2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 181 DAfStb-Richtlinie - Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung - Aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen lischer Bewehrung“ in der Baupraxis zu verbessern und ihre Akzeptanz zu fördern. Literatur [1] Schumann, A.; Schöffel, J.; May S.; Schladitz, F.; Curbach M.: Ressourceneinsparung mit Carbonbeton am Beispiel der Verstärkung der Hyparschale in Magdeburg. In: Hauke, B. (Hrsg.) Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und Klimaschutz. Institut Bauen und Umwelt e. V., DGNB e. V., 2021, S. 282-286. [2] Rempel, S. et al.: Die Sanierung des Mariendomdaches in Neviges mit carbonbewehrtem Spritzmörtel, Beton- und Stahlbetonbau 113 (2018) 7, S.-543-550, DOI: 10.1002/ best.201800016 . [3] Müller, E.; Schmidt, A.; Schumann, A.; May, S.; Curbach, M.: Biegeverstärkung mit Carbonbeton - Neue Carbonbewehrung im Anwendungstest. Beton- und Stahlbetonbau- 115- (2020) 10, S. 758-767 - DOI: 10.1002/ best.202000012 . [4] Bielak, J., Bergmann, S., Hegger, J.: Querkrafttragfähigkeit von Carbonbetonplatten mit C-förmiger Querkraftbewehrung. Beton und Stahlbetonbau 114 (2019) 7, S. 465-475. DOI: 10.1002/ best.201900001 . [5] May, M. et al.: Carbonstäbe im Bauwesen - Teil 3: Bestimmung der Zugtragfähigkeit. Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021) 7, S. 508-517. DOI: 10.1002/ best.202100031 . [6] Zavadski, V.; Frenzel, M.: Aufbau, Bemessung und Planung der TWIST-Carbonbetonschalen. Beton- und Stahlbetonbau-118-(2023) S2, S. 71-81. DOI: 10.1002/ best.202300009 . [7] Bielak, J. et al.: Zwei Praxisbeispiele zur Querkrafttragfähigkeit von Brückenplatten aus Carbonbeton. Bautechnik 97 (2020) 7, S. 499-507. DOI: 10.1002/ bate.202000037 . [8] Will, N.: DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung“ - Von Forschung und Pilotprojekten zum Regelwerk. Tagungsband vom 61. Forschungskolloquium mit 9. Jahrestagung, 26.-27. September 2022, Dresden, S.-157-162. [9] Alfes, C.; Schumann, A.; Zobel, R.: Normen und Richtlinien. Kapitel 14; Curbach, M.; Hegger, J.; Schladitz, F.; Tietze, M.; Lieboldt, M. [Hrsg.]. (2023) Handbuch Carbonbeton - Einsatz nichtmetallischer Bewehrung, 1. Auflage. Ernst & Sohn GmbH. [10] Aldermann, K.; Schumann, A.; Rudloff, T.; Zernsdorf, K.; Wiel, R.; Michler, H.: Industriestandard Carbonbeton - durch Standards in eine ressourcenschonende Art des Bauens. Beton- und Stahlbetonbau 118 (2023) 10, S. 757-765. DOI: 10.1002/ best.202300052. [11] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: DAfStb-Richtlinie „Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung; 2024. [12] Bosbach, S.; Bielak, J.; Schmidt, C.; Hegger, J.; Claßen, M.: Influence of transverse tension on the compressive strength of carbon reinforced concrete. In: Proceedings of 11 th International Conference on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering (CICE 2023). 11th International Conference on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering (CICE 2023). Rio de Janeiro, Brazil, 23.07-26.07. [13] Bochmann, J.; Curbach, M.; Jesse, F.: Influence of artificial discontinuities in concrete under compression load-A literature review. Struct Concrete 19 (2018) 2, S. 559-567. DOI: 10.1002/ suco.201700041 . 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 183 CUBE - Das Carbonbetongebäude David Sandmann, M. Sc. Technische Universität Dresden Institut für Massivbau Dipl.-Ing. Enrico Baumgärtel Technische Universität Dresden Institut für Massivbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Manfred Curbach Technische Universität Dresden Institut für Massivbau Zusammenfassung Bei der Realisierung des Carbonbetongebäudes CUBE haben sich zahlreiche Partner aus Wissenschaft und Industrie zusammengeschlossen, um das außergewöhnliche Anwendungspotenzial von Carbonbeton zu demonstrieren. Bei diesem Forschungsgebäude wurden weltweit erstmals alle Betonbauteile ausschließlich mit nichtmetallischer Bewehrung hergestellt. Dabei wurden alle Phasen der Herstellung, Planung und Ausführung erfolgreich durchlaufen und gezeigt, wie übliche Problemstellungen vom gestalterischen Grundkonzept über die Bemessung bis hin zu Details wie der Bewehrungsführung gelöst werden können. Die für den Bau notwendigen Forschungsarbeiten haben die Carbonbetonbauweise entscheidend vorangebracht und zur Markteinführung beigetragen. Der Gebäudeteil BOX besteht aus (Halb-)Fertigteilen und demonstriert die Massentauglichkeit und damit die Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitig geringerem Betonverbrauch im Vergleich zur konventionellen Stahlbetonbauweise. Umgeben wird die BOX von zwei TWIST-Schalenelementen, die in Spritzbetonbauweise hergestellt wurden und durch ihre Formgebung die architektonische Vielfalt der Anwendung demonstrieren. Der Beitrag beleuchtet die Besonderheiten bei der Planung und Ausführung des Gebäudes. 1. Einführung Die größte aktuelle und auch langfristige gesellschaftliche Aufgabe ist der Umgang mit dem Klimawandel und die damit verbundene, unbedingte Forderung nach Nachhaltigkeit in allen Bereichen unseres Lebens. Die Ressourcen für Baustoffe sind begrenzt und teilweise bereits knapp [1; 2]. Der Bau, Betrieb und letztendlich auch der Abriss von Bauwerken emittiert große Mengen an CO 2 . Allerdings ist weniger oder Nicht-Bauen keine nachhaltige Option. Allein die zunehmende Wohnraumknappheit infolge weltweit steigender Bevölkerungszahlen und die in Deutschland nicht selten maroden Infrastrukturbauwerke stehen dem entgegen [3; 4]. Der größtmögliche und langfristige Erhalt vorhandener Bausubstanz und die Entwicklung zukunftsorientierter Bauweisen sind klimaschutztechnisch verantwortungsvollere Ansätze. Die Bauwirtschaft stellt aufgrund des hohen Anteils am Klimawandel ein großes Potenzial für eine effektive Veränderung dar. Mit der Substitution üblicher Betonstahlbewehrung durch eine inerte, leichte und hochzugfeste Carbonbewehrung in Kombination mit Entwurf, Konstruktion und Realisierung effizienter und filigraner Bauelemente wird verdeutlicht, wie signifikante Betonmengen eingespart und der CO 2 -Ausstoß deutlich reduziert werden können. Der CUBE in Dresden ist für diese Ansätze ein gutes, baupraktisches Beispiel. Der CUBE ist das weltweit erste Gebäude, bei dem ausschließlich Betonbauteile mit nichtmetallischer Bewehrung - dabei hauptsächlich aus Carbonfasern - verwendet wurden. Es verkörpert einen Meilenstein in der Etablierung des Werkstoffs Carbonbeton in der Baupraxis, welcher den Grundstein für unzählige weitere Projekte im Neubau sowie in der Sanierung legen soll. Das Objekt dient als Forschungsbau zur langfristigen Untersuchung des Materialverhaltens im großen Maßstab. Das Bauwerk ist das Ergebnishaus des Großforschungsvorhabens „C3 - Carbon Concrete Composite“, gefördert als Teil der Forschungsinitiative „Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) [5]. In die Entwicklung, Planung und Umsetzung sind Erkenntnisse aus dem C3- Vorhaben selbst, aber auch aus jahrzehntelanger vorangegangener Forschung eingeflossen. Die Planungsphase begann im September 2017. Nach der Grundsteinlegung im Januar 2021 erfolgte die Eröffnung 21 Monate später im September 2022. Neben der baupraktischen Umsetzung der Carbonbetonbauweise war die Grundidee zu demonstrieren, dass die gesamte Prozesskette zur Errichtung eines voll funktionsfähigen Gebäudes vollständig durchlaufen werden kann. Darin inbegriffen sind Konzeption, Planung, Ausschreibung, Konstruktion und Betrieb. Die Umsetzung dieser Idee war erfolgreich. 2. Die Carbonbetonbauweise Beton ist der weltweit am meisten eingesetzte Baustoff [6]. Er ist universell einsetzbar, günstig und einfach her- 184 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 CUBE - Das Carbonbetongebäude zustellen. Aufgrund seiner hohen Druckfestigkeit in Verbindung mit der Zugtragfähigkeit des Bewehrungsstahls eignet er sich für nahezu alle Bauteilarten. Beton hat aber auch entscheidende Nachteile. Dazu gehören der enorme Ressourcenverbrauch an Gesteinskörnungen und Wasser sowie die hohen CO 2 -Emissionen, die vor allem durch die Herstellung des Zements und die damit verbundenen prozessbedingten Emissionen entstehen. Zudem kann der Bewehrungsstahl korrodieren, was die Lebensdauer des Tragwerks einschränkt. Diese wird für Stahlbeton üblicherweise mit ca. 80 bis 100 Jahren angenommen. Diese Nachteile werden mit der Carbonbetonbauweise adressiert, um eine nachhaltigere und letztlich auch umweltverträglichere Bauweise zu entwickeln. Die nichtmetallische Carbonbewehrung ist chemisch inert und korrodiert nicht [7]. Dadurch kann zum einen die Betondeckung auf das statisch notwendige Minimum reduziert werden, die für den Korrosionsschutz erforderliche Betondeckung entfällt. Zum anderen wird die Lebensdauer des Bauteils und damit die Dauerhaftigkeit des Bauwerks deutlich erhöht. Die Dichte des Bewehrungsmaterials ist etwa fünfmal geringer als bei Betonstahl, was den Transport und vor allem die Handhabung und Montage auf der Baustelle erheblich erleichtert. Ein weiterer Vorteil aus statisch-konstruktiver Sicht ist die gegenüber Betonstahl deutlich höhere Zugfestigkeit der Carbonbewehrung. Sie ist, bezogen auf den Mittelwert, etwa sechsbis siebenmal höher. Die Bewehrung besteht aus mehreren Tausend Endlosfasern bzw. Filamenten, die zu Faserbündeln oder Garnen zusammengefasst werden. Es können unterschiedliche Fasermaterialien wie beispielsweise Carbon, Glas, Aramid oder Basalt eingesetzt werden. Anschließend erfolgt die Tränkung mit einer Kunststoffmatrix, z. B. mit Epoxidharz oder Acrylat. Damit wird der innere Verbund zwischen den Filamenten sichergestellt sowie der äußere Verbund zum Beton verbessert. Die Garne können flächig und mattenartig zu Carbongittern weiterverarbeitet werden. Mit dem Zusammenführen mehrerer Faserbündel lassen sich auch stabförmige Bewehrungen herstellen. Beispielhaft ist in Abbildung 1 eine Auswahl typischer Carbonbewehrungselemente dargestellt. Abbildung 1: Exemplarische Auswahl typischer Carbonbewehrungen. Foto: Matthias Lieboldt (Bauhaus- Universität Weimar) 3. Konstruktion des Gebäudes Das Gebäude ist öffentlichkeitswirksam an einer der größten Straßenkreuzungen in der Dresdner Innenstadt direkt am Campus der Technischen Universität Dresden gelegen. Auf dem 2390 m 2 großen Grundstück ist eine große Grünfläche angelegt sowie Verkehrsbereiche, die ausschließlich für Fußgänger und Radfahrer vorgesehen sind. Die Grundfläche des Gebäudes beträgt ca. 24,4-m-×-7,8-m-=-190 m 2 , die Höhe variiert von 6,0-m bis 7,0-m in Gebäudemitte. Der CUBE selbst lässt sich in drei wesentliche Teile gliedern: die quaderförmige, zweigeschossige BOX, zwei geometrisch identische TWIST-Schalen und eine raumabschließende Stahl-Glass-Fassade. Die Gebäudeteile sind in Abbildung 2 abgebildet. Durch ihre Verwindung bilden die TWIST-Elemente gleichzeitig sowohl die Dachfläche als auch einen Teil der Außenwände. In der Dachfläche sind die Schalen durch ein Lichtband verbunden. Für ihr Erscheinungsbild sind sie bewusst mit kurzem Dachüberstand konzipiert und aus architektonischen Gründen zudem nicht mit Entwässerungsrinnen oder Blitzschutz-Fangleinen ausgerüstet. Die Entwässerung erfolgt über Tropfkanten an der Unterseite des Dachüberstandes und über erdbodengleiche Rinnen. Die Blitzableitung ist über zwei gebäudenahe Schutzmasten sichergestellt. Die vertikalen Abschnitte der TWIST-Elemente ragen als Flügel ca. 8,0 m über die Grundfläche des Gebäudes hinaus. Stirnseitig weisen diese lediglich eine Dicke von 6,0 cm auf. Abbildung 2: Blick von Südosten auf das Gebäude. Foto: Stefan Gröschel (IMB TUD) In Abbildung 2 ist in der südöstlichen Ecke des Gebäudes der (Halb-)Fertigteilkomplex BOX zu sehen. Dieser dunkel gefärbte, quaderförmige Gebäudeteil ist 6,8-m hoch und hat eine Grundfläche von 4,9-×-10,7-m 2 . Er besteht aus 23 Außen- und zwei Innenwänden aus Halbfertigteilen. Diese sind maximal 4,9-m breit und 2,9-m hoch. Hinzu kommen neun vorgefertigte Deckenplatten mit 5,7-m Länge und 2,6-m Breite. Die Gründung des gesamten Bauwerks erfolgte auf wärmegedämmten Streifenfundamenten und Bodenplatten. 3.1 Gebäudeteil BOX Mit der BOX wird gezeigt, wie die im Stahlbetonbau übliche Halb- und Fertigteilbauweise auf den Carbonbeton übertragen werden kann. Die wichtigen Punkte einer besonders hohen Fertigungsqualität und einer wirtschaftlichen Herstellung konnten erreicht werden. Für den Car- 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 185 CUBE - Das Carbonbetongebäude bonbeton stand dabei vor allem eine ressourceneffiziente Konstruktion im Vordergrund, sodass eine möglichst hohe Materialeinsparung erreicht wird. In dem zweigeschossigen Komplex befinden sich im Obergeschoss drei identische Messräume mit austauschbaren Fenstereinheiten in der Außenwand. Diese dienen zur Untersuchung verschiedener Fenster- und Wandauf bauten mit unterschiedlichen Dämmmaterialien unter realen Temperatur-, Feuchte- und Witterungsbedingungen [8]. Im Untergeschoss befindet sich die Haustechnik sowie ein Laborbereich zur Installation von Versuchsständen, Laborgeräten und Maschinen. Für die Wände wurden Doppelwandelemente mit innenliegender Wärmedämmung und einem Betonkern hergestellt. Die Wandschalen mit der Betonfestigkeitsklasse C50/ 60 weisen dabei nur eine Dicke von 4,0-cm auf. Die Gesamtwanddicke beträgt 27,0- cm. Je nach statischer Anforderung enthalten die Schalen eine oder zwei Lagen Carbonbewehrung und der Kern eine oder keine Bewehrungslage. Für die 12,0-cm starke Kernbetonschicht ist die Betonfestigkeitsklasse C35/ 45 verwendet worden. Die beiden Schalen sind mit Ankern aus Glasfaserverbundwerkstoff (GFK) verbunden, die im Vergleich zu metallischen Lösungen eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Durch die großen Öffnungen für Türen und Fenster sind neben den reinen Wandelementen auch stützen- und balkenartige Tragelementbereiche vorhanden. Daraus ergibt sich die Problematik die Stabilitätsanforderungen an die Betondruckglieder zu erfüllen, für die die Carbonbewehrung nur bedingt geeignet ist. Der hauptsächliche Lastabtrag erfolgt über die 16,0-cm dicke Betonschicht aus Carbonbetoninnenschale und Kernbeton. Die Wandelemente im Untergeschoss der BOX liegen teilweise unterhalb der Geländeoberkante, so dass zusätzlich der Lastfall Erddruck in der Bemessung zu berücksichtigen war. Die Deckenplatten wurden als einachsig spannende Einfeldträger mit jeweils maximal 4,5- m Länge und 2,6- m Breite konzipiert. Sie wurden vollständig vorgefertigt auf die Baustelle transportiert und montiert. Um die Entwurfsziele hohe Materialeffizienz und einfache Montage bei gleichzeitig einfacher Vorfertigung zu erreichen, wurden verschiedene Deckenquerschnitte untersucht. Rein rechnerisch wären aufgrund der hohen Zugfestigkeit der Carbonbewehrung deutlich geringere Deckenhöhen als bei vergleichbaren Stahlbetonvollplatten möglich. Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) würde dies jedoch zu großen und nicht vertretbaren Verformungen führen. Das Planungsteam entschied sich daher für einen Hohlquerschnitt. Die Hohlräume wurden mit Holz-OSB-Aussparungskörper realisiert, sodass sich statisch gesehen mehrfach nebeneinander angeordnete Doppel-T-Querschnitte ergeben. Diese haben eine Konstruktionshöhe von 25,0-cm, wobei die Gurte lediglich 3,0 dünn sind und die unbewehrten Stege eine Dicke von 6,0-cm aufweisen. Der Querschnitt ist in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3: Querschnitt der Hohlkörperdeckenplatten. Grafik: Hendrik Ritter (ASSMANN BERATEN + PLANEN GmbH) und Silke Scheerer (IMB TUD) Die drei Deckenplatten über dem Untergeschoss der BOX erhielten in Spannrichtung zusätzlich eine 16,0-cm dicke Kragplatte. Diese Kragplatte ist ebenfalls als Hohlkörperquerschnitt ausgeführt, siehe Abbildung 4, und dient als Zugang zu den drei Messräumen. Je Gurt ist eine Lage Carbonbewehrung eingelegt. Diese besteht aus einem quadratischen Carbongitter mit einer Bewehrungsquerschnittsfläche von 95-mm 2 / m und einer Bemessungszugfestigkeit von 1600-N/ mm 2 . Zur effizienten Ausnutzung der Zugfestigkeit wurde für den Bauteilbeton die Druckfestigkeitsklasse C50/ 60 gewählt. Der Biegetragfähigkeitsnachweis kann rechnerisch analog zur Stahlbetonbauweise geführt werden. Dazu werden die Widerstände der Druckzone und der Carbongitter angesetzt. Die Materialeigenschaften der Carbonbewehrung wurden experimentell ermittelt und verifiziert. Der Nachweis ausreichender Querkrafttragfähigkeit stellte ein größeres Problem dar, da hierzu kein Bemessungsmodell zur Verfügung stand. Daher wurde ein experimentell gestütztes Nachweisverfahren gewählt, mit dem der Lastabtrag ohne erforderliche Querkraftbewehrung nachgewiesen wurde. Dazu wurden Bauteilversuche durchgeführt und mit dem semi-empirischen Formelapparat der Mindestquerkrafttragfähigkeit für Stahlbetonbauteile nachgerechnet. Die Bauteile wurden als Deckenausschnitte im Maßstab 1 : 1 konzipiert. Die Nachrechnung ergab eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Abbildung 4: Hohlkörperdeckenplatten im Werk. Foto: Birgit Zocher (Betonwerk Oschatz GmbH) Durch die Leichtbauweise mit der Hohlkörperkonstruktion konnten gegenüber einem konventionellen Stahlbeton-Vollquerschnitt rund 60 Prozent der Betonmenge