6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 455 Neubau und Instandsetzung von Brücken mit CPC-Betonelementen CPC - Die neue Betonbauweise Dipl.-Ing. Simon Liebl Holcim (Deutschland) GmbH, Hamburg Andreas Borgstädt Holcim (Deutschland) GmbH, Hamburg Zusammenfassung Bei der Instandsetzung von Brückenbauwerken aus Beton wird immer häufiger nichtmetallische Bewehrung verwendet. Es wurden auch schon einige Neubauten in diversen Pilotprojekten damit errichtet. Eine der leistungsfähigsten nichtmetallischen Bewehrungen ist Carbon, welches insbesondere vorgespannt seine Vorteile, wie die hohe Zugfestigkeit, ausspielen kann. Mit den CPC-Elementen stehen für den Neubau und die Instandsetzung von Fuß- und Radwegbrücken seriell gefertigte Fertigteile mit vorgespannter Carbonbewehrung in sehr geringen Materialstärken zur Verfügung. Dadurch können Bauwerke ertüchtigt oder neu errichtet werden, welche einen deutlich reduzierten CO 2 -Fussabdruck aufweisen und über eine Lebensdauer von 100 Jahren fast keine Wartungsarbeiten benötigen. 1. Einführung CPC steht für Carbon Prestressed Concrete. Inhaltlich aber steht CPC für ressourcenschonende und klimafreundliche Betonbauteile. Denn statt wie gewöhnlich mit Stahl wird der Beton von CPC-Elementen ausschließlich mit vorgespannten Carbonfasern bewehrt, wodurch sehr schlanke Bauteile realisiert werden können. Der Ersatz der Stahlbewehrung im Beton durch Carbon wird seit vielen Jahren erforscht. Entwicklungen mit schlaff eingelegten Fasern, Netzen oder Stäben aus Carbon und Glas erfahren unter dem Namen Textilbeton oder Carbonbeton reges Interesse und es konnten bereits bei einigen Brückenbauwerken Erfahrungen gesammelt werden. CPC-Betonelemente basieren auf der «carbon prestressed concrete»-Technologie, die aus einem langjährigen Forschungsprojekt der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Winterthur (ZHAW) und Industriepartnern, wie der Silidur AG, Andelfingen, hervorging. Seit November 2021 verfügen die CPC-Betonelemente über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ) beim Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt): abZ Nr. Z-71.3-42 [1]. In der Zulassung ist eine komplette statische Bemessung der CPC-Betonplatten enthalten. Die Großplatten werden seit Sommer 2022 in einem Betonfertigteilwerk der Holcim (Deutschland) GmbH produziert. Damit lassen sich verschiedene Bauteile, wie Treppenstufen, Beläge, Balkonplatten und Außenwandbekleidungen individuell produzieren. Vor allem bei der Sanierung von Brücken werden die CPC- Elemente als Brückenbeläge, sowie als ganze CPC-Modulbrücken für Neubauten und als Ersatzbauwerke verwendet. 2. Die Herstellung der CPC-Elemente Die CPC-Großplatten werden seit Sommer 2022 in einem dafür umgebauten Betonfertigteilwerk der Holcim (Deutschland) GmbH, in Deutschland produziert. Die Elemente können laut Zulassung in Dicken zwischen 20 mm und 70 mm hergestellt werden. Die CPC-Elemente werden derzeit in den Stärken 40 mm und 69 mm produziert. Abb. 1: CPC-Maßplatte mit 40 und 69 mm Stärke (Quelle: Holcim (Deutschland) GmbH) 456 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 Neubau und Instandsetzung von Brücken mit CPC-Betonelementen Die Carbonbewehrung besteht aus Carbonrovings, welche mit einer Matrix getränkt sind. Die Carbonrovings sind vollständig gestreckt und orthogonal über die gesamte Platte mit einem konstanten Bewehrungsgehalt je Richtung angeordnet. Die sich kreuzenden Bewehrungslagen dürfen sich berühren. Der Achsabstand der Carbonrovings in einer Lage beträgt im Mittel 15 mm. Der Achsabstand des äußeren Carbonrovings zum Außenrand beträgt ≥ 5 mm. Es sind je x- und y-Richtung ein bis vier Lagen Carbonbewehrung orthogonal zueinander angeordnet, die stets eine zentrische Vorspannung in beide Richtungen erzeugen. Bezogen auf den Plattenquerschnitt beträgt die Gesamtvorspannung pro Richtung ≥ 1 N/ mm² bzw. ≤ 5 N/ mm². Pro Richtung ist die Vorspannung der Carbonrovings konstant. Die Vorspannung vor dem Ablassen beträgt 2000 MPa (+/ -5 %), die planmäßige elastische Vordehnung der Rovings zum Zeitpunkt der Vorspannung entspricht 8,7 ‰. Die Mindestbetondeckung zur Verbundsicherung c min beträgt fünf Millimeter. Die CPC-Großplatten sind mit den Materialien Carbonbewehrung, Vergussbeton oder selbstverdichtendem Beton nach den beim DIBt hinterlegten verfahrenstechnischen Parametern des Herstellungsprozesses in dem beim DIBt hinterlegten Herstellwerk zu fertigen. Die Fertigungsgröße der CPC-Großplatte liegt bei 65 x 10 m und die Herstellung der CPC-Großplatten darf den Grundsätzen der Herstellung und Verwendung von Vergussbeton nach der DAfStb-Richtlinie „Herstellung und Verwendung von zementgebundenem Vergussbeton und Vergussmörtel“, Fassung Juli 2019 [2] nicht widersprechen. Die CPC-Maßplatten sind aus den CPC-Großplatten mit festbetonbearbeitenden, erschütterungsarmen Verfahren, die auf Schneiden, Fräsen, Bohren (kein Schlagbohren), Schleifen, Sägen, Bürsten und Strahlen basieren, zu fertigen. Abb. 2: CPC-Maßplatte in 3,5 x 17 m (Quelle: Holcim (Deutschland) GmbH) Klopfende Verfahren, die zum Beispiel auf Stocken, Meißeln und Hämmern basieren, dürfen nicht angewendet werden. Wenn die Bewehrungsrichtung der CPC-Großplatten oder Anschnitte von CPC-Großplatten nicht sicher festgestellt werden kann und die Kennzeichnung unvollständig ist, dürfen diese für die Fertigung der CPC-Maßplatten nicht verwendet werden. Bei der Herstellung von Oberflächenprofilierungen sind die Vorgaben des Herstellers der CPC-Großplatten zu beachten. Die Herstellverfahren müssen mechanisch und erschütterungsarm sein. Öffnungen in den CPC-Maßplatten sind mittels mechanischer, erschütterungsarmer Verfahren herzustellen. Abb. 3: Ausfräsung in einer CPC-Maßplatte (Quelle: Holcim (Deutschland) GmbH) 2.1 Materialkennwerte Ein einzelner, ca. 1,0 mm dünner, Carbonroving besteht aus mehreren tausend Carbonfillamenten, die mit einer Matrix getränkt sind. Das linear-elastische Materialverhalten der Carbonbewehrung ist durch die in Abbildung 4 dargestellte Spannungs-/ Dehnungs-Linie charakterisiert. Abb. 4: Spannungs-Dehnungslinie gemäß der Zulassung (aus [1]) Die wichtigsten Materialkennwerte der Bewehrung sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet. Tab. 1: Materialkennwerte der Carbonbewehrung gemäß der Zulassung [1] Nettoquerschnittsfläche eines Carbonrovings At= 0,445 mm2 charakteristische Zugfestigkeit eines Carbonrovings ftk = 4.450 N/ mm2 Teilsicherheitsfaktor Carbonbewehrung γ t = 1,25 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 457 Neubau und Instandsetzung von Brücken mit CPC-Betonelementen Dauerstandfaktor α t = 0,85 Bemessungswert der Zugfestigkeit ftd,100a = 3.030 N/ mm2 Elastizitätsmodul Ε t0m = 230.000 N/ mm² Charakteristische Dehnung ε tk0 = 1,94 % Dehnung bei Erreichen der Bemessungs-zugfestigkeit ε td = 1,32 % Spannung im Roving zum Zeitpunkt t = 0 nach Absetzen der Vorspannkraft σ p0m = 2.000 N/ mm² Der anrechenbare Wert der Vorspannkraft für die Bemessung unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Spannkraftverluste beträgt: σ p0,100a,fav = 1.800 N/ mm² (günstig wirkend) σ p0,100a,unfav = 2.100 N/ mm² (ungünstig wirkend) Der verwendete selbstverdichtende Beton weist ein Größtkorn von 5 mm auf. Die wichtigsten Materialeigenschaften des Betons sind in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgelistet. Tab. 2: Materialeigenschaften des SVBs gemäß der Zulassung [1] Charakteristische Zylinderdruckfestigkeit fck = 80 N/ mm2 Mittelwert der zentrischen Betonzugfestigkeit 5,2 N/ mm² Elastizitätsmodul 43.000 N/ mm² Dehnung beim Höchstwert der Betondruckspannung 0,35 % Die Bauteile aus den CPC-Elementen dürfen im Innen- und Außenbereich in den Expositionsklassen X0, XC1 bis XC4, XF4, XD3, XS3 sowie XM2 ausgeführt werden. Der verwendete Vergussbeton oder selbstverdichtende Beton, der mit Matrixgetränkten Carbon-Rovings bewehrt ist, erfüllt bei Einhaltung der Anforderungen an die Ausführung der Carbonbewehrung die Anforderungen an das Brandverhalten von Baustoffen der Baustoffklasse A2 nach DIN 4102-1 [3] 2.2 Bemessung Zurzeit liegt das Einsatzgebiet der CPC-Platten hauptsächlich bei sekundären Tragelementen. Bohlenbeläge bei Steganlagen oder Brücken, Balkonplatten und Treppentritte werden daraus gefertigt. Es gibt aber auch aktuelle Projekte, wo Deckenbzw. Dachkonstruktionen, Modulbrücken und Fassadenelementen aus 4 bzw. 7 cm dünnen CPC-Elementen zum Einsatz kommen. Die rechnerischen Nachweise werden unter der Annahme des Ebenbleibens der Querschnitte (Bernoulli-Hypothese) geführt. Generell sind statische Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit (GZT) und der Gebrauchstauglichkeit (GZG) zu führen. Im GZT ist neben der Biege- und Querkrafttragfähigkeit eine ausreichende Verankerungslänge nachzuweisen. Unter Gebrauchslasten sind verschiedene Spannungsnachweise zu erbringen. Hierzu zählen die Rissfreiheit der Platte, der Dekompressionsnachweis sowie die Begrenzung der Betondruckspannungen und der Rovingzugfestigkeit. Ein Nachweis der Rissbreite ist aufgrund der geführten Spannungsnachweise nicht erforderlich. Für den Durchbiegungsnachweis darf ein ungerissener Zustand zugrunde gelegt werden. In vielen Fällen wird der Nachweis der Rissfreiheit maßgebend für die Bemessung. Sofern größere Durchbrüche oder Öffnungen in der Platte vorhanden sind, sind diese statisch nachzuweisen. 3. Beispiele aus der Praxis 3.1 Modulbrücken aus Carbonbeton Seit mittlerweile über zwei Jahrzehnten forscht die-Fachgruppe Faserverbundkonstruktionen der-Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW- an Komposit-, Carbon- und Naturfaserbaustoffen. Davon ausgehend hat sie zusammen mit Industriepartnern in den letzten gut zehn Jahren über 170 Projekte mit CPC umgesetzt.- Ergebnis einer Forschungsarbeit der ZHAW ist auch eine patentierte multifunktionale Kappa-Verbindung, die ausschließlich aus CPC-Elementen und hochfestem Mörtel besteht. Diese innovative Keilverbindung gewährleistet nicht nur eine stabile und dauerhafte Verbindung zwischen den Platten, sondern bewahrt auch alle positiven Eigenschaften des CPC-Materials. Durch mehrere Bauteilversuche und den Bau von Prototypen konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass diese Verbindungsmethode erfolgreich ist und die Verbindung stärker ist als das Grundmaterial [4]. Ein herausragendes Beispiel für die Größe und Leistungsfähigkeit der CPC-Elemente ist die eigens für die Swissbau konzipierte Fußgänger- und Radwegbrücke. Mit einer Länge von 17 Metern, einer Breite von knapp 3,0 Metern (mit einer lichten Weite von 2,5 Metern) und lediglich 7,0 Zentimetern Bauteilstärke demonstriert sie eindrucksvoll das enorme Potenzial dieser fortschrittlichen Bauweise. 458 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 Neubau und Instandsetzung von Brücken mit CPC-Betonelementen Abb. 5: CPC-Trogbrücke 17x3m (Quelle: CPC AG) Zunächst wurde die Brückenplatte, die in einem Stück mit den Maßen 17 × 3 Meter gefertigt wurde, mittig in eine leichte Überhöhung von 50 Millimeter gebracht. Die Brüstungselemente (vertikale Bauteile) bestehen je Seite aus drei Bauteilen, aus zwei Randelementen und einem mittig angeordneten «Schlussstein». Die Dreiteilung der Brüstung wurde wegen der einfacheren und wirtschaftlicheren Bearbeitung durch Wasserstrahlschneiden vorgenommen, um die zahlreichen kreisförmigen Öffnungen zu fertigen. Produktionstechnisch kann diese wie die Brückenplatte auch nur aus einem Stück bestehen. Zur Montage wurden die Brüstungselemente in die entsprechenden Aussparungen der Brückenplatte eingeführt und sorgfältig ausgerichtet. Abb. 6: CPC-Steg Kappa-Verbindung (Quelle: CPC AG) Abb. 7: CPC-Brückenplatte mit Aussparungen (Quelle: CPC AG) Im letzten Arbeitsschritt konnten die so entstandenen Verbindungen mit einem selbstverdichtenden Mörtel verfüllt werden. Abb. 8: Vermörtelung der Stege mit der Brückenplatte (Quelle: CPC AG) Die Verbindungselemente spielen eine entscheidende Rolle bei der Stabilität und Festigkeit der Brücke. Erst durch die Verbindung zwischen Brückenplatte und Steg entsteht die Wirkung einer sogenannten Trogbrücke, an der die Brückenplatte die aus dem globalen Moment entstehenden Zugkräfte übernimmt und die Brüstungen die Druckkräfte. Entscheidend ist dabei die sogenannte Kappa-Verbindung, welche die Kräfte zuverlässig übertragen kann [4]. Zusätzlich fungiert die Brüstung als Geländer. Dieses kann in 1,3 m Höhe ausgeführt werden und ist ohne Öffnungen ideal als Radwegbrücke, da sich das Fahrrad nicht im Geländer verhaken kann. Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser Brücke ist, dass sie vollständig ohne den Einsatz von Stahl realisiert wurde. Dies bietet einen erheblichen Vorteil in Bezug auf den Unterhalt des Bauwerks, da Korrosion und Abplatzungen vermieden werden können. Darüber hinaus erfordert die Brückenoberfläche keine zusätzliche Abdichtung, was zu einer Reduzierung der Wartungskosten führt. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Rutschfestigkeit der Brückenoberfläche, die mit einem R13-Wert bewertet wurde. Diese hohe Rutschfestigkeit gewährleistet die Sicherheit von Fußgängern und Fahrrädern, insbesondere unter schwierigen Witterungsbedingungen. Überzeugende Argumente für diese Brücke sind der geringe Ressourcenverbrauch und der minimale CO 2 -Fußabdruck, die im Vergleich zu konventionellen Brücken deutlich niedriger sind. Darüber hinaus benötigt sie lediglich etwa 30 Prozent der Ressourcen einer Stahlbetonbrücke und weist eine fünfmal höhere Lebenserwartung als eine Holzbrücke auf. Der Einsatz des richtigen Bausystems spielt eine entscheidende Rolle bei der Schonung der Umwelt. Die Wahl dieser CPC-Brücke trägt somit maßgeblich zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und zum sparsamen Umgang mit natürlichen Ressourcen bei. Durch die Kombination von Langlebigkeit, geringem Wartungsaufwand und einem umweltfreundlichen Herstellungsprozess setzt diese Brücke einen wichtigen Maßstab für nachhaltige Infrastrukturprojekte. 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 459 Neubau und Instandsetzung von Brücken mit CPC-Betonelementen Auch Unterhaltsfahrzeuge von über 6,0 Tonnen können die Brücke befahren. Mit diesen hohen Punktlasten kann die schlanke Brücke problemlos umgehen. Neben dem Unterhaltsfahrzeug ist die Brücke für Menschenansammlungen mit einer Last von bis zu 400 kg/ m 2 und einer Geländerlast von 160 kg/ m 2 ausgelegt, was den Vorgaben der SIA-Norm 358 entspricht. Die Brücke, die ein Eigengewicht von unter 14 Tonnen aufweist, ist in der Lage, eine Last von über 17 Tonnen zu tragen. Im Vergleich dazu ist eine Stahlbetonbrücke mit ca. 47,5 Tonnen mehr als dreimal so schwer. 3.2 Sanierung von Brücken mit CPC-Belägen Neben den Modulbrücken werden die CPC-Elemente für die Sanierung von Fuß- und Radwegbrücken als Brückenbeläge eingesetzt. Dabei bleibt die Tragkonstruktion erhalten und nur der Belag wird ausgetauscht. Insbesondere bei Holzkonstruktionen müssen die frei bewitterten Holzbohlen oft schon nach wenigen Jahren erneuert werden. Die CPC-Elemente eignen sich als Ersatz für marode Holzbohlen sehr gut. Sie garantieren über eine Lebensdauer von 100 Jahren eine hohe Verkehrssicherheit durch die Rutschhemmklasse R 13, sind sehr dauerhaft durch die hohe FT-Beständigkeit und schützen dabei die Unterkonstruktion vor Witterungseinflüssen. Abb. 9: Morsche Holzbohlen auf der Brücke am Rajen in Rhauderfehn (Quelle: Holcim (Deutschland) GmbH) Abb. 10: Einheben ganzer CPC-Elemente mittels Vakuumtraverse in Rhauderfehn (Quelle: Holcim (Deutschland) GmbH) Abb. 11: Fertig sanierte Brücke am Rajen in Rhauderfehn (Quelle: Holcim (Deutschland) GmbH) Abb. 12: Sanierung Brücke in Oldenburg (Quelle: Holcim (Deutschland) GmbH) Abb. 13: Sanierung Brückenbelag Steg in Unterägeri, Schweiz (Quelle: CPC AG) Oft werden bei der Sanierung von Fuß- und Radwegbrücken aus Holz die zu ersetzenden Holzbohlen in den gleichen kleinteiligen Abmessungen durch CPC-Bohlen ersetzt. Am wirtschaftlichsten ist allerdings der Einsatz von möglichst großformatigen CPC-Elementen, da diese am leistungsfähigsten sind, weniger Befestigungen be- 460 6. Brückenkolloquium 2024 - Oktober 2024 Neubau und Instandsetzung von Brücken mit CPC-Betonelementen nötigt werden und durch einen geringeren Fugenanteil der Unterbau am besten geschützt wird. Die Beispiele zeigen die variablen Gestaltungsmöglichkeiten mit CPC. Bei der Sanierung der Brücke in Rhauderfehn wurden die Holzbohlen durch ganze CPC-Platten ersetzt (Abb. 9-11). Für die Brücke in Oldenburg kamen großformatige CPC- Bohlen zum Einsatz (Abb. 12), während für die Sanierung des Stegs in Unterägeri das ursprüngliche Format der Holzbohlen beibehalten wurde (Abb. 13). Literatur [1] Carbonbewehrte, vorgespannte CPC-Platten aus Vergussbeton oder selbstverdichtendem Beton, Deutsches Institut für Bautechnik, allgemeine bauaufsichtliche Zulassung / allgemeine Bauartgenehmigung Z-71.3-42 [2] DAfStb-Richtlinie „Herstellung und Verwendung von zementgebundenem Vergussbeton und Vergussmörtel“, Fassung Juli 2019 [3] DIN 4102-1: 1998-05 Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen - Teil 1: Baustoffe; Begriffe, Anforderungen und Prüfungen [4]Lutz, R.; Kurath, J; Lowiner, C.; Bühler, M; Entwicklung eines hochbelastbaren, korrosionsfreien Verbindungssystems für tragende Bauten in CPC, Beton- und Stahlbetonbau, Heft Juni 2024