Statische Verstärkung mit Kohlefasern in Spritzmörteln

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Häufig ist es nicht möglich, Kohlefaserlamellen oder Kohlefaser-Sheets für die Verstärkung von Bauwerken zu verwenden. Dafür gibt es unterschiedliche Gründe wie z. B. zu feuchte Untergründe oder Umgebungstemperaturen, bei denen sich die Epoxidharze, mit denen die Kohlefaserlamellen/-Sheets verklebt werden, nicht verarbeiten lassen. Aus diesem Grund hat S&P ein neues System für die Verstärkung von Bauteilen entwickelt. Die neue Entwicklung für die statische Verstärkung von bestehenden Stahlbetonbauteilen basiert auf einem Carbongitter, welches in Spritzmörtel fixiert wird. Dieses ermöglicht eine Schichtstärkenreduktion gegenüber traditionell armierten Schalen um ca. 50 %. Weiterhin ergeben sich enorme Vorteile hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und für den Brandschutz.

Da anstelle einer Stahleinlage ein Gitter aus Carbon eingespritzt wird, ist es möglich, die Schichtdicke der Verstärkungsschale deutlich zu reduzieren. Die Carbonfaser ist inert und korrodiert nicht. Aus diesem Grund ist eine 3 cm dicke Überdeckung mit Spritzbeton nicht erforderlich. Die Hitzebeständigkeit der Carbonfaser ist drei- bis viermal höher als die einer Stahleinlage. Der Brandwiderstand F60 ist somit bei 10 mm Überdeckung der Carbonfaser mit Spritzbeton gewährleistet. Gleiche Leistung bei halber Materialdicke Das Arbeitsvermögen einer üblicherweise 10 cm dicken Spritzbetonschale mit einer zentrisch verlegten K188 Stahleinlage (150/150/?8) liegt bei ca. 800 Joule. Demgegenüber weist das S&P Armo-System, eine kohlefaserarmierte Spritzbetonschale von 2 cm Stärke, welche im Verbund mit einer 8 cm dicken, bestehenden Tunnelschale appliziert wird, ein Arbeitsvermögen von 800 bis 1100 Joule auf. Dies bietet in der Instandstellung respektive statischen Verstärkung von bestehenden Tunnel- oder Stollenbauwerken interessante Alternativen. Die Neuentwicklung eignet sich für die Instandstellung und statische Verstärkung von bestehenden Tunnelschalen im Bahn-, Straßen-und Stollenbau. Sie ermöglicht eine Schichtdickenreduktion der Verstärkungsschale um ca. 50 %.

Verbundstoffe zur Kraftübertragung

Damit der Verbund und somit die Kraftübertragung aus dem S&P Armo-mesh-Carbonfasergitter in den Spritzbeton verbessert wird, ist die Faserarmierung mit einem amorphen Silica modifiziert. Die Reaktionskomponente wird dem Spritzbeton oder Spritzmörtel beigemischt. Der intensive Verbund zwischen der Carbonarmierung und dem Spritzbeton entsteht durch Hereinwachsen von Calcium-Silikat-Hydrat in die Faserrovinge. Durch Verbundversuche am Doppelbetonkörper wurde die Verankerungs-/Überlappungslänge der Faserarmierung festgelegt. Das S&P-System bietet systemgeprüfte Spritzmörtel bzw. Spritzbeton für das Trocken- und Nass-Verfahren als Silo- oder Sackware an.

Vergleich auf dem Prüfstand

Die statische Bemessung für dünnschichtige Verstärkungen mit dem Carbongitter erfolgt in Anlehnung an die gültige Norm für Klebebewehrungen. Die Grenzdehnung im Carbongitter (Bruchzustand) wurde anhand von Vorversuchen an verstärkten schlanken Stahlbetonplatten festgelegt. Im Versuchsaufbau an der FH Fribourg wurden 22 cm dicke und 85 cm breite Stahlbetonplatten mit einer Spannweite von 6 m geprüft. Nebst der unverstärkten Referenzplatte wurde eine Platte mit einer Lage S&P Armo-mesh L500 in 1,5 cm Spritzmörtel S&P Armo-crete und eine weitere Platte mit zwei Lagen S&P Armo-mesh L500 in 2 cm Spritzmörtel verglichen. Mit zwei Lagen Carbonarmierung wurde der Verstärkungsgrad von 170 % erreicht. Das Versagen der beiden verstärkten Stahlbetonplatten erfolgte in der Betondruckzone. Als Bemessungsdehnung des Carbongitters werden 0,5 % vorgeschlagen. Diese Bemessungsdehnung wurde in den Versuchen der FH Fribourg verifiziert und entspricht in etwa der Bemessungsdehnung für CFK-Lamellen, welche für die statische Verstärkung von Stahlbetonbauteilen auf Biegezug gemäß diversen Richtlinien, bauaufsichtlichen Zulassungen sowie Normen (SIA 166) verwendet wird.

Tunnelschalen statisch verstärkt

Das System S&P Armo eignet sich speziell zur Instandstellung und statischen Verstärkung im Stollenbau (Druckstollen) oder im Straßen-, Bahn- und allgemeinen Hoch- und Tiefbau. Der maßgebliche Systemvorteil besteht darin, dass die Spritzbetonschicht um einige Zentimeter reduziert werden kann und nach der Instandstellung mehr Durchfluss- bzw. Lichtraumprofil zur Verfügung steht. Werden bei der Instandstellung Stahlgitter eingespritzt, beträgt die Spritzbetonschicht ca. 8 cm. Diese minimale Schichtdicke ist notwendig, um die Profilunebenheiten auszugleichen, das Stahlgitter einzuspritzen und die minimale Überdeckung der Stahleinlage von 3 cm zu gewährleisten. Die 3 cm dicke Überdeckung der Stahleinlage ist nötig, um den Feuerwiderstand (F60) zu garantieren und die Innenbewehrung gegen Korrosion zu schützen. Bei der Carbonarmierung ist eine minimale Überdeckung aus Gründen des Korrosionsschutzes nicht notwendig. Aus diesem Grund reduziert sich die Schichtdicke des Spritzbetons um ca. 50 %.

Wirtschaftliche Voraussetzungen erfüllt

Gemäß einem Kostenvergleich für 8 cm traditionellen Spritzbeton mit Stahleinlage mit einer 4 cm dicken Spritzbetonschale aus dem S&P Armo-System wird eine Kostenersparnis von ca. 20 % erwartet. Die Carbonschale bringt zudem drei weitere Vorteile. Erstens wirkt sich die Flexibilität der Carboneinlage positiv aus. Sie vibriert nicht bei der Spritzbetonapplikation, deswegen wird der Rückprall verhindert. Es entstehen weniger Spritzschatten hinter der Carboneinlage im Vergleich zur Stahleinlage. Zweitens entsteht ein größeres Lichtraum- oder Durchflussprofil des Tunnels oder Stollens. Drittens eignet sich die neue Lösung u. a. für die Verstärkung eines Pilotstollens. Die Carboneinlage ist problemlos abfräsbar.

In der Praxis erfolgreich

Infolge fortgeschrittener Lebensdauer werden heute verschiedene Druckstollen im Kraftwerksbau saniert oder einfach statisch verstärkt. Der Einsatz des neuen Systems bietet sich hierbei als interessante Variante an. Für die Applikation wird der bestehende Traggrund aus Beton hydromechanisch aufgeraut. Danach erfolgt der erste Auftrag von S&P Armo-crete w im Nassspritzverfahren in einer Dicke von ca. 1 cm. Die Carbonarmierung wird in die erste Spritzmörtelschicht eingearbeitet. Danach erfolgt die zweite Spritzmörtellage nass in nass. Als Variante kann S&P Armo-crete d, ein spezieller Spritzbeton für das Trockenspritzverfahren, eingesetzt werden. Der Trockenspritzbeton wird auch als Silo- oder Sackware angeboten. In diesem Fall wird die Armierung mit speziellen Haftklammern in der ersten Spritzbetonlage befestigt. Bevor die zweite Spritzbetonschicht appliziert wird, müssen die erste Lage und die Carbonarmierung mit Wasserhochdruck gereinigt werden. Mehrere Objekte wurden mit der neuen Methode im Jahr 2010 erfolgreich statisch verstärkt. Das System erwies sich dabei als ausgesprochen praxistauglich.

Dipl.-Ing. Dirk Grunewald, S&P Clever Reinforcement GmbH