An der TU Kaiserslautern (TUK) wird derzeit eine einzigartige Computertomographie-Anlage errichtet. Damit ist es Forschenden erstmals möglich, große Betonbauteile unter praxisnahen Bedingungen zu durchleuchten.
Beton ist der meistgenutzte Baustoff der Welt. Um ihn effizient einsetzen zu können, ist es unabdingbar, sein Tragverhalten zu verstehen. Dazu müssen Forschende in Betonelemente hineinschauen und Rissstrukturen sowie Schädigungen analysieren. Die einzigartige Computertomographie-Anlage an der TU Kaiserslautern (TUK) könnte diese Arbeit künftig erleichtern: Mit »Gulliver« ist es Forschenden erstmals möglich, Bauelemente in realen Abmessungen unter Last zu durchleuchten und somit realitätsnahe Ergebnisse zu erhalten.
Die bildgebende Technik, die in der Anlage zum Einsatz kommt, ist aus der Medizin bekannt. Mit einem Computertomographen lassen sich mithilfe einer rotierenden Röntgenröhre zerstörungsfrei Schnittbilder von Objekten aufnehmen. Zusammengesetzt entstehen 3D-Aufnahmen mit einer hohen Detailtiefe. Dies ermöglicht die Analyse von innenliegenden Strukturen.
Betonbauteile erstmals umfassend analysierbar
An der TUK wollen die Forschenden in erster Linie Stahlbeton bzw. bewehrten Beton mittels CT-Technologie durchleuchten. Beim Stahlbeton nehmen innenliegende Bewehrungsstäbe diejenigen Zugkräfte auf, die Beton nicht schadensfrei aushalten kann. Im Bauteil bilden sich unter Belastung Risse, die das Tragverhalten und letztlich auch die Tragfähigkeit beeinflussen. Diese gilt es sichtbar zu machen.
»Bislang ist es nur möglich, Betonproben mit Abmessungen von wenigen Zentimetern mittels CT-Technologie zerstörungsfrei zu untersuchen. Dabei blieb stets die Frage offen, in welchem Umfang sich die Ergebnisse auf realistische Bauteilgrößen übertragen lassen«, erläutert Projektleiter und Bauingenieur Prof. Dr.-Ing. Matthias Pahn. »Die neue CT-Anlage ermöglicht erstmals eine umfassende Bauteilanalytik: Zum einen lassen sich damit Risse von 0,1 mm Größe in Betonbauteilen bis 30 cm Durchmesser und bis 6 m Länge analysieren. Zum anderen kann das Großgerät dabei auch statische und dynamische Lasten, wie sie in der Praxis üblich sind, auf die Betonbauteile wirken lassen.«
»Nachhaltiges Bauen ist eines der wichtigen Zukunftsthemen, zu dem wir mit unserer Expertise bereits in verschiedensten Forschungsvorhaben beitragen«, sagt Prof. Dr. Werner R. Thiel, TUK-Vizepräsident für Forschung und Technologie. »Mit der neuen Computertomographie-Anlage stoßen wir nun in neue Dimensionen vor und verstärken die Grundlagenforschung mit einem Großgerät, das den Weg zum effizienteren Einsatz von Baumaterialien ebnet. Zudem werden auch weitere Fachdisziplinen von dieser einmaligen Forschungsinfrastruktur profitieren. Für uns ist es eine bedeutende Auszeichnung, dass die CT-Anlage auf dem Campus der TUK stehen wird. Dies unterstreicht, dass wir in der Bauforschung weithin sichtbar und anerkannt sind.«
Maßgefertigte Hülle für die CT-Anlage
Das Gebäude für Gulliver an der TU Kaiserslautern (TUK) ist eine Strahlenschutzhalle aus bis zu zwei Meter dickem Stahlbeton, teilweise aus besonders dichtem Schwerbeton. Sie wurde gegenüber den bestehenden Versuchshallen des Fachbereichs Bauingenieurwesen direkt an eine der Versuchshallen für Maschinenbau und Verfahrenstechnik (Gebäude 64) angebaut.
Mit ihrem fast quadratischen Grundriss von 12,3 x 12,0 Metern und einer lichten Höhe von 9 Metern ist die Strahlenschutzhalle dem Großgerät auf den Leib geschneidert. Das Strahlenschutz-Schiebetor – eine Verbundkonstruktion aus Stahlkäfig gefüllt mit Schwerbeton – misst 4,5 Meter im Quadrat. So können Lkw mit den großformatigen Prüfkörpern ein Stück weit in die Halle einfahren.
Zur Positionierung der künftigen Versuchsobjekte wurden an den Hallenwänden zwei Kranbahnen mit einer Tragkraft von jeweils 12,5 Tonnen installiert, die als erstes für die Montage des Computertomographen (Gantry) zum Einsatz kommen. Das Großgerät wird im Werk vormontiert und wieder zerlegt; anschließend werden die verschiedenen Bauteile mit einem Gewicht von bis zu 25 Tonnen mit dem Lkw in die Halle und mit dem Hallenkran in Montageposition gebracht.
Der Computertomograph bewegt sich im Versuch horizontal über Bodenschienen bis zu drei Meter und rotiert dabei in einem Winkel bis zu 210 Grad um das Objekt. An den Grubenwänden und auf dem Grubenboden befinden sich Verankerungsschienen zur Montage des CT. Zur Positionierung des Versuchsobjektes gibt es zwei bewegliche Arbeitsbühnen, die mit dem CT fahren.
Ausführung aus einer Hand
Gesteuert wird der Neubau von der Niederlassung Kaiserslautern des Landesbetriebs Liegenschafts- und Baubetreuung (Landesbetrieb LBB), die dafür einen Generalunternehmer beauftragt hat. Baubeginn war im August 2021, die Fertigstellung der Halle mit Nebengebäuden ist für Oktober 2022 geplant. Die Übergabe erfolgt nach Einbau der CT-Anlage im Juni 2023.
»Es war zielführend, die Großcomputertomographen-Halle von der Ausführungsplanung bis zur baulichen Realisierung in die Hand eines Generalunternehmers zu legen«, sagt Holger Basten, Geschäftsführer des Landesbetriebs Liegenschafts- und Baubetreuung. »Das öffentliche Vergabeverfahren auf der Grundlage einer sogenannten funktionalen Ausschreibung, die vorab nicht das letzte technische Detail festlegt, bietet bei komplexen Bauprojekten das Potenzial zur Beschleunigung und Optimierung.« Der Aufwand für den öffentlichen Auftraggeber könne damit minimiert, auf unerwartete Herausforderungen für den Bauablauf könne flexibler reagiert werden. »Den Beteiligten ist es bei diesem Projekt gelungen, ein anspruchsvolles Spezialgebäude für wegweisende Forschungen im Bauingenieurwesen erfolgreich bereitzustellen – ein gutes Beispiel auch für zukünftige beschleunigte Verfahren bei dafür geeigneten Projekten im Hochschulbau«, so Basten.
Starkes Signal für den Forschungsstandort
»Wir möchten in Rheinland-Pfalz klimaeffizient und nachhaltig bauen, Ressourcen schonen und so einen Beitrag für die Langlebigkeit von Gebäuden leisten. Dabei ist es wichtig, zu erforschen, wie Bauteile in realistischen Beanspruchungssituationen reagieren«, so Bau- und Finanzministerin Doris Ahnen. »Das Ziel ist es, verlässliche Aussagen dazu zu treffen, mit welchen Materialen wo effizient gearbeitet werden kann. Dem Forschungsfeld ‚Baustelle der Zukunft‘ widmet sich die TU Kaiserslautern und hat dafür erfolgreich die DFG-Großgeräteinitiative eingeworben. Die landesseitigen Investitionen in den Einbau des Groß-Computertomographen und der damit einhergehende Neubau der Strahlenschutzhalle ist ein starkes Signal für den Forschungsstandort Kaiserslautern und die TU Kaiserslautern.«
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