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Handbuch Carbonbeton

Einsatz nichtmetallischer Bewehrung
1. Aufl.

von: Manfred Curbach, Josef Hegger, Frank Schladitz, Matthias Tietze, Matthias Lieboldt
97,99 €
Verlag:	Ernst & Sohn
Format:	PDF
Veröffentl.:	14.12.2022
ISBN/EAN:	9783433608685
Sprache:	deutsch
Anzahl Seiten:	640

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Beschreibungen

Titelbeschreibung

Carbonbeton ist die Bauweise der Zukunft. Angesichts der drängenden Aufgaben zur Begrenzung des Klimawandels und des sorgsamen Umgangs mit den begrenzten Ressourcen hat der Carbonbeton genau die richtigen Eigenschaften. Er spart mehr als 50 % Ressourcen, insbesondere Sand, und reduziert den CO2-Ausstoß um bis zu 70 %. Carbonbeton ist somit ein Game-Changer, der auf das Bauen ebenso Auswirkungen hat wie auf das Erscheinungsbild und die Nutzung der gebauten Umwelt. Zusammen mit der sehr langen Lebensdauer, dem Werterhalt, der Bezahlbarkeit und der Ästhetik verdient er die Bezeichnung einer disruptiven Innovation. Nach Entstehung der Idee vor fast 30 Jahren und nach intensiver Grundlagenforschung im Rahmen zweier Sonderforschungsbereiche der DFG konnte die erforderliche anwendungsorientierte Forschung durch das Konsortium C3 - Carbon Concrete Composite durchgeführt werden. Dieses vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Zwanzig20-Programms unterstützte Großprojekt hat gezeigt, dass Carbonbeton in die Praxis überführt werden kann. Hierzu haben über 160 Partner alle notwendigen neuen Kenntnisse erarbeitet. Höhepunkt und zusammenfassendes Ergebnis ist der CUBE, das erste komplett aus Carbonbeton gefertigte Gebäude. Es besteht aus der "Box", die die Möglichkeiten wirtschaftlichen und modularen Bauens zeigt, und aus dem "Twist", der die Entstehung einer neuen Architektursprache visualisiert. Das vorliegende Buch fasst den heute vorliegenden Stand des Wissens zu Carbonbeton von den Grundlagen bis zur Anwendung zusammen und darf daher als Standardwerk des Neuen Bauens bezeichnet werden.

Inhaltsverzeichnis

vorwort V Herausgeber- und Autor:innenverzeichnis XVII 1 Einleitung und Überblick 1 Silke Scheerer und Frank Schladitz 1.1 Geschichtliche Entwicklung 1 1.1.1 Die Anfänge des Betonbaus 1 1.1.2 Faserbewehrungen für Beton 2 1.1.3 Das C3-Projekt – Carbonbeton für den baupraktischen Einsatz 6 1.2 Allgemeine Vorteile und Grenzen 6 1.3 Einsatzgebiete 10 Literatur 14 2 Bewehrung 21 Steffen Rittner, Frank Schladitz und Elisabeth Schütze 2.1 Material 21 2.1.1 Einleitung 21 2.1.2 Carbon 23 2.1.3 Glas 26 2.1.4 Basalt 28 2.1.5 Naturfasern 28 2.1.6 Wirkfaden 29 2.1.7 Schlichte 29 2.1.8 Tränkung – Imprägnierung – Beschichtung 30 2.1.9 Auswahl am Markt erhältlicher Produkte 33 2.2 Bewehrungsformen 34 2.2.1 Einleitung 34 2.2.2 Stabbewehrung 34 2.2.3 Mattenbewehrung 39 2.2.4 Auswahl am Markt erhältlicher Produkte 50 Literatur 51 3 Beton 55 Marko Butler, Viktor Mechtcherine und Kai Wilhelm 3.1 Bindemittel und Zusatzstoffe 55 3.1.1 Portlandzementklinker 56 3.1.2 Reaktive und inerte Stoffe für den Ersatz von Portlandzementklinker 57 3.1.3 Neuartige/Alternative Bindemittel 61 3.2 Konzepte für den Betonentwurf 65 3.2.1 Was ist Frischbeton? 65 3.2.2 Unterschied Carbonbeton (Textilbeton) zu Normalbeton 67 3.2.3 Betonnomenklatur 68 3.3 Parameter des Betonentwurfs 68 3.3.1 Frisch- und Festbetoneigenschaften sowie Bauteilgeometrie 68 3.3.2 Wasser- und Fließmittelgehalt 70 3.3.3 Größtkorn der Gesteinskörnung 71 3.3.4 Theorie der Kornzusammensetzung 74 3.3.5 Mischverfahren/Mischregime 78 3.4 Marktverfügbare Bindemittel und Betone 79 3.4.1 Bindemittel und Zusatzstoffe 79 3.4.2 Betone für den Neubau 80 3.4.3 Betone für Verstärkung und Instandsetzung 82 Literatur 83 4 Verbundwerkstoff 87 Maximilian May 4.1 Grundlagen 87 4.1.1 Erläuterung des Verbundwerkstoffs 87 4.1.2 Bestandteile und Aufgaben der Komponenten im VWS-System „Nichtmetallische Bewehrung“ 87 4.1.3 Bestandteile und Aufgabe der Komponenten im VWS-System „Bewehrter Beton“ 88 4.2 Zugtragverhalten des VWS-Systems „Bewehrter Beton“ 88 4.3 Verbundmechanismen 90 4.3.1 Verbund innerhalb der nichtmetallischen Bewehrung 91 4.3.2 Verbund zwischen der Betonmatrix und der nichtmetallischen Bewehrung 91 4.3.3 Verbund- und Versagensmechanismen bei Stabbewehrungen 93 4.3.4 Verbund- und Versagensmechanismen bei Gitterbewehrungen 94 4.3.5 Einflussfaktoren auf das Verhalten des VWS-Systems „Bewehrter Beton“ 97 Literatur 97 5 Grundlagen des Bewehrens 99 Josef Hegger, Sergej Rempel, Alexander Schumann, Elisabeth Schütze und Norbert Will 5.1 Allgemeine Konstruktionsdetails 99 5.1.1 Allgemeines 99 5.1.2 Wahl der Bewehrung 99 5.1.3 Herstellungsprozess der bewehrten Betonbauteile 103 5.2 Textile Bewehrung 107 5.2.1 Betondeckung und Einbautoleranzen 107 5.2.2 Allgemeine Bewehrungsregeln für textile Bewehrungen 109 5.3 Stabförmige Bewehrung 120 5.3.1 Vorbemerkung 120 5.3.2 Betondeckung 121 5.3.3 Biegen von nichtmetallischen Stäben 123 5.3.4 Endverankerung 124 5.3.5 Stöße 130 5.3.6 Sonstige Konstruktionsdetails und offene Fragestellungen 131 Literatur 132 6 Verarbeitung und Produktion 135 Klaus Holschemacher, Stefan Käseberg, Sebastian May, Egbert Müller, Silke Scheerer, Alexander Schumann und Christian Wagner 6.1 Einleitung 135 6.2 Herstellung und Transport des Betons 135 6.3 Verarbeitung der Bewehrung 137 6.3.1 Lagerung auf der Baustelle und im Fertigteilwerk 137 6.3.2 Verarbeitung der Bewehrung 137 6.3.3 Automatisierung 140 6.4 Lagesicherung beim Bewehrungseinbau 140 6.5 Schalung 143 6.6 Beton-Einbautechnologien 144 6.7 Nachbehandlung 147 6.7.1 Allgemeines zur Nachbehandlung 147 6.7.2 Beginn und Dauer der Nachbehandlung 148 6.7.3 Besonderheiten beim Carbonbeton 149 6.8 Transport- und Montagezustände bei Fertigteilen 151 6.9 Weiterverarbeitung von Halbfertigteilen in der Elementbauweise 153 6.10 Verstärkung und Instandsetzung 154 6.10.1 Einführung 154 6.10.2 Untergrund vorbereiten 154 6.10.3 Spritz- und Laminierverfahren 156 6.10.4 Nachbehandlung 160 6.10.5 Eigen- und Fremdüberwachung 160 Literatur 160 7 Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit 163 Sarah Bergmann, Jan Bielak, Sven Bosbach, Josef Hegger, Sebastian May, Egbert Müller, Eric Mündecke, Jan Philip Schulze-Ardey, Alexander Schumann, Arne Spelter und Norbert Will 7.1 Sicherheitskonzept 163 7.2 Ermittlung der Bemessungswerte 168 7.3 Teilsicherheitsbeiwerte 171 7.4 Mindestbewehrung 175 7.5 Neubau 177 7.5.1 Biegung mit/ohne Normalkraft 177 7.5.2 Querkraft 189 7.5.3 Torsion 206 7.5.4 Durchstanzen 212 7.5.5 Bauteile unter Normalkraft nach Theorie II. Ordnung 216 7.6 Verstärkung/Instandsetzung von Stahlbetonbauteilen 222 7.6.1 Biegung 222 7.6.2 Querkraft 228 7.6.3 Torsionsverstärkung mit Carbonbeton 237 7.6.4 Normalkraftbeanspruchte Bauteile 242 7.7 Bemessungshilfen 246 Literatur 251 8 Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 263 Ulrich Häußler-Combe 8.1 Allgemeines 263 8.2 Einführung zum fortlaufenden Berechnungsbeispiel 264 8.3 Dehnungs- und Spannungsverhältnisse des Biegequerschnitts 266 8.3.1 Querschnittswerte im Zustand I 266 8.3.2 Dehnungs- Und Spannungsverhältnisse Im Zustand II 268 8.3.3 Beispiel 270 8.4 Spannungsnachweise 272 8.4.1 Allgemeines 272 8.4.2 Berechnungsansätze 273 8.4.3 Beispiel 274 8.5 Berechnung der Rissbreiten 277 8.5.1 Allgemeines 277 8.5.2 Berechnungsansätze 277 8.5.3 Beispiel 279 8.6 Direkte Berechnung der Verformungen 281 8.6.1 Allgemeines 281 8.6.2 Berechnungsansätze 282 8.6.3 Beispiel 285 Literatur 288 9 Dauerstand und Ermüdung 289 Josef Hegger, Steffen Müller, Arne Spelter, Juliane Wagner und Norbert Will 9.1 Grundlagen des Dauerstand- und Ermüdungsverhaltens 289 9.2 Materialverhalten unter Dauerbeanspruchung 292 9.2.1 Dauerstandverhalten von Carbon/CFK 292 9.2.2 Dauerstandverhalten der zementgebundenen Matrix 293 9.2.3 Dauerstandverhalten von Carbonbeton 296 9.2.4 Dauerstandverhalten von Carbonbetonbauteilen 300 9.2.5 Nachweise 303 9.3 Materialverhalten bei Ermüdungsbeanspruchung 305 9.3.1 Ermüdungsverhalten von Carbon/CFK 305 9.3.2 Ermüdungsverhalten der zementgebundenen Matrix 307 9.3.3 Ermüdungsverhalten von Carbonbeton 310 9.3.4 Ermüdungsverhalten von Carbonbetonbauteilen 313 9.3.5 Nachweise 316 Literatur 316 10 Dauerhaftigkeit 323 Philipp Kunz und Viktor Mechtcherine 10.1 Einführung 323 10.2 Mechanismen der Schädigung 325 10.3 Grundlagen der Dauerhaftigkeitsbewertung und Konzept 326 10.3.1 Allgemeine Bemerkungen 326 10.3.2 Korrosionsschutz der Stahlbewehrung 327 10.3.3 Dauerhaftigkeit der Matrix 328 10.3.4 Dauerhaftigkeit von Faser und Polymertränkung 329 10.3.5 Dauerhaftigkeit des Faser-Matrix-Verbundes 329 10.4 Charakteristische Materialeigenschaften für die Vorhersage von Langzeitdauerhaftigkeit und Lebensdauer 330 10.4.1 Allgemeine Bemerkungen 330 10.4.2 Transporteigenschaften 330 10.4.3 Dehnvermögen von Carbonbeton 333 10.4.4 Selbstheilung von Rissen 334 10.5 Zusammenfassung und Ausblick 336 Literatur 337 11 Vorspannung 341 Andreas Apitz, Alex Hückler, Juan P. Osman-Letelier und Mike Schlaich 11.1 Einleitung 341 11.1.1 Allgemeines 341 11.1.2 Stand der Forschung 342 11.1.3 Anwendungen 342 11.2 Biegebemessung 348 11.2.1 Einleitung und Stand der Normung 348 11.2.2 Konzept für eine Bemessung von Bauteilen aus vorgespanntem Carbonbeton 349 11.2.3 Grenzzustand der Tragfähigkeit 350 11.2.4 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 350 11.2.5 Sonstige Nachweise 351 11.3 Beispiel Biegebemessung 351 11.3.1 System: Plattenbalken mit sofortigem Verbund vorgespannt 351 11.3.2 Tragfähigkeitskriterien 353 11.3.3 Verformungskriterien 355 11.4 Technologie und Herstellung 356 11.4.1 Schlaffe Stabbewehrung 356 11.4.2 Spannglied 358 11.4.3 Vorspannen von Gelegen 358 11.4.4 Bewehren 359 11.4.5 Spannglied – Transport, Montage und Vorspannen 361 11.4.6 Fertigstellung 362 11.5 Zusammenfassung und Ausblick 362 Literatur 364 12 Einbauteile 367 Matthias Roik und Frank Schladitz 12.1 Befestigungs- und Verbindungsmittel 367 12.1.1 Einleitung 367 12.1.2 Versagensarten 368 12.2 Verbindungsmittel 372 12.3 Abstandhalter 372 12.4 Transportankersysteme 375 12.4.1 Einleitung 375 12.4.2 Versagensarten 377 12.4.3 Transportanker für dünne, textilbewehrte Betonelemente 378 12.5 Auswahl der auf dem Markt erhältlichen Produkte 379 12.5.1 Vertikalverankerung, Fassadenplattenanker 379 12.5.2 Horizontalverankerungen 380 12.5.3 Verstiftungen 381 12.5.4 Transportanker 382 Literatur 383 13 Materialprüfung 385 Marko 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 Will 13.1 Ausgangsmaterialien 385 13.1.1 Vorbemerkungen 385 13.1.2 Chemische Komponenten für Schlichte und Tränkung 385 13.1.3 Faser 388 13.1.4 Betone 390 13.2 Verbundmaterial 393 13.2.1 Zugfestigkeit 394 13.2.2 Verbundverhalten 402 13.2.3 Temperaturbeständigkeit 417 13.2.4 Dauerstand 421 13.2.5 Ermüdung 427 13.2.6 Dauerhaftigkeit 432 13.2.7 Brand 439 Literatur 441 14 Normen und Richtlinien 449 Christoph Alfes, Alexander Schumann und Robert Zobel 14.1 Nationale Normen und Richtlinien 449 14.1.1 Technische Baubestimmungen – Grundlagen 449 14.1.2 Aktueller Stand der rechtlichen Grundlage 452 14.1.3 Vorbereitung von Richtlinien für Carbonbeton 454 14.2 Internationale Normen und Richtlinien 457 14.3 Genehmigungen für Bauarten mit Textilbeton/Carbonbeton 459 14.3.1 Zustimmung im Einzelfall – vorhabenbezogene Bauartgenehmigung 459 14.3.2 Zulassung 462 14.4 Zusammenfassung 463 Literatur 464 15 Bauphysik 467 John Grunewald, Karoline Holz, Michael Juknat, Alexander Kahnt, Stephan Reichel, Jörg Schmidt und Mario Stelzmann 15.1 Wärme und Feuchte 467 15.1.1 Vergleich Außenwände aus Carbon- und Stahlbeton 468 15.1.2 Tauwasser im Inneren von Baukonstruktionen 470 15.1.3 Nachweis Periodenbilanzverfahren 471 15.1.4 Nachweis hygrothermische Simulation 474 15.1.5 Schlagregenschutz 475 15.1.6 Winterlicher Wärmeschutz 476 15.1.7 Sommerlicher Wärmeschutz 476 15.1.8 Optische Dauerhaftigkeit 476 15.2 Schallschutz 478 15.3 Brand 479 Literatur 483 16 Recycling 485 Peter Jehle und Jan Kortmann 16.1 Einleitung 485 16.2 Abbruch und Rückbau 486 16.3 Baustoffaufbereitung 488 16.3.1 Einleitung 488 16.3.2 Zerkleinerung und Aufschluss 489 16.3.3 Sortierung und Klassierung 490 16.3.4 Empfohlener Aufbereitungsprozess 491 16.4 Materialverwertung 492 16.4.1 Einleitung 492 16.4.2 Verwertung mineralische Fraktion 493 16.4.3 Verwertung Faserfraktion 493 Literatur 495 17 Ökologische Beurteilung von Betonbauteilen mit Bewehrung aus Carbongelegen 497 Marleen Backes, Carl-Alexander Graubner, Torsten Mielecke, Christoph Müller und Julia Schütz 17.1 Grundlagen der Ökobilanzierung 497 17.2 Umweltwirkungen von C3-Betonen 498 17.2.1 Allgemeines 498 17.2.2 C3-Betone für neue Bauteile 498 17.2.3 C3-Betone zur Verstärkung bestehender Bauteile 500 17.3 Umweltwirkungen von Carbongelegen 502 17.4 Vergleichende Ökobilanzierung von Bauteilen 503 17.4.1 Grundlagen 503 17.4.2 Parkhausdecke 503 17.4.3 Fertigteil-Wandsysteme 504 17.5 Umweltverträglichkeit 506 17.5.1 Charakterisierungsversuche und Festlegung der Carbonfaser und des Feinbetons für die weiteren Auslaug- und Beregnungsversuche 506 17.5.2 Herstellung der Feinbetonprüfkörper 507 17.5.3 DSLT-Auslaugung der vier unterschiedlichen Feinbetonprobekörper FB- 1 bis FB-1-4- 2 508 17.5.4 Zusammenfassung 510 Literatur 511 18 Arbeits- und Gesundheitsschutz 513 Peter Jehle, Florian Kopf, Thorsten Streibel und Ralf Zimmermann 18.1 Gesundheitsrisiken bei Tätigkeiten mit Carbonbeton 513 18.1.1 Einleitung 513 18.1.2 Physikalisch-morphologische Analyse 514 18.1.3 Chemische Analyse 514 18.1.4 In-vitro Untersuchungen 515 18.1.5 Thermische Beanspruchung 516 18.2 Verarbeitung von Carbonbewehrungen 517 18.2.1 Einleitung 517 18.2.2 Be- und Verarbeitungsverfahren und Gefährdungen 518 18.2.3 Schutzmaßnahmen 519 18.2.4 Zusammenfassung 520 18.3 Be- und Verarbeitung von Carbonbeton 520 18.3.1 Einleitung 520 18.3.2 Be- und Verarbeitungsverfahren und Gefährdungen 521 18.3.3 Schutzmaßnahmen 522 18.3.4 Zusammenfassung 523 Literatur 523 19 Multifunktionalität 525 Klaus Holschemacher, Stefan Käseberg, Tobias Rudloff und Dominik Schlüter 19.1 Designkriterien multifunktionaler Bauteile aus Carbonbeton 525 19.2 Konstruktionsentwicklung multifunktionaler Fertigteile am Beispiel elektrischer Energiespeicherung 528 19.3 Basisstruktur zur Funktionsintegration 533 19.4 Lichtleitung in Carbonbeton 534 19.4.1 Allgemeines 534 19.4.2 Optische Fasern und Lichtwellenleiter 536 19.4.3 Technische Textilien mit aktiven Leuchtfunktionen 536 19.4.4 Transluzenter Beton 537 19.4.5 Lichtleitender Beton 538 19.4.6 Anwendung im Carbonbetonbau 539 19.5 Strukturüberwachung 539 19.5.1 Allgemeines 539 19.5.2 Bewehrungen aus Carbonfasergelegen mit Sensorintegration für Betonfertigteile 541 Literatur 543 20 Praktische Anwendung 545 Michael Frenzel, Matthias Lieboldt, Stefan Minar, Silke Scheerer und Angela Schmidt 20.1 Neubau 545 20.1.1 Allgemeine Entwicklung in der Bundesrepublik Deutschland 545 20.1.2 Hochbauweise 548 20.1.3 Ingenieurbauweise 550 20.2 Verstärkung und Instandsetzung 552 20.2.1 Allgemeine Entwicklung 552 20.2.2 Hochbau 553 20.2.3 Ingenieurbau 559 20.2.4 Tiefbau/Infrastruktur 564 20.3 C3-Ergebnishaus 565 20.3.1 Ziele und Intensionen 565 20.3.2 Entwurf 567 20.3.3 Planung und Ausführung der BOX (Halb-)Fertigteile 567 20.3.4 Planung und Ausführung der TWIST-Schalenelemente 568 20.3.5 Bewertung der Carbonbetonbauweise 570 20.3.6 Danksagung 570 20.4 Mehr als ein Baustoff – Carbonbeton in Kunst und Alltag 570 20.4.1 Vorbemerkung 570 20.4.2 Betonboote 571 20.4.3 Kunstwerke 572 20.4.4 Carbonbeton im Innen- und Außenraum 573 Literatur 575 21 Ausschreibung und Vergabe für Carbon- und Textilbeton 581 Alexander Kahnt und Matthias Tietze 21.1 Ausschreibung, Vergabe, Leistungsbeschreibung 581 21.1.1 Einleitung 582 21.1.2 Verschiedene Verfahren 582 21.1.3 Bauvorhaben mit dem Einsatz von Carbonbeton 584 21.2 Ausschreibungsplanung 584 21.2.1 Einleitung 584 21.2.2 Funktionale Ausschreibung 585 21.2.3 Leistungspositionen 585 21.3 Ausschreibungstexte Beispiele 585 21.3.1 Verstärkung 586 21.3.2 Fertigteile 588 21.4 Ausblick 590 Literatur 590 22 Aus- und Weiterbildung 591 Ammar Al-Jamous Literatur 593 Inserentenverzeichnis 595

Autorenportrait

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.