Verbund, Verformung und Rissbildung von Carbonbetonverstärkungen
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2024/25
Instandsetzung Effizient und diskret
Im Forschungsvorhaben werden typische Stahlbetonkonstruktionen im Bauwerksbestand, wie Deckenplatten oder Unterzüge, untersucht, die aufgrund von Tragfähigkeitsdefiziten verstärkt werden. Für ein verbessertes Biegetragverhalten wird eine zusätzliche Betonschicht aufgespritzt, in die ein Carbongitter als Zugbewehrung eingelegt wird. Diese zusätzliche, nur wenige Millimeter dicke Betonschicht ist optisch kaum wahrnehmbar. Für die Planung der Ertüchtigung der Bauteile müssen neben der Tragfähigkeit auch die nach der Verstärkung auftretende Rissbildung, Verformung oder Spannungsverteilung berechnet und bewertet werden. Im Verbundvorhaben erarbeitet das Massivbauinstitut der TU Dresden entsprechende Nachweisverfahren.
Voruntersuchungen zur Kennwertermittlung wurden zunächst an kleinformatigen Probekörpern durchgeführt. Dazu gehörten beispielsweise Zugversuche an Stahl- und Carbonbewehrung oder Verbundversuche, bei denen der Auszug der Carbonbewehrung aus dem Feinbeton und die damit verbundene Rissbildung bewertet wurden. Diese Erkenntnisse dienen der Nachrechnung und Plausibilisierung der Ergebnisse von Versuchen an Stahlbetonbauteilen.
Mit 3 m langen und 12 cm dicken Stahlbetonbauteilen wurde eine typische einachsig gespannte Deckenkonstruktion im Bestand simuliert. Bei der Herstellung wurden eine niedrige Betonfestigkeitsklasse und ein geringer Bewehrungsgrad verwendet. Zur messtechnischen Überwachung während der späteren experimentellen Untersuchungen wurden an den Bewehrungselementen und im Beton faseroptische Sensoren installiert. Diese ermöglichen eine kontinuierliche zeitliche und örtliche Erfassung der auftretenden Dehnungen über die gesamte Bauteillänge und somit Rückschlüsse auf Spannungen, Steifigkeiten und Verformungen. Nach der Bauteilherstellung wurde die Carbonbetonschicht im Spritzverfahren auf die aufgeraute Zugseite aufgebracht.
Biegeversuch an einem carbonbetonverstärkten Stahlbetonbauteil
4-Punkt-Biegeversuche im Otto-Mohr-Laboratorium ergaben eine ca. vierfach höhere Tragfähigkeit gegenüber unverstärkten Bauteilen. Unter den üblicherweise zu erwartenden Gebrauchslasten konnten eine fein verteilte Rissbildung sowie geringe Gesamtdurchbiegungen festgestellt werden. Die faseroptische Sensorik konnte die Dehnungen im Bauteilinneren gut erfassen und die erwarteten Unterschiede zwischen Stahl, Carbon und Beton darstellen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Verbund und Verformung von Carbonbetonverstärkungen
Applikation eines faseroptischen Sensors auf einem Einzelgarn
Die Verstärkung von Stahlbetonkonstruktionen mit dem Verbundwerkstoff Carbonbeton bietet eine sehr effiziente und wirtschaftliche Alternative zu den üblichen Varianten Spritzbeton oder Lamellen. Dabei werden hoch zugfeste, textile Gelege aus Carbonfasern, die mit einer Kunststofftränkung versehen sind, in eine nur wenige Zentimeter dicke Betonschicht eingebettet. So können mit sehr geringem Materialeinsatz eine ressourceneffiziente Ertüchtigung von Bauteilen erreicht und die Lebensdauer von Tragkonstruktionen nachhaltig deutlich erhöht werden.
Intensive Forschungsarbeiten haben diesen innovativen Baustoff zur praktischen Anwendbarkeit geführt. Es wurden Nachweisverfahren für den Grenzzustand der Tragfähigkeit aufgestellt, die auf den bekannten Formulierungen der bereits etablierten Verstärkungsmaßnahmen basieren. Für die Nutzung von Tragwerken sind jedoch auch Betrachtungen hinsichtlich der Rissbildung, von Verformungen oder von auftretenden Spannungen relevant. Auch diese müssen bei der Bemessung im Vorfeld abgeschätzt werden. Im Verbundvorhaben forscht das Massivbauinstitut der TU Dresden daher an dafür notwendigen Nachweisverfahren.
Entscheidend für das Tragverhalten des Gesamtbauteils ist der Verbund der Bewehrungselemente mit dem Beton, also das Zusammenwirken der Einzelkomponenten. Im Rahmen von Untersuchungen wurden daher Zug- und Verbundversuche an definierten Materialkombinationen durchgeführt. Um das gesamte belastungsabhängige Verhalten zu erfassen, wurde die Verformung und die damit einhergehende Rissbildung mittels digitaler Bildkorrelation aufgezeichnet. Darüber hinaus erlaubten faseroptische Sensoren einen Blick in das Probekörperinnere, um Dehnungen von Bewehrung und Beton kontinuierlich über die Zeit und die Messlänge zu erfassen. Diese lassen auf die Spannungen und das Verbundverhalten schließen. Im nächsten Schritt müssen die gewonnenen Erkenntnisse an Großbauteilen, die entsprechend der Realität im Bauwerksbestand konstruiert wurden, verifiziert werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
Gebrauchstauglichkeit von Carbonbeton
Entwicklung von Rissen, mit einem photogrammetrischen Messsystem an einem Carbonbeton-Dehnkörper beobachtet
Die wegweisende Erweiterung des Massivbaus durch Beton mit nichtmetallischer Carbonbewehrung eröffnet vielfältige tragwerksplanerische sowie architektonische Möglichkeiten, die sowohl Neuerungen darstellen als auch bekannte Bauweisen adaptieren. Die Weiterentwicklung des innovativen Verbundwerkstoffs Carbonbeton bildet zudem eine wichtige Grundlage für die Verbesserung der Nachhaltigkeit und Dauerhaftigkeit zementgebundener Baukonstruktionen. Mit schlanken und dünnen Neubauteilen können Material eingespart und die Ressourceneffizienz verbessert werden. Zudem kann beim Bauen im Bestand eine erhebliche Verlängerung der Nutzungsdauer von Tragwerken durch eine Verstärkung mit Carbonbeton erreicht werden. Damit ist ein großes CO2-Einsparungspotenzial verbunden.
Um die Anwendbarkeit von Carbonbeton nach deutschem Baurecht zu ermöglichen, sind Bauteile oder Verstärkungen entsprechend den anerkannten Regeln der Technik zu bemessen. Diese liegen zurzeit für Carbonbeton noch nicht vor, sodass Zustimmungen im Einzelfall oder allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen benötigt werden. Es reicht jedoch nicht aus, einzig die Sicherheit einer Konstruktion mit Aufnahme aller auftretenden Belastungen zu gewährleisten. Gleichermaßen muss unter Gebrauchsbedingungen die einwandfreie Nutzung des Tragwerks sichergestellt werden. Vor allem für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) fehlen aber bisher allgemeingültige Modelle sowie Angaben zur baulichen Durchbildung. Im Verbundvorhaben CRC-BoDeM werden daher Regelungen zur Begrenzung der Rissweiten, der Verformungen und der Spannungen entwickelt sowie Nachweisverfahren für Übergreifungsstöße und zur Verankerung von nichtmetallischer Biegelängs- und Querkraftbewehrung erarbeitet. Vor allem die Betrachtung des Verbundes zwischen der nichtmetallischen Bewehrung und dem Beton ist dabei von großer Bedeutung.
Das Verbundvorhaben soll dazu beitragen, die Markteintrittsbarriere für Carbonbeton weitgehend auszuräumen. Wir in Dresden werden speziell die Verstärkung bestehender Stahlbetonkonstruktionen mit Carbonbeton betrachten. Die gesammelten Erkenntnisse fließen in praxistaugliche Regelungen für die Bauweise ein, sodass der technologische Reifegrad der Innovation Carbonbeton angehoben wird.