Technische Infrastruktur wissenschaftliche und technische Herausforderungen im 21. Jahrhundert

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1 Technische Infrastruktur wissenschaftliche und technische Herausforderungen im 21. Jahrhundert Institut für Funktionelle Grenzflächen und Institut für Prävention im Bauwesen KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Moderne Technische Infrastruktur ein Überblick Straßen Eisenbahn Flughafen Hafen Wasserversorgung

3 Moderne Infrastruktur ein Überblick Wasserversorgung Abwasserkanal Kläranlage Thermalbad Prof. Dr. Andreas Gerdes

4 Technische Infrastruktur Objektspezifische Einwirkungen Nutzungs- und objektspezifische Einwirkungen, wie... Mechanische Belastungen Chemische Angriffe Physikalische Einwirkungen Wirkung von Mikroorganismen Klimawandel Biogasanlage Kläranlagen Serverraum

5 Technische Infrastruktur Erhaltung und Unterhalt Einwirkungen führen zu technologisch ökologisch und ökonomisch aufwendigen Instandsetzungen. Instandsetzung von Brücken Kosten Instandsetzung Erstellung Umweltbelastung Aufwand in % Instandsetzung von Parkhäusern Hardbrücke, Antike ZürichZisternen

6 Technische Infrastruktur TECHNOLOGIE Deutschland 20% der Autobahnen sind durch Überlastung akut staugefährdet 15.4 % der Autobahnbrücken sind akut sanierungsbedürftig/abbruch (40 Mrd. Anlagevermögen) Investitionsbedarf für kommunale Straßen : 160 Mrd. Gefährdete Brücken Seit 2003 stetiger Zerfall der Infrastruktur Prof. Dr. Andreas Gerdes

7 TECHNOLOGIE Instandsetzen eines Betonbauteils Sanierung eines Brückenpfeilers Entfernen des Überdeckungsbetons Reinigung der Bewehrung Reprofilieren mit Spritzbeton Prof. Dr. Andreas Gerdes

8 Technische Infrastruktur: ÖKOLOGIE Ökobilanz: Sanierung eines Brückenpfeilers Prof. Dr. Andreas Gerdes

9 Technische Infrastruktur ÖKOLOGIE: Umweltbelastungen durch Instandsetzungen Relative Umweltauswirkungen [%] Beton ohne Verflüssiger Beton mit Verflüssiger 1-malige Instandsetzung 2-malige Instandsetzung 0 Treibhaus-Effekt Ozonabbau Bodenversauerung Ozonbildung Energie Ökobilanzierung von zementgebundenen Werkstoffen und Instandsetzungsmassnahmen Prof. Dr. Andreas Gerdes

10 Technische Infrastruktur die Herausforderung 70 Anlagevermögen Technischer Infrastruktur: ca. 850 Mrd. Sfr. Investitionen für Unterhalt und Ausbau der Infrastruktur bis 2030 Investitionen für Unterhalt und Ausbau der Infrastruktur in Mrd. Sfr Wasser Energie Schiene Strasse

11 Technische Infrastruktur ÖKONOMIE - Neubau: Hoch - Instandsetzung: Niedrig - Neubau: Hoch - Instandsetzung: Hoch - Neubau: Niedrig - Instandsetzung: Niedrig - Neubau: Hoch - Instandsetzung: Hoch Hoch: Hohe Investitionen Niedrig: Niedrige Investitionen Prof. Dr. Andreas Gerdes

12 Werkstoffe im Bauwesen Rohstoffprofile Materialkonformität Werkstoff- Performance Monitoring Definition Anforderungsprofile Werkstoff- Kompatibilität Konzepte Qualitätskontrolle Oberflächenfunktionalisierung

13 Technische Infrastruktur Was bringt uns die Zukunft?

14 Technische Infrastruktur - Megatrends Globalisierung Klimawandel Megatrends Mobilität Ressourcenverknappung Urbansierung Prof. Dr. Andreas Gerdes

15 Technische Infrastruktur KLIMAWANDEL Quelle: IPCC (2007) Bandbreite durch Ensemble von ~20 verschiedenen Klimamodellen Prof. Dr. Andreas Gerdes

16 Technische Infrastruktur - der Sommer 2003 in Europa Quelle: Schär, C., P.L. Vidale, D. Lüthi, C. Frei, C. Häberli, M.A. Liniger and C. Appenzeller, 2004: The role of increasing temperature variability for European summer heat waves. Nature, Prof. Dr. Andreas Gerdes

17 Technische Infrastruktur - der Sommer 2003 in Europa Quelle: Schär, C., P.L. Vidale, D. Lüthi, C. Frei, C. Häberli, M.A. Liniger and C. Appenzeller, 2004: The role of increasing temperature variability for European summer heat waves. Nature, Prof. Dr. Andreas Gerdes

18 Technische Infrastruktur - KLIMAWANDEL Durch den KLIMAWANDEL zu erwartende Veränderungen: VERMEIDUNG ( Mitigation ): CEM II und CEM III statt CEM I Neue Typen von Zementen ( Celitement ) Zementarme Betone (Zementgehalt ca kg/m 3 ) Vermehrter Einsatz von Recyclingmaterial Dauerhaftere Baustoffe und Konstruktionsweisen Einsatz von Oberflächenschutzmaßnahmen Entwicklung performance-optimierter Werkstoffe (z.b. Porosität) ANPASSUNG ( Adaptation ): Werkstoffmodifikationen Anpassung der Werkstoffe /Bauweisen an steigende Temperaturen, rel. Luftfeuchtigkeit, UV-Strahlung ANPASSUNG ( Adaptation ): Werkstoffmodifikationen Technische Infrastruktur gegen die Auswirkungen des Klimawandels Prof. Dr. Andreas Gerdes

19 Technische Infrastruktur GLOBALISIERUNG Güterverkehrsaufkommen in Mio. Tonnen Rohrfernleitungen 5468 Mio. 92 Binnenschifffahrt 4918 Mio. 357 Eisenbahngüterverkehr Strassengüterverkehr Mio Prof. Dr. Andreas Gerdes

20 Technische Infrastruktur GLOBALISIERUNG Luftfrachtanteil steigt bis 2025 um 155% Kurierdienste steigen bis 2025 um 261% Prof. Dr. Andreas Gerdes

21 Technische Infrastruktur - Globalisierung Durch die GLOBALISIERUNG zu erwartende Veränderungen: Verstärkter globaler Warenfluss und Personenverkehr Ausbau grenzübergreifender Energienetze Kapazitätserhöhung bei Kommunikationsnetzen Schnellere Entwicklung von Megacities Höhere Verkehrsdichte im Bereich der Städte Höhere Anforderungen an Wasserversorgung/Abwasserentsorgung Verändertes Abfallmanagement Aufbau neuer Kapazitäten im Bereich der Verkehrsinfrastruktur Verwendung von vorgefertigten Systemen/Bauteilen komplexere Anforderungen an Neubau durch bestehende Verkehrssysteme Kombination verschiedener Verkehrskonzepte Berücksichtigung unterschiedlicher Antriebskonzepte/ Energiequellen Unterhalt unter Verkehr mit eingeschränktem Handlungsspielraum Prof. Dr. Andreas Gerdes

22 Technische Infrastruktur RESSOURCENVERKNAPPUNG Quelle: Prof. Dr. Andreas Gerdes

23 Technische Infrastruktur RESSOURCENVERKNAPPUNG Quelle: Prof. Dr. Andreas Gerdes

24 Technische Infrastruktur - Ressourcenverknappung Durch die RESSOURCENVERKNAPPUNG zu erwartende Veränderungen: Reduzierter Energieeinsatz bei der Baustoffherstellung Qualitätsminderung bei mineralischen Rohstoffen ("AKR") Verstärkter Einsatz von Recyclingmaterialien >> modifizierte Betonzusatzmittel Substitution polymerer Werkstoffe durch mineralische Werkstoffe Reduktion der Massenströme durch erhöhte Dauerhaftigkeit (Wirtschaftlichkeit) Verfahrensentwicklung zur Zustandserfassung Prof. Dr. Andreas Gerdes

25 Megatrends - Aktuelle Herausforderungen und Handlungsbedarf Handlungsbedarf: Reduktion der Lebenszykluskosten - Anreizmodelle für die Herstellung einer Nachhaltigen Infrastruktur - Etablierung qualitätsorientierter Ausschreibungsrichtlinien - Strategien zur technischen und ökonomischen Bewertung von Hochleistungswerkstoffen Handlungsbedarf: Foresight -Prozesse - Entwicklung von KMU-gerechten Foresight-Prozessen - Entwicklung von Strategien zur Implementierung von Foresight-Prozessen in KMU s - Verstetigung der Foresight-Prozesse durch Wissensspeicher Handlungsbedarf: Kommunikation und Ausbildung - Vertiefung der Kenntnisse in der Ingenieurausbildung - Verknüpfung der Stoffkenntnisse vom Entwickler bis zum Handwerker - Einsatz moderner Medien für den Bereich Weiterbildung (Webseminare, App) Prof. Dr. Andreas Gerdes

26 Danke für die Aufmerksamkeit! Prof. Dr. Andreas Gerdes