C3-V1.2-I-a: Sicherheits- und Bemessungskonzepte
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2020
BELASTUNGSPROBE FÜR CARBONBETON IM BRÜCKENBAU
Belastungsfahrzeuge auf der Brücke im Rahmen der Probebelastung
Das Vorhaben C3-V1.2 „Nachweis- und Prüfkonzepte für Normen und Zulassungen“ war eines der zentralen Projekte im Rahmen des Bauforschungsprojektes C³ – Carbon Concrete Composite und hatte zum Ziel, einen ersten Vorschlag für ein Regelwerk zu Carbonbeton zu liefern. Unabhängig davon bestand ebenfalls von Anfang an das Bestreben, die erarbeiteten Empfehlungen auch in der Praxis umzusetzen.
So war es vorgesehen, ein Brückenbauwerk mit Carbonbeton zu verstärken. Dies wurde nach einer langen Vorlaufzeit in Abstimmung mit den Baubehörden im Sommer 2020 erreicht und erfolgreich umgesetzt. Im Konkreten wurde dafür eine Plattenbrücke mit Carbonbeton ertüchtigt. Das Bauwerk liegt im sächsischen Kleinsaubernitz im Landkreis Bautzen. Die in den 1950er Jahren errichtete Brücke mit einer Spannweite von ≈ 9 m überquert die Staatsstraße S109 über das Gewässer „Altes Fließ“. Aufgrund der Nutzung als Ausweichroute der benachbarten BAB A 4 sowie der örtlich ansässigen Firmen, ist das Bauwerk einer starken Verkehrsbelastung ausgesetzt. Um dem erhöhten Verkehrsaufkommen gerecht zu werden und das Bauwerk noch weitere Jahre im Bestand halten zu können, wurde vom Bauherren und Projektpartner, dem Landesamt für Straßenbau und Verkehr (LASUV) vertreten durch LISt Gesellschaft für Verkehrswesen und ingenieurtechnische Dienstleistungen mbH, eine Erhöhung der Brückenklasse angestrebt. Die Brückenklasse beschreibt die zulässige Belastung durch den Schwerverkehr und ist nun uneingeschränkt. Dies konnte mit der ausgeführten Carbonbetonverstärkungsmaßnahme mit einer Schichtstärke von lediglich 20 mm und vier Lagen Carbongelege realisiert werden.
Aufgrund der Erstanwendung im Brückenbau war eine Zustimmung in Einzelfall (ZiE) zu
erwirken, in der zu großem Teil auf die Ergebnisse des Vorhabens C3-V1.2 zurückgegriffen
werden konnte. Ergänzt wurden Untersuchungen an Großbauteilen, die die Wirksamkeit der Verstärkungsschicht auch unter zyklischer Belastung zeigten. Einerseits im Vorhaben ohnehin vorgesehen und ebenfalls im Rahmen der ZiE gefordert, war die Wirksamkeit der Verstärkung am Bauwerk in situ zu zeigen. Hierzu wurde das Tragwerk in Kooperation mit der MFPA Leipzig einer Probebelastung unterzogen, die über das bisherige Lastniveau hinausging. Konkret wurde das Tragwerk mit zwei Mobilkränen (je 36 t) belastet. Das Tragwerk wies hierbei keinerlei Auffälligkeiten auf und verhielt sich wie prognostiziert. Weiterhin zeigte das Beispiel die möglichen Vorteile von Carbonbetonverstärkungen
im Bereich des Brückenbaus. So konnte die Verstärkungsmaßnahme, inklusive Untergrundvorbereitung, Ausführung der Verstärkungsmaßnahme und Nachbehandlung innerhalb von drei Wochen durchgeführt werden. Die Ausführungen in der Sommerferienzeit sowie die kurze Sperrzeit während der Baumaßnahme reduzierten die Verkehrseinschränkungen auf ein Minimum.
Bericht aus dem Jahrbuch 2019
DIE NORMUNG FÜR CARBONBETON GEHT WEITER
Entwurf Arbeitspapier Bemessung
Das Vorhaben C3-V1.2 hat sich das ambitionierte Ziel gesetzt, zum Ende des Projektes einen ersten Vorschlag für Regelwerke für den Werkstoff Carbonbeton liefern zu können. Dazu ist eine enge Zusammenarbeit aus Forschung und Praxis notwendig. In Summe arbeiten in diesem Vorhaben 21 Partner eng zusammen, womit das Vorhaben C3-V1.2 eines der größten Vorhaben im gesamten C³-Projekt darstellt. Das Projekt konnte dieses Jahr für die Mehrheit der Partner erfolgreich abgeschlossen werden. Dies bedeutet, dass für die verschiedenen Bereiche des Carbonbetons – für den Neubau, die Verstärkung von bestehenden Bauteilen mit Carbonbeton, für die Ausführung mit Carbonbeton sowie für die einzelnen Materialien Beton und Carbonbewehrung – erste Entwürfe von Regelwerken vorliegen, die nun dem gesamten C³-Konsortium zur Verfügung stehen. Die Regelwerke stellen die Grundlage für die Verbreitung des Werkstoffs bzw. der Carbonbetonbauweise. Für drei Partner wurde eine Verlängerung des Projekts genehmigt, da die erarbeiteten Regelwerke nun an einem Bauvorhaben auf ihre Praxistauglichkeit überprüft werden sollen.
Mit Carbonbeton verstärkte Stahlbetonplatte
Im Konkreten soll 2020 eine Stahlbetonplattenbrücke mit einer Carbonbetonverstärkung ausgeführt werden. Ziel der Ertüchtigung ist eine Höherstufung der Brückenklasse, um dem erhöhtem Verkehrsaufkommen gerecht zu werden. Aufgrund der Neuartigkeit der Ausführung im Brückenbau waren ergänzende Untersuchungen notwendig, um eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) zu erhalten. Dabei konnte auf eine breite Basis von bereits durchgeführten Versuchen, im Rahmen des C³-Projektes, zurückgegriffen werden. Ergänzt wurden die vornehmlich kleinbauteiligen Versuchsreihen durch Prüfungen an biegeverstärkten Großbauteilen unter statischer und zyklischer Belastung. Das Versuchsprogramm und die Durchführung wurden seitens des Instituts für Massivbau in enger Abstimmung mit den Projektpartnern und Planern erbracht, so dass lediglich noch das notwendige Baurecht geschaffen werden muss. Die Wirksamkeit der Verstärkung soll in Anschluss an die Ausführung in situ getestet und das Tragverhalten daran validiert werden womit das Projekt auch abgeschlossen wird.
Ausgewähltes Plattentragwerk für die Verstärkungsmaßnahme
Bericht aus dem Jahrbuch 2018
EIN REGELWERK FÜR CARBONBETON
Mit Carbonbeton verstärkte Stahlbetonplatte nach Versagen
Das Vorhaben C3-V1.2 hat sich das Ziel gesetzt, zum Ende des Projektes einen ersten Vorschlag für Regelwerke für Carbonbeton vorstellen zu können. Dazu sind eine Vielzahl an Partnern aus Forschung und Praxis erforderlich. Insgesamt arbeiten in diesem Vorhaben 17 Partner mit, somit ist es eines der größten Vorhaben im gesamten C³-Projekt. Das Projekt sollte ursprünglich Mitte dieses Jahres beendet sein, musste jedoch um 1 Jahr verlängert werden, um die umfangreichen experimentellen Untersuchungen und die Arbeiten an den Regelwerken zielführend abschließen zu können.
Nachdem zu Beginn des Projektes die Grundlagen zum Aufstellen eines Regelwerkes erarbeitet sowie eine Vielzahl an kleinteiligen Versuchen durchgeführt wurden, standen dieses Jahr die Versuchsplanung und Durchführung der Großbauteilversuche in Kooperation mit dem Vorhaben C3-V2.7 bevor. Dazu sollten die Erkenntnisse, die aus den kleinteiligen Versuchen gewonnen wurden, auf großformatige Bauteile übertragen werden. Im Speziellen handelt es sich hierbei um die Biege- und Querkraftverstärkung von Bauteilen mit üblichen Geometrien. Im Zuge dessen musste zu Beginn die umfangreiche Planung der Platten, welche auf Biegung verstärkt werden, sowie der Plattenbalken, die zur Untersuchung der Querkraftverstärkung herangezogen werden, durchgeführt werden. Im Anschluss erfolgten die Herstellung der Grundkörper in einem Betonfertigteilwerk und anschließend die nachträgliche Verstärkung der Platten und Plattenbalken mit Carbonbeton. Dann wurden sowohl die unverstärkten großformatigen Platten als auch die verstärkten Platten, welche auf Biegung verstärkt wurden, experimentell auf Ihre Tragfähigkeit getestet. Mit Hilfe der Großbauteilversuche konnte eindrucksvoll gezeigt werden, dass mit einer dünnen Verstärkungsschicht von 10 mm Dicke die Traglasten im Vergleich zum unverstärkten Bauteil enorm gesteigert werden können. Die Prüfung der unverstärkten sowie verstärkten Plattenbalken, welche auf Querkraft verstärkt wurden, befindet sich derzeit noch in der Durchführung.
Darüber hinaus wird aktuell die Planung zur Verstärkung einer kompletten Brücke mit Carbonbeton vorangetrieben, was den Abschluss des Projektes darstellt. Im Zuge dessen soll eine bestehende Straßenbrücke aus Stahlbeton mit Carbonbeton verstärkt werden, bei welcher alle zuvor gewonnenen Erkenntnisse des Projektes Anwendung finden sollen. Die Verstärkungsarbeiten sind für Anfang/Mitte 2019 geplant.
Bericht I aus dem Jahrbuch 2017
VORBEREITUNG EINES REGELWERKS ZUM BAUEN MIT CARBONBETON
Bauteilversuch zum Nachweis der Eignung der Nachweis- und Prüfkonzepte
Die meisten der bereits umgesetzten Bauvorhaben mit Textil- bzw. Carbonbeton erfolgten unter Verwendung einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE). Neben den ZiE gibt es bereits einzelne allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen (abZ) für verschiedene Textilbetonanwendungen, z. B. für Biegeverstärkungen, Fassadenplatten und auch bereits für Sandwich-Wandelemente. Ein allgemeingültiges Regelwerk für Textil- bzw. Carbonbeton gibt es bis heute jedoch nicht. Für eine breitere Anwendung und allgemeinere Akzeptanz des Werkstoffs Carbonbeton bei Bauherrn, Tragwerksplanern und bauausführenden Firmen ist eine solche Richtlinie jedoch elementar. Globales Ziel dieses Vorhabens ist es daher, Forschungsergebnisse in technische Regeln umzusetzen und damit ein Regelwerk für Carbonbeton vorzubereiten.
In Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Praxis wurden zu Beginn Arbeitspapiere für eine normative Regelung erstellt. Die über das gesamte Vorhaben fortführend bearbeitbaren Arbeitspapiere umfassen u. a. Regeln für die Bemessung von Neubauteilen und Verstärkungen, Anforderungen an Bewehrung und Beton sowie die Bauausführung. In den Arbeitspapieren sind u. a. eine präferierte Spannungs-Dehnungs-Linie des Textils für die Bemessung, einzelne Ingenieurmodelle, Herstellungstoleranzen für sehr dünne Bauteile aus Carbonbeton sowie Prüfverfahren für die Kennwertermittlung angegeben.
Zur Ermittlung der Verbundkennwerte als Eingangsgröße für die Auslegung von Verankerungslängen wurden bspw. drei Verfahren – einseitiger Textilauszugversuch (SPO), beidseitiger Textilauszugversuch (DPO) und Garnauszugversuch (YPO) – verglichen. Der Vergleich zeigte, dass es aufgrund der stark streuenden Materialeigenschaften nicht das eine, für alle Fälle anwendbare Prüfverfahren gibt. Es wurden daher Anwendungsgrenzen sowie Randbedingungen für diese Verfahren festgelegt. Des Weiteren wurde das Verbundverhalten von Carbonstäben experimentell untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss einer fiktiven Vorbelastung eines zu verstärkenden Querschnitts auf die Biegebemessung untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die vor der Verstärkungsmaßnahme eingeprägten Dehnungen einen Einfluss auf die Dehnungsebene und somit auf die Versagensart sowie u. U. auf die erforderliche Querschnittsfläche der Bewehrung haben.
Prinzipiell möchten wir mit diesem Vorhaben einen maßgeblichen Beitrag für die Etablierung von Carbonbeton leisten, damit in Zukunft die Anwendung von Carbonbeton im Bauwesen zur Normalität wird.
Bericht II aus dem Jahrbuch 2017
ÜBER DEN VERBUND VON CARBONSTÄBEN MIT BETON
Verschiedene Oberflächenprofilierungen von Carbonstäben
Das Verbundverhalten zwischen Beton und Stahl ist heute bereits umfassend erforscht. Dagegen befinden wir uns bei der Erforschung des Verbundmechanismus zwischen Carbonstäben und Beton noch am Anfang. Da das Verbundverhalten maßgeblich die Verformungseigenschaften und das Tragverhalten eines Verbundwerkstoffs bestimmt, muss dieses aber auch für Carbonstäbe bekannt sein.
Das Verbundverhalten von Stahlbetonbauteilen beruht auf den drei Wirkungsmechanismen Haft-, Scher- und Reibungsverbund. Selbiges trifft nach heutigem Erkenntnisstand auch auf das Verbundverhalten zwischen Carbonstäben und Beton zu. Werden jedoch die Versagensmodi verglichen, so können beim Carbonbeton zusätzliche Einflüsse auftreten, die einen signifikanten Einfluss auf die maximalen Verbundwerte besitzen. Im Gegensatz zum Verbund zwischen Beton und Stahl ist bei Carbonbetonbauteilen nicht zwangsläufig der Beton die schwächste Komponente im Verbundwerkstoff. Neben den bekannten Mechanismen Abscheren der Betonkonsolen und dem plötzlichen Absprengen des umgebenden Betons können zusätzlich noch Versagen infolge Abscheren der Bewehrungsrippen, Versagen durch Ablösen des inneren Stabkerns von der äußeren Schicht des Bewehrungselements sowie ein kombiniertes Versagen von Beton und Carbonstab auftreten. Dabei hängen die Verbundfestigkeit und die Versagensart maßgeblich von den verwendeten Einzelkomponenten Faser und Matrix der Carbonstäbe, von deren Herstellungsverfahren sowie von der Oberflächengeometrie der Profilierung ab. Somit kann das Versagen nicht mehr vereinfacht durch Stabauszug oder Spaltbruch beschrieben werden, wie es bei Stahlbetonbauteilen üblich ist.
Im Rahmen des C3-Projektes V1.2 wurden Carbonstäbe mit unterschiedlichen Profilierungsvarianten im Auszugversuch getestet. Die Versuchsreihe diente dem Ziel, aus der Menge an verfügbaren Carbonstäben die Vielversprechendsten für weitergehende Untersuchungen zu ermitteln. Mit Hilfe dieser Versuchsreihe konnten erste Erkenntnisse zum Verbundverhalten zwischen Carbonstäben und Beton erlangt sowie eine Sondierung der zurzeit auf dem Markt vorhandenen bzw. von den Projektpartnern neu entwickelten Profilierungsvarianten durchgeführt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die maximalen Verbundspannungen stark vom Herstellungsverfahren, der Oberflächengeometrie sowie der Matrix der Stäbe abhängen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2016
NORMalität für Carbonbeton
Abgescherte Carbonrippen nach Ausziehversuch am Carbonstab
Für die Etablierung von Carbonbeton, seine breite Verwendung und allgemeine Akzeptanz sind technische Regeln elementar. Erst die Schaffung von etablierten Regeln ermöglicht eine einfache Erfüllung von baurechtlichen Auflagen. Sie stellen somit die eigentliche Basis einer breiten Anwendung und Akzeptanz des Werkstoffs Carbonbeton bei Bauherren, Tragwerksplanern und bauausführenden Firmen dar. Damit solche Regeln aufgestellt werden können, sind jedoch weitreichende Vorarbeiten nötig. Diese sollen im Rahmen des Vorhabens C3-V1.2 – Nachweis- und Prüfkonzepte für Normen und Zulassungen – durch die Zusammenarbeit von Wissenschaft und Praxis realisiert werden.
Ziel des Vorhabens C3-V1.2 ist die Erarbeitung von Grundlagen für belastbare Regelwerke sowie von Nachweis-, Prüf- und Überwachungskonzepten für Carbonbeton. Um dies zu realisieren, erfolgt zunächst die Erarbeitung der Grundlagen für standardisierte Nachweis- und Prüfkonzepte. Neben Bemessungsverfahren beinhaltet dies auch die Anforderungen an die Basismaterialien Beton und Carbon, an den Verbundwerkstoff Carbonbeton sowie an Bauausführung und Prüfung. Anschließend erfolgt die Erarbeitung von standardisierten Verfahrenswegen und Prüfkonzepten. Ziel ist es dabei, einheitliche Prüfverfahren zu bestimmen, auf denen aufbauend die Kennwertermittlung erfolgen kann.
Zur Verifikation der entwickelten Prüf- und Nachweiskonzepte werden im Anschluss umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Carbonbetonsystemen durchgeführt. Diese Untersuchungen erfolgen unter Beachtung der jeweiligen bauteilspezifischen Anforderungen, resultierend aus Temperatur und Feuchte, aus der Beanspruchung in Folge von vorwiegend ruhenden bzw. nicht vorwiegend ruhenden Lasten, aus dem Einsatzgebiet sowie aus dem Herstellverfahren. Zum Nachweis der Eignung sowie der bauseitigen Umsetzbarkeit der entwickelten Nachweis- und Prüfkonzepte erfolgt abschließend im Vorhaben die Betrachtung von mindestens drei vollständigen Prüfabläufen bei Bauteil- und Großversuchen mit praxisrelevanten Abmessungen (z. B. Ortbetonplattenbalken und Fertigteilwandelement). Diese werden durch Praxiserprobungen (u. a. Brückenverstärkung mit Carbonbeton) ergänzt.
Wir erhoffen uns, mit diesem Vorhaben einen großen Beitrag für die Etablierung von Carbonbeton zu leisten, damit in Zukunft die Anwendung von Carbonbeton im Bauwesen zur Normalität wird.