Beton-Flüsterer simulieren dessen Verhalten

Bauwerke aus Beton sind allgegenwärtig und stehen teilweise – wie etwa die Jahrhunderthalle in Breslau – auf der Unesco-Liste für Weltkulturerbe. Der Baustoff gilt als robust und langlebig, dennoch unterliegt er Alterungsprozessen. Zunehmend stellt sich die Frage, wie mit maroden Betonbauten verfahren werden soll. Trotz des unverwüstlich wirkenden Erscheinungsbilds setzen Witterung, Alterungsprozesse sowie chemische und biologische Einflüsse dem Material im Lauf der Zeit erheblich zu. Das sieht nicht nur unansehnlich aus, sondern gefährdet langfristig auch die Stabilität.

An der Frage, wie sich geschädigte Betonbauwerke am besten sanieren lassen, wird in der Werkstoff-Forschung schon länger gearbeitet. Lösungen werden dabei nicht mehr nur experimentell im Labor gesucht, sondern auch durch theoretische Ansätze mit Hilfe von Simulationen am Computer ermittelt. An der TU Darmstadt kommen zudem sogenannte Multiskalenmodelle zum Einsatz. Das bedeutet, dass mehrere Teilmodelle, die das Werkstoffverhalten von Beton in unterschiedlichen Größenbereichen simulieren, miteinander gekoppelt werden. So lassen sich sowohl mechanische Einflüsse (im Zentimeterbereich), als auch physikalische (auf Mikrometer-Ebene) und chemische Prozesse (im Nanometerbereich), die jeweils unterschiedlich simuliert werden müssen, gemeinsam darstellen.

Ziel ist, mit einem Computermodell das Werkstoffverhalten von Beton zu simulieren, um so Aussagen zum Langzeitverhalten treffen zu können. Dafür wird zunächst das Werkstoffverhalten von „frischem“ Beton simuliert. Darauf aufbauend folgt eine Simulation, wie sich Beton im Lauf der Zeit verändert und „altert“ und typische Schädigungen aufweist. So soll der Zustand historischer Beton-Bauwerke möglichst gut wiedergegeben werden. Zusätzlich soll sich im Modell auch darstellen lassen, ob und wie neuartige Beton-Sanierungsprodukte und -methoden auf Werkstoffebene funktionieren.

„Beton ist kein unveränderlicher Werkstoff, der immer gleich bleibt, sondern es laufen langsam aber kontinuierlich Reaktionen ab“, erklärt Professor Eddie Koenders, Leiter des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen (WiB) der TU Darmstadt. Kohlendioxid, Salze, aber auch Regenwasser und andere Umwelteinflüsse von außen sowie chemische und physikalische Prozesse im Inneren führen dazu, dass Beton seine ursprüngliche Zusammensetzung verändert und mit der Zeit an Festigkeit verliert. Die klassischen Grenzen der Werkstoffkunde hat das Forschungsteam dabei längst hinter sich gelassen.

Mit dem EU-Forschungsprojekt soll der Erhalt von Betonbauwerken grundsätzlich ermöglicht werden. Dieses ambitionierte Vorhaben macht eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Teams aus Wissenschaft und Industrie erforderlich. „Die InnovaConcrete-Gruppen arbeiten multinational und interdisziplinär – sowohl im globalen Projekt, das sich über elf Länder erstreckt, als auch unser Team hier an der TU Darmstadt“, sagt Koenders. „Um das Werkstoffverhalten von Beton am Computer zu simulieren, benötigen wir Wissen aus den Bereichen der Materialwissenschaft, der Chemie, der Physik, der Mathematik und Informatik.“ Studierende sind ebenso am Forschungsprojekt beteiligt wie Promovierende und Post-Docs. „So gelingt es uns, innovativ zu forschen“, sagt Koenders.

Die Simulation von Werkstoffverhalten mit seiner Vielzahl von Einflüssen ist mathematisch komplex und erfordert viel Rechenkapazität. Die Forschungs- und Simulationsarbeit ist daher auf Partner aufgeteilt, die über Hochleistungsrechner verfügen: Neben der TU Darmstadt sind noch die TU Delft (Niederlande), Tecnalia und das Materials Physics Center (CFM) aus Spanien sowie das belgische Studienzentrum für Kernenergie (SCK∙CEN) am Multiskalenmodell beteiligt. „Das Besondere an dieser Vorgehensweise besteht darin, dass drei unterschiedliche, hoch komplexe Simulationsmodelle aus drei verschiedenen Ländern miteinander kommunizieren müssen“, sagt Eddie Koenders. „Diese Herausforderung haben wir erfolgreich gemeistert.“

Gefördert mit Mitteln des EU-Programms „Horizon 2020“ haben sich unter Leitung der Universität Cádiz (Spanien) 29 Partner aus elf Ländern zusammengeschlossen. Um die Forschung so anwendungsnah wie möglich zu gestalten, wurden europaweit acht typische Beton-Bauwerke aus dem 20. Jahrhundert ausgewählt, die modellhaft auf Schädigungen und deren mögliche Sanierung untersucht werden. Dazu gehören das Stadio Flaminio in Rom, die Zarzuela-Pferderennbahn in Madrid und die zum Weltkulturerbe gehörende Jahrhunderthalle in Breslau.