2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 173 Besser bauen mit weniger - Zement und Beton - altbewährt und neu gedacht Matthias Howald, Bauingenieur Holcim (Süddeutschland) GmbH Zusammenfassung Zement und Beton zählen zu den ältesten Baustoffen - vom Pantheon in Rom bis zur Elbphilharmonie gibt es in allen Städten berühmte Bauwerke aus diesen Materialien. Über viele Jahrhunderte waren sie kaum verändert. Aber auch in der Bauwelt sind die Zeiten des Wandels angekommen. Veränderte Ansprüche an die Materialien, Ressourcenknappheit, Energiewende, Klimawandel und das Bevölkerungswachstum spielen dabei eine entscheidende Rolle. Eine Herangehensweise, um den Herausforderungen unserer Zeit entgegen zu treten ist es, besser zu bauen mit weniger Material. 1. Einführung Die Nachhaltigkeit bestimmt das Handeln von Gesellschaft und Unternehmen. Auch im Bauwesen bewegt sich sehr viel unter dem Aspekt die Lebensräume der Zukunft für die nachfolgenden Generationen besser zu bauen - sei es beim Neubau oder im Bestand. Gesellschaftlich und ökologisch verantwortungsvoll zu handeln treibt uns alle an. Das Ziel in der Welt des Bauens sind klimaneutrale und rezyklierbare Baustoffe. Dazu kommt, Ressourcen zu schonen und mit weniger Material besser zu bauen. 2. Auf dem Weg zu Netto-Null Zukunftsfähige Lösungen und umweltverträgliches Bauen bedeuten nachhaltige Produkte zu verwenden, natürliche Ressourcen zu schonen und Stoffkreisläufe zu schließen. Die Vision bei vielen Unternehmen ist es, klimaneutral zu werden. Der Zement- und Betonhersteller Holcim hat sich beispielsweise zum Ziel gesetzt, bis 2050 Netto-Null zu erreichen. Wie ist diese Transformation in der Zement- und Betonindustrie erreichbar? Nur wenn unter anderem folgende Bereiche aktiv einbezogen werden: Kreislaufwirtschaft, Dekarbonisierung, nachhaltige Logistik, Wasser, erneuerbare Energie, Produkte mit weniger CO 2 sowie generell neue Produkte und Produktions- und Bauweisen. 2.1 Industrie und Bauen 4.0 - Technologien und Baustoffe der nächsten Generation Betriebsabläufe in Zement- und Betonwerken sind automatisiert. Es wird mit datengesteuerten Lösungen gearbeitet, um Betriebsabläufe effizienter und nachhaltiger zu gestalten - von der Robotik bis zur Instandhaltung oder Elektroflotten, die Rohstoffe in Steinbrüchen autonom transportieren. Betriebsabläufe und Digitalisierung sind das eine. Ein anderes wesentliches Thema mit dem Blick auf Klimawandel und Ressourcenschonung stellen der CO 2 -Fußabdruck der Baustoffe sowie deren Kreislauffähigkeit dar. An der Spitze innovativer Baulösungen steht das materialeffiziente Bauen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von CPC-Elementen - im Folgenden veranschaulicht an einem Beispiel aus der Schweiz. Die „Bridge to the Future“ ist das erste Bauwerk, das durch eine einmalige Kombination von klinkerfreiem Zement in hochfestem Beton mit der Verwendung von vorgespannten Carbon Litzen maximal CO 2 reduziert ist. Dieses Bauwerk ist eine filigrane und zugleich funktionale Plattform für die Annahme von Aushubmaterial im Holcim Werk Hüntwangen. 2.2 Komplett neuer Umgang mit Beton Holcim entwickelte für dieses Projekt einen maßgeschneiderten Beton. Dazu wurde erstmals ein klinkerfreier Zement eingesetzt, der im Vergleich zu einem herkömmlichen Zement 63- % weniger CO 2 -Emissionen aufweist. Aus diesem Zement und hochwertig auf bereiteter Gesteinskörnung aus Rückbauprojekten hat Holcim einen hochfesten Recyclingbeton entwickelt. Die rezyklierte Gesteins-körnung wurde vor ihrer Verwendung künstlich karbonatisiert, um deren CO 2 -Bindevermögen auszu-nutzen. Der CO 2 -Fußabdruck des Recyclingbetons konnte so von typischerweise über 210- kg CO 2 / m 3 auf 138-kg CO 2 / m 3 Beton deutlich reduziert werden. Aus diesem hochfesten Beton wurden mithilfe der CPC- Technologie sehr filigrane, nur 6-cm dicke und dennoch hoch belastbare Betonplatten hergestellt. Diese sind mit dünnen vorgespannten Carbon Drähten bewehrt. 174 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Besser bauen mit weniger - Zement und Beton - altbewährt und neu gedacht Abb. 1: „Bridge to the Future“ - maximal CO 2 reduziert durch eine einmalige Kombination von klinkerfreiem Zement in hochfestem Beton mit der Verwendung von vorgespannten Carbon Litzen Da Carbon eine sehr hohe Zugfestigkeit aufweist und nicht korrodiert, kann gänzlich auf Korrosionsschutz verzichtet werden, wie er im klassischen Stahlbetonbau erforderlich ist. So können tragfähige, dünne und langlebige Betonplatten hergestellt werden. Mit CPC-Platten sind Materialeinsparungen von rund 75 % möglich. Die Fachgruppe Faserverbundkonstruktionen FVK der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW unterstützt die Entwicklung der CPC-Bauweise im Rahmen eines Innosuisse-Projekts. Für die “Bridge to the Future” erarbeite die FVK mittels Machbarkeits- und Traglastversuchen die ingenieurtechnischen Randbedingungen für die Herstellung der Platten sowie die materialtechnischen Grundlagendaten für die statische Dimensionierung der Brücke. Die Brücke spiegelt auf einmalige Art die optimale Ausnutzung der Materialeigenschaften wider. 2.3 Die Zukunft der Gebäude erforschen Von grundlegender Bedeutung bei der Erforschung von Technologien, Materialien und Systemen im Bauwesen ist die enge Zusammenarbeit von Industrie, Forschung und dem öffentlichen Sektor. Nur so gelingt es, innovative Bau- und Energietechnologien schneller auf den Markt zu bringen. Ein Beispiel aus der Praxis ist EMPA NEST - ein modulares Forschungs- und Innovationsgebäude der Empa und der eawag. Unter realen Bedingungen werden neue Technologien und Systeme getestet, erforscht, weiterentwickelt und validiert. Ein weiteres Feld ist der Einsatz von neuen Bindemitteln für die Energie- und Ressourceneffizienz. Aus rezyklierten Abbruchmaterialien werden auf bereitete Beton- und Mischgranulate für die Zement- und Betonproduktion. Der Zement heißt SUSTENO und in der Schweiz sind bereits 650.000 Tonnen - was dem Zementbedarf von 30.000 Einfamilienhäusern entspricht verbaut. An der Spitze innovativer Baulösungen steht schließlich das materialeffiziente Bauen. Also mehr und besser zu bauen mit weniger Material. Material kommt nur dort zum Einsatz, wo es tatsächlich benötigt wird. Fachleute sprechen von „Gradientenbeton“ - smartes Design ermöglicht eine deutliche Reduktion bei der verwendeten Betonmenge. Aus der Produktwelt ist die filigrane Deckenelementstruktur des Rippmann Floor Systems ein Beispiel dafür. In Zukunft wird es noch viele Beispiele dafür aus anderen Bereichen geben - denn Bauen bedeutet künftig besser bauen mit weniger Material. Abb. 2: EMPA NEST - ein modulares Forschungs- und Innovationsgebäude der Empa und der eawag. Unter realen Bedingungen werden neue Technologien und Systeme getestet, erforscht, weiterentwickelt und validiert. 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 175 DAfStb-Richtlinie - Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung - Aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen Prof. Dr.-Ing. Alexander Schumann CARBOCON GMBH/ IU Internationale Hochschule, Dresden Dipl.-Ing. Anett Ignatiadis Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e. V. Dr.-Ing. Norbert Will Lehrstuhl und Institut für Massivbau, RWTH Aachen University Dr.-Ing. Jan Bielak Lehrstuhl und Institut für Massivbau, RWTH Aachen University Zusammenfassung Die vorliegende Veröffentlichung beleuchtet die Fortschritte und Entwicklungen im Bereich der nichtmetallischen Bewehrungen im Betonbau, konkretisiert durch die 2024 erstmals veröffentlichte DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“. Die Richtlinie, koordiniert vom Deutschen Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) unter Mitwirkung vieler Akteure aus Wissenschaft und Praxis, stellt einen Wendepunkt in der Anwendung nichtmetallischer Bewehrungen dar, indem sie vorhandenes Wissen für Bemessung, Konstruktion, Ausführung und Prüfverfahren als Regelwerk bündelt. Mit ihrem detaillierten Auf bau in fünf Hauptteilen - von der Bemessung und Konstruktion über Bewehrungsprodukte bis hin zu Ausführungsregeln und Verwendbarkeitsnachweisen - adressiert sie umfassend die wesentlichen Aspekte für die Anwendung im Baugewerbe. Die Richtlinie hebt die besondere Rolle von nichtmetallischer Bewehrung in der Förderung von Effizienz, Dauerhaftigkeit und Ressourcenschonung in Betonkonstruktionen hervor. Das begleitend erarbeitete DAfStb-Heft 660 ergänzt Erläuterungen, Anwendungshinweise und praktische Bemessungsbeispiele und fördert damit die breite Akzeptanz der Bauweise. Der Ausblick dieses Beitrags stellt den zukünftigen Fokus auf die Erweiterung der Richtlinie in den Vordergrund, um neue Forschungserkenntnisse und Anwendungsgebiete zu integrieren und somit den Weg für innovative Bauweisen mit nichtmetallischer Bewehrung weiter zu ebnen. 1. Einführung Nichtmetallische Bewehrungen aus Glas- (GFK), Carbon- (CFK) oder Basaltfaserverbundkunststoff (BFK) finden in den letzten Jahren nicht nur in der Verstärkung [1]-[3] von bestehenden Gebäuden, sondern auch bei Neubauten [4],[5] immer häufiger Anwendung. Die Vielzahl an bereits ausgeführten Projekten im Bereich des Neubaus, u. a. [6],[7], zeigen das Potential auf. Jedoch musste bei den bereits ausgeführten Projekten auf projektbezogene Zustimmungen (Zustimmungen im Einzelfall/ vorhabenbezogene Bauartgenehmigung) oder auf bestehende allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen/ allgemeine Bauartgenehmigungen (soweit vorhanden) zurückgegriffen werden, da kein Regelwerk vorlag. Im Unterausschuss „Nichtmetallische Bewehrung“ des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) wurde seit 2018, flankiert durch vom BMBF geförderte Forschungsvorhaben, an der Erarbeitung von validierten und im Konsens der beteiligten Akteure abgestimmten Regelungen für eine Richtlinie gearbeitet. Durch die im Januar 2024 erfolgte Veröffentlichung und angestrebte zeitnahe bauaufsichtliche Einführung der neuen DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“ kann die größte Hürde - die Regelungslücke - für den Einsatz von nichtmetallischer Bewehrung im Hochbau überwunden werden [8]-[10], wodurch z. B. die in Bild 1 dargestellten Konstruktionen bemessen werden können. Abb. 1: Betonfassade mit nichtmetallischer Bewehrung, Foto: Hentschke Bau GmbH Im Rahmen dieser Veröffentlichung wird die Richtlinie vorgestellt und ein Ausblick auf die zukünftigen Ent- 176 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 DAfStb-Richtlinie - Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung - Aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen wicklungen sowie das parallel erarbeitete DAfStb-Heft 660, welches weiterführende Hintergrund-informationen zur Richtlinie gibt und einfache Berechnungsbeispiele vorstellt, gegeben. 2. DAfStb-Richtlinie 2.1 Aufbau der Richtlinie Die im Januar 2024 veröffentlichte DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“ ist in fünf Hauptteile gegliedert, die verschiedene Aspekte des Einsatzes von nichtmetallischer Bewehrung im Betonbau abdecken: - Teil 1: Bemessung und Konstruktion, - Teil 2: Bewehrungsprodukte, - Teil 3: Hinweise zur Bauausführung, - Teil 4: Empfehlungen für Prüfverfahren, - Teil 5: Hinweise zu den erforderlichen Nachweisen für die Verwendbarkeit der Bauprodukte (nichtmetallische Bewehrung) und der Anwendbarkeit der Bauart. Die Struktur zeigt, dass alle Themenbereiche, von der Planung und Bemessung bis hin zur Ausführung und Überprüfung, für die Nutzenden zusammengestellt und behandelt wurden. Der Schwerpunkt der DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“ liegt auf der Festlegung der Bemessungsrichtlinien (Teil 1) sowie den Prüfkonzepten (Teil 4) für Stab- und Gitterbewehrungen. Wichtig für die praktisch tätigen Planenden sind die präzisen Vorgaben für den statischen Nachweis und für die konstruktive Ausführung im Rahmen der Tragwerksplanung. Angesichts der großen Vielfalt möglicher Bewehrungsprodukte im Anwendungsbereich der Richtline ist die reproduzierbare und vergleichbare Prüfung der Materialeigenschaften nicht trivial. Teil 4 der Richtlinie beinhaltet dafür wertvolle Empfehlungen zu Prüfverfahren, die zur Bestimmung der erforderlichen Informationen und Kennwerte für die Bewehrungs-produkte erforderlich sind. Die weiteren Teilen runden die Richtline für eine umfassende Abdeckung aller wesentlichen Aspekte ab: Die aus den statischen und prüftechnischen Randbedingungen resultierenden Anforderungen und Spezifikationen für die Bewehrungsprodukte (Teil 2), die Regeln zur Ausführung (Teil 3) und die Kriterien für die Ver- und Anwendbarkeitsnachweise der Bewehrungen (Teil 5) gewährleisten, dass die in der Planungsphase getroffenen Annahmen realitätstreu umgesetzt und alle erforderlichen Kennwerte der Bewehrungsprodukte bereitgestellt werden. Teil 3 der Richtlinie orientiert sich inhaltlich an der DIN EN 13670, ergänzt um Aspekte der DIN 1045-3, was eine konsistente und normenkonforme Umsetzung von Bauvorhaben unter Einsatz von nichtmetallischen Bewehrungen ermöglicht. 2.2 Anwendungsbereich Die neue Richtlinie legt umfassende Anforderungen an die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit von Betontragwerken fest, die mit nichtmetallischen Bewehrungselementen bewehrt sind. Sie konzentriert sich dabei ausschließlich auf die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit der Tragwerke, zunächst ohne weitere bauphysikalische Aspekte wie Wärmeschutz, Brandschutz oder Schallschutz zu berücksichtigen. Die strukturelle Grundlage des ersten Teils orientiert sich eng an der DIN EN 1992-1-1, erweitert diese jedoch um spezielle Anforderungen, die durch den Einsatz von nichtmetallischen Bewehrungen entstehen. Zusätzlich bleiben die übrigen relevanten Abschnitte der DIN EN 1992-1-1 und ihres nationalen Anhangs bestehen. Der Geltungsbereich der Richtlinie wurde in der ersten Fassung bewusst eingeschränkt, um eine praxisgerechte Anwendung für standardisierte Einsatzfälle zu ermöglichen und die Richtlinie zügig veröffentlichen zu können. Im Konkreten setzt sich der Anwendungsbereich wie folgt zusammen: - Neubauteile, die mit „schlaffer“ nicht-metallischer Bewehrung aus Stäben oder Gittern bewehrt sind, - die Beschränkung auf Bauteile mit Quer-kraftbewehrung aus stabförmigen Elementen mit einer Bauteilhöhe größer 200-mm und den Ausschluss von Gitterbewehrungen als Quer-kraftbewehrung, - die Anwendung von Beton gemäß EN 206-1 in Verbindung mit DIN 1045-2, unter Ausschluss von Leichtbetonen, - Betonbauteile unter quasi-statischer Be-anspruchung, - Flachgründungen. Folgende Anwendungen sind aktuell nicht durch die Richtlinie abgedeckt: - Stabmatten (außer im Teil 2), - nachträglich eingemörtelte Stäbe, - vorgespannte nichtmetallische Bewehrung, - der Einsatz der nichtmetallischen Bewehrung als Druckbewehrung, - kombinierte Bewehrung aus Betonstahl, Spannstahl und nichtmetallischer Bewehrung (sofern in den Ver- und Anwendbarkeitsnachweisen nicht explizit geregelt), - Ermüdung. Durch die gezielte Definition des Anwendungsbereichs stellt die Richtlinie einen wichtigen Schritt dar, um die Integration von nichtmetallischen Bewehrungen in die Bauindustrie zu fördern und gleichzeitig eine hohe Sicherheit und Leistungsfähigkeit der konstruierten Bauwerke zu gewährleisten. Auch für die derzeit nicht abgedeckten Anwendungen sind viele Regelungen der Richtlinie grundsätzlich anwendbar, müssen aber in den vorhabenbezogenen oder allgemeinen Bauart-genehmigungen für den speziellen Anwendungsfall erweitert und ggf. angepasst werden. Hier existiert in vielen Bereichen bereits ein breites Wissen aus zahlreichen Forschungsvorhaben, welches bis dato aber noch nicht in allgemeingültige Regelungen überführt werden konnte. Die maßgeblichen Anpassungen, die durch die Regelungen der Richtlinie gegenüber DIN EN 1992-1-1 mit Nationalem Anhang vorgenommen werden, berücksichtigen 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 177 DAfStb-Richtlinie - Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung - Aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen das vom Stahlbeton abweichende Zug- und Drucktragverhalten mit der großen Bandbreite an möglichen Zugtragfähigkeiten und Elastizitätsmoduln sowie die unterschiedlichen Verbundeigenschaften der nichtmetallischen Bewehrungen. Zudem werden die Langzeitauswirkungen auf die Materialkennwerte, die Ermittlung der Schnittgrößen, die Bemessung für Biegung und Querkraft sowie die Festlegungen zur Bewehrung thematisiert. Das Sicherheitskonzept der Richtlinie lehnt sich weitgehend an den Stahlbetonbau an, wobei die Teilsicherheitsbeiwerte für die Bewehrung neu definiert wurden, um den spezifischen Eigenschaften und Verhaltensweisen der nichtmetallischen Bewehrungen gerecht zu werden. Grundlage für die Verwendung und die Bemessung nach Teil 1 der Richtlinie ist das Vorliegen der erforderlichen Nachweise für die Verwendbarkeit der Bauprodukte (nichtmetallische Bewehrung) und der Anwendbarkeit der Bauart (Ver- und Anwendbarkeitsnachweise). Ausdrücklich sei hier angemerkt, dass die Richtlinie die Hersteller von nichtmetallischen Bewehrungen nicht davon entbindet, Zulassungen zu erwirken. Der Zulassungsprozess wird aber mit den vorgeschlagenen Prüfverfahren nach Teil 4 deutlich besser planbar und Produkte untereinander vergleichbar. Hinweise zu den Ver- und Anwendbarkeitsnachweisen sind im Teil 5 der Richtlinie aufgeführt. Die erforderlichen Informationen für nichtmetallische Bewehrungsgitter, Bewehrungsstäbe und Stabmatten, die durch zugehörige Ver- und Anwendbar-keitsnachweise notwendig sind, sind in Teil 2 (Bewehrungsprodukte) der Richtlinie geregelt. 2.3 Begrifflichkeiten und Vorstellung ausgewählter Inhalte Im Zuge der Richtlinie werden zu Beginn wesentliche Begrifflichkeiten einheitlich festgelegt. Nachfolgend werden ausgewählte gezeigt, die einheitlich für die Richtlinie und dementsprechend für nichtmetallische Bewehrungen gelten (Hinweis: in der Vergangenheit wurden einige Begrifflichkeiten anders oder modifiziert bezeichnet). Begrifflichkeiten der Richtlinie: Faserstrang: „Sammelbegriff für getränkte Einzelrovings bzw. Rovingbündel, die das Bewehrungsgitter bilden“. Bewehrungsgitter: „Textile Flächenstruktur als Gelege aus gestreckt vorliegenden Fasersträngen, die in Längs- und Querrichtung in bestimmten Abständen zueinander, gitterartig angeordnet sind“. Abb. 2: Darstellung eines CFK-Gitters und in Rot umrandet, einzelner Faserstrang in einem Gitter, Foto: Alexander Schumann Nichtmetallische Bewehrung: „Gitterartige oder stabförmige Bewehrung aus Faserverbundwerkstoff“. Hierbei können die Fasern z. B. aus Carbon, Glas oder Basalt bestehen. Nennquerschnittsfläche: „Der Nennquerschnitt beschreibt die Komposit-Querschnittsfläche (Fasern und Tränkungsmittel), die als Bezugsgröße zur Ermittlung von festigkeits- und steifigkeitsbezogenen Bewehrungseigenschaften herangezogen wird. Dies gilt für Stäbe und für Gitter“. Somit ist für alle nichtmetallischen Bewehrungen nach der DAfStb-Richtlinie eine eindeutige Kennzeichnung festgelegt, wodurch auch eine Vergleichbarkeit zwischen Gittern und Stäben besteht. An dieser Stelle ist zu beachten, dass in der Vergangenheit die Eigenschaften von Bewehrungsgittern (u. a. Festigkeit, Steifigkeit) auf den reinen Faserquerschnitt bezogen wurden (ohne den Anteil der Tränkung), weshalb sich durch die Festlegung auf den Nennquerschnitt bei Gittern tendenziell niedrigere Nenn-Festigkeiten und Nenn-Steifigkeiten ergeben. Bei GFK-Stäben wurde die Bezugsgröße Nennquerschnittsfläche als Komposit-fläche auch bisher schon verwendet. Ausgewählte Aspekte aus der Richtlinie: Im Folgenden werden einige Kernaspekte der Richtlinie bezüglich der Festigkeiten der Bewehrung, der Langzeitbeanspruchungen sowie der Bemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit und Gebrauchs-tauglichkeit beschrieben. Das Sicherheitskonzept der DAfStb-Richtlinie orientiert sich größtenteils an den etablierten Prinzipien des Stahlbetonbaus, wobei der Teilsicherheitsbeiwert für die nichtmetallische Bewehrung aufgrund des linear-elastischen Materialverhaltens und im Vergleich zum Betonstahl fehlenden Reserve durch das Fließen der Bewehrung höher 178 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 DAfStb-Richtlinie - Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung - Aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen als beim Betonstahl definiert wurde. Anstelle der bekannten 1,15 für Betonstahl auf Zug beträgt der Teilsicherheitsbeiwert der nichtmetallischen Bewehrung für die ständige und vorübergehende Bemessungssituation 1,3 (siehe Abb. 3). Zusätzlich ist darauf hinzuweisen, dass umgeformte Bewehrungen aus nichtmetallischer Bewehrung derzeit mit einem Teilsicherheitsbeiwert von 1,5 beaufschlagt werden sollten, sofern in den entsprechenden Ver- und Anwendbarkeitsnachweisen keine geringen Teil-sicherheitsbeiwerte zugelassen sind. Abb. 3: Teilsicherheitsbeiwerte aus [11] Die anzusetzenden Materialfestigkeiten der nichtmetallischen Bewehrungen sind in den Ver- und Anwendbarkeitsnachweisen festgelegt. Die Bestimmung der Bemessungszugfestigkeit der Bewehrung, fnm,d, folgt der Formel: f nm,d -=-α nm -∙-f nm,k / g nm (1) Hierbei sind die charakteristische Zugfestigkeit und ein Faktor, der Langzeiteffekte berücksichtigt. Beide Größen, die in Teil 2 festgelegt und unter Berücksichtigung der Prüfverfahren in Teil 4 geprüft werden, sind produktabhängig. Zusätzlich ist zu beachten, dass die charakteristische Zugfestigkeit die Eigenschaften der nichtmetallischen Bewehrungen im Gebrauchstemperaturbereich festlegt. Die Gebrauchstemperaturbereiche der Bewehrungen sind in den entsprechenden Ver- und Anwend-barkeitsnachweisen beschrieben und sind produkt-abhängig. Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung wird aus-schließlich im Zugbereich angenommen und weist für vollständig getränkte nichtmetallische Bewehrungen einen typischen linear-elastischen Verlauf auf. Obwohl die FVK-Bewehrung auch unter Druck Spannungen übertragen kann und ein elastisches Verhalten aufweist, wird zum aktuellen Zeitpunkt vereinfachend in der Richtlinie festgelegt, dass die Bewehrung keine Druckspannungen aufnimmt. Eine wichtige Festlegung der Richtline betrifft allerdings das Drucktragverhalten: Es ist zu prüfen, ob für die Betondruckzone ab einem höheren Bewehrungsgrad die Betondruckfestigkeit abgemindert werden muss. Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass durch die innere Umlenkung Querzugspannungen im Beton um die in Querrichtung druckweichen FVK-Bewehrungen entstehen, gleichsam „Fehlstellen“. Diese Querzugspannungen senken die Drucktragfähigkeit des Betons ab [12], [13]. Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit wurden ebenfalls Anpassungen zum Stahlbeton vorgenommen. Ein direkter Kontakt zwischen Carbonbewehrung und metallischen Komponenten ist aufgrund der Gefahr der Kontaktkorrosion auszuschließen. Die nichtmetallischen Bewehrungen müssen bezüglich der Beständigkeit der Bewehrung im Beton (Alkaliresistenz) sowie des geplanten Einsatzbereiches (Expositionsklassen, z. B. bei Chloriden) geprüft sein und die zulässigen Expositionen müssen in den Ver- und Anwendbarkeitsnachweisen verankert sein. Anforderungen an die Betondeckung bei der nichtmetallischen Bewehrung ergeben sich deshalb nicht aus der Dauerhaftigkeit, sondern nur aus der Verbundkraftübertragung; die Mindestbetondeckungen für Gitter und Stäbe sind produktabhängig in den Ver- und Anwendbarkeitsnachweisen festgelegt. Erfahrungsgemäß ergibt sich damit insbesondere im Außenbereich und bei Chloridexposition eine im Vergleich zum Stahlbetonbau geringere Betondeckung. Für die Schnittgrößenermittlung sind derzeit ausschließlich linear-elastische Verfahren vollständig durch die Regelungen der Richtlinie abgedeckt. Methoden, die eine Umlagerung der Schnittgrößen oder nichtlineare Berechnungen voraussetzen, sind prinzipiell zugelassen. Die Anwendung dieser Verfahren ist aber nicht allgemein geregelt, da dies detailliertere Angaben zu den Verbundeigenschaften der Bewehrung im Gebrauchszustand sowie im Grenzzustand der Tragfähigkeit voraussetzen würde, was über die durch den Teil 4 abgedeckten Prüfverfahren hinausgehende Untersuchungen erfordert. Die Bemessung für Biegung orientiert sich grundsätzlich an den Verfahren des Stahlbetonbaus, wobei speziell die hohen Zugfestigkeiten der Bewehrung berücksichtigt werden müssen. Dies bedingt eine Überprüfung sowohl des Versagens der Betondruckzone als auch des Zugversagens der Bewehrung. Zusätzlich muss zur Sicherstellung eines ausreichenden Sicherheitsniveaus die statische Nutzhöhe bei dünnen Bauteilen angepasst werden. Die Querkraftbemessung wurde weitestgehend neu definiert, als additives Modell aus Beton- und Bewehrungstraganteil. Dies folgt dem Vorgehen in anderen international etablierten Regelwerken, z. B. aus Kanada, den USA oder Japan. Aktuell sind Bauteile ohne Querkraftbewehrung für alle Bewehrungsarten geregelt. Bauteile mit erforderlicher Querkraft-bewehrung dürfen aktuell nur mit Querkraftbewehrung aus Stäben ausgeführt werden. Gitterförmige Bewehrungen dürfen noch nicht für den Querkraftabtrag herangezogen werden, auch wenn hier in der Forschung bereits Bemessungsvorschläge existieren Für Bauteile ohne Querkraftbewehrung wird der Betontraganteil dem Querkraftwiderstand gleichgesetzt. Dabei wurde das semiempirische Modell des aktuellen Eurocodes über einen empirischen Vorfaktor, einen angepassten Faktor für den Maßstabseffekt, einen Vorfaktor für die Berücksichtigung der Schub-schlankheit und die Steifigkeit der Längsbewehrung modifiziert. Insbesondere die explizite Berücksichtigung der Schubschlankheit im Querkraft-nachweis ist im Gegensatz zum Stahlbetonbau auf-wendig, wegen der großen Bandbreite an möglichen Materialeigenschaften aber notwendig um eine wirtschaftliche Bemessung zu ermöglichen. Die Nachweisführung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit hängt signifikant vom Verbundverhalten 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 179 DAfStb-Richtlinie - Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung - Aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen der Bewehrung ab. Die Anpassung der Modelle aus dem Stahlbetonbau ermöglicht es, durch die Angabe einer mittleren charakteristischen Verbundspannung, welche in den Ver- und Anwendbarkeitsnachweisen der nichtmetallischen Bewehrung für die entsprechende Rissbreite festgelegt wird, einen adäquaten Nachweis zu erbringen. Ebenfalls werden Regelungen für die Spannungsnachweise und die Nachweise zur Begrenzung der Verformung gegeben. Im Bereich der baulichen Durchbildung wirken sich die Verankerungstechniken und die Stoßausbildung der Bewehrungen entscheidend auf die Bewehrungsführung aus. Im Unterschied zu konventionellem Betonstahl sind bei nichtmetallischen Bewehrungen derzeit keine Reduktionen der notwendigen Verankerungs- und Stoßlängen durch zusätzliche Verankerungselemente wie Haken oder Winkelhaken gestattet. Dies begründet sich durch die bislang unzureichend untersuchten Auswirkungen von lokalen Querpressungen auf das Zugverhalten der nichtmetallischen Bewehrung, die durch diese Verankerungselemente induziert werden. Weiterführende Regelungen sind entsprechend in der Richtlinie [11] aufgeführt und werden an dieser Stelle nicht vertieft beschrieben. 2.4 DAfStb-Heft 660 Um die Anwendung der DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“ in der Baupraxis zu erleichtern und ein tieferes Verständnis für die erarbeiteten Richtlinientexte zu fördern, wurde das begleitende DAfStb-Heft 660 entwickelt. Dieses Heft ist in zwei Teile gegliedert und dient als Verbindung zwischen der Theorie und der praktischen Anwendung der Richtlinie. Die Ausführungen im ersten Teil des Heftes 660 wurde ebenso wie die Richtlinie durch die Mitglieder des DAfStb-Unterausschusses „Nichtmetallische Be-wehrung“ im Konsens erarbeitet und abgestimmt. Dieser erste Teil des Heftes ist als Nachschlagewerk aufgebaut, in dem der Richtlinientext auf der linken Seite und entsprechende Erläuterungen sowie Anwendungshinweise auf der rechten Seite präsentiert ist. Diese Gliederung ermöglicht es den Nutzern, die theoretischen Grundlagen, Hintergründe und wissenschaftlichen Erkenntnisse der Richtlinie unmittelbar neben dem eigentlichen Text zu erhalten. Ergänzt wird dies durch weiterführende Literaturhinweise, die eine vertiefte Auseinander-setzung mit den behandelten Themen erlauben und Ansatzpunkte für mögliche Abweichungen von der Richtlinie für Einzelfallzustimmungen liefern. Unklarheiten und Verständnisfragen, die im Rahmen des Einspruchsverfahrens zur Richtlinie auftauchten, wurden ebenfalls berücksichtigt. Zur klaren Unterscheidung der Informationen im Heft von den Regelungen in der Richtlinie selbst, wurden die Bild-, Tabellen- und Gleichungsnummern sowie Seitennummern der Erläuterungen mit einem „E“ für Erläuterung gekennzeichnet. Der zweite Teil des Heftes 660 widmet sich der praktischen Umsetzung der Richtlinie und enthält zwei exemplarische Bemessungsbeispiele. Diese Beispiele, verfasst von Mitgliedern des DAfStb-Unterausschusses „Nichtmetallische Bewehrung“, zeigen konkret, wie die Richtlinie bei der Planung und Ausführung von Betonbauteilen mit nichtmetallischer Bewehrung angewendet werden kann. Die Bemessungsbeispiele sind dabei mit einem „B“ für Beispiele gekennzeichnet, um sie eindeutig zuordnen zu können. Im ersten Beispiel wird eine Carbonbetonplatte untersucht, die als Fertigteil für ein Parkhaus konzipiert ist und auf Betonträgern aufliegt. Triebfeder für den Einsatz von FVK ist deren Chloridbeständigkeit und der mögliche Verzicht auf eine im Stahlbetonbau notwendige Abdichtung. Die Platte weist ein Raster von 2,50-m zwischen den Hauptträgern auf, mit einer lichten Weite von 2,30-m und einer Plattendicke von 13-cm. Für die Untersuchung wird eine Breite von einem Meter betrachtet. Die Platte ist direkt befahrbar, ohne zusätzlichen Belag oder Abdichtung, und ist frei bewittert. Als Bewehrung ist ein CFK- Gitter auf der Unterseite der Platte vorgesehen, um die Nachweise nach der Richtlinie führen zu können. Abb. 4: Berechnungsbeispiel 1: Parkhausplatte mit nichtmetallischer Bewehrung, Grafik: Jan Bielak Das zweite Beispiel behandelt einen Betonbalken mit nichtmetallischer Bewehrung, der als Teil einer Parkhauskonstruktion zwischen Stahlbetonstützen als Einfeldträger spannt und eine aufgelagerte Fertigteildecke aus Carbonbeton trägt. Der Balken, hergestellt in Fertigteilbauweise, besitzt eine Länge von 8,2-m und ist in regelmäßigen Abständen von 2,50- m angeordnet. Die Balken ruhen auf Stahlbetonstützen, wobei die konstruktive Verbindung zwischen den Stützen und dem Balken nicht Teil dieses Beispiels ist. Die aufgelagerte Carbonbetonplatte hat dieselben Abmessungen wie in Beispiel 1. Die Balken weisen einen Rechteckquerschnitt mit den