1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 69 Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken Maximilian May CARBOCON GMBH, Dresden, Deutschland m.may@carbocon-gmbh.de Sebastian May CARBOCON GMBH, Dresden, Deutschland Alexander Schumann CARBOCON GMBH, Dresden, Deutschland Zusammenfassung Um den Transfer neuer Materialien in die Anwendung sicherzustellen, bedarf es normativer Regelungen. Ein Beispiel hierfür ist die neue allgemeine bauaufsichtliche Zulassung / allgemeine Bauartgenehmigung Z-31.10-182 CARBOrefit - Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit Carbonbeton. Planer und Architekten können mit der Zulassung neue, nachhaltigere und umweltfreundlichere Lösungen für die Ertüchtigung von bestehenden Bauwerken ausarbeiten. Ein Konsortium aus 8 etablierten Unternehmen hat sich zusammengeschlossen, um die Zulassung zum Verstärken mit Carbonbeton stetig weiterzuentwickeln. Durch die Aufnahme neuer, leistungsstärkerer Materialien und die Erweiterung der Anwendungsgebiete wird Carbonbeton zu einer der Schlüsseltechnologien des Bauwesens in der Zukunft. Im Rahmen des Beitrags wird das enorme Potenzial des Werkstoffs Carbonbeton im Bereich der Verstärkung aufgezeigt und die Neuerungen der Zulassung vorgestellt. 1. Einleitung Die Themen Klimawandel, Umweltschutz, Nachhaltigkeit und der Umgang mit Ressourcen sind allgegenwärtig. In vielen Branchen weltweit werden innovative Lösungen entwickelt und zukunftsweisende Wege aufgezeigt. Das Bauwesen, welches global 3-mal so viel zur CO 2 -Emmision wie die Luftfahrt beiträgt [1], nimmt eine zentrale Rolle ein, um den genannten Herausforderungen entgegenzutreten und den dringend benötigten Wandel einzuleiten. Neben der Entwicklung nachhaltiger Wohn- und Baukonzepte ist der Umgang mit Bestandsbauwerken und deren langfristige Bestandsicherung von enormer Bedeutung. Nutzungsänderungen, Defizite infolge von normativen Anpassungen und Dauerhaftigkeitsproblemen der Stahlbewehrung sind häufig die Kriterien, die eine Weiternutzung von Bestandsbauwerken limitieren. Eine Wiederherstellung oder Verbesserung der Trag- und Gebrauchstauglichkeit ist oft nur mit ressourcenintensiven, aufwendigen und unwirtschaftlichen Maßnahmen möglich. Ein Abriss und Ersatzneubau wird in vielen Fällen deshalb als Lösung empfohlen. Im Sinne der Nachhaltigkeit und dem Umgang mit Ressourcen sowie unter baukulturellen Aspekten ist dies jedoch als äußerst kritisch zu bewerten. Beim Bau dieser Gebäude wurde bereits die Umwelt mit CO 2 -Emissionen beansprucht und begrenzte Ressourcen wie Wasser, Zement und Sand verbraucht. Im Zuge des Abrisses und des Ersatzneubaus erfolgt dann eine weitere, teilweise erhebliche Umweltbelastung und ein Verbrauch an Ressourcen. Lösungen für die Bestandsicherung von Bauwerken werden somit gefordert! Der mit dem Deutschen Zukunftspreis 2016 ausgezeichnete Werkstoff Carbonbeton stellt eine der Schlüsseltechnologien im Bauwesen dar, mit der ein Wandel eingeleitet und das Bauen nachhaltiger gestaltet werden kann. Insbesondere im Bereich der Verstärkung oder Sanierung besitzt Carbonbeton ein enormes Potenzial, um bestehende Tragwerke ressourcenschonend und effizient wieder instand zu setzen. Baumaßnahmen wie beispielsweise die Verstärkung einer Autobahnbrücke am Frankfurter Kreuz A648/ A5 über die Nidda [1], [3] und die Verstärkung der denkmalgeschützten Hyparschale in Magdeburg [4], [5] zeigen, dass der Transfer des Hochleistungswerkstoffes Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken 70 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 in die Anwendung stattgefunden hat. Für den flächendeckenden Einsatz fehlte es bisher jedoch einer normativen Regelung. Mit der Erteilung der neuen allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung 31.10-182 CARBOrefit - Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit Carbonbeton [10] durch das Deutsche Institut für Bautechnik wird den Architekten und Planern nun ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, mit dem nachhaltige, bestandsichernde, schonende und wirtschaftliche Lösungen möglich sind. 2. Das Prinzip Verstärken mit Carbonbeton Im Verbundwerkstoff Carbonbeton werden die beiden Hochleistungsmaterialien Beton und die Carbonbewehrung vereint. Im konkreten Fall der Sanierung oder Verstärkung ergibt sich somit eine perfekte Symbiose, die Carbongitter übertragen die Zugspannungen und aufgrund der Korrosionsbeständigkeit benötigen die Bewehrungen nur minimale Betondeckungen zur Übertragung der Verbundspannungen. Der Feinbeton in der Verstärkungsschicht sorgt für die Anhaftung zum Altbeton und zur Übertragung der Kräfte von den Carbongittern in den Altbeton. Im Bereich von Aufbetonergänzungen kann der Feinbeton auch zusätzlich als Druckzonenverstärkung herangezogen werden. Im Anwendungsfall der Bauwerksverstärkung kommen in der Regel feinmaschige Carbongitter zum Einsatz. In Abbildung 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Carbonbetonverstärkung dargestellt. Abbildung 1: Aufbau einer Verstärkungsschicht mit Carbonbeton (Foto: C. Gärtner, TU Dresden) Je nach Anforderungen können die Gitter mit einer Haupttragrichtung, in der Regel der Kettrichtung, aber auch für eine biaxiale Tragrichtung hergestellt werden. Beim Verfahren der Verstärkung werden die Carbongitter lagenweise im Wechsel mit dem Feinbeton auf die Betonoberfläche aufgetragen. Zuerst wird eine Lage Feinbeton (i. A. 3-5 mm dünn) aufgesprüht und anschließend das Carbongitter eingearbeitet. Der Vorgang wird solange wiederholt, bis die gewünschte Lagenanzahl erreicht ist. Die Bestandsoberfläche wird im Voraus mit etablierten Verfahren vorbehandelt, bis eine ausreichend aufgeraute Altbetonoberfläche vorliegt. Im Gegensatz zum konventionellen Spritzbeton kann auf eine Verdübelung der Fuge verzichtet werden, weshalb bei Carbonbeton eine ausreichend aufgeraute und vorgenässte Oberfläche sichergestellt sein muss, damit die Kraftübertragung in der Verbundfuge gewährleistet ist. Je nach statischen Anforderungen können bis zu 6 Lagen [1] Carbongitter aufgetragen werden. In der Regel reichen jedoch 1-2 Lagen an Carbongitter aus, um bestehende Konstruktionen wieder instand zu setzen, was einer Gesamtverstärkungsdicke von 10-15 mm entspricht. Stärkere Betondeckungen werden nicht benötigt, da die Carbonbewehrung auch bei höheren Expositionen nicht vor Korrosion geschützt werden muss. Die extreme Dauerhaftigkeit, eine Lebensdauer von über 100 Jahren, ein schneller Bauablauf und eine bestandsschonende Verstärkungsmethode (durch den Verzicht der Verdübelung) sind nur einige Vorteile des Verstärkens mit Carbonbeton und machen ihn im Vergleich zu gängigen Verstärkungsmaßnahmen nicht nur technologisch, sondern auch wirtschaftlich mehr als konkurrenzfähig. Das enorme Potenzial des Werkstoffs konnte bei der Verstärkung der denkmalgeschützten Hyparschale in Magdeburg nachgewiesen werden. Das mehrfach gekrümmte Schalendach (Dicke ca. 5-7 cm) wurde sowohl auf der Ober- und Unterseite mit jeweils einer Lage Carbonbeton und einer Schichtdicke von nur 1 cm verstärkt. Dies langte aus, um die geforderte Traglaststeigerung zu erreichen. Im Vergleich zur konventionellen Spritzbetonlösung, welche ebenfalls beidseitig mit einer Schichtdicke von 7 cm hätte aufgebracht werden müssen, werden in das Tragwerk nur geringe Zusatzlasten aufgebracht und das Erscheinungsbild des dünnen Schalendachs bewahrt. Auch unter ökologischer Betrachtung zeichnete sich Carbonbeton hier aus. Im Vergleich zur konventionellen Lösung konnten 86 % an Beton eingespart und 52 % an CO 2 -Emissionen reduziert werden [6], [7]. Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 71 Abbildung 2: Verstärkung der Hyparschale Magdeburg mit Carbonbeton (Foto: M. Bredt) 3. Aktueller Stand der normativen Regelung im Bereich Carbonbeton Normative Regelwerke, sei es auf nationaler oder internationaler Ebene, erleichtern dem Anwender den Umgang mit dem darin geregelten Gegenstand und schaffen Planungssicherheit. Anhand von Normen werden Bemessungs- und Konstruktionsregeln im Bauwesen und in der Tragwerksplanung festgelegt, die den allgemein anerkannten Stand der Technik widerspiegeln. Die Tragwerksplaner können sich auf diese Vorgaben stützen und ihr Handeln absichern. Obwohl Textilbeton bereits seit über 25 Jahren erforscht wird, gibt es aktuell noch keine Norm, die den Werkstoff und seine Anwendung regelt. Das Fehlen eines solchen Regelwerkes ist ein großes Hindernis für jeden Planer und erschwert den Einsatz von Carbonbeton, sei es im Bereich des Neubaus als auch der Verstärkung. Durch das Fehlen von Normen oder Richtlinien dürfen Verstärkungsmaßnahmen mit Carbonbeton nur mit einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung (abZ) bzw. allgemeinen Bauartgenehmigung (aBG) innerhalb des vorgegebenen Anwendungsbereichs angewendet werden. Liegt jedoch in dem Zusammenhang mit der jeweiligen Baumaßnahme keine abZ oder abG vor, bedarf es einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE) bzw. einer vorhabenbezogenen Bauartgenehmigung (vBG). Das Erfordern einer ZiE / aBG führt zwangsläufig zu höheren Kosten und hat ggfs. Einfluss auf den Zeitplan. Abbildung 3: Prüfstand zur Bestimmung der Tragfähigkeit verstärkter Biegebalken (Foto: TU Dresden) Im Bundesvorhaben C³ - Carbon Concrete Composite wurde im Vorhaben V1.2 „Normung und Zulassung“ die Vorarbeit für die Erstellung allgemeingültiger Regelwerke für den Werkstoff Carbonbeton begonnen, sowohl im Bereich des Neubaus als auch in der Verstärkung. Nach Ablauf des Vorhabens V1.2 wird im Anschlussprojekt L9 „Regelwerke“ versucht, die bestehenden Lücken zu schließen. Dies geschieht unter der Koordination des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton e.V. (DAfStb) [8], [9]. Parallel zu den Forschungsarbeiten arbeitet aktuell ein Unterausschuss des DAfStb an der ersten Richtlinie für Neubauteile aus nichtmetallischer Bewehrung. Mit Erscheinen der Richtlinie können erste Bauteile aus nichtmetallischen Bewehrungen im Bereich des Neubaus geplant und umgesetzt werden. Der bisherige Weg zeigt allerdings, dass die Erstellung solcher Regelwerke oder Richtlinien sehr langwierig ist. Der aktuell einfachere und schnellere Weg, um Bauprodukte und Bauarten zuzulassen, ist die Beantragung einer abZ bzw. aBG. In den letzten Jahren ist durch die stetig größer werdende Nachfrage nach Carbonbeton die Anzahl der neu erteilten abZs/ aBGs stark gestiegen [9]. Im Bereich der Verstärkung oder Sanierung liegen auch schon erste Zulassungen vor. Die allererste Zulassung in Deutschland, die die Biegeverstärkung von bestehenden Stahlbetonbauteilen mit Textilbeton regelte, wurde im Sommer 2021 vom ursprünglichen Antragsteller an ein neues und starkes Konsortium übergeben. Im Zuge dessen wurde die „alte“ Zulassung auch erweitert. Im nachfolgenden Abschnitt wird die „alte“ Zulassung noch einmal kurz beschrieben, bevor die neue und erweiterte Zulassung vorgestellt wird. 4. „Alte“ Zulassung für das Verstärken mit Carbonbeton Im Jahr 2014 wurde durch das Deutsche Institut für Bautechnik die abZ mit der Nr. Z-31.10-182 und der Bezeichnung „Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit TUDALIT ® (Textilbewehrter Beton)“ erteilt. Die Geltungsdauer der Zulassung endete am 01.06.2021. Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken 72 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 Wie der Bezeichnung zu entnehmen ist, war der Regelungsgegenstand dieser Zulassung die Biegeverstärkung von Bauteilen mit Textilbeton. In der Zulassung waren u. a. sowohl der Anwendungsbereich als auch die Materialien, die Anforderungen an die Planungen und die Prüfungen zur werkseigenen Produktionskontrolle und die Vorgaben an die Ausführung der Verstärkungsarbeiten geregelt. Die Erteilung der ersten Zulassung für die Verstärkung von Bauteilen mit Textilbeton im Jahr 2014 war für den Carbonbeton ein wesentlicher Meilenstein, da der Zulassung jahrelange Grundlagenforschung vorangegangen war. Die Zulassung aus dem Jahr 2014 durfte für Maßnahmen im Innenbereich bis 40 °C und 65 % Luftfeuchte erfolgen. Die Verstärkungsschicht darf lediglich in der Zugzone und bei Stahlbetonbauteilen, welche rechnerisch keine Querkraftbewehrung benötigen, angebracht werden. Die charakteristische Haftzugfestigkeit des Altbetons muss mindestens 1,0 N/ mm² betragen. Der Altbeton muss ein Normalbeton mit einer Festigkeitsklasse kleiner C50/ 60 sein. Seitens des Betons wird in der abZ der zu verwendende Feinbeton TF10 des Herstellers PAGEL ® geregelt. Der als Trockenmörtel hergestellte Feinbeton besteht aus Zement, Silikastaub, Flugasche und Quarzsand und besitzt ein Größtkorn von 1 mm. In der anschließenden Tabelle sind die Materialeigenschaften dargestellt. Tabelle 1: Eigenschaften des Feinbeton [10] Char. Druckfestigkeit (28 d) ≥ 80 N/ mm² Char. Biegezugfestigkeit (28 d) ≥ 6 N/ mm² E-Modul (28 d) ≥ 25.000 N/ mm² Neben dem Beton wird auch das zugelassene Gitter für die Verstärkung in der abZ definiert. Das Gitter wird mit einer Haupttragrichtung hergestellt und darf nur einaxial für die Bemessung angesetzt werden. In der folgenden Tabelle sind die wesentlichen Kenndaten des Carbongitters aus der alten Zulassung zusammengefasst. Tabelle 2: Zusammenfassung einiger Kenndaten [10] Kettfaden 48 K / 50 K Kettfadenabstand 12,7 mm Schussfaden 12 K Schussfadenabstand 16,0 mm Tränkungsmittel Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) Anzahl zul. Faserhersteller 2 Firmen Anzahl zul. Gitterhersteller 2 Firmen Garnfläche pro Meter 140 mm² Char. Zugfestigkeit 1550 N/ mm² Bemessungszugfestigkeit 768 N/ mm² E-Modul 206.667 N/ mm² Bemessungsverbundfestigkeit 0,564 N/ mm² Flexibilität Sehr flexibel 5. Neues Konsortium für die Zulassung Im Juni 2021 schloss sich ein starkes Konsortium aus 8 hochkompetenten und erfahrenen Unternehmen im Bereich des Carbonbetons zusammen, um die Entwicklungen von Carbonbeton für die Verstärkung von bestehenden Bauteilen maßgeblich voranzutreiben. In diesem Zuge sollte auch die „alte“ Zulassung vom vorherigen Eigentümer, der TUDAG TU Dresden Aktiengesellschaft, an das neue Konsortium übergehen. Darüber hinaus sollte die alte Zulassung erneuert und wesentlich erweitert werden, um das Potenzial von Carbonbeton im Bereich der Verstärkung oder Sanierung noch weiter auszuschöpfen. Folgende Unternehmen sind mit Stand 2021 Projekt- oder assoziierter Partner im Konsortium: • CARBOCON GMBH (Antragsteller, Koordinator und Ansprechpartner für die Zulassung) • CHT Germany GmbH (Tränkungshersteller) • Hitexbau GmbH (Gitterhersteller) • Lefatex-Chemie GmbH (Tränkungshersteller) • PAGEL® Spezial-Beton GmbH & Co. KG (Betonhersteller) • Wilhelm Kneitz Solutions in Textile GmbH (Gitterhersteller) • Teijin Carbon Europe GmbH (Faserhersteller, assoziierter Partner) TUDATEX GmbH (Gitterhersteller, assoziierter Partner) Der erste Meilenstein des neuen Konsortiums konnte im Juli 2021 erreicht werden: die Übernahme der Zulassung vom alten Eigentümer auf das Konsortium (Antragsteller CARBOCON, in Vertretung für das gesamte Konsortium). Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 73 Im Zuge dieser Übernahme erfolgte auch die obligatorische Anpassung der alten Zulassung auf ein vom DIBt erteilten „Kombi“-Bescheid. Während die alte Zulassung als reine abZ vom DIBt erteilt wurde, besteht die jetzige Zulassung aus einem Kombibescheid aus abZ und aBG. Mit dem Wechsel der Zulassung an das Konsortium wurde auch der Gegenstand des Bescheides in „CAR- BOrefit - Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit Carbonbeton“ [10] umbenannt. Durch die Änderung des Namens von TUDALIT® zu CARBOrefit soll ein neuer und starker Markenname entstehen, der direkt mit dem Werkstoff Carbonbeton (CARBO) und der Verstärkung/ Sanierung (refit) von bestehenden Bauteilen in Verbindung gebracht wird. Über die Homepage www.carborefit.de tritt das Konsortium gemeinsam auf und stellt den Werkstoff Carbonbeton sowie die Zulassung vor und informiert fortlaufend zu Weiterentwicklungen und zu aktuellen Bauprojekten. 6. Neue Zulassung für das Verstärken mit Carbonbeton Im 3. Quartal 2021 wurde durch das DIBt die neue und erweiterte Zulassung [11] erteilt. Im Vergleich zur reinen Übernahme und Namensänderung der alten Zulassung, erfolgte in diesem Schritt die inhaltliche Anpassung und die Erweiterung der Zulassung hinsichtlich neuer und leistungsfähigerer Materialkombinationen. Im Konkreten bedeutet dies, dass zu den bereits in der Zulassung geregelten Materialkombinationen neue Materialien hinzukommen und somit den Anwendungsbereich wesentlich vergrößern. Neben der Erweiterung der Zulassung auf zusätzliche Materialkombinationen besteht eine der grundlegenden Änderungen der neuen Zulassung darin, dass der Planer analog zum Betonstahl nach fest vorgegebenen Eigenschaften planen und bemessen kann und sich das für das jeweilige Bauprojekt geeignetste Carbongitter auswählen kann. So gibt es eine Klassifizierung der in der Zulassung gelisteten Carbongitter in 3 vorgegebene Typen, die wiederum mit festen Eigenschaften hinterlegt sind, so dass der Planer mit den vorgegebenen Kennwerten der Carbongitter-Typen die erforderlichen Nachweise führen kann. Infolgedessen kann je nach Anwendungsfall, ob z. B. ein weiches oder ein steiferes Carbongitter benötigt wird, individuell entschieden und die wirtschaftlichste Lösung gefunden werden. In den nachfolgenden Abschnitten werden die verschiedenen Typen noch einmal genauer beschrieben. Neben der Klassifizierung der Carbongitter in die drei Typen wurde in der neuen Zulassung die vorgeschriebene Gittergeometrie aufgelockert. Somit dürfen neben der bereits etablierten Regelausführung weitere Sonderausführungen eingesetzt werden. Dadurch können für die jeweiligen Bauvorhaben noch individuellere und wirtschaftlichere Lösungen erfolgen, z. B. durch die Wahl eines Carbongitters mit geringerer Querschnittsfläche bei einer geringeren Auslastung. In Abbildung 2 ist beispielhaft die Regelausführung und eine mögliche Sonderausführung dargestellt. Die Möglichkeit der Wahl zwischen Regel- oder Sonderausführung gilt für alle drei Typen. In Tabelle 3 sind zur Nachvollziehbarkeit die geometrischen Eigenschaften der Regelausführung zusammengefasst. Abbildung 4: links) Regelausführung; rechts) symmetrische Sonderausführung (Foto: CARBOCON) Tabelle 3: Geometrische Eigenschaften für Carbongitter der Regelausführung [11] Eigenschaft Kettfaden Schussfaden Fasergehalt [K] 48 K ≤ n ≤ 50 K 12 K Garnfeinheit [tex] 3200 bis 3500 800 Rohdichte des ungetränkten Rovings ρ f [g/ cm 3 ] 1,74 bis 1,85 1,77 Querschnittsfläche eines Faserstrangs A f,nm [mm 2 ] 1,8 ≤ A Kf,nm ≤ 1,95 A Sf,nm = 0,45 Gitterweite a [mm] a K = 12,7 a S = 16 + 0/ - 2,0 In Tabelle 4 sind die möglichen geometrischen Eigenschaften für Carbongitter in Sonderausführung zusammengefasst. Wie auch bei der Regelausführung vorgeschrieben, müssen die Schussfäden des Gitters mindestens 20 % der Querschnittsfläche der Kettfäden aufweisen. Je nach Defizit und gefordertem Verstärkungsgrad können somit verschiedene Ausführungen der Gitter hergestellt und wirtschaftlich verwendet werden. Es können zum einen Carbongitter zur Anwendung kommen, die nur ein Viertel der Bewehrungsfläche der Regelausführung aufweisen, aber auch biaxiale Gitter, die in beide Achsrichtungen gleich viel Bewehrungsfläche aufweisen. Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken 74 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 Tabelle 4: Geometrische Eigenschaften für Carbongitter der Sonderausführung [11] Eigenschaft Kettfaden Schussfaden Fasergehalt [K] 48 K ≤ n ≤ 50 K 12 K ≤ n ≤ 50 K Garnfeinheit [tex] 3200 bis 3500 800 bis 3500 Rohdichte des ungetränkten Rovings ρ f [g/ cm 3 ] 1,74 bis 1,85 1,74 bis 1,85 Querschnittsfläche eines Faserstrangs A f,nm [mm 2 ] 1,8 ≤ A Kf,nm ≤ 1,95 0,45 ≤ A Sf,nm ≤ 1,95 Faserstrangmittenabstand a [mm] 12,7 ≤ a Kf,nm ≤ 50,8 16 +0/ -2,0 ≤ a Sf,nm ≤ 2 x a Kf,nm Zusätzliche Forderung für das Gitter mind. 20 % der Querschnittsfläche der Kettfäden je m Nach aktuellem Stand der Zulassung dürfen die Carbongitter nur für eine einaxiale Verstärkung bemessen werden. Zweiaxiale Beanspruchungen, wie diese z. B. bei Schalentragwerken vorliegen, sind zurzeit noch nicht Gegenstand der Zulassung. Das soll sich aber in Zukunft ändern und mit in die Zulassung aufgenommen werden. Im Zuge der Erweiterung und Überarbeitung sind zwei verschiedene Tränkungsmittel und somit zwei unterschiedliche Gittertypen im Zusammenhang mit der neuen Zulassung anwendbar. Die beiden Tränkungsmittel der Firma Lefatex-Chemie GmbH wurden im Zulassungsprozess mit Gittern der Regelausführung umfangreich entsprechend des Prüfplans abgeprüft und für die Zulassung freigeben. Für die Anwendung und die Ausführung der Zulassung stehen den Architekten und Planern sowie den Bauunternehmen unterschiedliche Schulungsmöglichkeiten zur Verfügung. Neben der Planermappe zur CARBOrefit- Zulassung (im Downloadbereich über Homepage www. carborefit.de verfügbar) können Planer und Architekten an verschiedenen Fortbildungskursen teilnehmen. In diesen Kursen werden Grundlagen und Bemessungsregeln erläutert. Für ausführende Unternehmen wird eine 2-tägige Schulung mit Theorie- und Praxisteil angeboten. Diese bereitet die Unternehmen auf die Eignungsprüfung bei der Zertifizierungsstelle (GÜB) vor. Dieser Nachweis ist für die Ausführung vorgeschrieben. 6.1 Eigenschaften der Gitter des CARBOrefit-Typ 1 In der neuen Zulassung sind drei unterschiedliche Gittertypen geregelt. Der Gittertyp 1 entspricht dem Carbongitter der „alten“ Zulassung und wird mit einem Tränkungsmittel auf SBR-Basis hergestellt. Der Gittertyp eignet sich vor allem für die Verstärkung von sehr gekrümmten Bauwerken, da die Gitter über eine extrem ausgeprägte Flexibilität verfügen. Aufgrund der Flexibilität sind die Gitter dieses Typs mit SBR-Tränkung als Rollenware mit einem Kerndurchmesser von 30 cm lieferbar. Dies vereinfacht den Transport und die Handhabung auf der Baustelle. Die mechanischen Eigenschaften bezüglich der Zug- und Verbundfestigkeit sind im Vergleich zu den beiden weiteren Typen jedoch geringer: statt 5 mm wie bei Typ 2 und 3 darf die minimale Betondeckung beim Typ 1 nur 3 mm betragen. In Tabelle 5 sind die Eigenschaften des Gittertyp 1 zusammengefasst. Tabelle 5: Eigenschaften des Gittertyp 1 [11] Eigenschaften CARBOrefit - Typ 1 Tränkungsmittel Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) Flexibilität sehr flexibel Zugfestigkeit Char. Zugfestigkeit ≥ 1550 N/ mm² Char. Bruchdehnung ≥ 0,75 % E-Modul für die Bemessung 206.667 N/ mm² Abmind. Temperatur 0,85 Abmind. Dauerlast 0,70 Abmind. Dauerhaft 1,0 Teilsicherheitsbeiwert 1,2 Bemessungswert der Zugfestigkeit 768 N/ mm² Bemessungswert der Verstärkungskraft 430 kN/ m Verbundfestigkeit Charakteristische Verbundfestigkeit ≥ 4,0 N/ mm Abmind. Temperatur 0,45 Abmind. Dauerlast 0,47 Abmind. Dauerhaft 1,0 Teilsicherheitsbeiwert 1,5 Bemessungswert der Verbundfestigkeit 0,564 N/ mm Verankerungslänge 2450 mm Eingesetzt wurde dieser Gittertyp unter anderem bei der Verstärkung der historischen Bogenbrücke in Naila [3] und der Siloinstandsetzung in Uelzen [12]. Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 75 Abbildung 5: Verstärkung der historischen Bogenbrücke in Naila (Foto: CARBOCON GMBH) 6.2 Eigenschaften der Gitter des CARBOrefit-Typ 3 Mit der Erteilung der neuen Zulassung wurde auch eine neue Materialkombination in die Zulassung aufgenommen. Das neue temperaturbeständigere Tränkungsmittel der Firma Lefatex-Chemie GmbH wurde im Rahmen des C³-Vorhabens C3-B1 [13] entwickelt. Bei der Verstärkung der Hyparschale in Magdeburg kam ein Gitter mit Sonderausführung mit besagtem Tränkungsmittel zum Einsatz [5], [6]. Aufgrund der guten Eigenschaften der Tränkung weisen die Gitter des Typ 3 die höchsten Zug- und Verbundfestigkeiten auf. Eine Abminderung für Temperatureinwirkung bis 40 °C findet nicht statt, weshalb den Abminderungsfaktoren für Temperatur der Wert 1 zugewiesen ist. Im Gegensatz zu den Typen 1 und 2 weist das Gitter die geringste Flexibilität auf. Jedoch können mit dem Gitter vom Typ 3 äußerst wirtschaftliche Verstärkungslösungen umgesetzt werden, was in der hohen Verbundfestigkeit und dem ausgeprägten mechanischen Verbund (kurze Verankerungslängen) sowie der hohen Zugfestigkeit des Gitters begründet ist. Aufgrund der zuvor genannten Eigenschaften eignet sich der Typ 3 besonders zur Verstärkung von ebenen und kaum gekrümmten Elementen. In naher Zukunft wird dieser Gittertyp um ein weiteres, ebenfalls in C3-B1 [13] entwickeltes, temperaturbeständiges Tränkungsmittel der Firma CHT Germany GmbH ergänzt. Dieses Tränkungsmittel kam schon bei einigen Praxisprojekten zum Einsatz, u. a. bei der ersten Verstärkung einer Autobahnbrücke mit Carbonbeton [1] oder aktuell beim Beyer-Bau. Die Eigenschaften des Typ 3 sind in Tabelle 7 dargestellt. Tabelle 6: Eigenschaften des Gittertyp 3 [11] Eigenschaften CARBOrefit - Typ 3 Tränkungsmittel BT91001-1 Flexibilität weniger flexibel Zugfestigkeit Char. Zugfestigkeit ≥ 2250 N/ mm² Char. Bruchdehnung ≥ 1,1 % E-Modul für die Bemessung 206.667 N/ mm² Abmind. Temperatur 1,0 Abmind. Dauerlast 0,7 Abmind. Dauerhaft 1,0 Teilsicherheitsbeiwert 1,2 Bemessungswert der Zugfestigkeit 1300 N/ mm² Bemessungswert der Verstärkungskraft 430 kN/ m Verbundfestigkeit Charakteristische Verbundfestigkeit ≥ 10 N/ mm Abmind. Temperatur 1,0 Abmind. Dauerlast 0,70 Abmind. Dauerhaft 1,0 Teilsicherheitsbeiwert 1,5 Bemessungswert der Verbundfestigkeit 4,7 N/ mm Verankerungslänge 500 mm 6.3 Eigenschaften der Gitter des CARBOrefit-Typ 2 Im Zuge der Erweiterung und Überarbeitung der neuen Zulassung ist für zukünftige Entwicklungen ein Gittertyp 2 vorgesehen. Dieses ordnet sich mit seinen mechanischen Eigenschaften (Zug- und Verbundverhalten) oberhalb des Typ 1 an, ist aber flexibler als der Typ 3. Erste Versuche an einem Gitter mit einem für diesen Typen optimierten Tränkungsmittel zeigten vielversprechende Ergebnisse. In Absprache mit dem DIBt werden die erforderlichen Versuche zur Aufnahme der Tränkung bzw. des Typ 2 in die Zulassung durchgeführt. Aufgrund der etwas steiferen Tränkung wird die Garnzug- und Verbundfestigkeit über dem Typ 1 liegen und eine höhere Flexibilität als Typ 3 aufweisen. Dieser Typ kann z. B. bei Verstärkung von Bauwerken zum Einsatz kommen, bei denen es einer mittleren Flexibilität mit guten mechanischen Eigenschaften bedarf, wie z. B. bei Schalentragwerken oder anderen gekrümmten Bauwerken. Tabelle 6 gibt einen Überblick über die Eigenschaften des Gittertyp 2. Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken 76 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 Tabelle 7: Eigenschaften des Gittertyp 2 [10] Eigenschaften CARBOrefit - Typ 2 Tränkungsmittel - Flexibilität flexibel Zugfestigkeit Char. Zugfestigkeit ≥ 1950 N/ mm² Char. Bruchdehnung ≥ 0,94 % E-Modul für die Bemessung 206.667 N/ mm² Abmind. Temperatur 0,85 Abmind. Dauerlast 0,70 Abmind. Dauerhaft 1,0 Teilsicherheitsbeiwert 1,2 Bemessungswert der Zugfestigkeit 967 N/ mm² Bemessungswert der Verstärkungskraft 430 kN/ m Verbundfestigkeit Charakteristische Verbundfestigkeit ≥ 7,0 N/ mm Abmind. Temperatur 0,80 Abmind. Dauerlast 0,70 Abmind. Dauerhaft 1,0 Teilsicherheitsbeiwert 1,5 Bemessungswert der Verbundfestigkeit 2,6 N/ mm Verankerungslänge 670 mm 7. Zukünftige Weiterentwicklungen der Zulassung Das Konsortium hat sich das Ziel gesetzt, dass im Jahr 2030 ca. 80 % aller Carbonbetonverstärkungsmaßnahmen in Deutschland mit der Zulassung durchgeführt werden. Im Vergleich zum heutigen Stand wäre dies ein enormer Fortschritt, da die meisten ausgeführten oder sich in der Ausführung befindlichen Projekte mit einer ZiE erfolgten. Die Erteilung der neuen erweiterten und umfangreich überarbeiteten Zulassung war nur der erste Schritt auf diesem Weg. Kontinuierlich soll die Zulassung weiterentwickelt und neue leistungsfähigere Materialien nach und nach in die Zulassung aufgenommen und eine schrittweise Erweiterung des Anwendungsbereichs vollzogen werden. Dies beinhaltet unter anderem die Biegeverstärkung von Platten- und Balkenquerschnitt sowie die Verstärkung von querkraftbeanspruchten Bauteilen. Zusätzlich soll als nächstes der Anwendungsbereich nicht nur auf Innenbauteile beschränkt bleiben, wodurch ein größerer Absatz möglich ist. Um das Bauwesen nicht nur in Deutschland nachhaltiger zu gestalten und Bestandsbauwerke langfristig vor dem Abriss zu bewahren, wird auch eine europäische Zulassung für das Verstärken mit Carbonbeton angestrebt. 8. Fazit Um den Wandel des Bauwesens voran zu treiben, bedarf es nachhaltiger und ressourcenschonender Technologien. Der Werkstoff Carbonbeton besitzt ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und ist Korrosionsbeständig. Im Anwendungsgebiet der Verstärkung, Sanierung und Instandhaltung von Bestandsbauwerken wird dieses Potenzial abgerufen und der Wandel eingeleitet. Mit der neuen, überarbeiteten und ergänzten Zulassung können Planer und Architekten effiziente Lösungen im Bereich des Verstärkens erarbeiten. Mit dem Einsatz von Carbonbeton können die Klimaziele erreicht und eine langfristige Bestandsicherung gewährleistet werden. Baumaßnahmen wie die Verstärkung der Autobahnbrücke über die Nidda [2], der Hyparschale in Magdeburg [5] und des Beyer-Baus in Dresden [14] haben gezeigt, dass der Transfer des Werkstoffs Carbonbeton in die Anwendung stattgefunden hat und wirtschaftliche Lösungen umgesetzt werden können. Abbildung 6: Verstärkung des Beyer-Baus, Fakultät Bauingenieurwesen der TU Dresden (Foto: CARBO- CON GMBH) Literatur [1] Kortmann, J.; Seifert, W.; Lieboldt, M.; Kopf, F.; Jehle, P.; Curbach M.: - Carbonbeton: Ein Beitrag zur Ressourceneffizienz im Stahlbau In: Hauke, B. (Hrsg.): Nachhaltigkeit, Ressourcen-effizienz und Klimaschutz. Konstruktive Lösungen für das Planen und Bauen - Aktueller Stand der Technik. Institut Bauen und Umwelt e.V. / DGNB e.V., 2021 [2] Steinbock, O.; Bösche, T.; Schumann, A.: Carbonbeton - Eine neue Verstärkungs-methode für Massivbrücken - Teil 2: Carbonbeton im Brückenbau Neue Möglichkeiten bei der Verstärkung von Bestandsbauteilen mit Carbonbeton - Neue Zulassung ermöglicht wirtschaftliches und einfaches Verstärken 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 77 und Informationen zur Zustimmung im Einzelfall für das Pilotprojekt Brücken über die Nidda im Zuge der BAB A 648. Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021), Heft 2, S. 109-117. https: / / doi. org/ 10.1002/ best.202000106 [3] Riegelmann, P.; May, S.; Schumann, A.: Das Potential von Carbonbeton für den Brückenbestand - das ist heute schon möglich. In: Curbach, M. (Hrsg.): Tagungsband zum 30. Dresdner Brückenbausymposium am 8. und 9.3.2021 in Dresden. Institut für Massivbau der TU Dresden, 2017, S. 79-90 [4] Riegelmann, P.; Schumann, S.; May, S.; Bochmann, J.; Garibaldi, M. P.; Curbach, M.: Müthers shell structures in Germany a solution to avoid demolition. Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Engineering History and Heritage (2020). Publ. online: 08.09.2020, S. 1-9. - DOI: 10.1680/ jenhh.20. 00012 [5] Hentschel, M.; Schumann, A.; Ulrich, H.; Jentzsch, S.: Sanierung der Hyparschale Magdeburg. Bautechnik 96 (2019) 1, S. 25-30 - DOI: 10.1002/ bate.201800087 [6] Schumann, A.; Schöffel, J.; May, S.; Schladitz, F.: Ressourceneinsparung mit Carbonbeton am Beispiel der Verstärkung der Hyparschale in Magdeburg In: Hauke, B. (Hrsg.): Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und Klimaschutz. Konstruktive Lösungen für das Planen und Bauen - Aktueller Stand der Technik. Institut Bauen und Umwelt e.V. / DGNB e.V., 2021, S. 282-286 [7] Schumann, A.; May, S.; Hoinka, J.: Paradigmenwechsel im Bauwesen: gerade richtig oder schon zu spät? - Nachhaltiges Bauen im Bestand mit Carbonbeton. Nachhaltiges Bauen (2021), S. 13-15 [8] Alfes, C.; Ignatiadis, A.; Schumann, A.; Will, N.: Richtlinien zur Tragwerksplanung und Bauausführung mit Carbonbeton. In: C³ - Carbon Concrete Composite e. V.; TUDALIT e.V. (Hrsg.): Tagungsband der 11. Carbon- und Textilbetontage. Dresden 24./ 25.9.2019 2019, S. 122-125 [9] Homepage des Projekts C³ - Carbon Concrete Composite: https: / / www.bauen-neu-denken.de/ . Zugriff am: 14.07.2021 [10] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung/ Allgemeine Bauartgenehmigung Z-31.10-182 CARBOrefit - Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit Carbonbeton, Stand: 27.05.2021 [11] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung/ Allgemeine Bauartgenehmigung Z-31.10-182 CARBOrefit - Verfahren zur Verstärkung von Stahlbeton mit Carbonbeton. überarbeitete und erweiterte Zulassung, Entwurfsstand, Veröffentlichung voraussichtlich August 2021 [12] Weiland, S.; Schladitz, F.; Schütze, E.; Timmers, R.; Curbach, M.: Rissinstand-setzung eines Zuckersilos, TUDALIT® (Textilbeton) zur Instandsetzung. Bautechnik 90, Heft 8, 2013 [13] Projekt-Schlussbericht C3-V1.2-I-a: Erstell-ung und Überprüfung von Sicherheits- und Bemessungskonzepten für Carbonbeton zur Erstellung eines normativen Regelwerks. Institut für Massivbau, TU Dresden, Stand 30.06.2021 [14] Curbach, M.; Müller, E.; Schumann, A.; May, S.; Wagner, J.; Schütze, E.: Verstärken mit Carbonbeton In: Bergmeister, K.; Fingerloss, F.; Wörner, J.- D. (Hrsg.): Beton-Kalender 2022 - Nachhaltigkeit, Digitalisie-rung, Instandhaltung. Berlin: Ernst und Sohn, Veröffentlichung: Dezember 2021 [15] Abschlussbericht C3-V3.4-TP1: Mechanische Verankerung - Untersuchungen zum Verbund-verhalten mit mechanisch wirkenden Bewehrungsstrukturen. Institut für Massivbau, TU Dresden, Stand 30.06.2021