11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 229 Neubau, Instandsetzung und Verstärkung von Parkhäusern und Tiefgaragen mit Carbonbeton Sebastian Sauter, M. Eng solidian GmbH, Albstadt Dipl.-Chem. Detlef Koch Koch Carbon Consulting GmbH, Kreuztal Zusammenfassung Die technischen Vorteile von Carbonbewehrung können sowohl beim Neubau von Parkhäusern als auch der Instandsetzung genutzt werden. Hohe Schädigungsgrade, zunehmendes Fahrzeuggewicht, steigendes Verkehrsaufkommen und klimatische Einflüsse sind nur einige Parameter, die Bedarf für neue Instandsetzungskonzepte insbesondere im Bereich von Parkbauten schaffen. Häufig spielen begrenzte Auf bauhöhen und die Umsetzung von Sanierungsmaßnahmen während laufendem Betrieb eine zentrale Rolle. Eine Auf bauschicht aus Carbonbeton hat sich bereits vielfach in der Praxis bewährt. Carbonbewehrung weist neben hohen Festigkeiten auch hinsichtlich weiterer Aspekte Vorteile auf, wie beispielsweise die sehr geringen Rissbreiten bei feiner Verteilung der Risse im Bauteil, geringe erforderliche Betondeckung, wie auch durch das geringe Eigengewicht der Carbonbewehrung ein sehr gutes Handling und einfache Verarbeitbarkeit auch unter schwierigen Bedingungen in Bestandsbauten. Mit dem Einsatz von Carbonbeton als Anodensystem für den KKS kann einerseits mit der Carbonbewehrung eine Flächenanode mit großer Oberfläche eingesetzt werden und andererseits ein Ersatz oder eine Ergänzung von Stahlbewehrung erfolgen. Durch diesen sogenannten KKS-Carbonbeton werden häufig nur geringe Eingriffe in die Bauwerkssubstanz erforderlich und lassen somit Instandsetzungen im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen zu. 1. Einführung Carbonbeton ist ein Verbundwerkstoff, der aus Beton und einer Bewehrung aus Kohlenstofffasern besteht. Carbonbeton wird mittlerweile als Überbegriff für den Verbundwerkstoff bestehend aus Beton und nichtmetallischen Bewehrungsstrukturen verwendet. In Deutschland sind derzeit insbesondere Kohlenstoff (Carbon)- und Glasfasern beim Bauen mit nichtmetallischer Bewehrung relevant. Seltener sind beispielsweise auch Basaltfasern und Aramidfasern zu finden. Perspektivisch ist sogar die Verwendung von Naturfasern denkbar. Kurzfasern, wie vom Glasfaserbeton bekannt, sind in Carbonbeton in der Regel nicht enthalten. Erhältlich ist nichtmetallische Bewehrung als Stab, sowie als Stabmatte. Stabmatten weisen meist ähnliche Stababstände wie Baustahlmatten auf. Projektspezifisch können Listenmatten mit verschiedenen Längs- und Querabständen der Stäbe gefertigt werden. Abb. 1: Nichtmetallische Bewehrung in Stabform, hier: solidian REBAR Abb. 2: Nichtmetallische Bewehrung als Stabmatte, hier: solidian REMAT 230 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Neubau, Instandsetzung und Verstärkung von Parkhäusern und Tiefgaragen mit Carbonbeton Am häufigsten findet sich Carbonbewehrung als Gitterstruktur. Gitterbewehrung zeichnet sich gegenüber den Stäben und Stabmatten durch vergleichsweise dünne Faserstänge (Rovinge) mit engerem Achsabstand aus. Carbongitter weisen üblicherweise Achsabstände von 20 mm bis 60 mm auf. Abb. 3: Bewehrungsgitter aus Carbonfasern, hier: solidian GRID Um den Verbund der Bewehrungsgitter zur umgebenden Betonmatrix zu verbessern, kann eine zusätzliche Besandung erfolgen. Dadurch werden beste Eigenschaften hinsichtlich rissbreitenbegrenzender Wirkung und homogener Rissverteilung erreicht. Abb. 4: Bewehrungsgitter aus Carbonfasern mit Besandung, hier: solidian Anticrack Die Kombination von besandeter Oberfläche und engem Raster erzielt hier die besten Ergebnisse. Der Einfluss der Rasterweite sowie den Unterschied zwischen besandeten und unbesandeten Gittern lässt sich in der nachfolgenden Grafik erkennen. Das Diagramm zeigt die Kraftübertragung in Abhängigkeit der Rissweite eines Gitters mit 38-mm Raster (solidian GRID Q95-CCE-38), eines Gitters mit 21 mm Raster ohne Besandung (solidian GRID Q85-CCE-21) sowie 21 mm Raster mit Besandung (solidian ANTICRACK Q85-CCE-21). Abb. 5: Rissöffnungskurve mit Zugkraft [kN/ m] im Zusammenhang mit Rissweite [mm], Auswertung Versuchsreihe Dr. Marcus Hinzen (solidian GmbH) Nichtmetallische Bewehrung setzt sich aus Endlosfasern, Schlichte und Tränkungsmaterial zusammen. Die einzelnen Endlosfasern (Filamente) werden in einem Strang (Roving) mit 48.000 einzelnen Filamenten zusammengefasst. Die Schlichte fungiert als Haftvermittler zwischen Tränkungsmaterial und Faser und verbessert die Verarbeitbarkeit. Als Tränkungsmaterial kommen Reaktionsharze (bspw. Epoxid, Vinylester) oder Dispersionen (z. B. Arcylat, Styrolbutadien) zum Einsatz. Das Tränkungsmaterial hat Einfluss auf die Eigensteifigkeit sowie Festigkeit der Gitter. Expoxidharzsysteme sind gegenüber Dispersionen deutlich steifer und erreichen höhere Festigkeiten der Bewehrung. Die nachfolgende Tabelle zeigt Materialkennwerte für Carbon-, Glas - und Basaltfaser sowie Stahl nach F. Schladitz [1]: Tab. 1: Materialeigenschaften (Orientierungswerte) Stahl Glas Basalt Carbon Zugfestigkeit [N/ mm²] 550 1200 1500 3000 E-Modul [N/ mm²] 210000 73000 88000 230000 Dichte [g/ cm³] 7,85 2,7 2,6 1,8 1.1 Motivation für den Einsatz von Carbonbewehrung Carbonbewehrung bietet neue Lösungsansätze. Die Korrosionsfreiheit und Chloridresistenz der Carbon-bewehrung gewährleistet eine hohe Dauerhaftigkeit und ermöglicht die Reduktion der Betondeckung auf ein, aus Verbundgründen statisch notwendiges, Minimum. Das laufende Zulassungsverfahren für die solidian GRID Carbongitter mit voraussichtlicher Erteilung der abZ (allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung) durch das DiBt (Deutsche Institut für Bautechnik) in Q2/ 2024 zielt beispielsweise auf eine Mindestbetondeckung aus Verbundanforderung c min,b von 14 mm ab. Die Auf bauhöhe von Sanierungs- und Abdichtungsschichten kann somit gegenüber einer mit B500 bewehrten Alternative deut- 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 231 Neubau, Instandsetzung und Verstärkung von Parkhäusern und Tiefgaragen mit Carbonbeton lich reduziert werden. Neben Material und Ressourcen wird auch Eigengewicht eingespart. Die geringe Betondeckung bietet konstruktiv zudem den Vorteil, die Carbonbewehrung sehr nahe der Bauteiloberfläche verbauen zu können. Engmaschige Carbongitter mit Besandung entfalten oberflächennah angeordnet somit die optimale Wirkung auf das Rissverhalten. Die nachfolgende Darstellung [3] veranschaulicht den Zusammenhang von Rissanzahl und Rissweite: Abb. 6: Zusammenhang Rissanzahl und Rissweite, BAW MITEX (in Anlehnung an/ Büttner 2012/ ) [3] Durch die erreichte homogene Verteilung vieler feiner Risse bei zugleich geringen Rissweiten werde oftmals die planerischen Auswahlmöglichkeiten bezüglich der Oberflächenschutzsysteme weitreichender. Auch ein gänzlicher Verzicht auf Oberflächenschutzsysteme ist denkbar, Eignung des Bestandsbauwerks und entsprechende Betontechnologie sowie Ausführungsqualität vorausgesetzt. Ein weiteres Anwendungsfeld von Carbonbeton ist die Tragwerksverstärkung durch auf der Biegezugseite angebrachte Feinbetonschichten mit eingearbeiteten Carbongittern. Durch eine Verstärkung mit Carbonbeton können bereits mit sehr geringen Schichtstärken von 10-20 mm deutliche Steigerungen der Tragfähigkeit erreicht werden. Auf die aufgeraute und vorbehandelte Altbetonfläche wird im Spitz- oder Laminierverfahren ein spezieller Feinbeton aufgebracht und anschließend ein Carbongitter in den frischen Beton eingearbeitet. Je nach statischem Erfordernis können mehrere Lagen aufgebracht werden. Neben dem gegenüber Spitzbeton deutlich geringen Eintrag von Eigengewicht bieten die Gitter durch das geringe Flächengewicht Vorteile beim Handling, insbesondere über Kopf. Anwendungsfelder und Grenzen des CARBOrefit Systems können der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung (abZ/ abG Nr. Z-31.10.182) entnommen werden. Abb. 7: Beispielhafter Auf bau einer Carbonbetonverstärkung 2. Carbonbewehrung in Parkbauten Eigentümer von Parkbauten werden im Laufe der Jahre zunehmend mit Chloridbelastungen von ihren tragenden Betonbauteilen konfrontiert. Wird im Falle eines Neubaus Carbonbewehrung anstelle von B500 verwendet, ist Bewehrungskorrosion bereits stofflich ausgeschlossen. Wird hingegen bei herkömmlicher Stahlbetonbauweise im Zuge von Überprüfungen überhöhte Chloridkonzentrationen, oder ggf. bereits Chloridkorrosion an der Stahlbewehrung festgestellt, entsteht oft unmittelbarer Handlungsbedarf [4]. 2.1 Neubau Parkhaus Hirschberg Ein imposantes Bauwerk, bei dem Carbonbeton zum Einsatz kam, ist das Mitarbeiterparkhaus in Hirschberg an der Bergstraße von der Firma Goldbeck. Es ist das weltweit erste Parkhaus mit Carbonbeton. Das Pilotprojekt entstand in enger Zusammenarbeit mit dem Systemhersteller Goldbeck und dem Hersteller der Carbonbewehrung solidian. Bei dem Projekt wurden die industriell hergestellten Fertigteildeckenplatten im eigenen Werk von Goldbeck im Rahmen einer ersten kleineren Serienproduktion ausschließlich mit solidian GRID bewehrt und produziert. Das bedeutet: Die Carbonbetonplatten haben hinsichtlich ihrer Spannweite immer die gleichen Abmessungen, so dass es lediglich eine einzige Bewehrungsposition gibt. Auf Grund der hohen Festigkeiten und den Systemabmessungen des Bewehrungsgeleges von 2,50- x- 8,00 m, welche auf die Bauteilgröße abgestimmt ist, konnte das solidian GRID für bzw. mit Goldbeck optimiert werden. [5] 232 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Neubau, Instandsetzung und Verstärkung von Parkhäusern und Tiefgaragen mit Carbonbeton Abb. 8: Das Parkhaus Hirschberg von der Firma Goldbeck ist weltweit das erste Parkhaus mit Carbobeton 2.2 Instandsetzung Marquardt-Bau Stuttgart Der Marquardt-Bau ist ein ehemaliges Hotel, das heute als Büro-, Einzelhandels- und Kulturgebäude genutzt wird. Zu dem Objekt gehört eine Tiefgarage - die erste, die in Stuttgart jemals gebaut wurde. Sie war in die Jahre gekommen und musste dringend saniert werden. Ein Grund hierfür war, dass das Tragwerk korrodierte und zudem nicht mehr den anfallenden Lasten entsprach. Im Zuge des Betonabtrages der chloridkontaminierten horizontalen Flächen entschied sich der Tragwerksplaner im Neuauf bau für den Einsatz von dünnen Carbonbetonschichten. 2017 wurde die Tiefgarage des Marquardt-Baus einer Bauwerksuntersuchung unterzogen. In deren Zusammenhang wurde zunächst die Bestandssituation ermittelt. Bei ihr stellten die Verantwortlichen fest, dass das Tragwerk des Gebäudes aus einem alten Stahlskelett besteht, das durch Stahlbetonstützen und wände ergänzt wird. Die Decken sind als Stahlbeton-Rippendecken ausgebildet. Das Parkhaus besteht aus zwei Ebenen, wobei das erste Untergeschoss über eine zweispurige viertelgewendelte Rampe erschlossen wird. Von hier aus gelangt der Besucher über eine gerade Abfahrtrampe ins zweite Untergeschoss bzw. über eine halbgewendelte Auffahrtrampe wieder zurück. Alle Rampen und Fahrdecken sind aus Stahlbeton. Bei der Analyse des Gebäudezustandes zeigte sich, dass das Stahlskelett unterdimensioniert und dass der Stahl zudem durch Chloride (Tausalz) stark geschädigt war. Das bedeutete, dass das Parkhaus dringend saniert werden musste. Die Planungsarbeiten hierzu übernahmen das Architekturbüro Steinmetz & Loeckle Architekten aus Stuttgart und das Ingenieurbüro Knaak & Reich aus Reutlingen. Sie bestimmten unter anderem die Verfahren, die notwendig waren, um das Tragwerk zu verstärken und vor weiterer Korrosion zu schützen. Um es zu entlasten, musste eine Möglichkeit gefunden werden, auf der rund 1600 m² großen Fläche Gewicht einzusparen. Denn aufgrund der unterschiedlichen Gefällesituationen der Tiefgaragendecken hätten sich hier mit herkömmlicher Bewehrung sehr schwierige Einbaubedingungen ergeben. In klassischer Stahlbetonbauweise wäre es lokal zu Mehrstärken von ca. 3-4 cm gekommen, in den unkritischen Zonen Mehrstärken von ca. 2-3-cm. Dieses zusätzliche Gewicht von 0,5 bis 1,0 kN/ m² war von der primären Stahl-Tragkonstruktion nicht aufzunehmen. Als hervorragender Lösungsweg erwies sich der Einbau von Carbonbeton. Abb. 9: Bauphase mit Carbonbewehrung, Marquardt- Bau Er bietet gleich mehrere Vorteile, die sich auf diese Bausituation positiv auswirkten: Erstens ist er wesentlich leichter als eine vergleichbare Bewehrung aus Stahl und zweitens - was noch viel wichtiger ist - er korrodiert nicht. Das bedeutet, die Betonüberdeckung kann wesentlich dünner ausfallen als bei normalem Beton. Also entschieden sich die Verantwortlichen dazu, die obere Schicht der Fahrbahnplatten sowie der Rampen abzutragen und diese durch eine wesentlich dünnere Carbonbetonschicht zu ergänzen. Die Arbeiten hierzu übernahm die Firma Geiger Bauwerksanierung GmbH & Co.KG aus Filderstadt. Auf der Suche nach einem geeigneten Anbieter entschieden sich deren Mitarbeiter für die solidian GRID Carbonbewehrung, welche entweder als ebene Mattenware oder als Rollenware erhältlich ist. Die Rollenware erleichtert den Einbau, beschleunigt den Bauablauf, reduziert Verschnitt sowie Übergreifungsflächen und ermöglicht eine wirtschaftlich optimierte und technisch hochwertige Ausführung. Das Ergebnis der Sanierung zeigt das nachfolgende Bild: Abb. 10: Tiefgarage nach Sanierung, Marquardt-Bau Stuttgart 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 233 Neubau, Instandsetzung und Verstärkung von Parkhäusern und Tiefgaragen mit Carbonbeton 3. KKS-Carbonbeton Aufgrund der Tatsache, dass sich Carbonbewehrungen als elektrische Leiter eignen, werden diese zunehmend häufiger für KKS-Anwendungen eingesetzt. Das Carbonbetonsystem wird dabei nach Abb. 11 aufgebaut und direkt auf die vorbereiteten Betonoberflächen aufgebracht. Dabei wird eine speziell modifizierte textile Carbonbewehrung (Gelege oder Gewebe) in einem geeigneten Mörtel eingebettet. Dieser Mörtel besitzt im Idealfall einen geringen elektrischen Eigenwiderstand, niedrige Übergangswiderstände zum Carbon, sowie zum Untergrundbeton, um eine leichtere Polarisation zu ermöglichen. [6] Abb. 11: Auf bau des KKS-Carbonbetons Die mechanischen Eigenschaften (E-Modul, Druck- und Biegezugfestigkeiten etc.) sowie (falls erforderlich) Oberflächenschutzsysteme sind dabei auf den speziellen Anwendungsfall angepasst. Der kathodische Korrosionsschutz wird hierbei hergestellt, indem die Bewehrung des Stahlbetons an den Minuspol einer Gleichstromquelle angeschlossen wird, bei gleichzeitiger anodischer Schaltung der textilen Carbonbewehrung. Eine Stromeinspeisung erfolgt da-bei über MMO-beschichtete Titanbänder (als Primäranode), siehe Abb. 11 und 12. [6] Nachfolgend ist ein schematischer Auf bau eines typischen linearen KKS-Carbonbetons eines Rissbereichs im Parkhaus dargestellt. Abb. 12: Anschlussdetail KKS-Carbonbeton 3.1 Beispiele für KKS im Grenzbereich Nachfolgend werden eigene Beispiele und Bilder für KKS im Grenzbereich dargestellt. Einige Randinformationen zu den Objekten sind den Auflistungen und Bildunterschriften zu entnehmen. Objekt 1: Multiple Risse durch späten Zwang einer Tiefgarage in Siegen • Baujahr 2006, 3200 m² • ausgebildet als weiße Wanne mit starrem OS • multiple Risse (v. a. > 0,5 mm) • späte Zwänge • vielfache vergebliche Vorsanierungen Abb. 13: Ausschnitt der Risskartierung Abb. 14: Linearer KKS-Carbonbeton in den Rissbereichen einer Tiefgarage zur lokalen Verstärkung und Kathodischem Schutz 234 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Neubau, Instandsetzung und Verstärkung von Parkhäusern und Tiefgaragen mit Carbonbeton Objekt 2: Stützensanierung mit geringem Zeitfenster in einer Verzinkerei in Freudenberg • Baujahr 1969 • Stahlbetonstützen, Spannbetonbinder • Mangelhafte Oberflächenschutzsysteme • aktive Korrosion • hohe Chloridwerte durch Salzsäurebecken • keine Sperrzeiten möglich Abb. 15: KKS-Carbonbeton von Stützen einer Verzinkerei Abb. 16: Instandsetzung bei laufendem Betrieb Literatur [1] Dr.-Ing. F. Schladitz, Handbuch Carbonbeton, Ernst & Sohn 2023, S. 7 [2] BAW Merkblatt: Flächige Instandsetzung von Wasserbauwerken mit textilbewehrtem Mörtel- und Betonschichten (MITEX) Ausgabe 2019, S. 13. [3] Dipl.-Ing. S. Gießer, Tagungsband Carbon- und Textilbetontage 2021. [4] THIS - Tiefbau, Hochbau, Ingenieurbau, Straßenbau, Ausgabe 09/ 2020. [5] A. Asgharzadeh, M.Raupach, D.Koch und M. Mahjoori, Kathodischer Korrosionsschutz für Parkbauten mit carbontextilbewehrtem Spezialmörtel, 2016. [6] B. Neuberger, „Ein Beitrag zur Untersuchung von Einflussfaktoren auf die elektrische Leitfähigkeit von Betonen und Mörteln in kathodischen Korrosionsschutzsystemen,“ Universität Siegen, Siegen, 2018.