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The project focuses on enhancing the efficiency of structural reliability analysis, which estimates the failure probability of structures to ensure construction safety. Traditional methods for calculating this probability are computationally expensive due to the need for numerous evaluations of the structural model. The project aims to reduce this computational cost by employing model reduction techniques. Therefore, the Proper Generalized decomposition (PGD) approach is applied to generate computationally efficient parametric surrogate models. The PGD surrogate is coupled with an iterative reliability approach to reduce the computational time needed to estimate the failure probability. The strategy involves iterative refinement of the PGD model to improve and control the accuracy and uses importance sampling and the idea of subsets to approximate the failure probabilities. The method has been validated with examples such as a uniaxial truss and a bridge cross-section, achieving significant computational speed-ups. Furthermore, the PGD surrogate is embedded in a Bayesian inference framework to enhance the efficiency of model parameter estimation. Therefore, the PGD model is extended to handle random field variables, allowing for the simulation of nonlinear damage phenomena within a linear elastic setting. An adaptive strategy is implemented including an iterative refinement of the PGD model ensuring high accuracy in parameter estimation. The project utilizes measurement data from a pre-stressed concrete bridge to develop and test the new approach. Furthermore, a PGD approach for the transient heat problems in wire arc additive manufacturing (WAAM) is derived. These problems are not separable and require a special treatment. A mapping approach is extended to transform multiple-layer WAAM problems into separable forms, allowing the computation of efficient PGD models. Afterwards, the PGD surrogate is used in an optimization framework allowing efficient parameter optimization. Within the project, a Python-based PGD module based on the open-source finite element solver (FEniCs) is derived allowing the generation of PGD models for various (not only solid mechanical) problems. The source code is published on Zenodo and available on GitHub. The developed approaches and extensions on the PGD approach for complex models enable the efficient handling of usually computationally expensive engineering problems, such as reliability analysis, parameter estimation, or optimization, in a very efficient way and with that smoothing the path to digital twins.

Zielstellung des Projekts REALight war die Herstellung von Leichtgranulaten (lightweight aggregates, LWA) aus mineralischen Bau- und Abbruchabfällen auf einer Referenzanlage zur unter Erweiterung der Technologie für die Nutzung weiterer Einsatzstoffe und zur Gipsrückgewinnung. Dies ist Voraussetzung für die Übertragung der Produkt- und Verfahrensidee in die Praxis und den Nachweis der Sulfatabtrennung und -rückgewinnung aus gipshaltigem Material. Es werden Untersuchungen zur Verbreiterung der Rohstoffbasis durch Einkopplung spezifischer Stoffströme durchgeführt. Im Ergebnis soll das zu einer Reduktion des Blähmittelbedarfs und einer Absenkung der Brenntemperatur führen. Die Herstellung ausreichender Mengen an Leichtgranulaten für die umfassende Charakterisierung nach Norm und die Praxiserprobung in bekannten Anwendungen und neuen Einsatzfeldern war ebenfalls Gegenstand des Projekts. Das Verbundprojekt wurde durch die Bauhaus-Universität Weimar koordiniert. Am Projekt waren 12 Partner aus verschiedenen Bereichen der Baustoffherstellung und -anwendung, Abfallaufbereitung, Verfahrenstechnik sowie Forschung und Entwicklung beteiligt. Die Leichtgranulate wurden in einer Pilotanlage der IAB - Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH in hergestellt. Untersuchungen zur Anwendung der leichten Gesteinskörnungen erfolgten bei den einzelnen Projektpartnern in hydraulisch gebundenen und ungebundenen Systemen. Die Einbeziehung von mehreren kleinen und mittelständischen Unternehmen trägt unmittelbar dazu bei, den Innovationsgehalt des Projekts in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit, die Nutzung und die Eignung der Produkte für marktfähige Anwendungen nachzuweisen. Gleichzeitig geben die Unternehmen Anforderungen an die Eigenschaften der Leichtgranulate vor. Dazu wurden in das Projekt nicht nur zwei unterschiedliche Recyclingspezialisten einbezogen, sondern auch vier Unternehmen, die jeweils für die unterschiedlichen Anwendungsgebiete stehen. Das Projekt war in 12 Arbeitspakete gegliedert, die aufgrund ihrer Komplexität ineinandergriffen. Das Verbundprojekt kann auf der Basis des wissenschaftlich-technischen Innovationsgehalts in folgende Schwerpunkte unterteilt werden: • Rohstoffassessment zur Erweiterung der Rohstoffbasis über Bau- und Abbruchabfälle hinaus einschließlich Vorbehandlung und Aufbereitung • Herstellungstechnologie der Leichtgranulate in der Pilotanlage • Applikation der Granulate in Leichtbetonen, Mörteln, Mörteltrockenmischungen und ungebundenen Systemen • Sulfatentfrachtung von gipshaltigen Inputmaterialien und Erzeugung von REA-Gips Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Bauen und Mineralische Stoffkreisläufe (ReMin)“ als Teil der BMBF Strategie „Forschung für nachhaltige Entwicklung – FONA“ gefördert. Die Eignung von heterogenem ziegelhaltigen Bauschutt als Ausgangsstoff zur Herstellung von leichten Gesteinskörnungen in einem mehrstufigen Prozess wurde im Labor und im Pilotmaßstab nachgewiesen. Das Projekt REALight stellt einen weiteren Schritt für das Scale-up der Technologie dar. Erstmals wurde auch die Möglichkeit der Sulfatentfrachtung näher untersucht. Gleichzeitig wird es durch den Einsatz der in einer Pilotanlage hergestellten großen Materialmengen möglich, in einem umfangreicheren Prüfprogramm die Leistungsbeständigkeit als leichte Gesteinskörnung zu untersuchen. Gleichzeitig können vielfältige Anwendungen und Demonstrationen in gebundenen und ungebundenen Anwendungen erfolgen. Die Einbeziehung neuer mineralischer Reststoffe als Ausgangsstoffe oder Blähmittel für den Prozess kann bei positiven Ergebnissen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Technologie beitragen. Die Eignung der LWA wurde im Rahmen von REALight für alle angezielten nachfolgenden Anwendungsgebiete nachgewiesen: • Trockenmörtel- und Mörtelsysteme • Leicht- und Infraleichtbetone (ILC) • Leichte Steinergänzungsmörtel für die Denkmalpflege • Ungebundene Anwendungen für leichte Körnungen In allen diesen Einsatzbereichen besteht im Hinblick auf eine nachhaltigere Produktion der Druck, dass natürliche oder aus natürlichen Rohstoffen erzeugte Körnungen, wie Bims und andere Vulkangesteine sowie hauptsächlich Blähton, ersetzt werden müssen. Geeignete leichte Gesteinskörnungen auf Sekundärrohstoffbasis sind mit Ausnahme von Blähglas, das aber nicht für alle Anwendungen per se geeignet ist, nicht am Markt vorhanden. Im Rahmen des Verbundprojekts erfolgte eine enge Zusammenarbeit zwischen den Industriepartnern und den 4 beteiligten Forschungseinrichtungen Bauhaus-Universität Weimar, IAB - Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Technischen Universität Clausthal mit dem Institut für Aufbereitung, Recycling und Kreislaufwirtschaftssysteme (IFAD).

Die Werkstoffauswahl und der Korrosionsschutz zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit stellen für den Offshore Bereich noch immer eine Herausforderung dar. Erfahrungen und Regelwerke liegen insbesondere aus dem Bereich von Offshore Windenergieanlagen vor. Diese Regelwerke befinden sich in einem stetigen Prozess der Anpassung an aktuelle Erkenntnisse und Erfahrungen, da es sich noch um relativ neue Anwendungen handelt. Für Offshore-Prozessanlagen, wie diese im H2Mare-Projekt betrachtet werden, sind die Anforderungen wesentlich komplexer, da Anlagenkomponenten den Beanspruchungen aus den Prozessen im Inneren der Anlagen ebenso genügen müssen, wie den Beanspruchungen aus der maritimen Umgebung. Hier kommen im Vergleich zu Windkraftanlagen eine größere Palette von Werkstoffen insbesondere aus dem Bereich der rost- und säurebeständigen Stähle sowie höhere Prozesstemperaturen zum Tragen, die für Windkraftanlagen keine Relevanz haben.

Für die hoch beanspruchten Zugglieder von Netzwerkbogenbrücken stellt der Einsatz von Carbonzuggliedern eine technisch innovative und vorteilhafte Lösung dar. Im Rahmen von ersten Pilotanwendungen konnte ein ausreichender Ermüdungswiderstand für den jeweiligen Einsatz nachgewiesen werden – der tatsächlich vorhandene Ermüdungswiderstand wurde bislang jedoch nicht erforscht. Die Aufgabenstellung des Verbundforschungsvorhabens umfasst die Gewinnung einer Datengrundlage für statistisch abgesicherte Bauteilkennlinien und Traglasten auf Grundlage von statischen Versuchen. Der Schwerpunkt liegt auf der Gewinnung einer Datengrundlage an realmaßstäblichen Bauteilversuchen unter Ermüdungsbelastung zur Bestimmung einer Ermüdungsversagensfunktion (S-N-Kurve), welche durch Kleinversuchsserien und faseroptische Messungen zur isolierten Betrachtung einzelner Einflussgrößen begleitet wurde. Direkt übertragbare Erkenntnisse zum Tragverhalten bei Brandbeanspruchung lagen ebenfalls nicht vor und sollten im Zuge von Bauteilversuchen unter Last und gleichzeitiger Brandbeanspruchung gewonnen werden zur Vergleichbarkeit des Verhaltens mit herkömmlichen Zuggliedern aus Stahl. Die Aufgabenstellung wurde in 9 Arbeitspaketen und insgesamt 29 Teilarbeitspaketen aufgegliedert. Diese beinhalten die Schaffung einer gemeinsamen Wissens- und Arbeitsbasis, die Erarbeitung von Versuchsparametern, die Planung und Herstellung der Versuchskörper und der Versuchsstände, statische Versuche, Ermüdungsversuche bis zum Bruch, Ermüdungsversuche mit Bestimmung der Resttragfähigkeit, Versuche zur Untersuchung des Tragverhaltens bei erhöhter Temperatur und Brandbeanspruchung bei simultaner mechanischer Zugbelastung, faseroptische Messungen und Kleinprobenversuche sowie die Zusammenführung und Auswertung der Ergebnisse.

In order to create sustainable lifestyles and societies in the long term, sustainability goals must be balanced in terms of the environment, the economy and society. However, these targets are sometimes in conflict with each other and cannot be balanced without compromise. Today, the sustainability debate focuses primarily on balancing environmental/climate and economic targets. Social aspects tend to play a marginal role in the debate. This is also the case in the construction industry, which contributes significantly to global energy consumption and high grey and operational CO2 emissions worldwide. For this reason, research and politics have focused intensively in recent decades on ways to reduce climate emissions while maintaining economic efficiency. Historically, the focus in construction has been on structural safety. The classic credo in engineering was ‘more is more’. In the context of the climate debate, however, ‘less is more’ often applies, so that engineers and architects today face an economic conflict of objectives between the classic requirements for failure probability and the requirements for sustainable, resource-saving construction, which calls for completely new, much more holistic approaches to material development and structural design. The aim here is to build in a way that is both economical and climate-friendly without compromising structural safety, which is already a complex undertaking. However, the influence of the use of materials, architecture and construction technology on social aspects is often given much less consideration in the sustainability debate, even though enormous population growth and urbanisation processes are expected in the future, particularly in developing economic areas. This inevitably requires a stronger focus on the socio-economic aspects of construction, especially since, in contrast to many current metropolises, many conurbations in these regions will emerge in areas that are not yet densely populated. This provides freedom for innovative concepts that avoid the mistakes of the past and can consider all aspects of sustainability as largely equal. This freedom enables construction methods and urban concepts that use renewable, circular, local materials to create adaptable, accessible and liveable structures that are equitable, inclusive and fair for society. This position paper deals with the socio-economic footprint of materials and buildings. It was compiled by an interdisciplinary group of international experts and attempts to develop approaches for effective socio-economic life cycle analysis using similar concepts to those used in environmental life cycle analysis of products and buildings. In contrast to economic analyses or environmental life cycle assessments, which can work with reasonably available and clearly defined units to develop indicators, it is often impossible to determine units for socio-economic indicators, data is more difficult to obtain and there is a lack of benchmarks. During the discussions, a number of relevant parameters were developed, which can provide clearly quantifiable indicators for socio economic effects. These are related to largely available economic and employment data and consider the distribution of project contracts during implementation and the employment figures associated with project implementation. Particularly in the implementation of large-scale projects involving international investors and financial institutions, ‘(green) compliance value extractivism’ effects can occur, whereby partners from the donor countries are given preference over local project partners. This fraction of the loan flow directly abroad and can no longer serve the local economy to grow. This results in economic follow-up costs, even with lower project costs, which can promote social injustices. The higher the proportion of local companies and employees at engineering levels, the more fairly the construction project serves the local economy.