Handbuch Carbonbeton

Herausgeber:Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach ist Direktor des Instituts Massivbau der Technischen Universität Dresden und Sprecher des Konsortiums C3 - Carbon Concrete Composite.Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger ist Leiter des Lehrstuhls und Instituts für Massivbau der RWTH Aachen.Dr.-Ing. Matthias Lieboldt war wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Massivbau der Technischen Universität Dresden sowie Mitarbeiter des C3 - Carbon Concrete Composite e.V. und ist heute Projektmanager Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar.Dr.-Ing. Frank Schladitz ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Massivbau der Technischen Universität Dresden und Geschäftsführer des C3 - Carbon Concrete Composite e.V.Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Matthias Tietze ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Massivbau der Technischen Universität Dresden und Mitarbeiter des C3 - Carbon Concrete Composite e.V.

• vorwort VHerausgeber- und Autor:innenverzeichnis XVII1 Einleitung und Überblick 1Silke Scheerer und Frank Schladitz1.1 Geschichtliche Entwicklung 11.1.1 Die Anfänge des Betonbaus 11.1.2 Faserbewehrungen für Beton 21.1.3 Das C3-Projekt – Carbonbeton für den baupraktischen Einsatz 61.2 Allgemeine Vorteile und Grenzen 61.3 Einsatzgebiete 10Literatur 142 Bewehrung 21Steffen Rittner, Frank Schladitz und Elisabeth Schütze2.1 Material 212.1.1 Einleitung 212.1.2 Carbon 232.1.3 Glas 262.1.4 Basalt 282.1.5 Naturfasern 282.1.6 Wirkfaden 292.1.7 Schlichte 292.1.8 Tränkung – Imprägnierung – Beschichtung 302.1.9 Auswahl am Markt erhältlicher Produkte 332.2 Bewehrungsformen 342.2.1 Einleitung 342.2.2 Stabbewehrung 342.2.3 Mattenbewehrung 392.2.4 Auswahl am Markt erhältlicher Produkte 50Literatur 513 Beton 55Marko Butler, Viktor Mechtcherine und Kai Wilhelm3.1 Bindemittel und Zusatzstoffe 553.1.1 Portlandzementklinker 563.1.2 Reaktive und inerte Stoffe für den Ersatz von Portlandzementklinker 573.1.3 Neuartige/Alternative Bindemittel 613.2 Konzepte für den Betonentwurf 653.2.1 Was ist Frischbeton? 653.2.2 Unterschied Carbonbeton (Textilbeton) zu Normalbeton 673.2.3 Betonnomenklatur 683.3 Parameter des Betonentwurfs 683.3.1 Frisch- und Festbetoneigenschaften sowie Bauteilgeometrie 683.3.2 Wasser- und Fließmittelgehalt 703.3.3 Größtkorn der Gesteinskörnung 713.3.4 Theorie der Kornzusammensetzung 743.3.5 Mischverfahren/Mischregime 783.4 Marktverfügbare Bindemittel und Betone 793.4.1 Bindemittel und Zusatzstoffe 793.4.2 Betone für den Neubau 803.4.3 Betone für Verstärkung und Instandsetzung 82Literatur 834 Verbundwerkstoff 87Maximilian May4.1 Grundlagen 874.1.1 Erläuterung des Verbundwerkstoffs 874.1.2 Bestandteile und Aufgaben der Komponenten im VWS-System „Nichtmetallische Bewehrung“ 874.1.3 Bestandteile und Aufgabe der Komponenten im VWS-System „Bewehrter Beton“ 884.2 Zugtragverhalten des VWS-Systems „Bewehrter Beton“ 884.3 Verbundmechanismen 904.3.1 Verbund innerhalb der nichtmetallischen Bewehrung 914.3.2 Verbund zwischen der Betonmatrix und der nichtmetallischen Bewehrung 914.3.3 Verbund- und Versagensmechanismen bei Stabbewehrungen 934.3.4 Verbund- und Versagensmechanismen bei Gitterbewehrungen 944.3.5 Einflussfaktoren auf das Verhalten des VWS-Systems „Bewehrter Beton“ 97Literatur 975 Grundlagen des Bewehrens 99Josef Hegger, Sergej Rempel, Alexander Schumann, Elisabeth Schütze und Norbert Will5.1 Allgemeine Konstruktionsdetails 995.1.1 Allgemeines 995.1.2 Wahl der Bewehrung 995.1.3 Herstellungsprozess der bewehrten Betonbauteile 1035.2 Textile Bewehrung 1075.2.1 Betondeckung und Einbautoleranzen 1075.2.2 Allgemeine Bewehrungsregeln für textile Bewehrungen 1095.3 Stabförmige Bewehrung 1205.3.1 Vorbemerkung 1205.3.2 Betondeckung 1215.3.3 Biegen von nichtmetallischen Stäben 1235.3.4 Endverankerung 1245.3.5 Stöße 1305.3.6 Sonstige Konstruktionsdetails und offene Fragestellungen 131Literatur 1326 Verarbeitung und Produktion 135Klaus Holschemacher, Stefan Käseberg, Sebastian May, Egbert Müller, Silke Scheerer, Alexander Schumann und Christian Wagner6.1 Einleitung 1356.2 Herstellung und Transport des Betons 1356.3 Verarbeitung der Bewehrung 1376.3.1 Lagerung auf der Baustelle und im Fertigteilwerk 1376.3.2 Verarbeitung der Bewehrung 1376.3.3 Automatisierung 1406.4 Lagesicherung beim Bewehrungseinbau 1406.5 Schalung 1436.6 Beton-Einbautechnologien 1446.7 Nachbehandlung 1476.7.1 Allgemeines zur Nachbehandlung 1476.7.2 Beginn und Dauer der Nachbehandlung 1486.7.3 Besonderheiten beim Carbonbeton 1496.8 Transport- und Montagezustände bei Fertigteilen 1516.9 Weiterverarbeitung von Halbfertigteilen in der Elementbauweise 1536.10 Verstärkung und Instandsetzung 1546.10.1 Einführung 1546.10.2 Untergrund vorbereiten 1546.10.3 Spritz- und Laminierverfahren 1566.10.4 Nachbehandlung 1606.10.5 Eigen- und Fremdüberwachung 160Literatur 1607 Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit 163Sarah Bergmann, Jan Bielak, Sven Bosbach, Josef Hegger, Sebastian May, Egbert Müller, Eric Mündecke, Jan Philip Schulze-Ardey, Alexander Schumann, Arne Spelter und Norbert Will7.1 Sicherheitskonzept 1637.2 Ermittlung der Bemessungswerte 1687.3 Teilsicherheitsbeiwerte 1717.4 Mindestbewehrung 1757.5 Neubau 1777.5.1 Biegung mit/ohne Normalkraft 1777.5.2 Querkraft 1897.5.3 Torsion 2067.5.4 Durchstanzen 2127.5.5 Bauteile unter Normalkraft nach Theorie II. Ordnung 2167.6 Verstärkung/Instandsetzung von Stahlbetonbauteilen 2227.6.1 Biegung 2227.6.2 Querkraft 2287.6.3 Torsionsverstärkung mit Carbonbeton 2377.6.4 Normalkraftbeanspruchte Bauteile 2427.7 Bemessungshilfen 246Literatur 2518 Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 263Ulrich Häußler-Combe8.1 Allgemeines 2638.2 Einführung zum fortlaufenden Berechnungsbeispiel 2648.3 Dehnungs- und Spannungsverhältnisse des Biegequerschnitts 2668.3.1 Querschnittswerte im Zustand I 2668.3.2 Dehnungs- Und Spannungsverhältnisse Im Zustand II 2688.3.3 Beispiel 2708.4 Spannungsnachweise 2728.4.1 Allgemeines 2728.4.2 Berechnungsansätze 2738.4.3 Beispiel 2748.5 Berechnung der Rissbreiten 2778.5.1 Allgemeines 2778.5.2 Berechnungsansätze 2778.5.3 Beispiel 2798.6 Direkte Berechnung der Verformungen 2818.6.1 Allgemeines 2818.6.2 Berechnungsansätze 2828.6.3 Beispiel 285Literatur 2889 Dauerstand und Ermüdung 289Josef Hegger, Steffen Müller, Arne Spelter, Juliane Wagner und Norbert Will9.1 Grundlagen des Dauerstand- und Ermüdungsverhaltens 2899.2 Materialverhalten unter Dauerbeanspruchung 2929.2.1 Dauerstandverhalten von Carbon/CFK 2929.2.2 Dauerstandverhalten der zementgebundenen Matrix 2939.2.3 Dauerstandverhalten von Carbonbeton 2969.2.4 Dauerstandverhalten von Carbonbetonbauteilen 3009.2.5 Nachweise 3039.3 Materialverhalten bei Ermüdungsbeanspruchung 3059.3.1 Ermüdungsverhalten von Carbon/CFK 3059.3.2 Ermüdungsverhalten der zementgebundenen Matrix 3079.3.3 Ermüdungsverhalten von Carbonbeton 3109.3.4 Ermüdungsverhalten von Carbonbetonbauteilen 3139.3.5 Nachweise 316Literatur 31610 Dauerhaftigkeit 323Philipp Kunz und Viktor Mechtcherine10.1 Einführung 32310.2 Mechanismen der Schädigung 32510.3 Grundlagen der Dauerhaftigkeitsbewertung und Konzept 32610.3.1 Allgemeine Bemerkungen 32610.3.2 Korrosionsschutz der Stahlbewehrung 32710.3.3 Dauerhaftigkeit der Matrix 32810.3.4 Dauerhaftigkeit von Faser und Polymertränkung 32910.3.5 Dauerhaftigkeit des Faser-Matrix-Verbundes 32910.4 Charakteristische Materialeigenschaften für die Vorhersage von Langzeitdauerhaftigkeit und Lebensdauer 33010.4.1 Allgemeine Bemerkungen 33010.4.2 Transporteigenschaften 33010.4.3 Dehnvermögen von Carbonbeton 33310.4.4 Selbstheilung von Rissen 33410.5 Zusammenfassung und Ausblick 336Literatur 33711 Vorspannung 341Andreas Apitz, Alex Hückler, Juan P. Osman-Letelier und Mike Schlaich11.1 Einleitung 34111.1.1 Allgemeines 34111.1.2 Stand der Forschung 34211.1.3 Anwendungen 34211.2 Biegebemessung 34811.2.1 Einleitung und Stand der Normung 34811.2.2 Konzept für eine Bemessung von Bauteilen aus vorgespanntem Carbonbeton 34911.2.3 Grenzzustand der Tragfähigkeit 35011.2.4 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 35011.2.5 Sonstige Nachweise 35111.3 Beispiel Biegebemessung 35111.3.1 System: Plattenbalken mit sofortigem Verbund vorgespannt 35111.3.2 Tragfähigkeitskriterien 35311.3.3 Verformungskriterien 35511.4 Technologie und Herstellung 35611.4.1 Schlaffe Stabbewehrung 35611.4.2 Spannglied 35811.4.3 Vorspannen von Gelegen 35811.4.4 Bewehren 35911.4.5 Spannglied – Transport, Montage und Vorspannen 36111.4.6 Fertigstellung 36211.5 Zusammenfassung und Ausblick 362Literatur 36412 Einbauteile 367Matthias Roik und Frank Schladitz12.1 Befestigungs- und Verbindungsmittel 36712.1.1 Einleitung 36712.1.2 Versagensarten 36812.2 Verbindungsmittel 37212.3 Abstandhalter 37212.4 Transportankersysteme 37512.4.1 Einleitung 37512.4.2 Versagensarten 37712.4.3 Transportanker für dünne, textilbewehrte Betonelemente 37812.5 Auswahl der auf dem Markt erhältlichen Produkte 37912.5.1 Vertikalverankerung, Fassadenplattenanker 37912.5.2 Horizontalverankerungen 38012.5.3 Verstiftungen 38112.5.4 Transportanker 382Literatur 38313 Materialprüfung 385Marko Butler, Josef Hegger, Thomas Heiermann, Karoline Holz, Philipp Kunz, Maximilian May, Cynthia Morales Cruz, Stephan Reichel, Silke Scheerer, Jörg Schmidt, Jan Philip Schulze-Ardey, Alexander Schumann, Arne Spelter, Juliane Wagner, Kai Wilhelm und Norbert Will13.1 Ausgangsmaterialien 38513.1.1 Vorbemerkungen 38513.1.2 Chemische Komponenten für Schlichte und Tränkung 38513.1.3 Faser 38813.1.4 Betone 39013.2 Verbundmaterial 39313.2.1 Zugfestigkeit 39413.2.2 Verbundverhalten 40213.2.3 Temperaturbeständigkeit 41713.2.4 Dauerstand 42113.2.5 Ermüdung 42713.2.6 Dauerhaftigkeit 43213.2.7 Brand 439Literatur 44114 Normen und Richtlinien 449Christoph Alfes, Alexander Schumann und Robert Zobel14.1 Nationale Normen und Richtlinien 44914.1.1 Technische Baubestimmungen – Grundlagen 44914.1.2 Aktueller Stand der rechtlichen Grundlage 45214.1.3 Vorbereitung von Richtlinien für Carbonbeton 45414.2 Internationale Normen und Richtlinien 45714.3 Genehmigungen für Bauarten mit Textilbeton/Carbonbeton 45914.3.1 Zustimmung im Einzelfall – vorhabenbezogene Bauartgenehmigung 45914.3.2 Zulassung 46214.4 Zusammenfassung 463Literatur 46415 Bauphysik 467John Grunewald, Karoline Holz, Michael Juknat, Alexander Kahnt, Stephan Reichel, Jörg Schmidt und Mario Stelzmann15.1 Wärme und Feuchte 46715.1.1 Vergleich Außenwände aus Carbon- und Stahlbeton 46815.1.2 Tauwasser im Inneren von Baukonstruktionen 47015.1.3 Nachweis Periodenbilanzverfahren 47115.1.4 Nachweis hygrothermische Simulation 47415.1.5 Schlagregenschutz 47515.1.6 Winterlicher Wärmeschutz 47615.1.7 Sommerlicher Wärmeschutz 47615.1.8 Optische Dauerhaftigkeit 47615.2 Schallschutz 47815.3 Brand 479Literatur 48316 Recycling 485Peter Jehle und Jan Kortmann16.1 Einleitung 48516.2 Abbruch und Rückbau 48616.3 Baustoffaufbereitung 48816.3.1 Einleitung 48816.3.2 Zerkleinerung und Aufschluss 48916.3.3 Sortierung und Klassierung 49016.3.4 Empfohlener Aufbereitungsprozess 49116.4 Materialverwertung 49216.4.1 Einleitung 49216.4.2 Verwertung mineralische Fraktion 49316.4.3 Verwertung Faserfraktion 493Literatur 49517 Ökologische Beurteilung von Betonbauteilen mit Bewehrung aus Carbongelegen 497Marleen Backes, Carl-Alexander Graubner, Torsten Mielecke, Christoph Müller und Julia Schütz17.1 Grundlagen der Ökobilanzierung 49717.2 Umweltwirkungen von C3-Betonen 49817.2.1 Allgemeines 49817.2.2 C3-Betone für neue Bauteile 49817.2.3 C3-Betone zur Verstärkung bestehender Bauteile 50017.3 Umweltwirkungen von Carbongelegen 50217.4 Vergleichende Ökobilanzierung von Bauteilen 50317.4.1 Grundlagen 50317.4.2 Parkhausdecke 50317.4.3 Fertigteil-Wandsysteme 50417.5 Umweltverträglichkeit 50617.5.1 Charakterisierungsversuche und Festlegung der Carbonfaser und des Feinbetons für die weiteren Auslaug- und Beregnungsversuche 50617.5.2 Herstellung der Feinbetonprüfkörper 50717.5.3 DSLT-Auslaugung der vier unterschiedlichen Feinbetonprobekörper FB- 1 bis FB-1-4- 2 50817.5.4 Zusammenfassung 510Literatur 51118 Arbeits- und Gesundheitsschutz 513Peter Jehle, Florian Kopf, Thorsten Streibel und Ralf Zimmermann18.1 Gesundheitsrisiken bei Tätigkeiten mit Carbonbeton 51318.1.1 Einleitung 51318.1.2 Physikalisch-morphologische Analyse 51418.1.3 Chemische Analyse 51418.1.4 In-vitro Untersuchungen 51518.1.5 Thermische Beanspruchung 51618.2 Verarbeitung von Carbonbewehrungen 51718.2.1 Einleitung 51718.2.2 Be- und Verarbeitungsverfahren und Gefährdungen 51818.2.3 Schutzmaßnahmen 51918.2.4 Zusammenfassung 52018.3 Be- und Verarbeitung von Carbonbeton 52018.3.1 Einleitung 52018.3.2 Be- und Verarbeitungsverfahren und Gefährdungen 52118.3.3 Schutzmaßnahmen 52218.3.4 Zusammenfassung 523Literatur 52319 Multifunktionalität 525Klaus Holschemacher, Stefan Käseberg, Tobias Rudloff und Dominik Schlüter19.1 Designkriterien multifunktionaler Bauteile aus Carbonbeton 52519.2 Konstruktionsentwicklung multifunktionaler Fertigteile am Beispiel elektrischer Energiespeicherung 52819.3 Basisstruktur zur Funktionsintegration 53319.4 Lichtleitung in Carbonbeton 53419.4.1 Allgemeines 53419.4.2 Optische Fasern und Lichtwellenleiter 53619.4.3 Technische Textilien mit aktiven Leuchtfunktionen 53619.4.4 Transluzenter Beton 53719.4.5 Lichtleitender Beton 53819.4.6 Anwendung im Carbonbetonbau 53919.5 Strukturüberwachung 53919.5.1 Allgemeines 53919.5.2 Bewehrungen aus Carbonfasergelegen mit Sensorintegration für Betonfertigteile 541Literatur 54320 Praktische Anwendung 545Michael Frenzel, Matthias Lieboldt, Stefan Minar, Silke Scheerer und Angela Schmidt20.1 Neubau 54520.1.1 Allgemeine Entwicklung in der Bundesrepublik Deutschland 54520.1.2 Hochbauweise 54820.1.3 Ingenieurbauweise 55020.2 Verstärkung und Instandsetzung 55220.2.1 Allgemeine Entwicklung 55220.2.2 Hochbau 55320.2.3 Ingenieurbau 55920.2.4 Tiefbau/Infrastruktur 56420.3 C3-Ergebnishaus 56520.3.1 Ziele und Intensionen 56520.3.2 Entwurf 56720.3.3 Planung und Ausführung der BOX (Halb-)Fertigteile 56720.3.4 Planung und Ausführung der TWIST-Schalenelemente 56820.3.5 Bewertung der Carbonbetonbauweise 57020.3.6 Danksagung 57020.4 Mehr als ein Baustoff – Carbonbeton in Kunst und Alltag 57020.4.1 Vorbemerkung 57020.4.2 Betonboote 57120.4.3 Kunstwerke 57220.4.4 Carbonbeton im Innen- und Außenraum 573Literatur 57521 Ausschreibung und Vergabe für Carbon- und Textilbeton 581Alexander Kahnt und Matthias Tietze21.1 Ausschreibung, Vergabe, Leistungsbeschreibung 58121.1.1 Einleitung 58221.1.2 Verschiedene Verfahren 58221.1.3 Bauvorhaben mit dem Einsatz von Carbonbeton 58421.2 Ausschreibungsplanung 58421.2.1 Einleitung 58421.2.2 Funktionale Ausschreibung 58521.2.3 Leistungspositionen 58521.3 Ausschreibungstexte Beispiele 58521.3.1 Verstärkung 58621.3.2 Fertigteile 58821.4 Ausblick 590Literatur 59022 Aus- und Weiterbildung 591Ammar Al-JamousLiteratur 593Inserentenverzeichnis 595