Innovative Brick 2 Entwicklung virtueller Labore zur Optimierung von Ziegelmauerwerk unter Berücksichtigung des Produktionsprozesses
Massivbauweise mit Ziegel zählt im Wohnbau aufgrund bauphysikalischer Vorteile, der hohen Einsatzflexibilität und der Wirtschaftlichkeit zu den am weitest verbreiteten Bausystemen. Dennoch stagniert dessen Optimierung bzw. wird innovative Neuentwicklung durch fehlende Prognose-werkzeuge und umfassender wissenschaftlicher Aktivität stark gehemmt. Ziel dieses Projektes ist daher die komplette Neuausrichtung von Forschungs- und Entwicklungsprozessen in der Ziegelindustrie durch die Schaffung von Grundlagen für sogenannte virtuelle Labore. Diese sollen, auf Basis von mechanisch fundierten Mehrskalenmodellen, eine Performanceabschätzung von Mauerwerk in Abhängigkeit dessen (mikro)struktureller Charakteristika ermöglichen. Bereits experimentell identifiziertes Optimierungspotential in Bezug auf Ziegelscherbenmischungen als auch dem Produktionsprozess soll damit zielgerichtet gehoben werden. Ein effizienterer Ressourceneinsatz im Produktionsprozess, Heizenergieeinsparungen und eine bessere Ausnutzung baulicher Flächen sind zu erwarten.
Ausgangssituation
„Prognosemodelle für die Performance von Ziegel und Ziegelscherben in Abhängigkeit der Tonmischung, Porosierungmittel und Produktionsparameter, wie z.B. Brenntemperatur, existieren nicht.“
„Aktuelle Entwicklung beruht auf Erfahrungswerten von Einzelpersonen und erfordert hohen Versuchsaufwand und ist daher stark innovationshemmend.“
„Theoretisch kann die Porenanzahl und Struktur auf jeder Längenskala im Ziegel bewusst im Produktionsprozess gesteuert, und damit die Performance von Ziegel stark verändert werden.“
„Spärliche wissenschaftliche Basis im Vergleich zu anderen Baumaterialien.“
Projektverlauf
Physikalisch fundierte Modelle zur Bestimmung der effektiven thermischen als auch mechanischen Eigenschaften von Ziegel, beginnend bei der Mikrostruktur bis hin zu Mauerwerksverbänden, sollen entwickelt und in drei sogenannte virtuelle Versuchslabore implementiert werden. Aktuelle wissenschaftliche Methoden und Konzepte aus den Bereichen Mehrskalenmodellierung, Kontinuum-Mikromechanik und numerischer Versagens-modellierung, sowie ausgereifte stochastische Konzepte zur Berücksichtigung von Defekt-verteilungen in Mauerwerk, sollen dabei zur Anwendung kommen. Mit solch virtuellen Versuchslaboren ist es letztendlich möglich Optimierungspotential für Ziegelscherben, Ziegel und Mauerwerkssysteme zu identifizieren und in effizienter Weise im Produktionsprozess umzusetzen. Dadurch würde die Grundlage für eine komplette Neuausrichtung der bestehenden Forschungs- und Entwicklungsprozesse in der Ziegelindustrie, und darüber hinaus in verwandten Industriebereichen, geschaffen und die weltweite Innovations-führerschaft von Österreich in diesem Bereich sichergestellt bzw. ausgebaut.
Meilensteine
- Die Mikrostruktur von den wichtigsten europäischen Tonmischungen (gebrannt) ist erstmals vollständig identifiziert, bis hinunter zu Längenskalen von wenigen Mikrometern.
- Die Wärmeleitfähigkeit als auch die mechanischen Eigenschaften von Ziegel können erstmalig mit einem Computermodell vorhergesagt – und dadurch auch optimiert – werden.
- Die entwickelten Modelle sind über ein Webtool leicht zu verwenden und heben das internationale Niveau der Ziegelentwicklung, -forschung und -produktion.
"Den Stellenwert von Stahl und Beton im letzten Jahrhundert werden die nachhaltigen Materialien Holz und Ziegel im nächsten Jahrhundert erreichen."
– Josef Füssl –
Ergebnisse
Durch die oben erwähnten Verbesserungspotentiale auf mehreren Ebenen kann eine, durch numerische Simulationen bereits nachgewiesene, Energieeinsparung von bis zu 15 % im Produktionsprozess erwartet werden. Die Größe der möglichen Reduktion der Treibhaus-gasemissionen durch die Erhöhung der Wärmedämmwirkung bei gleichzeitig schlankeren Wandkonstruktionen wurde mit 31% für Wohnflächen abgeschätzt.
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Josef Füssl
Josef Füssl ist Professor am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen an der TU Wien und leitet einen Forschungsbereich der sich mit Materialsimulation und Strukturmechanik beschäftigt. Hauptfokus ist die Entwicklung und Anwendung von computerbasierten mechanischen Konzepten zur Beschreibung und Optimierung bestehender Baumaterialien sowie die Entwicklung von neuen innovativen Bauprodukten. Ein Hauptaugenmerk ist dabei die Steigerung der mechanischen und thermischen Performance bei gleichbleibendem oder sogar geringerem Materialeinsatz. Ein Beitrag für ressourcenschonende, hocheffiziente und nachhaltige Bauweisen soll damit geleistet werden.
Josef Füssl forschte in 2016 ein Jahr lang an der renommierten University of Oxford und erhielt im Jahr 2018 den START Preis des FWF im Bereich der Holzforschung. Die Erforschung von nachhaltigen Baumaterialien sind ihm also ein besonderes Anliegen.
Thomas Kiefer
Thomas Kiefer ist Postdoc am IMWS und hat im Jahr 2020 den Resselpreis der TU Wien für die beste Dissertation, durchgeführt im Rahmen des Projekts Innovative Brick, in Kooperation mit einem Industriepartner erhalten.
Thomas Buchner
Thomas Buchner ist Dissertant am IMWS und beschäftigt sich mit der Identifikation und Modellierung der Mikrostruktur von Ziegelscherben. Er weiß mittlerweile warum sich Ziegel so verhält wie er sich verhält.
Raphael Suda ist ebenso Dissertant am IMWS und beschäftigt sich mit der Simulation von Versagensprozessen in Ziegel und Mauerwerk. Er weiß wo vermutlich die nächsten Risse aufgehen werden und ist dabei dies durch innovative Ansätze zu verhindern.
Steckbrief
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Projektnummer86567
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Koordinator
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ProjektleitungJosef Füssl, josef.fuessl@tuwien.ac.at
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Partner
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SchlagwörterEnergieffiziente Bauprodukte, Energieffiziente Produktion, Mechanische Modellierung, Thermische Ziegeloptimierung
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FörderprogrammEnergieforschungsprogramm
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Dauer06.2018 - 05.2022
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Budget85.400 €
