Untersuchungen zum Einsatz von nichtmetallischen Bewehrungen im Infrastrukturbau

Abstract

Neben der allseits etablierten Stahlbewehrung bieten sich immer mehr nichtmetallische Bewehrungen als eine weitere Möglichkeit an den Beton zu verstärken. Da diese Art von Bewehrung nicht rostet, können reduzierte Betondeckungen ermöglicht und eine erhöhte Dauerhaftigkeit des Bauteils erreicht werden. Diese Arbeit wurde im Zuge des Forschungsprojekts NIMETBEW -Potentiale von nichtmetallischer Bewehrung im Beton-Infrastrukturbau, der Verkehrsinfrastrukturforschung(VIF) 2019 - erstellt, bei dem unter anderem ein Empfehlungsleitfaden zum Einsatz von Faserverbundkunststoff (FVK)-Bewehrungen bei Infrastrukturbauwerken erarbeitet wird.Somit sollen optimierte Konstruktionen entstehen, die unsere Umwelt weniger belasten und wirtschaftliche Vorteile mit sich bringen.Im ersten Kapitel dieser Arbeit wird ein Überblick zu Konstruktionen im Infrastrukturbau gegebenund deren Anforderungen beschrieben. In weiterer Folge wird auf die Herausforderungen desStahlbetons eingegangen, welche sich auf die Nachhaltigkeit, Schäden und Instandhaltung beziehen.Eigenschaften und Arten von nichtmetallischer Bewehrung werden im darauffolgenden Kapitel behandelt. Als potentielle Einsatzfelder können Bereiche genannt werden, wo die Verbesserung der Dauerhaftigkeit, Materialeffizienz und Instandhaltung gewünscht oder gefordert ist. In dieser Arbeit wird weiterführend an ausgewählten Bauteilen die Anwendung von Bewehrungenaus Carbon-, Basalt- und Glasfaserbewehrungen mit Stahlbewehrungen verglichen. Für die Untersuchungen werden Parameterstudien durchgeführt, bei denen die statische Nutzhöhe und die Bewehrungsfläche variable Parameter sind. Durch diese werden optimale Querschnitte ermittelt,die die Biegetragfähigkeit und die Begrenzung der Rissbreiten, Verformungen und Spannungen erfüllen. Die ermittelten Massen der Bewehrungen, bei denen die konstruktive Durchbildung einfließt, und die Massen des Betons werden mit ökologischen und ökonomischen Kennwerten verknüpft, welche einen Vergleich der Kosten und des Treibhauspotentials in der Errichtungsphase ermöglichen.Bei hochbelasteten Bauwerken (z.B. Brücken) weist sich die Stahlbewehrung insbesondere aufgrund der geringeren möglichen Bauteilhöhe als vorteilhaft gegenüber FVK-Bewehrung auf.Durch den Einsatz von FVK bei Bauteilen mittlerer Belastung (z.B. Winkelstützmauer) können allerdings ökologische Vorteile erzielt werden, obwohl auch hier größere Bauteilhöhen benötigt werden. Das größte Potential nichtmetallischer Bewehrung wird allerdings bei geringbelasteten Bauteilen (z.B. Bahnsteigkanten oder Lärmschutzwand-Sockelelementen) erkannt, bei denenein hohes Maß an Treibhauspotential gespart wird. Da bei den FVK-bewehrten Bauteilen, diein dieser Arbeit untersucht werden, die Betonspannungsbegrenzung in fast allen Fällen den maßgebenden Nachweis darstellt, kann weiteres Potential durch den Einsatz höherfester Betone festgestellt werden. Diese führen am Beispiel der Bahnsteigkante zu geringeren Bauteildicken im Vergleich zu Stahlbeton-Varianten, wodurch weitere Reduktionen des Treibhauspotentials und der Kosten erzielt werden. Treten bei Bauteilen Zwangsbeanspruchungen auf (z.B. Randbalken),wird aufgrund der geringeren Steifigkeit der FVK zwar meistens mehr Bewehrungsfläche benötigt,dennoch kann ein geringeres Treibhauspotential erzielt werden. Auf der anderen Seite lässt sich erkennen, dass mit den derzeitigen Preisen der FVK-Bewehrungen mit den Stahlbeton-Varianten zumeist deutlich geringere Errichtungskosten für Bauteile im Infrastrukturbau entstehen.

In addition to the well-established steel reinforcement, more and more non-metallic reinforcements are being offered as a further option for extending the concrete. Since this type of reinforcement does not rust, it is possible to reduce the concrete cover and to increase the durability of thecomponent. This work was created in the course of the research project NIMETBEW - potentials of non-metallic reinforcement in concrete infrastructuring, the transport infrastructure research(VIF) 2019 - in which, among other things, a guideline for the use of fiber reinforced polymer(FRP) reinforcements in infrastructure elements is being developed. In this way, optimized constructions could be created that have less environmental impact and bring economic benefits with them.In the first chapter of this thesis an overview of constructions in infrastructure is given and their requirements are described. In the following, the challenges of reinforced concrete, which relate to sustainability, damage and maintenance, are discussed. Properties and types of non-metallic reinforcement are dealt within the next chapter. Areas where the improvement of durability,material efficiency and maintenance are desired or required can be named as potential fields of application. In this thesis the use of reinforcement made of carbon, basalt and glass fiber is compared with steel reinforcement on selected components. For the investigations, parameter studies are carried out in which the static effective height and the reinforcement area are variable parameters. Through this, optimal cross-sections are determined which fulfill the checks of bending load-bearing capacity and the limitation of crack widths, deformations and stresses. The determined masses of the reinforcements, in which the structural design is incorporated, and the masses of the concrete are linked with ecological and economic parameters, which enable acomparison of the costs and the global warming potential in the construction phase.In the case of highly stressed structures (e.g. bridges), the steel reinforcement proves to be advantageous compared to non-metallic reinforcement, particularly due to the lower possible component height. By using fiber-reinforced polymers for components with medium loads (e.g.retaining walls), ecological advantages can be achieved, although larger component heights are also required here. However, the greatest potential for the use of non-metallic reinforcement isrecognized in the case of components with low loads (e.g. platform edges or noise protection wallbase elements), where a high level of global warming potential is saved. Since the concrete stress limitation is the decisive proof in almost all cases of the FRP-reinforced components that are examined in this thesis, further potential can be determined through the use of higher-strength concretes. Using the example of the platform edge, this leads to thinner component thicknesses compared to the reinforced concrete variants, which results in further reductions in the globalwarming potential and costs. If constrained loads occur on components (e.g. edge beams), more reinforcement area is usually required due to the lower rigidity of the fiber-reinforced polymers,but a lower global warming potential can be achieved. On the other hand, it can be seen that with the current prices of the FRP reinforcement with the reinforced concrete variant, the construction costs for components in infrastructure are usually significantly lower.