Nicht zuletzt angesichts der Rekordhitze und -trockenheit des heurigen Sommers drängt sich zunehmend die Frage auf, wie sich Gebäude im Brandfall effektiv schützen lassen. Derzeit werden Feuerwiderstandsnachweise in der Regel durch reale Brandversuche erbracht. Doch das ist nicht nur emissionsintensiv und technisch aufwendig, sondern auch sehr kostspielig. Eine vielversprechende Alternative haben Forscher*innen des Instituts für Brandschutztechnik und Sicherheitsforschung (IBS) nun im Projekt „ProSim“ aufgezeigt. Auf Basis realitätsnaher Simulationen können Brandprüfungen künftig virtuell durchgeführt werden.

Die Verfahrensinnovation, die auf globaler Ebene nicht weniger als ein wissenschaftliches Novum darstellt, geht auf einen mehr als zehnjährigen Entwicklungsprozess zurück, in dem die Forscher*innen reichlich Mut zur Herausforderung bewiesen. Schließlich verändern Materialien bei hohen Temperaturen ihre Eigenschaften, beginnen sich zu verformen und verlieren dabei mitunter an Tragfähigkeit. Erst durch die Kombination verschiedener Simulationsmethoden ist es gelungen, diese hochkomplexen Prozesse realitätsnah abzubilden.

Ein wesentlicher Erfolgsfaktor dafür war auch die enge Zusammenarbeit mit Unternehmen im Entwicklungsprozess. Bestes Beispiel ist der oberösterreichische Hersteller von Dach-, Wand- und Fassadensystemen DOMICO, ein langjähriger Kooperationspartner des IBS, der die Forscher*innen mit einer besonderen Herausforderung konfrontierte. So waren die zu untersuchenden Dachelemente schlichtweg zu groß, um einen herkömmlichen Brandversuch zu realisieren. Die neue virtuelle Prüfmethodik kam hier überaus gelegen, ermöglichen die ausgefeilten Simulationen doch erstmals die Testung von Übergrößen, Sonderkonstruktionen und Bestandsgebäuden. Da verwundert es kaum, dass auch internationale Anfragen, etwa aus Japan, nicht lange auf sich warten ließen.

„Mit der virtuellen Brandprüfung können wir Entwicklungszyklen um 30 % bis 50 % reduzieren“, stellt der Projektleiter Stefan Thumser klar. Der Vorteil für Hersteller von Brandschutzprodukten wie Türen oder Verglasungen sowie den Stahl- und Holzbausektor liegt auf der Hand. Gleichzeitig eröffnet die Methode neue Möglichkeiten, wenn klassische Brandversuche an technische, räumliche oder wirtschaftliche Grenzen stoßen. Folglich dürfte es nur mehr eine Frage der Zeit sein, bis simulationsgestützte Verfahren Eingang in die Normung und Zertifizierung finden.

Die Energiewende beginnt im Bestand. Gerade bei Gebäuden aus den Jahren 1950 bis 1990 ist der Sanierungsbedarf groß, mit herkömmlichen Methoden geht die Erneuerung aber oft nur sehr schleppend voran. Grund dafür sind lange Bauzeiten, ein hoher Personalaufwand und massive Belastungen für die Bewohner*innen. Im Projekt „RENVELOPE“ haben Forscher*innen von AEE – Institut für Nachhaltige Technologien ein vielversprechendes Gegenmodell entwickelt. Die serielle Sanierung mittels vorgefertigter Fassadenelemente macht die Modernisierung großer Gebäudebestände schneller, effizienter und wirtschaftlicher.

Denn hinter RENVELOPE steckt ein innovatives Baukastensystem, das unterschiedliche Fassadenaufbauten ermöglicht, aber zugleich standardisierbar und skalierbar ist. Dabei wird die Gebäudetechnik, also etwa Heiz- und Kühlsysteme oder Photovoltaik, direkt in die Gebäudehülle integriert. „Unser Ansatz war es, die essenziellen Funktionen einer thermischen und energetischen Sanierung in ein Element zu verpacken“, erklärt der Projektleiter Christoph Rohringer. Durch die industrielle Fertigung dieser multifunktionalen Fassadenelemente soll nicht nur der Montageaufwand auf der Baustelle minimiert werden, sondern auch die Belastung für die Bewohner*innen.

Gerade für einen KMU-intensiven Sektor wie die Holzbranche, die angesichts rückläufiger Neubauaktivitäten massiv unter Druck steht, kommt die Innovation gerade zur rechten Zeit. Standardisierbar, qualitätsgesichert und wirtschaftlich skalierbar, biete die serielle Sanierung ein breites Betätigungsfeld, dessen Potenzial so schnell nicht ausgeschöpft sein dürfte. „Aktuelle Studien zeigen, dass bereits jetzt 10.000 Objekte mit RENVELOPE wirtschaftlich sanierbar wären. Das sind bis 2040 zwei Gebäude pro Tag, die wir mit dieser Methode auf den neuesten Stand bringen könnten“, stellt Rohringer klar. Damit ist man der Energiewende im Bestand ein großes Stück näher.

Hochstabil und leicht zugleich – ein Widerspruch, mit dem die Leichtbauindustrie tagtäglich konfrontiert ist. So müssen Bauteile für die Automobil- und Luftfahrtindustrie hohen mechanischen Belastungen standhalten, dürfen dabei aber kein Gramm zu viel auf die Waage bringen, um den Energieverbrauch im Einsatz zu minimieren. Was herkömmliche Produktionstechnologien zunehmend an ihre Grenzen stoßen lässt, bringt den 3D-Druck ins Spiel. So ermöglicht die additive Fertigung auf Basis digitaler Vorlagen erstmals eine ressourcensparende Realisierung hochkomplexer Geometrien. Material kommt nur dort zum Einsatz, wo es für die Stabilität tatsächlich erforderlich ist. „Der entscheidende Schritt ist, das Bauteil von Anfang an neu zu denken und genau an einen tatsächlichen Lastfall anzupassen“, erklärt Christian Kneißl vom Österreichischen Gießerei-Institut. Im Projekt „3D-MeKuH“ widmete sich der Forscher mit seinem Team der Optimierung additiver Fertigungsverfahren für Metall-, Polymer- und Hybridbauteile.

Trotz der zunehmenden industriellen Etablierung des 3D-Drucks ist die Bauteilauslegung nämlich nach wie vor mit Herausforderungen verbunden. Eine davon ist die sogenannte Anisotropie. Demnach weisen Produkte aus additiver Fertigung in Abhängigkeit von ihrer Orientierung unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Ursache dafür ist unter anderem der schichtweise Aufbau, der mit einer charakteristischen Mikrostruktur einhergeht. Einflussgrößen wie Poren und Schmelzbahnen lassen sich über herkömmliche Simulationsansätze nur eingeschränkt abbilden.

Wie die Projektergebnisse belegen, ermöglicht es die entwickelte Methode, die spezifischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile bereits während der Bauteilauslegung zu berücksichtigen und gezielt für den Leichtbau zu nutzen. Für produzierende Unternehmen, insbesondere KMU, ergeben sich dadurch auf mehreren Ebenen entscheidende Vorteile. Frühzeitig optimierte Bauteile und verbesserte Prognosen des Materialverhaltens reduzieren nicht nur den Aufwand und Ressourceneinsatz im Entwicklungsprozess, sondern auch die Zahl an Fehlversuchen und Ausschüssen. So wird der 3D-Druck zum effektiven Werkzeug für mehr Sicherheit und Wirtschaftlichkeit im Leichtbau.