Dauerhafter Einsatz unter hohen Spannungen

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Seit Jahrzehnten wird Beton mit Betonstahl bewehrt. Dieser klassischen Bewehrung sind allerdings überall dort Grenzen gesetzt, wo eine hochkorrosive Umgebung herrscht, elektromagnetische Felder zu Induktionsströmen führen können oder eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit gefordert ist. Aus diesem Grund entwickelte Schöck bereits vor einigen Jahren einen Werkstoff, der alternativ zu Betonstahl eingesetzt werden kann: den Bewehrungsstab "ComBAR" aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Der Name ComBAR leitet sich von "composite rebar" ab und ist gleichbedeutend mit "Verbundwerkstoff zur Bewehrung".

Vorteilhafte Materialeigenschaften

Auf europäischer Ebene werden Verbundwerkstoffe wie "Schöck ComBAR" aufgrund ihrer vorteilhaften Materialeigenschaften zunehmend eingesetzt. Allerdings existierten bisher in Europa für die Bemessung und den Einsatz von GFK-bewehrten Bauteilen noch keine normativen Regeln. Für die einzelnen Bauvorhaben wird von Prüfingenieuren in Deutschland meist eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) gefordert. Richtlinien zur Materialprüfung und Bemessung existierten bislang nur in den USA und in Kanada.

Konzept zur Bemessung der Dauerhaftigkeit

Schöck erarbeitete mit dem Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) und der TU München ein spezielles "Dauerhaftigkeitskonzept", um die charakteristischen Werte der Dauerzugfestigkeit der GFK-Bewehrung "ComBAR" zu ermitteln. Das Alterungsverhalten sollte auf eine möglichst genaue Aussage zu Sicherheit und Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes hin untersucht werden. Zudem zeichnen sich Materialprüfungen nach DIN-Norm auch dadurch aus, dass Werkstoffe bis zum Bruch getestet werden. Man brauchte also ein Prüfprogramm, das einerseits diesen neuen Werkstoffen gerecht wird und andererseits eine Lebensdaueranalyse möglich macht, wie dies beispielsweise für Betonstahl der Fall ist. Für die Ausarbeitung der Zulassung von ComBAR gründete das DIBt deshalb eigens einen Sachverständigenausschuss (SVA), der das entwickelte Prüfverfahren bestätigte. Viele Versuche, vor allem die Dauerstandversuche, wurden beim Hersteller im hausinternen Labor gefahren. Es wurde von den Experten der TU München begutachtet und für die Zulassungsversuche freigegeben. Extern fanden zudem Versuche zum Dauerschwingverhalten an der Uni Karlsruhe und zum Brandverhalten an der TU Braunschweig statt.

Prüfverfahren im Dauerstandversuch

Grundsätzlich ist das Konzept so angelegt, dass die Stäbe bis zu ihrem Versagen geprüft und die Versagenswerte für eine Belastung von bis zu 100 Jahren extrapoliert werden – es ergibt sich die sogenannte Versagensstandzeit-Linie. Alle Prüfungen fanden in gesättigtem Beton unter extremen, aber realitätsnahen Bedingungen statt. Sowohl die mechanische Belastung durch ständige Zug- und Verbundspannungen als auch die Umweltbedingungen entsprachen dem wirklichen Einsatz in Beton. Die Modellunsicherheit wurde somit – insbesondere im Vergleich zu der von Restfestigkeitsversuchen – um ein Vielfaches reduziert.

Der erste Versuch wurde bei rund 90 % der Kurzzeitfestigkeit des Materials gefahren. Die Zugspannung wurde dabei so lange auf dem ComBAR-Stab konstant gehalten, bis dieser versagte. Bei den darauffolgenden Versuchen wurde die Spannung auf dem Stab schrittweise soweit reduziert, bis die Standzeit bis zum Versagen mindestens 4.000 Stunden betrug. Für wenigstens acht Versuche wurde die aufgebrachte Spannung an einem Stabdurchmesser als Funktion der jeweiligen Standzeit bis zum Versagen auf einer doppelt logarithmischen Skala aufgetragen. Nach DIN 53768 konnte die Versagensstandzeitlinie durch Extrapolation bestimmt werden: Die Mittellinie der aufgetragenen Datenpaare wurde ermittelt und die 5 % Quantil-Linie errechnet. Diese Standzeitlinie stellt die charakteristischen Werte der Dauerzugfestigkeit für unterschiedliche Einsatzgebiete unter der jeweils geprüften Temperatur dar. Nach dem Prüfplan sollten die Versuchsreihen mit 40° C temperiert sein, um einen Großteil möglicher Anwendungen im europäischen Raum abzubilden. Der charakteristische Wert der Dauerzugfestigkeit von ComBAR ist in Deutschland auf 580 N/mm² festgeschrieben. Der Materialfaktor ist auf 1,3 fixiert. Damit ergibt sich für ComBAR eine Bemessungsspannung von 445 N/mm². Diese Werte gelten für alle Anwendungen und Standzeiten von 100 Jahren.

In weiteren anwendungsbezogenen Dauerstandversuchen konnte zudem nachgewiesen werden, dass die Standzeitlinien für ComBAR-Stäbe mit Durchmessern von 8, 12, 16 und 25 mm identisch sind, woraus sich ergibt, dass nicht alle Stabdurchmesser einzeln geprüft werden müssen. Es reicht etwa aus, nur den größten und kleinsten ComBAR-Stab und dann jeden zweiten Durchmesser zu prüfen. Das Konzept garantiert insgesamt die gleiche Sicherheit gegenüber Materialbruch wie bei altbekannten Materialien, da das Alterungs¬verhalten unter gleichen Bedingungen geprüft wird. Zudem kann bei gegebener Spannung und Temperatur eine zuverlässige Lebensdauerprognose erfolgen.

Anwendbar für faserverstärkte Werkstoffe

Das Dauerhaftigkeitskonzept ermöglicht jetzt erstmals eine exakte Bemessung der Dauerzugfestigkeit hochfester Bewehrungsstäbe aus faserverstärktem Kunststoff auf Bruchlastniveau. Zudem können exakte maximal zulässige charakteristische Werte der Dauerzugfestigkeit für verschiedene Kombinationen aus Umweltbedingungen und planmäßiger Einsatzdauer bei gleich bleibendem Sicherheitsniveau ermittelt werden. Auch international fand das anwendungsbezogene Dauerhaftigkeitskonzept inzwischen Anerkennung: Anfang 2010 wurde es vom technischen Komitee der Canadian Standards Association (CSA) für die Aufnahme in die überarbeitete Norm zur Bemessung GFK bewehrter Bauteile, CSA S806-10 akzeptiert.

Grundlage für das Zulassungsverfahren

Die Bemessungswerte der bereits zugelassenen GFK-Bewehrungsstäbe basieren auf diesem Konzept. Ende 2008 erhielt der Hersteller die erste Zulassung vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt, Z-1.6-238) für den geraden Schöck ComBAR-Stab mit 16 mm Nenndurchmesser. 2012 soll die Zulassung auf 8, 12 und 25 mm-Stäbe erweitert werden. Für den ComBAR Thermoanker – ein Bewehrungsanker mit hoher Wärmedämmeigenschaft für Halbfertigteil- beziehungsweise Doppelwände – mit einem Stabdurch¬messer von 12 mm besteht seit 2009 eine Zulassung. Bisher verfügt Schöck laut eigenen Angaben als einziges Unternehmen in Deutschland über Zulassungen für einen derartigen Verbundwerkstoff aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Aktuelle Bauvorhaben werden dadurch erheblich erleichtert, da auf eine Zustimmung im Einzelfall bei der Verwendung von zugelassenen Stäben sogar verzichtet werden kann.