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Simulations-App sichert Betonqualität

Das Gießen von Betonelementen erfordert präzise Planung, um unter variablen Bedingungen hohe Qualität sicherzustellen. Eine Standalone-Simulations-App ermöglicht es, Betongussergebnisse vorherzusagen und fundierte Entscheidungen auf der Baustelle zu treffen – besonders hilfreich bei CO2-reduzierten Betonarten.

Simulations-App für den Betonguss als Entscheidungshilfe
Betonage im Winter: Um bei extremen Temperaturen die Betonqualität zu sichern, nutzen Kunden von Heidelberg Materials eine Simulations-App. | Foto: Fons Heijnsbroek/Unsplash

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Betonelemente so zu gießen, dass der Beton nicht nur rechtzeitig aushärtet, sondern auch trotz unterschiedlicher Bedingungen hohe Qualitätsstandards erfüllt, ist eine der wesentlichen Herausforderungen für Bauunternehmen. Dabei müssen verschiedene Parameter berücksichtigt werden, die beispielsweise die Festigkeit und die Langlebigkeit des Betons beeinflussen können. Eine Standalone-Simulations-App macht es möglich, mittels Vorhersagen über das Betongussergebnis, fundierte Projektentscheidungen auf Baustellen zu treffen.

Heidelberg Materials stellt zu diesen Zwecken seinen Kunden in Schweden und Norwegen eine kompilierte Multiphysik-Simulations-App namens HETT22 zur Verfügung. Entwickelt wurde die App unter Verwendung von „Comsol Multiphysics“, einer Simulationssoftware auf Grundlage fortgeschrittener numerischer Methoden, mit der sich auch komplexe Bauvorhaben simulieren lassen. In der App wird das Bauvorprojekt virtuell dargestellt, und es können Angaben wie die Bauart, das Material, Betonfestigkeitsklasse, Zeitrahmen, aber auch die zu erwartenden Wetterbedingungen hinterlegt werden.

Betonguss im Winter: App mit standortspezifischen Wetterangaben

Gerade Wetterbedingungen und Umgebungstemperaturen spielen für Vorhersagen eine wichtige Rolle, da chemische Prozesse maßgeblich durch Temperaturen beeinflusst werden. Dies ist besonders im Winter bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, aber auch bei sehr heißem Wetter, relevant. Für die standortspezifischen Wetterangaben werden deshalb unter anderem auch die genauen GPS-Daten mit einbezogen. Mithilfe der konfigurierten App können Vorhersagen darüber getroffen werden, wie sich Zeit, Temperatur, Materialauswahl, Witterungsbedingungen und Gusstechnik innerhalb des Projektverlaufs auswirken, und welche Thermomanagementstrategien in Folge notwendig sind.
Die Simulationsapp HETT22 berücksichtigt unter anderem die Wetterbedingungen, die Bauteilgeometrie und die Wechselbeziehung zu angrenzenden Materialien. | Foto: Deflexional
Die Simulationsapp HETT22 berücksichtigt unter anderem die Wetterbedingungen, die Bauteilgeometrie und die Wechselbeziehung zu angrenzenden Materialien. | Foto: Deflexional

App als Entscheidungshilfe: Alternative zur Reifemethode

Dies bietet den Projektbeteiligten eine alternative Entscheidungshilfe zur Reifemethode, die bislang zur Abschätzung des Betongussverfahrens verwendet wird. Die Reifemethode kombiniert bekannte Metriken mit standort- und projektspezifischen Daten. Die für die Reifefunktion relevanten Werte und die Referenzfestigkeit einer Betonmischung können im Voraus ermittelt werden. Die Temperatur, der der Beton ausgesetzt sein wird, muss hingegen geschätzt werden, dabei sollte die geschätzte Temperaturkurve die Umgebungstemperaturen und die durch die Zementhydratation erzeugte interne Wärme berücksichtigen. Denn: das tatsächliche Temperaturniveau entwickelt sich meist nicht gleichmäßig über das gesamte Volumen eines bestimmten Betongussteils, mit der Konsequenz, dass sich die Festigkeit ungleichmäßig entwickeln kann.

„Bei der Zementhydratation, also der chemischen Reaktion zwischen Zement und Wasser, entsteht viel Wärme“, erklärt Tom Fredvik, technischer Leiter bei Sement Norge (ehemals Norcem) von Heidelberg Materials. „Dies führt zu einem Temperaturanstieg während des Erhärtungsprozesses, und die Geschwindigkeit der Zementhydratation ist stark temperaturabhängig. Höhere Temperaturen führen zu einer schnelleren Hydratation und Festigkeitsentwicklung.“ Das Wissen über den Reifeprozess und die Härtezeit des Betons soll den Bauunternehmen helfen, die Auswirkung der verschiedenen Variablen auf ihre Projekte einzuplanen. Dadurch lassen sich auch die Wirtschaftlichkeit und die CO2-Bilanz eines Projekts besser steuern.

Reifeprozess und Härtezeit im Blick: Die App HETT22 unterstützt bei der Entscheidung, wann ausgeschalt werden kann. | Foto: Deflexional
Reifeprozess und Härtezeit im Blick: Die App HETT22 unterstützt bei der Entscheidung, wann ausgeschalt werden kann. | Foto: Deflexional

Comsol Multiphysics entwickelt App für Heidelberg Materials

Unterstützung bei der Erstellung der Applikation HETT22 holte sich Heidelberg Materials bei Deflexional, einem kleineren schwedischen Beratungsunternehmen mit Spezialisierung auf die Gestaltung und Programmierung von Simulationsanwendungen. Dazu verwendete Deflexional den „Application Builder“ und auch den „Comsol Compile“ in Comsol Multiphysics, um die Modelle in eine spezialisierte und eigenständige App umzuwandeln. „Wir stellen unseren Kunden HETT22 zur Verfügung, weil es ihnen an jedem Entscheidungspunkt eines Betongussauftrags einen Mehrwert bietet", erklärt Fredvik. "Für uns ist das ein wesentlicher Bestandteil unseres technischen Supportangebots." Das Angebot erwies sich als Erfolg: In den sechs Monaten nach dem Start wurde HETT22 mehr als 1100-mal heruntergeladen.

Das Gießen von klimafreundlichem Beton managen

Ein Großteil der Emissionen ist auf die energieintensive Produktion der für den Zement notwendigen Rohstoffe zurückzuführen. Alternative Ansätze für die Zusammensetzung und Zusatzstoffe für CO2-reduzierte Betonarten existieren, doch gerade diese benötigen verlässliche Einschätzungen für die Aushärtung und die langfristige Beständigkeit innerhalb eines Bauprojektes. Zu diesem Zweck bezieht die Applikation die Eigenschaften und das Verhalten neuartiger Betonarten in Berechnungen mit ein.

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Heidelberg Materials bietet dazu seinen Kunden Hunderte von möglichen Betonrezepturen, einschließlich zusätzlicher zementhaltiger Materialien, die dem Beton beigemischt werden können. Zusätzlich ermöglicht die App eine Kosten-Nutzen-Abwägung, sollte der Guss mit einem kohlenstoffarmen Beton aufgrund der kalten Temperaturen zu lange dauern. Mikael Westerholm, Projektleiter bei Cement Sverige von Heidelberg Materials betont: „Wir wollten, dass HETT22 den Nutzern hilft, das Verhalten von Beton vorherzusagen, mit dem sie vielleicht nicht vertraut sind."

Einsatz von Multiphysik Simulation auf Baustellen

Die von Deflexional für Heidelberg Materials entwickelte App mit intuitiver Benutzeroberfläche ist nicht nur ein gutes Beispiel für ein gelungenes technisches Supportangebot auf Grundlage der Comsol-Simulationssoftware. Es zeigt, wie eine unternehmensübergreifende Simulationsanwendung, die auch für Personen ohne Simulationserfahrung einfach zu bedienen ist, Vorteile für das Management eines Bauprojekts bringen kann. In der Zusammenarbeit von Heidelberg Materials und seinen Kunden war es dadurch möglich, wichtige Aspekte für das Betonverhalten zu teilen, essenzielle Projektparameter zu managen, Szenarien abzuwägen und Entscheidungen innerhalb des Bauvorhabens auf Grundlage von simulationsbasierten Prognosen zu treffen. Vor allem die Möglichkeit, Optionen datengestützt aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten zu können, ist eine Funktion, die für Bauunternehmen sehr nützlich sein kann. Damit können Entscheidungen getroffen werden, noch bevor sie tatsächlich in Stein gemeißelt sind.

Autor Thorsten Koch ist Geschäftsführer von Comsol Deutschland.
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