodischen Inspektionen bringen wesentlich detailliertere Aufnahmen mit verbesserter Sichtbarkeit und einer möglichen Optimierung der Lebenszykluskosten.

Mit der künstlichen Intelligenz für ingenieurtechnische Anwendungen sowie den Erkenntnissen aus einer multi-skalen und cross-domänen Analyse von Raumfahrt und Bauwesen beschäftigt sich der Beitrag von Michael A. Kraus, Michael Drass, Bianca Hörsch, Jens Schneider und Walter Kaufmann. Mit einer Zusammenstellung der wichtigsten Terminologien wird in dieses zukünftig auch im Bauwesen wichtige Wissensgebiet eingeführt. Als Kerngebiet wird die digitale Transformation aller Prozesse des Bauens sowie der Zustandserhebung und der Bereitstellung von lebenszyklusbegleitenden Bauwerksinformationen definiert. Auch auf die derzeitige Entwicklung der BIM-Modelle als digitale Grundlage von mehrskaligen Informationssystemen sowie dem digitalen Zwilling von Baustrukturen wird eingegangen. Einen weiteren Innovationsschritt stellt die Robotik mit der digitalen Bauproduktion dar. Als Bindeglied zwischen der digital vernetzten, modellbasierten Planung eines Bauwerks und seiner realen Herstellung wird zukünftig der Einsatz einer digitalen Bauproduktion eine richtungsweisende und produktivitätssteigernde Rolle in der Digitalisierung des Bausektors einnehmen. Die Methoden der künstlichen Intelligenz, wie sie beispielsweise von der ESA vorangetrieben werden, eröffnen auch neue Möglichkeiten für das Bauwesen. Beispielhaft wird der Einsatz der künstlichen Intelligenz im Brückenbau entlang des Lebenszyklus aufgezeigt. Auch die KI-basierte Prognose von Brückenschäden und die Zustandsbewertung auf der Grundlage von sensoriellen Daten aus Brückenschwingungen mit einem Deep Learning Algorithmus werden beispielhaft angeführt. In einem weiteren Beispiel zur Darstellung der Interaktion von Raumfahrt und Bauwesen wird das Potenzial zur großflächigen Kartierung und Aufnahme der Bodenverformungen beim Bau eines U-Bahn-Tunnels aufgezeigt. Für die großflächige Kartierung und Darstellung der Absenkung der Bodenoberfläche durch einen U-Bahn-Tunnel wurden frei zugängliche Daten des europäischen Copernicus-Programms sowie weiterer Satelliten der ESA verwendet.

Die digitale Fertigung im Betonbau wird von einem weiteren Autorenteam, angeführt von Ksenija Vasilic mit Norman Hack, Harald Kloft, Dirk Lowke, Viktor Mechterine, Venkatesh Naidu Nerella, und Timoty Wangler behandelt. Das Interesse an der digitalen Fertigung mit Beton steigt aktuell stark und die ersten industriellen Anwendungen mit Pilotprojekten finden großes Interesse. In diesem Beitrag haben die Autoren den aktuellen Stand der Entwicklung in den verschiedenen Industriebereichen sowie die bemerkenswerten Beispiele im Bauwesen zusammengestellt. Es werden die verschiedenen Fertigungsverfahren, unterteilt in die auf dem selektiven Binden oder auf Extrusion basierenden Verfahren, die Spritzbetonverfahren und die Gleitschalungsverfahren, beschrieben. Die digitale Fertigung stellt aber auch neue Ansprüche an die Frischbetoneigenschaften. Daher ist eine Kontrolle der Materialeigenschaften während des gesamten Fertigungsprozesses genauso wichtig wie das Vorhandensein fundierter Kenntnisse über die Rheologie und den Hydrationsprozess des Betons. Auch auf die Möglichkeit des Druckens von Bewehrung wird im Beitrag eingegangen und die technologischen und technischen Herausforderungen sowie noch offene Fragestellungen werden diskutiert.

Die Digitalisierung des Planens und Bauens sowie Ansätze und Ziele werden von Lucio Blandini, Roland Bechmann und Matteo Brunetti behandelt. Die Autoren gehen auf das Building Information Modeling (BIM) ein und zeigen die Möglichkeiten der automatisierten Konsistenzprüfung sowie der digitalen Basis für eine interaktive Planung auf. Über den openBIM Standard können Änderungen offen und dokumentierbar mit weiteren Projektbeteiligten ausgetauscht werden. Die einheitliche 3D-Modellierung der maßgebenden Bauteile erlaubt es, den Planungsprozess bereits von den frühen Planungsphasen an digital umzusetzen. Anhand von zwei Projektbeispielen (neue Bahnsteighalle Stadtbahn-Haltestelle Staatsgalerie in Stuttgart sowie Terminal 2 des Kuwait International Airport) werden die eingesetzten digitalen Werkzeuge entlang der gesamten Wertschöpfungskette beschrieben. Im Beitrag werden die verschiedenen gerade für die Ingenieurspraxis wichtigen Schritte der 3D-Modellierung, der Tragwerksberechnung und der teilweisen Automatisierung durch CNC-Maschinen und Roboter erläutert. Immer wieder zeigt sich in der Praxis, dass trotz des hohen Digitalisierungsgrades immer noch eine große Anzahl an 2D-Plänen auf den Baustellen zu finden sind. Abschließend werden aktuelle Forschungsund Entwicklungsarbeiten dargestellt (z. B. Gradientenbeton), womit zukünftig eine bessere Qualität und Kostenkontrolle sowie ein reduzierter Ressourcenverbrauch und geringere Emissionen ermöglicht werden sollen. Wichtig wird dabei eine engere Zusammenarbeit zwischen der Forschung, der Industrie, den Planern und den privaten und öffentlichen Entscheidungsträgern, um die enormen Potenziale der digitalen Technologie überhaupt effizient in die Praxis umzusetzen.

In einem eigenen Kapitel werden die Verstärkungsmöglichkeiten mit Carbonbeton von den Autoren Manfred Curbach, Sebastian May, Egbert Müller, Alexander Schumann, Elisabeth Schütze und Juliane Wagner behandelt. Auf der Grundlage intensiver Forschungsarbeiten haben die Autoren praxisrelevante Erkenntnisse herausgearbeitet und Verstärkungsmöglichkeiten in Form von dünnen Carbonbetonschichten mit Gelegen, mit Carbonstäben sowie auch mit spritzfähigem Feinbeton aufgezeigt. Für die Herstellung von Neubauteilen werden bevorzugt gießfähige Betonmischungen eingesetzt. Prägnant werden die wesentlichen Merkmale von Carbonbeton mit deren mechanischen Eigenschaften für Kurz- und Dauerbelastung, dem Brand- und Hochtemperaturverhalten sowie die Aspekte zur Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit beschrieben. Die Anwendungsbeispiele mit den Berechnungsgrundlagen bilden wertvolle Unterlagen für die Ingenieurspraxis. Obwohl sich der Beitrag im Wesentlichen auf die Verstärkung mit Carbonbeton konzentriert, zeigen die Autoren informativ auch einige ausgewählte Projekte, wie beispielsweise das CUBE des C³-Forschungsvorhabens der Technischen Universität Dresden. Dieses Gebäude ist das weltweit erste Haus aus Carbonbeton.

Auf die Tragwerksplanung im Bestand in Österreich gehen Walter Potucek und Markus Vill ein. Die Autoren beschreiben detailliert die Reihe der ÖNORM B 4008 Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Tragwerke für den Hochbau und den Brückenbau. Ausgehend von den Einwirkungen auf Hoch- und Brückenbauten wird auf den rechnerischen Nachweis der Tragfähigkeit von Hochbauten und von Brücken eingegangen. Interessant ist auch die Verifikation mittels Probebelastung oder Belastungsversuchen, wenn ein rechnerischer Nachweis der Tragfähigkeit eines Tragwerks nicht möglich ist. Bei einer Probebelastung wird die Belastung des Tragwerks stufenweise bis zu einer maximalen Belastung gesteigert, das Tragverhalten der Konstruktion und der Konstruktionsteile messtechnisch und durch Augenschein beobachtet und dokumentiert. Dabei ist zu überprüfen, ob die Verformungen reversibel sind und keine übermäßigen Rissbildungen, Schwingungen oder Verschiebungen auftreten.

Ein weiterer Abschnitt widmet sich dem Mindestwiderstand bestehender Gebäude unter Erdbebeneinwirkung. Abschließend werden noch Hinweise zu Konstruktions- und Berechnungsansätzen älterer Normen für Betonbauwerke sowie zur Entscheidungsfindung von Maßnahmen an Bestandsbauwerken gegeben.

Die neue DAfStb-Richtlinie zu den Belastungsversuchen von Betonbauwerken wird von Steffen Marx, Guido Bolle und Gregor Schacht erläutert. Auf der Basis der abgelösten DAfStb-Richtlinie von 2000 wurden mittlerweile Erfahrungen gesammelt und Erkenntnisse gewonnen. Die Autoren stellen die Grundlagen der Sicherheitstheorie dar, bringen Erkenntnisse zur Identifikation der Versuchsgrenzlast und erklären anhand eines Beispiels, wann ingenieurmäßig sinnvoll reduzierte Übertragungsfaktoren verwendet werden können. Wertvoll ist auch der Überblick über die internationale Praxis und die Normung zu den Belastungsversuchen.

Das Kapitel Normen und Regelwerke hat wiederum Frank Fingerloos mit großer Fachkenntnis zusammengestellt. Aufbauend auf dem Thema der Instandhaltung und damit der Verifikation bestehender Bauwerke wird die Richtlinie „Belastungsversuche an Betonbauwerken“ des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton abgedruckt. Die Verzeichnisse der wichtigsten für den Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbau relevanten Baunormen und technischen Baubestimmungen werden genauso wie die aktuellen Richtlinien und Hefte des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) und des Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins (DBV) sowie jene der Österreichischen Bautechnik Vereinigung (öbv) dargestellt.

Dieser Beton-Kalender 2022 mit den Themenschwerpunkten Nachhaltigkeit, Digitalisierung und Instandhaltung stellt ein außergewöhnlich aktuelles, wissenschaftlich fundiertes und für die Ingenieurpraxis hervorragendes Nachschlagewerk dar. Erstmalig werden zukunftsweisende Themengebiete nicht nur auf Basis aktueller Forschungs- und Praxiserfahrungen aufgezeigt, sondern richtungsweisend innovative Wege und fundierte Vorschläge veröffentlicht.

Diese Beiträge mit Autoren aus Deutschland, Österreich und der Schweiz zeigen aber auch deutlich auf, dass es bisher weder bei Neubauten noch bei der Bewertung und Instandsetzung von Bestandsbauten gelungen ist, zwischen den deutschsprachigen Ländern eine Harmonisierung der Vorschriften und Normen zu erzielen. Jedes Land entwickelt mit großem Aufwand die eigenen Normen, Regelwerke und Vorschriften!

Es muss daher unser aller Anliegen sein, gerade durch die rasante Entwicklung der Digitalisierung und die absolut notwendige Verbesserung der Ressourceneffizienz und Erreichung der Klimaneutralität noch in dieser Generation, der Ingenieurkreativität wieder mehr Freiräume zu geben und die Anzahl der Regeln drastisch auf das Notwendigste zu reduzieren. Auf der Grundlage einer natur- und geisteswissenschaftlich fundierten kontinuierlichen Aus- und Weiterbildung und mit wenigen einheitlichen, europäischen Normen und Vorschriften ohne länderspezifische Anpassungen kann dem zukünftigen klimaverträglichen Bauen eine realistische Zukunft gegeben werden.

Wien, Berlin, Darmstadt, im Juli 2021

Konrad Bergmeister Frank Fingerloos Johann-Dietrich Wörner