Ende November 2019 war es so weit: Der Hochmoselübergang, eines der bedeutendsten großräumigen Verkehrsprojekte bundesweit, wurde für den Verkehr freigegeben. Zu dem Projekt gehört auch die 1,7 Kilometer lange und rund 160 Meter hohe Hochmoselbrücke bei Zeltingen-Rachtig/Ürzig. Sie zählt zu den höchsten Brücken Deutschlands und war während ihres Baus Europas größte Brückenbaustelle. Von Christoph Berger

Der Hochmoselübergang mitsamt der Hochmoselbrücke ist das Herzstück der neuen Bundesstraße „B 50 neu“. Diese ist Teil der Fernstraßenverbindung von den belgischen und niederländischen Nordseehäfen bis in das Rhein-Main- Gebiet, die die Fernstraßenlücke der A 60 bei Wittlich in Richtung Mainz schließen soll. Dazu wird die B50 auf rund 41 Kilometern neu- beziehungsweise ausgebaut. Mit der Errichtung der Brücke wurde eine Arbeitsgemeinschaft gegründet, die aus der Eiffel Deutschland Stahltechnologie GmbH, Eiffage Construction Metallique Frankreich und der Porr Deutschland GmbH besteht und die mit der Errichtung der Brücke beauftragt wurde. Bauherrin ist die Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch den Landesbetrieb Mobilität Rheinland-Pfalz (LBM).

Bei der Brücke handelt es sich um eine Balkenbrücke. Sie ist 1,7 Kilometer lang und rund 160 Meter hoch – zum Vergleich: Der Nordturm des Kölner Doms ist 157,38 Meter hoch. Wie ein Schwebebalken legt sich auch der Überbau der Brücke selbst über das Moseltal – einteilig und als über elf Felder durchlaufende, stählerne Balkenbrücke mit orthotroper Fahrbahnplatte ausgeführt. Zehn Brückenpfeiler wurden dafür errichtet. Die besondere Herausforderung, so heißt es in der Projektbeschreibung von Porr, lag vor allem aufgrund der Höhe, Form, Gründungsparameter und Masseverteilung in der Untersuchung des Lastfalles der wirbelerregten Querschwingungen.

Für diesen bemessungsmaßgebenden Lastfall wurden Pfeilermodelle im Windkanal getestet, Untersuchungen zur Verminderung durchgeführt, Maßnahmen zur Vermeidung der wirbelerregten Querschwingungen entwickelt und in der Praxis erfolgreich umgesetzt. So weisen die Pfeiler einen besonderen Querschnitt auf: in Längsrichtung eine konische Form und in Querrichtung eine starke Taillierung. 2011 wurde mit den Bauarbeiten begonnen, im August 2018 fand nach einer Bauzeit von sieben Jahren der Brückenschluss statt.

B50 Hochmoselübergang

www.hochmoseluebergang.rlp.de

Danach galt es, den bauzeitigen Pylon zu demontieren, die Fahrbahnplatten im Bereich der Kragarmspitze zu montieren, die Brücke abzusenken und die Lager einzubauen sowie die Übergänge an den Widerlagern herzustellen. Außerdem mussten die Fahrbahnbeläge sowie die Asphaltarbeiten durchgeführt werden. Und nun, 2019, ist die Brücke fertiggestellt und für den Verkehr freigegeben. An dem Bauprojekt war auch die Fachrichtung Bauingenieurwesen der Hochschule Trier mit einem Forschungs- und Entwicklungsprojekt beteiligt. Mit einem weltweit einzigartigen Lasermesssystem hat das Institut für standardsoftware- basierte Anwendungen im Bauingenieurwesen (ISA) die Sicherheit des hochkomplexen Taktschiebevorgangs dokumentiert.

Zwischen der 53. und 54. Straße in New York City, westlich des Museum of Modern Art , entsteht derzeit ein Turm der Superlative: der 53W53. Entworfen wurde er vom Pritzker-Preisträger Jean Nouvel. Von Christoph Berger

Das Lob eilte der Fertigstellung bereits voraus. Nicolai Ouroussoff, ehemaliger Architekturkritiker der New York Times, sagte zu 53W53: „53 West 53 ist die architektonisch bedeutendste Ergänzung der Skyline von Manhattan in den letzten Jahren.“ Dafür sorgt nicht allein die Höhe des Turms mit 320 Metern und den sich darin befindenden 82 Stockwerken sowie seine Lage – das Gebäude ist unter anderem in den Campus des Museum of Modern Art (MoMA) integriert, im Sockel des Gebäudes befinden sich drei Stockwerke für die MoMA-Ausstellungen und den Museumsaufbau.

Auch die sich mehrfach verjüngende Fassade und das freiliegende Konstruktionssystem verleihen dem Turm Einzigartigkeit. Ein 1300 Tonnen schweres abgewinkeltes Diagonalsäulensystem verspannt den Turm mit der zusätzlichen Verstärkung eines massengestimmten Dämpfers im 75. Stockwerk. Dämpfer sind dazu da, beispielsweise durch Wind verursachte Schwankungen in Gebäuden auszugleichen. In der Projektbeschreibung heißt es zudem, dass die 139 superluxuriösen Eigentumswohnungen durch dreifach verglaste, raumhohe Fenster vor Außengeräuschen und Temperaturschwankungen geschützt, sowie horizontale und vertikale Schalldämmung für akustische Privatsphäre sorgen würden.

53 West 53 ist die architektonisch bedeutendste Ergänzung der Skyline von Manhattan in den letzten Jahren.

Ebenfalls im Angebot für die Bewohner: ein Wellnesszentrum mit Pool, vertikale Gärten, ein Fitnessstudio, ein Squashplatz und ein Golfsimulator. Der Concierge-Service ist für Immobilien dieser Kategorie in Big Apple ja schon obligatorisch. Immerhin werden die Preise für die Wohneinheiten zwischen drei und 70 Millionen Dollar angegeben.

Weitere Informationen

www.53w53.com

An dem einzigartigen Bauprojekt waren auch einige europäische Unternehmen beteiligt. Die Krane, die zum Bau des Turms eingesetzt wurden, stammten von Liebherr: Der erste Kran arbeitete mit einer Ausladung von 45 Metern und kletterte auf 131 Meter. Die Ausladung des zweiten Verstellauslegerkrans betrug 60 Meter, er kletterte auf eine Turmhöhe von 216 Metern. Errichtet wurde er auf einem Podest außerhalb des Gebäudes auf der 20. Etage, von wo er die Endhöhe von 320 Metern erreichen konnte. Das bereits erwähnte Dreifachglas, von dem es rund 6000 Paneele gibt, stammt von der Interpane Glas Industrie AG aus Lauenförde in Niedersachsen.

Anfang 2015 wurde mit den Bauarbeiten von 53W53 begonnen, 2018 erreichte der Turm seine finale Höhe von 320 Metern. Damit rangiert er laut skyscraperpage.com an zwölfter Stelle der höchsten Gebäude New Yorks. Angeführt wird die Liste vom One World Trade Center mit 546,2 Metern inklusive Antenne, die Dachhöhe liegt bei 417 Metern. Im letzten Quartal 2019 ist die Eröffnung des 53W53 geplant. Verwirklicht wurde das Projekt durch das internationale Immobilienunternehmen Hines in Zusammenarbeit mit Goldman Sachs und Pontiac Land.

Das Projekt 53W53

Adresse: 53 West 53rd Street, New York, NY

Umgebung: Zentrum von Manhattan, angrenzend ans MoMA

Gebäudedetails: knapp 47.000 Quadratmeter Fläche, 82 Stockwerke, 320 Meter Höhe

Architekt: Ateliers Jean Nouvel
Entworfen wurde 53W53 von Pritzker-Preisträger Jean Nouvel. Der Turm beherbergt 162 hochwertige Eigentumswohnungen, die vom Büro von Thierry Despont entworfen wurden. Darüber hinaus sind in den unteren Stockwerken des Gebäudes auf drei Stockwerken neue Ausstellungsflächen für das MoMA untergebracht.

www.jeannouvel.com

Im September 2019 wurde im Fachjournal „PNAS“ eine Studie vorgestellt, nach der es im Labormaßstab gelungen sein soll, mit einer elektrochemischen Methode Zement herzustellen. Die Zementproduktion zählt zu den größten industriellen Verursachern von CO2- Emissionen. Mit der neuen Methode soll sich die Zementproduktion allein durch erneuerbare Energien betreiben lassen. Von Christoph Berger

Laut den Studienautoren, Wissenschaftlern des Massachusetts Institut of Technology (MIT), ist die Zementproduktion für acht Prozent der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Daher machte sich ein Team um Yet-Ming Chiang, Kyocera-Professor für Materialwissenschaft und -technik am MIT, daran, eine Methode zu entwickeln, mit der sich die Emissionen nicht nur vollständig eliminieren, sondern auch noch andere Produkte daraus herstellen lassen. „Für jedes Kilogramm Zement, das heute hergestellt wird, wird etwa ein Kilogramm Kohlendioxid freigesetzt“, sagt Chiang. Somit komme man auf drei bis vier Gigatonnen (Milliarden Tonnen) Zement und Kohlendioxidemissionen, die momentan jährlich produziert würden.

Portlandzement, die am weitesten verbreitete Standardsorte, wird hergestellt, indem Kalkstein gemahlen und dann bei hoher Hitze mit Sand und Ton gekocht wird, der durch Verbrennung von Kohle entsteht. Das Verfahren produziert Kohlendioxid auf zwei verschiedene Arten: durch die Verbrennung der Kohle und durch die Gase, die während der Erwärmung aus dem Kalkstein freigesetzt werden. Die Idee der MIT-Forscher war es nun, das bisherige fossile brennstoff-abhängige System durch einen elektrochemischen Prozess zu ersetzen. Der neue Prozess würde beide Quellen eliminieren oder drastisch reduzieren, sagt Chiang. So könnte der neue Ansatz auf die Verwendung fossiler Brennstoffe für den Heizprozess verzichten und Strom aus sauberen, erneuerbaren Quellen ersetzen. Doch darüber hinaus würde mit dem neuen Verfahren das gleiche Zementprodukt produziert wie bisher.

Im Mittelpunkt des neuen Verfahrens steht der Einsatz eines Elektrolyseurs. Während an der einen Elektrode Kalksteinmehl in Säure gelöst und hochreines Kohlendioxid freigesetzt wird, fällt an der anderen Elektrode Calciumhydroxid, allgemein bekannt als Kalk, aus. Das Calciumhydroxid kann dann in einem weiteren Schritt zu dem Zement verarbeitet werden, der meist aus Calciumsilikat besteht. Und: Das Kohlendioxid in Form eines reinen, konzentrierten Stroms könne leicht abgetrennt und zu Mehrwertprodukten wie beispielsweise einem flüssigen Kraftstoff als Benzinersatz verarbeitet werden. Im Ergebnis werde also beim gesamten Prozess kein Kohlendioxid an die Umwelt abgegeben, sagt Chiang.

Noch nicht in industriellen Maßstab übertragbar

Berechnungen hätten zudem gezeigt, dass der Wasserstoff und der Sauerstoff, die ebenfalls im Prozess emittiert werden, rekombiniert werden könnten, zum Beispiel in einer Brennstoffzelle. Oder sie könnten verbrannt werden, um genügend Energie zu erzeugen, um den gesamten Rest des Prozesses zu befeuern. Allerdings sei das neue Verfahren noch längst nicht in einen industriellen Maßstab übertragbar, wie die Forscher selbst eingestehen. Bisher sei die Methode nur im Labormaßstab gelungen, für eine breitere Anwendung seien noch viele weitere Arbeiten notwendig. Ein Aspekt, den auch Prof. Dr. Dietmar Stephan vom Fachgebiet Baustoffe und Bauchemie am Institut für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin hervorhebt.

„Die vorgestellte Syntheseroute über ein elektrochemisch hergestelltes Zwischenprodukt unterscheidet sich erheblich von den bisherigen Syntheseverfahren, die in erster Linie auf thermisch initiierten Reaktionen beruhen. Eine Implementierung dieses Ansatzes im größeren Maßstab würde Jahrzehnte dauern und damit weder kurz- noch mittelfristig ein Potenzial zur Entlastung der CO2-Emissionen bieten. Zudem müssten zusätzlich zur Umstellung des bisherigen Strombedarfs auf regenerative Erzeugung auch gigantische zusätzliche Mengen an regenerativer elektrischer Energie erzeugt werden.“ Prinzipiell hält er die Methodik der Studie aber für nachvollziehbar und im Ansatz für innovativ – das Verfahren sei potenziell dafür geeignet, Calciumhydroxid für großtechnische Prozesse herzustellen.

Die Studie

Link zur vorgestellten Studie „Toward electrochemical synthesis of cement – An electrolyzer-based process for decarbonating CaCO3 while producing useful gas streams“.

Allerdings merkt Stephan auch an: „Für die Herstellung von Portlandzement kann jedoch auch mit der vorgeschlagenen Methode nicht auf einen energieintensiven Hochtemperaturprozess bei etwa 1500 Grad Celsius verzichtet werden. Vorteile gegenüber der konventionellen Herstellung von Portlandzement können sich nur ergeben, wenn reiner Kalkstein eingesetzt wird und die verwendete elektrische Energie vollständig regenerativ erzeugt wird und extrem günstig ist.“ Doch auch unter diesen Voraussetzungen seien die Einsparungen sehr begrenzt, da der Calciumgehalt im Portlandzement hoch sei und deshalb immer entsprechend viel CO2 durch die Zersetzung des Ausgangsstoffes Kalkstein freigesetzt werde. Stephan plädiert daher – zumindest im Moment – für einen anderen Weg: „Auf der Suche nach kurz- und mittelfristigen Alternativen zum Zement auf Basis von Portlandzement bleibt festzustellen: Das größte und schnellste Potenzial zur Einsparung von CO2 ergibt sich durch den sparsameren Umgang: dauerhaftere Auslegung von Bauwerken, Instandsetzung statt Abriss und Neubau sowie geringere Wohn- und Nutzflächen sowie eine effizientere Nutzung der gebauten Infrastruktur. Alternative Baustoffe mit geringerem CO2-Fußabdruck dürfen zudem nicht automatisch ausgeschlossen werden, nur weil sie kurzfristig preislich teurer sind.“

Ohne den Einsatz von Maschinen: Wissenschaftler schafften es, Holz mithilfe eines kontrollierten Trocknungsprozesses in eine zuvor berechnete Form zu bringen. Von Christoph Berger

Im Rahmen der Remstal Gartenschau 2019 bei Stuttgart wurde auch ein Turm gezeigt, der sich wie von selbst in eine Höhe von bis zu 14 Metern zu drehen scheint. Errichtet wurde er im Mai 2019 von Forschenden der ETH Zürich und der schweizerischen Empa in Zusammenarbeit mit Ingenieuren und Architekten der Universität Stuttgart sowie der Schweizer Holzbaufirma Blumer-Lehmann. Das Projektteam nutzte dabei eine Methode, mit der sich Holzplatten, also massive Holzbauelemente, in einem kontrollierten Trocknungsprozess ohne Maschinenkraft selbst in eine zuvor berechnete und vordefinierte Form biegen. Bisher gelang ein solcher Umformungs- und Biegeprozess nur durch den Einsatz großer und energieintensiver Maschinen, die das Holz in die gewünschte Form pressen.

In der im Fachmagazin Science Advances veröffentlichten Studie „Analysis of hygroscopic self-shaping wood at large scale for curved mass timber structures“ erklären die Wissenschaftler den Prozess. Sie übertrugen dafür aus der Natur bekannte Mechanismen, die bereits bei kleinen biomedizinischen Geräten zum Einsatz kommen, mithilfe modernster Modellierungstechnologien in einen großen Maßstab: So basiert das Verfahren der Selbstformung auf dem natürlichen Quellen und Schwinden von Holz in Abhängigkeit seines Feuchtegehalts: Trocknet feuchtes Holz, zieht es sich senkrecht zur Faserrichtung stärker zusammen als längs der Faserung. Ein normalerweise unerwünschter Prozess.

Die Studie

Studie „Analysis of hygroscopic selfshaping wood at large scale for curved mass timber structures“ mit allen relevanten technischen Details.

Doch hier machen ihn sich die Forschenden zunutze, indem sie jeweils zwei Holzschichten so zusammenkleben, dass ihre Faserungen unterschiedlich orientiert sind. Die so entstandene Holzplatte mit zweilagigem Aufbau, „Bilayer“ genannt, ist der Grundbaustein der neuen Methode. „Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Bilayers sinkt, schrumpft eine Schicht stärker als die andere. Da die beiden Schichten fest miteinander verklebt sind, biegt sich das Holz“, erklärt Markus Rüggeberg von der ETH und der Empa. Und Dylan Wood, Leiter der Forschungsgruppe Material-Programmierung am Institut für Computerbasiertes Entwerfen der Universität Stuttgart, fügt an: „Der ausgeklügelte Einsatz der Selbstformung ermöglicht es uns, einem uralten Baumaterial wie Holz neue Funktionen zu verleihen.“ Wobei die Verformung keineswegs dem Zufall überlassen wird. Denn je nach Dicke der Schichten, Orientierung der Fasern und dem Feuchtegehalt kann im Vorfeld mit einem Computermodell berechnet werden, wie sich das Grundbauelement während der Trocknung verformt. Die Forschenden nennen diesen Prozess „Holz-Programmierung“.

Hat ein Bilayer seine Soll-Form eingenommen, kann er mit weiteren gleichartig geformten Bilayern verklebt werden. So werden benötigte Materialstärken für eine praktische Anwendung als Brettsperrholz erreicht. Zudem weisen gebogene Bauteile für Dachkonstruktionen und Wände im Vergleich zu flachen Teilen eine höhere strukturelle und materialwissenschaftliche Leistungsfähigkeit auf. Und sie eröffnen neue gestalterische Möglichkeiten. Der Urbach Turm der Remstaler Gartenschau zeigte nun, dass sich die neue Methode auch für groß dimensionierte Holzbauten eignet.

Stahlbetonbrücken haben vor allem einen Nachteil: Korrosion. Durch Risse im Beton dringt Wasser in das Bauwerk ein und beschädigt die Stahlbewehrung. Verhindert werden könnte dies durch den Austausch des Stahls durch Carbon. Im Mai 2019 wurde die weltweit erste integrale vorgespannte Carbonbeton-Brücke zu Forschungszwecken an der TU Berlin aufgebaut. Von Christoph Berger

Noch dient die Brücke, die in der Peter-Behrens-Halle des TU-Berlin-Instituts für Bauingenieurwesen auf dem historischen AEG-Gelände in Berlin- Wedding aufgebaut ist, nur Tests und Experimenten. Doch die Zeit drängt. Denn es ist bereits längst kein Einzelfall mehr, dass Brücken wegen Schäden zeitweilig gesperrt werden müssen. Laut der TU Berlin müssen rund die Hälfte der 40.000 zwischen 1960 und 1985 gebauten Brücken in Deutschland in naher Zukunft ausgetauscht werden. Der Grund: Korrosion an der Stahlbewehrung. Geht es nach den Bauingenieuren der Universität, kommt bei den Neubauten ein neuer Verbundbaustoff zum Einsatz: Carbonbeton. Genau daraus besteht die bei ihnen zu Forschungszwecken aufgebaute Testbrücke.

„In einem Tragwerk aus Beton mit Carbonbewehrung muss die Bewehrung vorgespannt werden, um dieses Hochleistungsmaterial voll auslasten zu können. Mit diesen vorgespannten Tragwerken beschäftigen wir uns hier am Fachgebiet vor allem“, erklärt Dr.- Ing. Alex Hückler, der das Projekt „C3 – Carbon Concrete Composite“ an der TU Berlin koordiniert. Er erklärt weiter: „Die Vorspannung der in den Beton eingebetteten Bänder und Seile aus Carbon muss über die gesamte Länge der Brücke tragen, Schwingungen zulassen, Bruchfestigkeit und Stabilität garantieren.“

Die Zukunft wird den schlanken, materialreduzierten und damit nicht nur kostengünstigeren, sondern auch umweltfreundlicheren Strukturen für Straßen, Brücken und Gebäude gehören.

Die Vorteile von Carbon sind dabei vielfältig und liegen nicht nur darin, dass der Baustoff nicht korrodiert. Allerdings hat auch dieser Umstand schon zur Folge, dass die Spannseile mit weniger Beton ummantelt werden müssen, dies sogar mit porösem Leichtbeton möglich ist. Das führt zu einem deutlich geringeren Gewicht. Darüber hinaus ist Carbonbeton auch strapazierfähig, robust, ressourcenschonend und wirtschaftlich.

Doch Sicherheit geht vor. Daher sind trotz des beschriebenen Zeitdrucks noch allerhand Prüfungen an der Testbrücke vorzunehmen, bevor eine solche Brücke mit einer sechsspurigen Autobahn und einer Durchfahrtshöhe und -breite von 4,70 mal 36 Meter eine Straße oder einen Fluss überspannt. Rund ein Jahr lang werden dazu tonnenschwere Gewichte auf der Testbrücke im Wedding lagern. „Für die Untersuchungen befinden sich die vorgespannten Carbonlitzen in einem dünnen Kanal quer durch die Brücke. So kann man von Zeit zu Zeit mit Mini-Kameras kontrollieren, wie sich das Material innerhalb der Brücke unter Belastung verhält, oder welche Ermüdungserscheinungen auftreten“, erklärt Hückler.

Doch diese Anstrengungen werden sich laut seiner Meinung lohnen: „Die Zukunft wird den schlanken, materialreduzierten und damit nicht nur kostengünstigeren, sondern auch umweltfreundlicheren Strukturen für Straßen, Brücken und Gebäude gehören.“