V4.2 Vorgespannter Carbonbeton für Straßenbrücken und Flächentragwerke

Foto: TU Berlin FG Entwerfen und Konstruieren – Massivbau | oben: Brücke, unten: Schale

Tragwerke aus Carbonbeton sind insbesondere dann werkstoffgerecht entworfen und konstruiert, wenn die Carbonbewehrung vorgespannt wird. Die Erfolgsgeschichte des Spannbetons begann mit dem Aufkommen hochfesten Spannstahls, der es ermöglichte, dauerhaft hohe Vorspannkräfte in den Beton einzuleiten. Der Übergang vom Spannstahl zum noch festeren, leichteren und korrosionsbeständigen Carbon stellt eine fast natürliche Weiterentwicklung dieser leistungsfähigen Bauweise dar. Die Vorspannung mit Carbon erlaubt es, schlankere Querschnitte zu realisieren, die dauerhaft und robust sind. Vorgespannter Carbonbeton wird in zwei Teilprojekten erforscht werden (Teil A: Brückensysteme für den Straßenverkehr; Teil B: Dünnwandige Flächentragwerke).

Teil A: Brückensysteme für den Straßenverkehr
Die Entwicklung eines Brückensystems mit Spannweiten von 35 bis 45 m ohne Mittelstütze aus vorgespanntem Carbonbeton in integraler Bauweise – also ohne Fugen und Lager – ist das Ziel des Teilprojekts A. Das System enthält den Entwurf in Fertigteilbauweise, den Einsatz von hochfestem Beton sowie von Vorspannelementen und Bewehrung aus Carbon. Innerhalb des Projektes wird sowohl ein funktionierendes Carbonspannglied, als auch nachträglich umformbare Carbonbewehrung mit thermoplastischer Matrix entwickelt. Weiterhin werden kompakte Verankerungssysteme für kleine Carbonspannglieder erforscht. Somit kann das Anwendungsfeld auf den klassischen Hochbau erweitert werden. Neben der Entwicklung des Brückensystems liegt ein weiterer Schwerpunkt des Projekts allgemein in der Weiterentwicklung der Vorspanntechnik im Carbonbetonbau.

Bislang wurden ein Referenzentwurf mit Spannbeton für das Brückensystem sowie Entwürfe mit vorgespanntem Carbonbeton entwickelt, wobei hierfür die Erstellung eines Bemessungskonzeptes nach der Zusammenstellung und dem Vergleich internationaler Regelwerke erforderlich war. Im Projekt wurde bisher hinsichtlich der Carbonspannglieder der internationale Markt sondiert und Kontakte mit Herstellern geknüpft. Ein Vorspannsystem wurde ausgewählt und an die Erfordernisse des Projektes angepasst. Weiterhin wurden Tastversuche für Verankerungen und Zugelemente aus Carbon durchgeführt. Gleiches gilt für erste Prototypen der schlaffen Carbonbewehrung.

Im weiteren Verlauf des Projektes werden die kritischen Punkte des Brückensystems, beispielsweise das Biegetragverhalten (Duktilität), die Carbonbewehrung und das Carbonspannglied sowie die Einleitung der Spannkraft experimentell untersucht. Am Ende des Projektes wird ein Fertigteilträger mit realen Abmessungen als Demonstrator hergestellt, an dem die Herstellbarkeit evaluiert wird sowie Langzeitmessungen durchgeführt werden. Somit wird die Grundlage für die bauliche und planerische Umsetzung eines Pilotprojektes geschaffen.

Teil B: Dünnwandige Flächentragwerke
Die Entwicklung von vorgespannten Flächentragwerken aus Carbonbeton ist das Ziel des Teilprojekts B. Für ebene, einfach und doppelt gekrümmte Bauteile soll die korrosionsbeständige und hochfeste Textilbewehrung zum Einsatz kommen. Über theoretische Analysen des Tragverhaltens und verschiedene experimentelle Untersuchungen an Gelegen und Bauteilen werden Bemessungskonzepte und Vorspannsysteme entwickelt, um Grundlagen für markttaugliche Bauteile zu schaffen.

Foto: GINKGO Projektentwicklung GmbH – Pneumatische Schalung

Nach experimentellen Untersuchungen von Betonmischungen und Gelegetypen wurden Traglastversuche dünner, schlaff bewehrter Platten durchgeführt. Weiterhin wurde das Tragverhalten vorgespannter Flächentragwerke mit Carbongelegen theoretisch analysiert. Es wurden Greifer für Einzelrovings und Carbongelege entwickelt und deren Funktionsfähigkeit bezüglich der Krafteinleitung geprüft. Ferner wurde das Verbundverhalten von Carbongelegen in einer Betonmatrix experimentell untersucht. Es sind ebenfalls erste vorgespannte Balken zur Entwicklung von Plattenbalken mittels Biegeversuchen geprüft worden. Nachdem erste Untersuchungen an den Grundelementen Stab (1D) und Platte (2D) durchgeführt wurden, werden aktuell für erste einsetzbare, praxistaugliche Bauteile (Pi-Platten) Bemessungs- und Optimierungskonzepte entwickelt.

Die Herstellung von Plattenbalken folgt in einem weiteren Schritt. Beabsichtigt ist weiterhin die Entwicklung von Prototypen kommerziell nutzbarer Fertigteile für den Hoch- und Industriebau (PI-Platten und Trapezfaltwerke als Tragwerke). Abschließend soll eine doppelt gekrümmte Kugelschale (3D) entwickelt und experimentell untersucht werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen für die Entwicklung und Herstellung eines Behälterdeckels als Demonstrator genutzt werden, an dem anschließend das Langzeitverhalten erforscht wird.

Das Vorhaben enthält folgende Arbeitspakete:

  • A1 Entwicklung von gestalterisch hochwertigen Straßenbrücken für Spannweiten bis zu 45 Meter in integraler Bauweise mit hochfestem und vorgespanntem Carbonbeton
  • A2 Entwicklung eines qualifizierten Bauverfahrens für Carbonbetonbrücken unter Ausnutzung der verfahrenstechnischen Vorteile von Halbfertigteilen
  • A3 Entwicklung eines anwendungsreifen Carbonspannglieds inklusive materialgerechter Verankerung des querdruckanfälligen Carbons im Beton
  • A4 Entwicklung eines thermischen Umformverfahrens zur Herstellung von Bügel- und Wendelbewehrung aus geraden Carbonstäben mit thermoplastischer Matrix
  • B1 Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorspannvorrichtung für die gleichmäßige Einleitung von Vorspannkräften in Carbonbewehrungsgittern
  • B2 Entwicklung eines technisch ausgereiften und wirtschaftlich überzeugenden Herstellungsverfahrens für Flächentragwerke aus vorgespanntem Carbonbeton
  • B3 Entwicklung von Ingenieurmodellen und Bemessungsansätzen für vorgespannten Carbonbeton als Grundlage für ein Bemessungsverfahren

Umfangreichere Informationen zu den aktuellen Entwicklungen – die nicht der Geheimhaltung unterliegen – erhalten Sie von:

Verbundkoordinator:
TU Berlin Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren – Massivbau

Vorhabenleiter
Prof. Mike Schlaich

Ansprechpartner
Dr. Arndt Goldack
Telefon: +49 30 314 72136
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Beteiligte C³-Partner:
DYWIDAG-Systems International GmbH
GINKGO Projektentwicklung GmbH
Hentschke Bau GmbH
Kordes + Ziegenhorn Partner
schlaich bergermann partner
SGL Carbon GmbH
Solidian GmbH
TU Berlin FG Entwerfen und Konstruieren – Massivbau
TU Dresden – Institut für Massivbau

Laufzeit: 01.05.2016 – 30.04.2019 | Status: in Bearbeitung