Stahlfaserbeton für Bauteile und Bauwerke

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1 Stahlaserbeton ür Bauteile und Bauwerke Technische Merkblätter Verband deutscher Stahlaserhersteller e. V. Postach Datteln

2 Die Idee, Baustoe, die hohe Druckspannungen aber lediglich geringe Zugspannungen aunehmen können, mit Faserzusätzen zu verstärken, ist bereits sehr alt. Schon die Römer gaben ihrem betonähnlichen Bausto Opus Caementicium Fasern in Form von Strohhalmen und Haaren zu, um Risse zu vermeiden (1.). Durch intensive Forschung und Entwicklung wurden die maßgeblichen Eigenschaten des Stahlaserbetons in den letzten 30 Jahren erasst. 1. Materialeigenschaten Bei den in der Praxis üblichen Stahlasergehalten werden in erster Linie die Biegezugestigkeit bzw. die äquivalente Biegezugestigkeit, die Schlagestigkeit und das Verhalten bei dynamischen Belastungen positiv beeinlusst. Während die bis zu 20-mal höhere Schlagestigkeit und das verbesserte Verhalten bei dynamischen Belastungen lediglich konstruktiv ür stark beanspruchte Bauteile, wie z. B. Müllbunker genutzt werden können, kann die Biegezugestigkeit ür Nachweise von Bauteilen mit geringem Geährdungspotenzial und die aus der äquivalenten Biegezugestigkeit abgeleitete äquivalente Zugestigkeit im gerissenen Betonquerschnitt ür die Bemessung sowohl im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit als auch im Grenzzustand der Tragähigkeit angesetzt werden. Stahlasern sind dabei in der Lage, Zugkräte im gerissenen Beton von Rissuer zu Rissuer zu übertragen, so dass ein sprödes Versagen des Bauteils vermieden werden kann. Das veränderte Tragverhalten von Stahlaserbetonen wird bei Versuchen an Biegebalken deutlich. Während ein Beton ohne Stahlasern nach dem Erstriss spröde versagt, zeichnet sich der Stahlaserbeton je nach Faserart und Dosierung durch ein ausgeprägtes Tragverhalten nach der Rissbildung aus.

3 Im neuen Merkblatt des Deutschen Beton Vereins, Stahlaserbeton, Fassung Oktober 2001 (2.) wurde das veränderte Tragverhalten von Stahlaserbeton berücksichtigt. Aus den Last-Verormungskurven werden hier zwei Festigkeitswerte bestimmt, die die aunehmbare Zugestigkeit im gerissenen Zustand in zwei verschiedenen Verormungsbereichen beschreiben. Der Verormungsbereich I stellt den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit dar, also Verhalten bei kleinen Rissbreiten. Der Verormungsbereich II beschreibt das Verhalten im Grenzzustand der Tragähigkeit bei großen Rissbreiten. Versuchsaubau: Auswertung ür den Verormungsbereich I: eq,li. D = 1200 b d li, 2 Auswertung ür den Verormungsbereich II: eq,l. II D = 200 b d l, II 2

4 Die charakteristischen Werte werden wie olgt bestimmt: ctk,li, = ctm,li, s P t n 10 1, 645 s P s 1( + P ctm,li, t10 ) n Darin sind: Flächenanteil des Arbeitsvermögens ür die Stahlasern im Riss aunehmbare Beanspruchung ür den einzelnenprobekörper in N/mm_ Mittelwert der im Riss aunehmbaren Beanspruchungen der Probenserie charakteristischer Wert der im Riss aunehmbaren Biegebeanspruchungen ür dieprobenserie Standardabweichung der Probekörper der Probenserie Beiwert ür die Student-Verteilung an der 10 %-Quantile Breite des Probekörpers in mm Dicke des Probekörpers in mm Ermittlung der äquivalenten Zugestigkeit: Die aunehmbare Zugbeanspruchung im Riss wird aus der äquivalenten Biegezugbeanspruchung mittels konstanter Faktoren ermittelt. ctk,i = 0,45. ctk,l,i ctk,ii = 0,37. ctk,l,ii Diese Werte stellen Bestimmungswerte ür die Faserbetonklasse dar.

5 Faserbetonklassen Bei lächenhaten Bauteilen, die den üblichen Anwendungsall ür Stahlaserbetone darstellen wird der Beiwert kv mit 1,0 angesetzt. Dies bedeutet, dass hier nicht mit charakteristischen Werten, sondern mit dem Mittelwert der Grundgesamtheit bemessen werden kann. Diese Festigkeitsklassen beschreiben, wie bereits gezeigt, die Fähigkeit des Stahlaserbetons auch in gerissenem Querschnitt Zugkräte zu übertragen, und werden zusätzlich zu der Druckestigkeitsklasse angegeben. Beispiel: C 30/37 F 1,0/0,8 Mit Hile der äquivalenten Zugestigkeit wird die Spannungs-Dehnungslinie ür die Querschnittsbemessung au der Zugseite ergänzt. Beim Stahlaserbeton wird dem Beton nicht mehr nur au der Druckseite das Parabel-Rechteck-Diagramm als Druckkratanteil zugeordnet, sondern auch ein eigener Zugkrattraganteil. 2. Einsatz von Stahlaserbeton Derzeit ist der Einsatz von Stahlaserbeton ohne Zustimmung im Einzelall oder allgemeine bauausichtliche Zulassung au Bauteile mit niedrigem Geährdungspotenzial und Bauteile, bei denen der Nachweis im Grenzzustand der Tragähigkeit ohne die Wirkung der Stahlasern geührt werden kann, begrenzt. Im Rahmen von Zustimmungen im Einzelall und allgemeinen bauausichtlichen Zulassungen werden Stahlasern allerdings auch jetzt schon bei Nachweisen im Grenzzustand der Tragähigkeit herangezogen (Wände, Bodenplatten, Fertigteilgaragen etc.).

6 Dass Stahlaserbeton prinzipiell ür Nachweise im Grenzzustand der Tragähigkeit angesetzt werden kann, wird neben den bestehenden allgemeinen bauausichtlichen Zulassungen ür verschiedene Bauteile auch durch die verstärkten Aktivitäten im Bereich von Merkblättern und Richtlinien in Deutschland und Europa deutlich. So wurde im Oktober 2001 das neue Merkblatt des Deutschen Beton Vereins veröentlicht. Erschienen sind bereits drei weitere Merkblätter des DBV - das erste davon 1984 zum Thema Stahlaserspritzbeton. Es wurde später erweitert und beasst sich allgemein mit der Technologie von Stahlaserbeton und Stahlaserspritzbeton (Fassung 1992) (3.) olgte ein weiteres mit dem Titel Grundlagen zur Bemessung von Industrieußböden aus Stahlaserbeton (4.) erschien das Merkblatt Bemessungsgrundlagen ür Stahlaserbeton im Tunnelbau (5.). Alle drei Merkblätter wurden 1996 nochmals redaktionell überarbeitet. Im Juli 2000 gründete der DAStb einen Unterausschuss, der mit der Ausarbeitung der Richtlinie Stahlaserbeton beautragt wurde. In der

7 DAStb Richtlinie zum Betonbau beim Umgang mit wassergeährdenden Stoen von 1996 wurden Stahlasern bereits ür den Nachweis der Mindestbewehrung eingeührt. In Österreich wurde die Richtlinie Faserbeton der Österreichischen Vereinigung ür Beton- und Bautechnik im März 2002 verabschiedet und eingeührt. Daneben besteht bereits eine große Zahl von Bemessungsregeln in anderen Ländern, die die unterschiedlichsten Anwendungsälle abdecken. Beispielhat genannt seien die Schweiz (SIA 162/6; (6.), Schweden (Betonrapport 4; (7.))und Großbritannien (TR34, Anhang F;(8). Bisher wird Stahlaserbeton größtenteils ür Bauteile mit niedrigem Geährdungspotenzial (z. B. Industrieußböden) eingesetzt. Daür können auch andere positive Eigenschaten, wie z. B. die Biegezugestigkeit und die höhere Schlagestigkeit, ausgenutzt werden. Der Einsatz von Stahlasern ür Nachweise im Grenzzustand der Tragähigkeit ist noch begrenzt (Bauteilzulassung). Augrund seines entestigenden Materialverhaltens und der gegenüber der Erstrisslast reduzierten Tragähigkeit im gerissenen Zustand eignet sich der Bausto in erster Linie ür hochgradig statisch unbestimmte Systeme oder solche mit Normalkräten. Die Umlagerungsmöglichkeiten, die sich dann bieten, ühren zu einem duktilen Bauteilverhalten mit großen Tragreserven. Des Weiteren sind Systeme mit großen Zugzonen (Platten) vorteilhat, da hier eine ungleichmäßige Faserverteilung statistisch keinen wesentlichen Einluss hat. Im Zuge der Einührung neuer Normengenerationen wie der DIN (neu) und des EC2 rückt der Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit weiter in den Vordergrund. Auch hier können die Stahlasern einen wichtigen Beitrag zur Optimierung der Konstruktion leisten. In vielen Fällen wird der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit durch den Einsatz von Stahlaserbeton erleichtert bzw. sogar erst ermöglicht werden. Derzeit inden Stahlasern in erster Linie in den olgenden Bereichen ihre Anwendung Industrieußböden Das Hauptanwendungsgebiet ür Stahlasern in Deutschland ist derzeit der Industrieußbodenbau. In den meisten Fällen sind die Industrieußböden nicht in das Tragwerksystem einbezogen, sondern werden lediglich durch ihr Eigengewicht und Verkehrslasten beansprucht. Da in diesem Fall die Bauteile nicht der DIN 1045 unterliegen, kann nach dem bereits angeührten Merkblatt des DBV Grundlagen zur Bemessung von Industrieußböden aus Stahlaserbeton bemessen

8 werden. Daher wird hier bereits seit Jahren erolgreich Stahlaserbeton eingesetzt. Derzeit werden ca. 30 % aller Industrieußböden aus Stahlaserbeton hergestellt. Mit dem Erscheinen des Merkblatts des Deutschen Beton Vereins im Jahr 1992 wurde dem Anwender eine Hile bei der Bemessung und Planung gelieert. Bei der Bemessung nach dem Merkblatt des DBV werden zwei Haupteigenschaten des Stahlaserbetons genutzt. Zum einen wird die Steigerung der Biegezugestigkeit ür die Bemessung im Zustand I und zum anderen die Möglichkeit, auch nach Rissbildung noch Zugkräte aunehmen zu können, ür die Bemessung im Zustand II ausgenutzt. Neben diesen beiden Vorteilen wirkt sich aber auch die höhere Schlagestigkeit und die gleichmäßig dreidimensionale Verteilung der Stahlaserbewehrung positiv au die spätere Nutzung aus. So ist z. B. die Geahr ür Kantenausbrüche der Platten deutlich geringer. Ein zweiter wesentlicher Grund ür den in den letzten Jahren kontinuierlich steigenden Einsatz von Stahlasern im Industriebodenbau ist die Kosten- und Zeitersparnis. Neben dem Wegall einer Sauberkeitsschicht, können Laserscreeds eingesetzt werden. Au den Einsatz von Betonpumpen kann in den meisten Fällen verzichtet werden. Ein weiteres Argument ür den Einsatz von Stahlaserbeton ist, dass Bewehrungsehler, wie z. B. herunter getretene Matten, oder nicht ausreichende Betonüberdeckung, vermieden werden. Betonstraßen Mehrere Versuchsstrecken haben gezeigt, dass Stahlaserbetonstraßen augrund der um ca. 20 % kürzeren Bauzeit eine wirtschatliche Alternative zu betonstahlbewehrten Betonstraßen sind. Zudem stellt Faserbeton augrund der vorhandenen Schwellbeanspruchung im Gebrauchszustand eine technisch wesentlich bessere Lösung dar als Betonstraßen ohne eine solche Bewehrung. Höhere Materialkosten werden in der Regel durch die längere Nutzungsdauer gerechtertigt. Versuche an der TU Braunschweig (9.) haben außerdem gezeigt, dass Stahlaserbeton die Höhe der Durchrisslast ebenso wie die Tragähigkeit erheblich steigern kann. Für die Praxis bedeutet dies, dass entweder die Dicke trotz höheren Schwerverkehrsaukommens vermindert oder bei Instandsetzungen die vorhandene Fahrbahndicke beibehalten werden kann.

9 Wohnungsbau In den letzten Jahren wird Stahlaserbeton immer häuiger im Wohnungsbau eingesetzt. Zum Einsatz kommt er derzeit vor allem ür Bodenplatten, Fundamente und Kellerwände. Stahlasern gelten im Sinne der DIN 1045 als Betonzusatzsto. Für die Stahlasern der im VDS organisierten Produzenten existieren allgemeine bauausichtliche Zulassungen des Deutschen Instituts ür Bautechnik in Berlin. Diese Zulassungen lassen den Einsatz von Stahlasern im Beton nach DIN 1045 zu, regeln jedoch nicht die Bemessung der Bauteile. Es existieren ür den Ersatz statisch erorderlicher Bewehrung ür den Nachweis im Grenzzustand der Tragähigkeit spezielle allgemeine bauausichtliche Zulassungen. Werden die Stahlasern ür den Nachweis im Grenzzustand der Tragähigkeit nicht angesetzt, wird also der Nachweis wie unbewehrter Beton nach DIN 1045 geührt, so ist der Einsatz als Ersatz ür konstruktive Bewehrung bzw. ür Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit zulässig. Tunnelbau Im Tunnelbau kommt Stahlaserbeton sowohl als Spritzbeton als auch als Pumpbeton zum Einsatz. Außerdem werden Fertigteiltübbings aus Stahlaserbeton hergestellt. Bei allen Einsatzgebieten können Vereinachungen im Verahrensablau ausgenutzt werden, so dass sich sowohl die Bauzeit verkürzt als auch die Baukosten gesenkt werden können. Spritzbeton Stahlaserspritzbeton wird vor allem bei der vorläuigen Sicherung in der zweischaligen Bauweise eingesetzt, kann jedoch auch bei mehrlagigem Aubau ür die einschalige Bauweise genutzt werden. Neben der Bauzeitverkürzung durch den Wegall der Bewehrungsarbeiten werden auch die Kosten ür die je nach Querschnitt des Ausbruchs ot sehr auwendige Bewehrungsührung gespart. Wesentlich ür die steigende Akzeptanz von Stahlaserspritzbeton sind jedoch sicherlich auch die technischen Vorteile dieses noch recht jungen Baustoes. Spritzschatten hinter den Bewehrungsstäben und Inhomogenitäten im Verbundbereich von Stabstahl und Spritzbeton augrund schwingender Stahlstäbe werden vermieden.

10 Stahlaserpumpbeton Stahlaserpumpbeton wird vor allem bei Innenschalen oder in der zweiten Lage bei einschaliger Bauweise eingesetzt. Gerade beim Einsatz von Gleitschalung wird die Vereinachung der Verahrenstechnik durch den Wegall der Bewehrung deutlich. In einigen Fällen kann die Stärke der Schale geringer ausallen, da au die Betondeckung keine Rücksicht genommen werden muss. Tübbings Bei Fertigteiltübbings können die Materialeigenschaten von Stahlaserbeton durch den wesentlich besser zu überwachenden Herstellprozess ot noch höher ausgenutzt werden als bei Stahlaserpumpbeton. Neben der vereinachten Herstellung ist vor allem die homogene Verteilung der Stahlasern von Vorteil. Die Geahr von Abplatzungen durch den Transport oder auch durch die Pressen beim Vortrieb wird minimiert. Fertigteile Überwachung beim Herstellprozess und der in der Regel damit verbundenen gleichmäßigeren Verteilung der Stahlasern in der Betonmatrix bietet die Möglichkeit, mit geringeren Abminderungsaktoren ür die Festigkeitswerte des Stahlaserbetons zu arbeiten. Gerade bei kleinen bzw. dünnwandigen Bauteilen braucht bei der Dimensionierung keine Rücksicht au die sonst erorderliche Betonüberdeckung genommen werden. Durch die Erhöhung der Grünstandestigkeit können die Verahrensabläue beschleunigt werden. Außerdem kann je nach Stahlasertyp und Stahlasergehalt teilweise au auwendige Bewehrung, wie z. B. Schubbügel, verzichtet werden. So werden beispielsweise Garagen oder Transormatorenbehälter bereits sehr wirtschatlich als Fertigteil au Grundlage einer allgemeinen bauausichtlichen Zulassung ausgeührt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Erhöhung der Schlagestigkeit. Transportschäden können dadurch ot verhindert werden, oder es sind nur so geringe Beschädigungen estzustellen, dass das Bauteil leicht ausgebessert werden kann. Die Ausschussrate kann deutlich reduziert werden. Literatur 1. Maidl,B.: Stahlaserbeton, Ernst Verlag, Deutscher Beton Verein: Stahlaserbeton, Fassung Oktober Deutscher Beton Verein: Technologie des Stahlaserbetons und - Stahlaserspritzbetons, Fassung 1992, redaktionell überarbeitet Deutscher Beton Verein: Grundlagen zur Bemessung von Industrieußböden aus Stahlaserbeton, Fassung 1991, redaktionell überarbeitet Deutscher Beton Verein: Bemessungsgrundlagen ür Stahlaserbeton im Tunnelbau, Fassung 1992, redaktionell überarbeitet Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein: SIA 162/6 Stahlaserbeton (Schweizer Norm /6), Ausgabe Svenska Betonöreningen: Betonrapport nr 4 Stålibrebetong, rekommendationer ör konstruktion, utörande och provning, utgåva 2, The Concrete Society: TR 34, Concrete Industrial Ground Floors; A guide to their Design and Construction, second edition, Febr Falkner, Teutsch, Klinkert: Het 131, Trag- und Verormungsverhalten dynamisch beanspruchter Fahrbahnen aus Beton- und Stahlaserbeton, ibmb der TU Braunschweig, 1997