Es wird ein neues Konzept vorgestellt, welches den Entwurf, die Berechnung und die Optimierung von Schalen aus Betonfertigbauteilen vereinfachen soll. Für das Konzept wird die neu entwickelte isogeometrische B-Rep-Analyse (IBRA) verwendet, welche für die Geometriebeschreibung ausschließlich Computer-Aided-Design-Parameter (CAD-Parameter) verwendet. Somit kann der gesamte Entwicklungsprozess der Schale, vom Entwurf bis zur Optimierung, in einem CAD-Programm durchgeführt werden.

Parabolrinnenkraftwerke gehören zu den wirtschaftlichsten Varianten der solarthermischen Kraftwerke. Bisher bestehen diese aus Stahlfachwerken mit aufgelagerten Spiegelelementen zur Strahlenkonzentration. Diese Trennung von Trag- und Reflektorstruktur soll durch eine Schalenstruktur aus (ultra-)hochfestem Beton aufgehoben werden. Dazu sind numerische Modelle entwickelt sowie spezifische Beanspruchungen und geometrische und materielle Restriktionen hergeleitet worden. Ein mehrebeniger Optimierungsprozess bildet den Grundstein für ein form- und herstellungsoptimiertes Schalentragwerk. Ein hergeleitetes Kriterium zur Strahlenkonzentration bewertet die Wirksamkeit. Die Projektpartner an der TU Kaiserslautern haben unter Leitung von Prof. Schnell die experimentelle Entwicklung betrieben und zu einem Großdemonstrator umgesetzt.

Anlehnend an die japanische Papierfaltkunst Origami wurde ein Konzept für den Entwurf und die Herstellung von gefalteten Tragstrukturen aus zementbasierten Verbundwerkstoffen entwickelt. Die räumlichen Tragstrukturen werden durch Faltung von ebenen Elementen mit vorgegebenen Faltlinien hergestellt. Durch Modifikation der Faltmuster ist eine große Vielfalt an Formen erzielbar und lassen sich die Steifigkeitsverhältnisse gezielt beeinflussen. Wegen der hohen Variabilität und der großen Anzahl von Freiheitsgraden der Faltstrukturen wurde eine numerische Simulationsplattform zur Unterstützung aller Phasen des Entwurfs und der Herstellung erstellt. Mit Modellen aus Textilbeton wurde eine Herstellmethodik entwickelt. Anhand des Entwurfs einer gefalteten Kuppel wird das Entwurfs- und Herstellkonzept demonstriert.

Betondeckenplatten sind material- und energieintensive Biegetragwerke, wenn sie – wie derzeit üblich – ebenflächig und aus einer Betonsorte hergestellt werden. Während der Projektlaufzeit wurde untersucht, in welcher Höhe das Eigengewicht und der Verbrauch an natürlichen Ressourcen reduziert werden kann, indem verschiedene, leistungsfähige Betonsorten sowohl über die Plattenhöhe als auch entlang ihrer Tragrichtung kraftflussgerecht angeordnet werden. Der Schwerpunkt der Forschung lag dabei auf der Entwicklung geeigneter Berechnungsmodelle, der Analyse maßgebender Versagensarten und der experimentellen Nachweisführung an einachsig gespannten, dreischichtigen klein- und großformatigen Deckenplatten.

Bei gekrümmten Bauformen aus Beton bestimmt die Schalung den Aufwand maßgeblich. Formaktive frei geformte Betonstrukturen sind effiziente Tragwerke, werden aber durch hohe Schalungskosten oft unwirtschaftlich. Eine wandelbare Schalung für Ortbetonstrukturen, die mehrmals einsetzbar und computergestützt immer wieder in andere Formen zu bringen ist, wird positive Auswirkungen auf die Umsetzung solcher Tragwerke haben. Dieser Aufsatz fasst die grundlegenden Erkenntnisse der Forschung zu diesen Schalungssystemen zusammen. Beschrieben werden die gefundenen Typologien der Aktuator-Schalhaut-Systeme, ihre verschiedenen Funktionsweisen, Anforderungen und geometrische Gesetzmäßigkeiten. Anhand der Entwicklung eines Materialgefüges wird der Umgang mit dem systemimmanenten Widerspruch behandelt, dass ein adaptives Schalmaterial großen Frischbetondrücken widerstehen muss, gleichzeitig aber zur Umformung ‚weich‘ zu sein hat.

Regelflächen, das sind durch die Bewegung von Geraden erzeugte Flächen, haben für den Betonleichtbau unter den Gesichtspunkten Statik und Herstellung herausragende Eigenschaften: Auch wenn sie doppelt gekrümmt sind, können sie geradlinig bewehrt oder vorgespannt werden. Außerdem kann die Schalung beispielsweise durch Heißdrahtschneiden aus Polystyrol-Hartschaum gewonnen werden. In gängigen CADSystemen ist die Klasse der Regelflächen bislang nicht angemessen repräsentiert und steht deshalb für die Bauteilgestaltung nur eingeschränkt zur Verfügung. Liniengeometrie für den Leichtbau liefert nun ein mathematisches Modell, das Regelflächen und auf sie wirkende Kräfte abbildet, und entwickelt daraus Formfindungswerkzeuge, die in einer vertrauten Entwurfsumgebung das Prinzip form follows force unterstützen.

Vor 42 Jahren veröffentlichte der Club of Rome das Buch „Die Grenzen des Wachstums'. In der Studie wurde ein Szenario entworfen, das sich ereignen könnte, wenn wir unser Verhalten auf globaler Ebene nicht änderten. Ich war 16 Jahre alt und habe das Buch förmlich verschlungen. 40 Jahre später erschien der Bericht „2052 – Eine globale Prognose für die nächsten 40 Jahre“. Seine Lektüre hat mich nicht minder gefesselt. Nach wie vor und mit kaum weniger Schärfe und Deutlichkeit stehen die Themen globale und Generationengerechtigkeit im ökologischen, ökonomischen und sozialen Sinne auf der Agenda der Menschheit. Gefragt sind langfristige Perspektiven für eine Entwicklungspolitik, die zugleich umweltschonend ist. Nachhaltigkeit – ein Prinzip, das erstmals 1713 von dem Sachsen Hans Carl von Carlowitz schriftlich formuliert wurde – gehört heute zur Vision und Philosophie fast jedes Unternehmens, prägt Wissenschaft und Bildung. Wollen wir unseren ökologischen Fußabdruck auf der Erde eingrenzen, müssen wir mit ihren Ressourcen schonender umgehen, die CO2- Emission senken, andere Wege gehen. Die Bedeutung einer nachhaltigen Entwicklung als Leitbild für die Zukunft ist international unbestritten. Das Bauwesen gehört weltweit zu den wachstumsstärksten Branchen und nimmt eine besondere Stellung ein, weil es wesentliche Bedürfnisse des Menschen wie Wohnen und infrastrukturelle Ansprüche befriedigt. Damit verbunden sind große wirtschaftliche und für die Umwelt relevante Aufwendungen. Umweltschutz im Bauwesen impliziert oft ökologisches Bauen, Sparen von Heizenergie oder den Einsatz von Materialien, die die Gesundheit der Bewohnerinnen und Bewohner nicht gefährden. Doch die ökologische Bedeutung des Bausektors erwächst vor allem aus dem Verbrauch von Ressourcen und Energie, der Verarbeitung und dem Transport von Baumaterialien sowie dem Umgang mit Bauabfällen. Welchen Beitrag können wir zum Thema Nachhaltigkeit leisten? Es ist an der Zeit,einen Paradigmenwechsel im Bauwesen herbeizuführen. Das heißt: leichter, effizienter, intelligenter bauen, ressourcenschonend denken und handeln. Einerseits geht es um Ästhetik, eine filigranere und variantenreichere Formensprache für Betonbauten bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit. Andererseits geht es um Effizienz – leichter bauen spart Material. Das wiederum reduziert vor allem im Herstellungsprozess, aber auch beim Transport und bei der Verwendung von Beton und Zement den Energieaufwand und den CO2-Ausstoß. Diese Herausforderungen gehen wir aktiv an. Vor drei Jahren haben sich Bauingenieure, Architekten, Maschinenbauer und Mathematiker aus ganz Deutschand im Schwerpunktprogramm Leicht Bauen mit Beton zusammengefunden, um Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit Beton zu erforschen. Die Ergebnisse der 1. Förderphase sind in diesem Band dargestellt. Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Einrichtung des Schwerpunktprogramms 1542, die Unterstützung und die Förderung. Ausdrücklich danken möchten wir auch den Gutachterinnen und Gutachtern, die durch ihre Tätigkeit das Schwerpunktprogramm mit gestaltet haben.

Existing reinforced concrete structures feature, as a rule, a relatively low resistance to various sorts of impact loading, such as shock, collision, or explosion. To this aim, the primary goal of the Research Training Group (in German: Graduiertenkolleg, GRK) 2250, funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), is to bring substantial improvements in the impact resistance of existing buildings by applying thin layers of strengthening material. By using innovative mineralbonded composites, public safety and reliability of vitally important existing structures and infrastructure should be significantly enhanced. The scientific basis to be developed will additionally enable to build new, impact-resistant structures economically and ecologically. The framework of the GRK 2250 as well as some achievements are herein briefly presented.

Ingenieurbauwerke sind zentrale Elemente der technischen Infrastruktur eines Landes. Ihr sicheres Funktionieren ist von entscheidender Bedeutung für die Daseinsvorsorge und die wirtschaftliche Entwicklung. In den letzten Jahren sind vor allem die bestehenden Brückenbauwerke in den Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit geraten. Zum einen wird nach langen Erklärungsbemühungen der Bauverwaltungen nun auch seitens der Politik endlich wahrgenommen, dass sich der Zustand der Bauwerke in den vergangenen Jahrzehnten merklich verschlechtert hat. Zum anderen sorgen die jüngsten unplanmäßigen Brückensperrungen auf Autobahnen und Eisenbahnstrecken für Verkehrsinfarkte und heftige Verspätungen. Die Bundesrepublik Deutschland verfügt über einen Bestand von ca. 40.000 Brücken auf Bundesfernstraßen mit einer Gesamtfläche von ca. 32 Millionen Quadratmetern. Der überwiegende Teil dieser Bauwerke besteht aus Stahlbeton und Spannbeton. Hinzu kommen ca. 26.000 Eisenbahnbrücken mit einer Gesamtbrückenfläche von ca. 9 Millionen Quadratmetern, ebenfalls weitgehend in Massivbauweise. Mit einem durchschnittlichen Preis von 3.500 €/m² für Straßenbrücken und von 10.000 €/m² für Eisenbahnbrücken hätten diese Bauwerke einen Wiederbeschaffungsneuwert von etwa 200 Milliarden Euro, was etwa 25 % der gesamten jährlichen Steuereinnahmen von Bund und Ländern entspricht. Hinzu kommen nochmals etwa 70.000 Brückenbauwerke im kommunalen Bestand. Der Brückenbestand Deutschlands stellt damit ein riesiges Anlagevermögen dar. Ihn vollständig zu erneuern würde erhebliche Aufwendungen verursachen. Deshalb kommt der kontinuierlichen Instandhaltung und Sanierung der Brückenbauwerke eine entscheidende Bedeutung zu.

Historische Gewölbebrücken im Netz der Deutschen Bahn sind sowohl wichtige Infrastrukturobjekte als auch prägende Kulturgüter. Viele der über 6.000 Gewölbebrücken befinden sich in einem überalterten Zustand und sind für den Abbruch vorgesehen. Eine Teilerneuerung dient weitestgehend dem Erhalt der tragenden Struktur der Bestandsbrücken. Vergleichsbetrachtungen an Gewölben mit einem Bogen und unterschiedlichen Bogenformen sind Voraussetzung für die Ableitung statisch und konstruktiv sinnvoller, ressourcenschonender, wirtschaftlicher sowie baukulturell verträglicher Sanierungskonzepte. Diese stehen immer im Zusammenhang mit den vorliegenden Schadensbildern.