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Nachträgliche Verstärkung von Betonbauwerken

CFK-Lamellen als Alternative zu Stahlträgern

MC Bauchemie, Baustoffe

Kragarmverstärkung einer Autobahnbrücke mit in Schlitze geklebten CFK-Lamellen.

Bottrop (ABZ). – An Betonbauwerken wie Brücken oder Wohn- und Geschäftshäusern nagt der Zahn der Zeit, sodass Bauteile nachträglich verstärkt werden müssen. Zwar greifen Tragwerksplaner häufig zu zusätzlichen Stahlträgern oder Spritzbeton mit Bewehrungszulage, doch muss dies nicht immer notwendig sein. Im Vergleich zur Verstärkung mit Stahlträgern oder zu ergänzender Bewehrung in Spritzbeton können CFK-Verbundwerkstoffe nach Angaben von MC-Bauchemie bei planmäßigen Lasterhöhungen und Beschädigungen der Bewehrung deutlich kostengünstiger sein. Auch Fehler in der Statik oder bei der Bauausführung könnten durch derartige nachträgliche Verstärkungsmaßnahmen behoben werden.

In Deutschland seien CFK-Verbundwerkstoffe seit knapp zwei Jahrzehnten bauaufsichtlich zugelassen. Eine Reihe von Bauteilen bedürfe einer nachträg-lichen Verstärkung: Im Parkhaus undbei Brücken können etwa die Verstärkung von Deckenplatten und Unterzügen ebenso wie die Ertüchtigung von Stützen notwendig sein. Für die Verstärkung der Zugzone können der Einbau von Stahlträgern oder eine nachträgliche Bewehrung in Spritzbeton genutzt werden. Die Schichtdicke von Spritzbeton und Zulagebewehrung betrage aufgrund der notwendigen Betondeckung, des Bewehrungsquerschnitts und des Mindestabstands zum Altbeton meist 10 cm. Ein nachträglich eingebauter Stahlträger zum Abfangen einer Decke weise oft sogar eine Höhe von 15 bis 20 cm auf. Hierdurch werde die lichte Bauteilhöhe erheblich reduziert. Somit kann es nach einer Verstärkungsmaßnahme in einem Parkhaus für Transporter sehr eng werden. Im Vergleich dazu hätten Verstärkungsmaßnahmen mit CFK Vorteile zu bieten, denn oberflächig aufgeklebte CFK-Lamellen weisen inkl. Klebstoff eine Dicke von weniger als 0,5 cm auf. Bei CFK-Lamellen, die sich oberflächennah in Schlitzen in den Beton verkleben lassen, verändere sich die lichte Höhe nicht. Dies kann auch bei Überführungen von Bahngleisen von Vorteil sein, da hier ein gewisses Lichtraumprofil nicht unterschritten werden darf. Selbst Straßenbrücken, die von hohen Lkw unterfahren werden, dürfen in ihrer lichten Höhe nur begrenzt reduziert werden.

Bei den CFK-Baustoffen werde extrem geringes Gewicht mit sehr hohen Zug-festigkeiten kombiniert. Z. B. wiegt eine Rolle CFK-Lamellen (d = 1 m) mit einer Länge von 150 m und einem Querschnitt von 50 mm x 1,2 mm gerade mal 14,4 kg. Sie lasse sich leicht von einer Person tragen und platzsparend auf der Baustelle lagern. Durch das geringe Gewicht benötigen CFK-Lamellen zudem keine zusätzliche Unterstützung während der Aushärtung. Wird stattdessen eine Stahllasche eingesetzt, ist bei gleicher Festigkeit mit einem Gewicht von etwa 400 kg zu rechnen, was zusätzlich das Eigengewicht des Bauteils erhöht. Der Transport zum Applikationsort sowie die Applikation gestalten sich dadurch viel aufwendiger. Zusätzlich müsse die Stahllasche während der Aushärtung durch zusätzliche Stützen gehalten werden. Insgesamt lasse sich feststellen, dass der Aufwand vor, während und nach der Verstärkungsmaßnahme mit Stahl deutlich höher ist als bei der Applikation von CFK-Lamellen.

Aufgrund der Schlankheit der CFK-Lamellen, ihres geringen Gewichtes und ihrer Flexibilität können sie zwischen vorhandenen Rohr- und Versorgungsleitungen hindurch geführt werden. Dies sei mit Spritzbeton oder Stahlträgern nicht möglich. Insbesondere bei Industriebauten und Einkaufszentren sei dies von Vorteil, da die Leitungen vor der Verstärkungsmaßnahme nicht aufwendig verlegt werden müssen.

Bei der Verstärkung mit Spritzbeton könne die volle Belastung des Bauteils erst nach Aushärten des Betons erfolgen. Dessen geforderte Mindestdruckfestigkeit ist nach 28 Tagen erreicht. Die Applikation von CFK-Lamellen dauert unter Berücksichtigung entsprechender Untergrundvorbereitung je nach Größe des Projektes nicht länger als zwei Tage. Nach zweitägiger Aushärtung des Klebers kann das Bauteil voll belastet werden. Bauzeit und Sperrzeiten des Bauwerks sollen sich so auf ein Minimum beschränken lassen.

Der Materialpreis der CFK-Lamellen liege höher als der Stahlpreis. Werde jedoch das Gesamtsystem betrachtet und werden Ausfallzeiten während und die teilweise eingeschränkte Nutzung nach der Verstärkungsmaßnahme ebenso wie die aufwendige Baustelleneinrichtung und -logistik verbunden mit höheren Lohn- und Maschinenkosten berücksichtigt, ergebe sich ein anderes Bild: Insbesondere bei geringen Verstärkungsgraden ist der Einsatz von CFK-Lamellen Informationen von MC-Bauchemie zufolge meist deutlich wirtschaftlicher als der Einsatz von Stahl oder Spritzbeton.

Um die Kosten für eine Verstärkung mit CFK-Lamellen richtig abzuschätzen, sei eine Vorbemessung unabdingbar. Hierbei werde die Anwendbarkeit der CFK-Verstärkung geprüft und der minimale erforderliche Lamellenquerschnitt berechnet, woraus sich dann eine Kostenschätzung ergibt.

Wichtig sei, die Bemessung richtig anzugehen. Die "DAfStb-Verstärkungsrichtlinie" enthalte die notwendigen Bemessungsregeln für die Biegeverstärkung mit aufgeklebten CFK-Lamellen und CF-Gelegen sowie für in Schlitze geklebte CFK-Lamellen. Sie regelt die Querkraftverstärkung durch aufgeklebte CF-Sheets und Stahllaschen sowie die Stützenverstärkung durch Umschnürung mit CF-Gelegen.

Auch die Wahl der Applikation hat nach Informationen von MC-Bauchemie einen Einfluss auf die Kosten: Die in Schlitze geklebten Lamellen können deutlich höhere Verbundspannungen aufnehmen als die oberflächig geklebten Lamellen. Hierdurch reichen bei den in Schlitzen geklebten Lamellen geringere Querschnitte zur Aufnahme derselben Kräfte wie bei oberflächig geklebten CFK-Lamellen. Durch eine einfachere Oberflächenvorbereitung bei den in Schlitze geklebten CFK-Lamellen können die Kosten für die Applikation und die Materialkosten reduziert werden.

Ebenso wie bei herkömmlichen Verstärkungsmaßnahmen mit Stahl müssen auch bei der Wirtschaftlichkeitsrechnung von CFK-Verstärkungen Brandschutzmaßnahmen berücksichtigt werden. Die Glasübergangstemperatur des Epoxidharz-klebers, mit dem die CFK-Lamellen verklebt werden, liegt bei über 55 °C. Ab dieser Temperatur beginnt der Klebstoff zu kriechen und kann die Kräfte aus dem Beton nicht mehr voll in die CFK-Lamellen übertragen.

Die Lamellen fallen daher im Brandfall ohne zusätzliche Brandschutzmaßnahmen rechnerisch aus. Bei der Heißbemessung gemäß Eurocode 2 (DIN EN 1992 1 2:2012-12: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1–2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall) wird das Bauteil mit reduzierten Teilsicherheitsbeiwerten für außergewöhnliche Einwirkungskombinationen ohne Einwirkung der CFK-Lamellen nachgewiesen. Die innere Stahlbewehrung muss in diesem Fall die Kräfte aufnehmen können. Lässt sich über die Heißbemessung die Tragfähigkeit nachweisen, kann auf eine zumeist kostenintensive Brandschutzverkleidung verzichtet werden. Dies sei erfahrungsgemäß bei 85 bis 90 % der Verstärkungsmaßnahmen der Fall. Allerdings gibt MC-Bauchemie zu bedenken: Mit dem Einsatz von CFK-Verbundwerkstoffen lässt sich nicht jedes Bauteil wieder ertüchtigen. Es gebe Anwendungsgrenzen, die im Vorfeld geklärt werden müssen.

Hierzu zählen z. B. die Verstärkung von konkav gekrümmten Bauteilen und solchen, die Dauertemperaturen über40 °C ausgesetzt sind. Die Traglasterhöhung werde oft durch das Druckversagen des Betons eingeschränkt. Bei hohen Kräften und kurzen Verankerungslängen kann auch der Endverankerungsnachweis zu Problemen führen. Es sollte daher geprüft werden, ob die Kräfte mit Bügelumschließung oder in Schlitze geklebten CFK-Lamellen im Beton verankert werden können. Die Anwendbarkeit der CFK-Verstärkung ist somit im Vorfeld durch eine Vorbemessung zu kontrollieren. Sei das Ergebnis, dass eine CFK-Verstärkung nicht möglich ist, müsse auf eine konventionelle Verstärkungsmethode zurückgegriffen werden. Verstärkungsmaßnahmen mit CFK-Verbundwerkstoffen seien bei der nachträglichen Verstärkung von Betonbauteilen eine kostengünstige und zeitsparende Alternative zu herkömmlichen Verfahren.

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Dieser Artikel erschien in der Ausgabe Allgemeine Bauzeitung 09/2017.

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