Spezialfußböden aus Stahlfaserbeton bzw. Kombinationsbewehrung

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1. Herkömmliche Industriefußböden

1.1 Grundlegendes

Herkömmliche Industrieböden stellen im bauaufsichtlichen Sinne Bauteile mit untergeordneter Bedeutung dar und fallen aus diesem Grund nicht unter die Bestimmungen der DIN EN 1992-1- 1. Dennoch sind Industriefußböden Bauteile mit besonderer wirtschaftlicher Bedeutung. Unabhängig davon, ob Sie stahlfaser-, betonstahl- oder unbewehrt erstellt werden, sind in Planung und Ausführung einige konstruktive Grundsätze zu beachten, um die Gebrauchstauglichkeit dauerhaft sicherzustellen.

Eine zwangsarme Konstruktionsweise ist Voraussetzung für das gute Gelingen eines typischen Industriefußbodens. Bild 1 zeigt einen typischen Industrieboden. Das Gebäude wird über Einzel- und Streifenfundamente abgetragen. Der Boden wird nachträglich eingebaut und nicht zur Gebäudestabilisierung herangezogen. Typische Lastabtragung: Regallasten, Gabelstapler, Flächenlasten.

1.2 Grundlagen der Bemessung

Industrieböden aus Stahlfaserbeton können als Stand der Technik angesehen werden und stellen leistungsfähige Systemlösungen für vielfältige Ansprüche dar. Spezielle Bemessungsempfehlungen wie beispielsweise das Merkblatt des Deutschen Betonvereins sind in einigen Ländern verfügbar und dokumentieren den großen Stellenwert des Faserbetons für Industriefußböden. Aufgrund ihres niedrigen Gefährdungspotentials werden Industriefußböden in den meisten Ländern als in statischer Hinsicht untergeordnete Bauteile angesehen. Die Bemessung fällt daher nur in Ausnahmefällen in den Bereich der einschlägigen Beton- und Stahlbetonnormen. Die Sicherheitsanforderungen an Industriefußböden können daher gegenüber tragenden Bauteilen auf ein angepasstes Maß reduziert werden.

2. Spezialanwendungen im Industriefußbodenbau

2.1 Allgemeines

In bestimmten Fällen sind die Bedingungen so, dass entweder das Prinzip der Rissvermeidung durch konstruktive Festlegungen nicht eingehalten werden kann, erhöhte Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit der Bodenplatte bestehen oder dass die Industrieböden zusätzlich Gebäudelasten abtragen und eine aussteifende Wirkung des Gesamttragwerks übernehmen. Für vorgenannte Fälle ist ein Einsatz von reinem Stahlfaserbeton nur bedingt zielführend und es kann sinnvoll sein eine Kombinationsbewehrung (Stahlfasern + Betonstahlbewehrung) in Betracht zu ziehen.

2.2 Rissbreitenbegrenzte Böden

Bei einer Rissbreitenbeschränkung wird im Gegensatz zur Rissvermeidung vorausgesetzt, dass sich Rissbildung nicht vermeiden lässt (Beispiel: eingespannter Boden) oder dass eine Rissbreitenbegrenzung aufgrund besonderer Anforderungen an den Boden sichergestellt werden muss (Beispiel: flüssigkeitsdichter Boden). Durch Zugabe eines leistungsfähigen Stahlfaserbetons kann die Rissbreite deutlich vermindert werden (ca. bis zu 50%). Eine deutliche Erhöhung der Rissanzahl bei gleichzeitig geringer werdendem Rissabstand ist feststellbar. Im Umkehrschluss kann zur Ermittlung derselben Rissweite die herkömmliche Bewehrung durch Einsatz von Stahlfaserbeton entsprechend deutlich verringert werden.

Da Stahlfasern im gesamten Querschnitt verteilt sind und unmittelbar nach Rissbildung ein Teil der freiwerdenden Energie aufnehmen, wird nur ein Teil der Spannungen auf die Betonstahlbewehrung übertragen. Bei den Nachweisen zur rechnerischen Rissbreitenbeschränkung werden die bekannten Formeln aus dem Normenwerk um die Tragwirkung des Stahlfaserbetons ergänzt. In der DAfStb-Richtlinie "Stahlfaserbeton" wird die Stahlfasertragwirkung durch den Ausdruck (1 - αf) berücksichtigt. Hierin ist der dimensionslose Beiwert αf das Verhältnis zwischen dem Rechenwert der zentrischen Nachrisszugfestigkeit und dem Mittelwert der zentrischen Zugfestigkeit des Betons. Der Ausdruck αf beschreibt somit den Anteil der Beanspruchung, der durch die Stahlfasern aufgenommenen werden kann. Infolge der Faserwirkung reduziert sich die auf den Betonstahl entfallende Kraft. Dadurch werden sowohl die Dehnung des Betonstahls als auch die erforderliche Übertragungslänge unmittelbar verringert.

Projektbeispiel (Bild 3): Eine Bodenplatte mit Anforderungen aus dem Wasserhaushaltsgesetz erforderte eine nachgewiesene Rissbreitenbegrenzung, um eine abdichtende Beschichtung aufbringen zu können. Durch die Ausführung mit Kombibewehrung konnte auf die untere Matte der vorgesehenen doppellagigen Bewehrung verzichtet werden. Infolge dessen war eine baubegleitende Verlegung der oberen Mattenbewehrung möglich. Zusätzliche Wartezeiten für den Bewehrungseinbau entfielen. Fahrmischer konnten den Stahlfaserbeton direkt am Einbauort entladen. Durch die baubegleitende Mattenverlegung wurde der Einsatz von modernen Einbaugeräten (Laser-Screed) möglich.

2.3 Fundamentplatten als Industrieböden

In bestimmten Fällen kann der Industriefußboden gleichermaßen als Fundamentplatte dienen um Lasten aus dem aufgehenden Gebäude abzutragen. Der Industriefußboden gilt dann im bauaufsichtlichem Sinne als tragendes und aussteifendes Bauteil. Auch für diese Fälle lässt sich eine Lösung mit Stahlfaserbeton bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton erarbeiten.

2.4 Pfahlgestützte Industriefußböden

Frei tragende pfahlgestütze Stahlfaserbetonplatten werden im Industriebau in Gebieten mit schlechten Untergrundverhältnissen seit vielen Jahren erfolgreich ausgeführt. Die Herstellung der Platten erfolgt zwar in gleicher Weise wie bei einer gebetteten Platte durch Betonage direkt auf dem Untergrund; im Gebrauchszustand übernimmt jedoch die Pfahlgründung den Großteil der Lasten und die Bodenplatte verhält sich aus statischer Sicht wie eine Flachdecke und ist entsprechend zu bemessen.

Aus bauaufsichtlicher Sicht gelten diese Böden üblicherweise als tragende Bauteile für die ein bauaufsichtlich eingeführtes Regelwerk heranzuziehen ist. Unterschiedliche Bewehrungssysteme wurden im Laufe der Jahre entwickelt. Das Ursprungsystem, welches durch experimentelle Untersuchungen an der IBMB Braunschweig begleitet wurde, sieht zum Stahlfaserbeton eine zusätzliche Stützstreifenbewehrung vor. Nach diesem System wurden schon mehrere 100.000 m² Industrieböden auf Pfählen geplant und ausgeführt.

Das System "Niederlande" gemäß Empfehlung CUR 111 sieht Mattenstücke oberhalb der Pfähle vor. Das System wurde hinsichtlich der Bewehrungsarbeiten vereinfacht. Mit Mattenstücken oberhalb der Pfahlköpfe wurde ein sehr baupraktisches System entwickelt. Bild 7: System "Niederlande" Mit dem System CombiSlab (eine Bewehrungslage oben) lässt sich zusätzlich eine rechnerische Rissbreitenbegrenzung bei beispielsweise erhöhten Anforderungen nachweisen. Aufgrund der Biegeentfestigung herkömmlicher Stahlfasern hat Bekaert die Ausführung von pfahlgestützten Platten mit reinem Stahlfaserbeton in der Vergangenheit nicht befürwortet. Eine Möglichkeit für eine reine Stahlfaserbetonlösung sieht Bekaert sehr wohl bei der Verwendung von 5D Stahldrahtfasern (siehe hierzu späteres Kapitell).

2.5 Hochregallager in Silobauweise

Ein klassisches Beispiel eines tragenden und hochbeanspruchten Industriefußbodens stellt das sogenannte Hochregallager in Silobauweise dar. Es ist ein Lager mit Regalen in einer Höhe von bis zu ca. 50 Meter. Die Kapazität eines solchen Hochregallagers reicht bis zu mehreren hunderttausend Palettenstellplätzen. Es ist ein Lagersystem, welches eine hohe Raumnutzung hat und bei der Erstellung hoher Investitionen bedarf. Meist werden diese Systeme vollelektronisch mit einem Lagerverwaltungssystem bewirtschaftet. Die Waren werden innerhalb des Lagers von Regalbediengeräten (RBG) befördert. Von der Silobauweise spricht man, wenn ein Regal die tragende Unterkonstruktion für Dach und Fassade darstellt. Die Fundamentplatte trägt daher nicht nur ein Regalsystem, sondern vielmehr das gesamte "Tragwerk" und hat gleichermaßen den Ansprüchen eines Industriefußbodens zu genügen. Neben den Lasten aus Palettenlager sind Wind-, Schnee- und Erdbebenlasten bei der Bemessung der Fundamentplatte zu berücksichtigen. Bild 7 zeigt ein typisches System Hochregallager in Silobauweise.

Die Regalstützen eines solchen Regalsystems müssen aufgrund der abhebenden Lastbeanspruchungen aus Wind und Erdbeben mit entsprechend vielen und langen Dübeln verankert werden, weswegen eine Reduzierung des Bewehrungsgrades durch den Einsatz von Stahlfaserbeton weitere baupraktische Vorteile mit sich bringt.

2.6 Grundlagen der Bemessung

Als Bemessungsgrundlage für im bauaufsichtlichen Sinne tragende Bodenplatten dient in Deutschland die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton. Mit diesem Regelwerk werden die erforderlichen Grundlagen für die Berechnung und Konstruktion von Bauteilen aus Stahlfaserbeton mit und ohne Betonstahlbewehrung bereitgestellt. Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton besitzt vollen Normencharakter und bezieht sich mit der Ausgabe März 2010 unmittelbar auf die DIN 1045-1, Teile 1 bis 3 und DIN EN 206-1. Sie enthält die für die Anwendung von Stahlfaserbeton notwendigen Änderungen und Ergänzungen zu diesen Normen und übernimmt deren inhaltliche Gliederung. Im März 2011 erfolgte die Aufnahme in die Musterliste der technischen Baubestimmungen und sukzessive die Übernahme in die Liste der Technischen Baubestimmungen der einzelnen Bundesländer. Inzwischen wurde die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton ebenso als Ergänzung zur DIN EN 1992-1-1 in Verbindung mit DIN 1992-1- 1/NA, DIN EN 206-1 in Verbindung mit DIN 1045-2 und DIN EN 13670 in Verbindung mit DIN 1045-3 überarbeitet und in die Musterliste der technischen Baubestimmungen aufgenommen. Der Geltungsbereich der Richtlinie umfasst die Bemessung und Konstruktion von Tragwerken des Hoch- und Ingenieurbaus aus Stahlfaserbeton sowie Stahlfaserbeton mit Betonstahlbewehrung bis einschließlich einer Druckfestigkeitsklasse C50/60 unter Verwendung von Stahlfasern mit formschlüssiger, mechanischer Verankerung. Bei Verwendung von Kombinationsbewehrung (stahlfaserverstärktem Stahlbeton) gibt es kaum Einschränkungen in den Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere bei kombiniertem Einsatz von Stahlfasern und Betonstahlbewehrung lassen sich erhebliche Vorteile bei der Begrenzung der Rissbreiten sowie bei der Erhöhung der Biege- und Querkrafttragfähigkeit erreichen. Auch international wurde die Verwendung von Stahlfaserbeton in tragenden Bauteilen weiter gefördert. Der Model Code 2010 dient als Grundlage für den Eurocode und beinhaltet erstmalig ein Kapitell Stahlfaserbeton für tragende und aussteifende Bauteile. Darüber hinaus gibt es in weiteren Ländern Richtlinien, die den Einsatz von Stahlfaserbeton für im bauaufsichtlichen Sinne relevante Bauteile ermöglicht.

3 Einsatz leistungsstarker Stahldrahtfasern

3.1 Vorbemerkung

Die Leistungsfähigkeit von Stahldrahtfasern und damit einhergehend die des Stahlfaserbetons spielt bei hoch beanspruchten Bauteilen eine besondere Rolle. Die wesentlichen Eigenschaften von Stahldrahtfasern werden geprägt durch das Längen/Durchmesser- Verhältnis, die Art der Verankerung und der Drahtzugfestigkeit. Die Verankerung von Stahldrahtfasern ist so gestaltet, dass sie sich bei zunehmender Verformung des Stahlfaserbetons kontrolliert aus der Betonmatrix herausziehen, da typische Stahldrahtfasern nur über ein geringes Dehnungsvermögen verfügen. Dabei spielt der Auszugswiderstand eine maßgebende Rolle für die Leistungsfähigkeit des Stahlfaserbetons. Bewährt hat sich die einfache Endverankerung. Sie bietet ausreichenden Auszugswiderstand und dennoch wird der Mechanismus Faserauszug sichergestellt. Die Zugfestigkeit einer Stahldrahtfaser ist auf die Art der Verankerung abzustimmen. Nur so kann die Zugfestigkeit des Drahtes optimal ausgenutzt und die Duktilität des Stahlfaserbetons gewährleistet werden. Im Falle erhöhter Drahtzugfestigkeit ohne Anpassung der Verankerungsart wird die Zugfestigkeit gewöhnlich nicht vollständig ausgeschöpft. Eine zu starke Verankerung ohne Anpassung der Zugfestigkeit des Drahtes führt üblicherweise zu einem spröden Materialverhalten (Stichwort: Faserreißen). Normalfeste Stahldrahtfasern mit einfacher Endverankerung haben sich für die bisher marktüblichen Faserprodukte am erfolgreichsten bewährt.

3.2 Weiter- und neuentwickelte Stahldrahtfasern

Ihre bisherige Produktpalette der am Markt bekannten normalfesten Stahldrahtfasern mit einfacher Endverankerung fasst Bekaert in der Stahlfaserfamilie 3D zusammen. Es gelten die bekannten Anwendungsgebiete und der typische Mechanismus des Faserauszugs. Eine Weiterentwicklung besteht darin, die Zugfestigkeit der Stahlfasern zu erhöhen und -darauf abgestimmt - die Endverankerung anzugleichen, so dass ein im Vergleich mit den vorgenannten Stahlfasern höherer Widerstand gegen Auszug geleistet wird. Dieser Stahldrahtfasertyp wird unter der Bezeichnung 4D aufgenommen und eignet sich aufgrund seines Materialverhaltens besonders für den Einsatz in rissbreitenbegrenzten Bauteilen.

Eine komplett für den Stahlfaserbeton neuartige Entwicklung zeigt sich mit der 5D Stahldrahtfasern von Bekaert. Die Besonderheit bei Verwendung dieser Stahldrahtfasern liegt im Wirkungsmechanismus des Stahlfaserbetons. Die Verankerung dieses Stahldrahtfasertyps ist so gestaltet, dass sie nicht aus der Betonmatrix herausgezogen wird. Die Duktilität wird nicht über Faserauszug sichergestellt sondern durch Verwendung eines besonderen hochfesten Drahtes der über eine große Dehnungskapazität verfügt.

Bei vollständiger Verankerung im Beton wird aufgrund der Dehnungsfähigkeit des Materials ein Reißen der Fasern verhindert. Infolge dieser Wirkungsweise kann die Drahtzugfestigkeit maximal ausgenutzt werden. Das Leistungsniveau eines Stahlfaserbetons mit 5D Stahldrahtfasern geht über die Erstrisslast hinaus. Als Messinstrument für die Leistungsfähigkeit werden statisch bestimmte Balkenversuche verwendet. Ergebnisse unter Verwendung von 5D Stahldrahtfasern weisen Mehrfachrissbildung und ein materialverfestigendes Verhalten auf. Ein Materialverhalten das bisher, in statisch bestimmten Systemen, nicht in Verbindung mit Stahlfaserbeton gebracht wurde.

4 Zusammenfassung und Ausblick

Die Anwendungsmöglichkeiten für den Stahlfaserbeton und insbesondere für den stahlfaserverstärkten Stahlbeton im Industriebau sind vielseitiger denn je. Nicht nur typische Industriefußböden sind mit dieser Lösung ausführbar, sondern auch tragende, aussteifende Industriefußböden und solche mit erhöhten Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit. Dank gewonnener Erfahrung und Erprobung technischer und wirtschaftlicher Möglichkeiten sowie Absicherung auf dem Gebiet der Normierung sind die Grundlagen neuer Anwendungen für den Stahlfaserbeton geschaffen. Die Weiterentwicklung der Stahlfaserprodukte fördert zudem die Möglichkeiten für besonders hochbeanspruchte Böden. Bei einer ganzheitlichen Betrachtung der Bauweise ergeben sich neben Kosteneinsparung weitere Vorteile:

• deutlich weniger Mindestbewehrung,
• deutliche Vereinfachung der Bewehrungsführung,
• Verwendung von Matten anstelle von Stabstahl, größere Stababstände und kleinere Durchmesser
• Entfall von Betonpumpen durch baubegleitenden Bewehrungseinbau
• Anwendung wirtschaftlicherer Herstellungsverfahren
• Verkürzung der Bauzeiten
• Erhöhung der Dauerhaftigkeit
• Reduzierung oder Entfall von Reparatur- und Wartungskosten

Literatur

• [1] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: DAfStb- Richtlinie Stahlfaserbeton, Ausgabe März 2010
• [2] Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.V., DBV-Merkblatt Industrieböden aus Stahlfaserbeton, Fassung Juli 2013
• [3] DBV-Merkblatt "Industrieböden aus Beton für Frei- und Hallenflächen", Ausgabe 2004
• [4] EN 14889-1, Fasern für den Beton – Teil 1, Stahlfasern – Begriffe, Festlegungen und Konformität
• [5] EN 1990 Eurocode - Basis of structural design
• [6] EN 1992-1-1 Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings