Untersuchungen zum Einsatzpotential nichtmetallischer Bewehrungen im Betonbau

Abstract

Die Klimakrise, ausgelöst durch große Mengen anthropogener Treibhausgase, bedroht unseren Planetenauf nie da gewesene Weise. Die Bauindustrie und insbesondere der Betonsektor haben einen großen Anteil daran. Als Folge dessen entstand der Ansatz, die Effizienz von Betonbauteilen mit Bewehrungen aus Hochleistungsfasern zu steigern, um Ressourcen und Treibhausgasemissionen einzusparen. Mit der Verwendung von nichtmetallischen Faserverbundkunststoffen als Bewehrung kann außerdem die Dauerhaftigkeit der Tragwerke gesteigert werden, da keine Korrosion stattfindet. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das ökologische Potenzial nichtmetallischer Bewehrung bei Verwendung im Betonbau aufzuzeigen. Dazu wird ein Vergleich zwischen Stahlbeton und FRP-bewehrten Bauteilen durchgeführt. Im deutschsprachigen Raum gibt es derzeit aber keine Richtlinien, nach denen eine Bemessung mit diesen Bewehrungen erfolgen kann. Daher werden in dieser Arbeit international verfügbare Richtlinien betrachtet und verglichen.Als Bemessungsgrundlage für die darauffolgende Parameterstudie wurden die Vorschriften des ACI 440 2015 herangezogen und ein Einfeldträger mit Rechteckquerschnitt dimensioniert. Der Biegewiderstand, die Durchbiegung und das Treibhauspotenzial wurden in Abhängigkeit der Bewehrungsfläche, der zugehörigen statischen Nutzhöhe und der Trägerlänge untersucht. Dabei wurden Carbon, AR-Glas, Basalt und Betonstahl als Bewehrungsmaterial herangezogen. In allen Berechnungen stellte sich die Begrenzung der Verformung als maßgebender Nachweis heraus. Die mindestens erforderlichen, betrachteten Querschnittsabmessungen steigen mit der Trägerlänge linear an. Carbon weist die günstigsten mechanischen Eigenschaften auf, dementsprechend sind die notwendigen Querschnittsabmessungen am geringsten. Gleichzeitig ist es das Bewehrungsmaterial mit dem größten Treibhauspotenzial.Dem entgegen stehen die etwa vergleichbaren Materialien AR-Glas und Basalt, die deutlich geringere Zugfestigkeiten und Elastizitätsmodule aufweisen sowie über die Zeit weniger dauerhaft sind. Damit sind für die Nachweise größere Mengen Bewehrung und eine größere statische Nutzhöhe notwendig. Der wesentliche Vorteil dieser Bewehrungen liegt in ihrem weitaus kleineren Treibhauspotenzial, aber auch in der Verfügbarkeit sowie den Kosten.Das Einsatzpotenzial aller nichtmetallischen Bewehrungsmaterialien ist angesichts der Bemessungsmöglichkeiten gegeben. Für einen deutlicheren Vorteil hinsichtlich Bemessung und ökologisches Wirken gegenüber dem konventionellen Betonstahl sind jedoch Optimierungen notwendig. Diese können von den Bemessungsvorschriften, über die Wahl des statischen Systems,der Querschnittswahl, Vorspannung bis hin zu der Betonzusammensetzung reichen.

The climate crises, caused by large amounts of anthropoogenic greenhouse gases, threatens ourplanet in an unprecedented way. The construction industry, and in particular the concretesector, is a major contributor to this. This led to the approach to increase the efficiency of concrete components with reinforcements made of high-performance fibers in order to save resources and greenhouse gas emissions. The use of non-metallic fiber composite materials as reinforcement can also increase durability by preventing corrosion, thus extending the life ofthe structures. The aim of this thesis is to demonstrate the ecological potential of non-metallic reinforcement when used in concrete construction. For this purpose, a comparison between steel-reinforced concrete and FRP-reinforced components is carried out. Currently there are no guidelines in the German-speaking countries according to which design can be carried out with these reinforcements. Therefore internationally available guidelines are considered and compared in this thesis.As design basis for the following parameter study the regulations of ACI 440 2015 were used and a single-span beam with rectangular cross-section was dimensioned. The bending resistance,deflection and global warming potential were investigated as a function of the reinforcement area,the associated effective static height and beam length. Carbon, AR glass, basalt and reinforcing steel were used as reinforcement material. In all calculations, the limitation of deformation turned out to be the decisive proof. The minimum required cross-sectional dimensions increaselinearly with the beam length. Carbon has the most favorable mechanical properties, so the necessary cross-sectional dimensions are the smallest. At the same time, it is the reinforcement material with the greatest global warming potential.In contrast there are the roughly comparable materials AR glass and basalt, which have significantly lower tensile strengths and elasticity modules and are less durable over time. This means that larger quantities of reinforcement and a greater effective static height are required for the designs. The main advantage of these reinforcements is their much smaller global warming potential.The application potential of all non-metallic reinforcement materials regarding design possibilitiesis basically given. However, for a clear advantage in terms of design and ecological effect compared to conventional reinforcing steel, optimizations are necessary. These can range from the design specifications, the selection of the static system, the selection of the cross-section,prestressing to the concrete composition.