Link to English version: Beauty of Experimental Research with LUSET
Die Schönheit experimenteller Forschung – mit LUSET
Hinweis: In diesem Beitrag teile ich meine Gedanken zur experimentellen Forschung im Bereich des konstruktiven Ingenieurbaus – basierend auf meinen Erfahrungen an der ETH Zürich. Andere Bereiche der experimentellen Forschung – insbesondere solche mit Tierversuchen – sind nicht Teil dieses Blogbeitrags.
Ich erinnere mich noch gut an mein erstes Gespräch mit Prof. Walter Kaufmann. Wir hatten einen Videoanruf und sprachen über das Forschungsvorhaben, für das ich mich beworben hatte. Irgendwann fragte er mich, ob ich Erfahrung mit experimenteller Forschung hätte. Meine Antwort war „jayn“ – eine Mischung aus ja und nein auf Deutsch – denn ich wusste nicht wirklich, was auf mich zukommt.
Was ist experimentelle Forschung?
Wozu dient sie? Warum brauchen wir sie im konstruktiven Ingenieurbau? Wie funktioniert sie? Welche Geräte sind dafür notwendig?
Wenn Du Dir diese Fragen stellst, erkläre ich Dir kurz die Prinzipien der experimentellen Forschung – und wie (und warum) wir sie in unserem Fachgebiet anwenden.
Experimentelle Forschung ist ein systematischer, wissenschaftlicher Ansatz, bei dem Forschende gezielt eine oder mehrere Variablen eines betrachteten Objekts verändern – mithilfe spezieller Versuchsanlagen, Maschinen oder Methoden. Idealerweise wird dabei immer nur eine Variable verändert, um klare und vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.
Stell Dir vor, Du bist Koch in einem Sternerestaurant und willst ein neues Gericht perfektionieren. Du kochst es hundert Mal – aber jedes Mal veränderst Du nur eine Zutat, und beobachtest das Ergebnis. Einmal gibst Du 5 Gramm Salz hinzu, das nächste Mal 8 Gramm – bis Du am Ende das perfekte Spaghetti aglio e olio servierst.
Im Bauingenieurwesen geht es bei der experimentellen Forschung oft darum, das Tragverhalten von Materialien und Tragwerken unter verschiedenen Lasten zu verstehen. Das Spektrum reicht von kleinen Materialproben – wie z. B. Beton-Zylindern – bis hin zu grossen Bauteilen wie Balken, Stützen oder sogar Brückensegmenten in Originalgrösse. Ziel ist es, das reale Tragverhalten abzubilden, theoretische Modelle zu validieren und Entwurfsansätze zu verbessern.
Beispielsweise werden Versuche durchgeführt, um zu untersuchen, wie sich eine Betonschale unter kombinierter Biege- und Membrankraft verformt – oder wie ein Brückenträger auf Erdbebenbelastung reagiert. Diese Versuche liefern wichtige Daten zur Verbesserung numerischer Simulationen, zur Weiterentwicklung von Normen und zur Erhöhung der Sicherheit unserer Bauwerke.
In Fächern wie Medizin, Chemie oder Physik ist es oft einfacher, einzelne Variablen isoliert zu betrachten. Im konstruktiven Ingenieurbau ist das meist komplexer. Deshalb gilt: Ohne die richtige Ausrüstung kannst Du keine klaren und aussagekräftigen Experimente durchführen.
Fast jedes Institut für konstruktiven Ingenieurbau auf der Welt hat Labore – aber deren Qualität und Ausstattung sind sehr unterschiedlich. Das wirkt sich direkt auf die Forschungskapazität und den wissenschaftlichen Einfluss einer Universität aus. Genau das ist einer der vielen Gründe, warum das Bauingenieurwesen an der ETH Zürich auf Platz zwei der Weltrangliste steht [1] – und meiner Meinung nach das beste Labor für experimentelle Forschung in unserem Bereich hat.
Die Bauhalle
Als ich zum ersten Mal die Bauhalle – das experimentelle Forschungslabor der ETH Zürich in IBK – betreten habe, fühlte ich mich wie ein Kind im LEGOLAND. Der Raum selbst ist beeindruckend: 120 Meter lang, 30 Meter breit, 12 Meter hoch. Aber noch wichtiger als die Grösse sind die Versuchsaufbauten darin.
Ich will an dieser Stelle nicht zu sehr ins Detail gehen – mehr Infos findest Du hier [2] – aber ich kann Dir sagen: Diese Halle hat fast alles, was ein Labor im konstruktiven Ingenieurbau haben kann. Und darüber hinaus gibt es dort auch spezielle Prüfeinrichtungen wie LUSET und MAST.
In diesem Beitrag geht es aber vor allem um LUSET – der Large Universal Shell Element Tester [3].
LUSET
Seitdem ich an der ETH Zürich arbeite, verbringe ich den Grossteil meiner Zeit mit LUSET. Ich habe es schon so vielen Menschen vorgestellt, dass ich gar nicht mehr mitzählen kann. Wer mich in Zürich besucht, sieht zuerst LUSET – und erst danach den Rest der Stadt.
Auch die Bauhalle selbst bekommt regelmässig Besuch. Tatsächlich gehört eine Führung durch das Labor zu fast jedem Event des IBK. Ich kann mit Sicherheit sagen: Über 50-60 % der Besucher:innen sind fachfremd –aber trotzdem total begeistert, wenn sie LUSET sehen. Und sie stellen immer ähnliche Fragen, zum Beispiel:
Was ist ein Schalenelement?
Kurz erklärt: Tragwerke lassen sich nach ihrer Geometrie und ihrem Tragverhalten einteilen:
• Eindimensional: Stabtragwerke
• Zweidimensional: Flächentragwerke
• Dreidimensional: Volumentragwerke
Zweidimensionale Tragwerke lassen sich weiter unterteilen:
• Platten: durch senkrechte (aus der Ebene) Lasten beansprucht (z. B. Deckenplatten)
• Scheiben: durch Lasten in der Ebene beansprucht (z. B. Wände)
• Schalen: sowohl in der Ebene als auch aus der Ebene beansprucht (z. B. Kuppeln, gewölbte Dächer)
Jede dieser Tragwerksarten basiert auf unterschiedlichen Berechnungstheorien und hat unterschiedliche Freiheitsgrade – mit unterschiedlicher Komplexität.
Was macht LUSET?
Wie oben schon kurz erklärt, sind Schalenelemente die komplexeste Art von Flächentragwerken. Um sie gleichzeitig in- und aus der Ebene zu beanspruchen – und das noch im grossen Massstab – braucht es eine hochpräzise und technisch aufwendige Versuchseinrichtung.
Und genau das ist LUSET. Die Anlage hat 80 hydraulische Aktuatoren in der Ebene und 20 Aktuatoren aus der Ebene – insgesamt also 100 Aktuatoren, verteilt auf vier Quadranten (20 + 5 pro Quadrant). Damit kann LUSET Kräfte von bis zu 30 MN (3000 Tonnen) in Druck, 22 MN in Zug und 11 MN in reiner Schubkraft aufbringen – und noch mehr [4]. Theoretisch lässt sich jede mögliche Lastkombination, die ein Schalenelement erfahren könnte, simulieren.
Meine Erfahrungen mit LUSET
Das erste Projekt mit LUSET war der Test von Mauerwerkswänden unter zweiaxialer Belastung [5]. Es war das erste Mal, dass mit LUSET eine Mauerwerkswand getestet wurde. Um die Wand in die Testeinrichtung zu bekommen, mussten wir ein spezielles Montagesystem entwerfen. Besonders die Einspannung der Probe in LUSET und die präzise Krafteinleitung erforderten neue Ansätze und höchste Vorsicht, damit nichts beschädigt wird.
Das zweite Projekt ist Teil meiner aktuellen Doktorarbeit. Wir untersuchen die Rahmeneckbewehrungen von Rahmenbrücken im Eisenbahnverkehr – mit Fokus auf die Ermüdungsfestigkeit. Dafür haben wir die Rahmeneckbewehrungen mit faseroptischen Sensoren entlang der Bewehrung ausgestattet, um die Dehnungen detailliert zu erfassen. Insgesamt testen wir vier Probekörper – jeweils mit unterschiedlicher Geometrie und Bewehrungsführung an den Ecken – um den Einfluss dieser Parameter auf das Ermüdungsverhalten zu analysieren.
Eine Testeinrichtung – von 15 cm dicken Mauerwerkswänden bis hin zu grossmassstäblichen Rahmenbrücken… Jedes Projekt bringt neue Herausforderungen und neue Ansätze mit sich.
Die Schönheit experimenteller Forschung mit LUSET
Wenn Du jetzt weisst, was experimentelle Forschung im konstruktiven Ingenieurbau bedeutet – und was LUSET leisten kann – dann erkennst Du schnell, wie schön die Arbeit mit so einer Anlage sein kann.
Es geht nicht nur darum, eine riesige Maschine zu bedienen. Es geht darum, sinnvolle Fragestellungen zu beantworten, kreative Versuchsaufbauten zu entwickeln und aus den Ergebnissen zu lernen – ob sie nun Deinen Erwartungen entsprechen oder Dich komplett überraschen.
Fazit
In den letzten 16 Monaten an der ETH Zürich im kfmResearch Group habe ich den Grossteil meiner Zeit in der Bauhalle verbracht – ich habe neue Fähigkeiten gelernt, mich mit Kolleg:innen aus anderen Forschungsgruppen ausgetauscht und unzählige Tests beobachtet. Jeder Tag in der Bauhalle ist eine neue Gelegenheit, etwas dazuzulernen und Lösungen für komplexe ingenieurtechnische Probleme zu finden.
Und ehrlich gesagt: Wenn mich heute nochmal jemand fragt, ob ich Erfahrung mit experimenteller Forschung habe, würde ich immer noch „jayn“ sagen – denn man hat nie genug Erfahrung. Genau deshalb trägt dieser Beitrag den Titel Die Schönheit experimenteller Forschung mit LUSET.
Zum Schluss möchte ich allen danken, die mich auf diesem Weg begleitet haben – in und ausserhalb der Bauhalle. Ein besonderer Dank geht an das Bauhallen-Team und an alle meine studentischen Assistent:innen während dieser Zeit.
Und natürlich: Experimentelle Forschung hat auch ihre Schattenseiten. Es ist nicht immer einfach. Aber wir Ingenieur:innen kennen das ja – die Sinuskurve gehört dazu. Mit ihren Hochs und Tiefs…
Caglar Onbasi
Referenzen
- Mickein, Iris: ETH Zürich weltweit auf Platz 2 in Bauingenieurwissenschaften – https://baug.ethz.ch/news-und-veranstaltungen/news/2025/03/eth-zuerich-ist-die-weltbeste-hochschule-in-erdwissenschaften-und-geophysik.html
- Experimentelle Forschung (expRES@IBK) https://ibk.ethz.ch/de/forschung/ResearchFT.html
- The Large Universal Shell Element Tester (LUSET) – https://kaufmann.ibk.ethz.ch/de/forschung/ausgewaehlte-forschungsprojekte/LUSET.html
- Kaufmann, Walter; Beck, Alexander; Karagiannis, Demis; Werne, Dominik: The Large Universal Shell Element Tester – https://doi.org/10.3929/ethz-b-000379657
- Weber, Marius: «Einrichtung einer hochschulübergreifenden Gruppe für Forschung und Lehre im Bereich des konstruktiven Mauerwerkbaus» – https://concrete.ethz.ch/blog/einrichtung-einer-hochschuluebergreifenden-gruppe-fuer-forschung-und-lehre-im-bereich-des-konstruktiven-mauerwerkbaus/