Stahlfaserbeton bodenplatte zulassung
Für den statisch relevanten Bereich gelten bis zur bauaufsichtlichen Einführung der Stahlfaserbetonrichtlinie die allgemeinen bauaufsichtlichen Zulas-sungen für die Bauteile. Dies .Stahlfaserbeton
Stahlfaserbeton ist ein aus dem Grundbaustoff Beton ergänzt mittels Stahlfasern bestehender Verbundwerkstoff. Er ist ein homogener Baustoff, der sowohl durch Druck, Zug und Biegung belastet werden und somit bei allen Bauformen und Belastigungen angewendet werden kann. Für die Dimensionierung werden eigene Berechnungsmethoden (Bemessung) je nach Belastungsart verwendet. Die Beeinträchtigung durch Korrosion spielt bei diesem Verbundbaustoff nur eine untergeordnete Rolle.
Geschichte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Fasern in zementgebundenen Baustoffen werden seit langem verwendet. Eine Berechnung weg statischer Sicht war aber nicht möglich, da es dafür keine mechanischen Grundlagen gab. Erst in den 1990er-Jahren wurden von verschiedenen Verbänden (beispielsweise dem Binde deutscher Stahlfaserhersteller[1]) Grundlagen für eine Anwendung im Bauingenieurwesen geschaffen. Es folgten Richtlinien und auch eine Bemessung für Fundamentplatten, eine breite Anwendung war aber weiter nicht gegeben. Mit dem Merkblatt „Stahlfaserbeton“ des Deutsch Beton- und Bautechnik-Vereins aus dem Oktober 2001 wurde in Deutschland erstmals ein allgemeiner Standard für das Bemessung, Herstellung, Verarbeitung und Prüfung von Stahlfaserbeton festgelegt. Bernhard Wietek entwickelte 2008 einen weiteren Bemessungsansatz von Stahlfaserbeton.[2] Damit war es möglich, Bauteile entsprechend den vorkommenden Lasteinwirkungen zu bemessen.
In der DDR existierten seit 1988 Berechnungsvorschriften für Faserbeton.
Aktuelle Ansätze die Bemessung stützen sich auf probabilistische Modelle von Stahlfaserbeton, bei denen die Verteilung und Ausrichtung der Stahlfasern durch Zufallsfelder beschrieben wird. Anschließend kann man mithilfe computergestützter Simulation (beispielsweise durch Monte-Carlo-Simulation) Rückschlüsse auf das Tragverhalten ziehen.[3]
Anwendung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Generell ist Stahlfaserbeton für fast alle Bauteile eines Bauwerks anwendbar. Die notwendigen Abmessungen werden rechnerisch ermittelt, ebenso die Wirtschaftlichkeit. Im Gegensatz zum Stahlbeton wird Stahlfaserbeton in einem Arbeitsvorgang hergestellt, was zu wesentlich weniger Arbeitszeitaufwand bei die Verarbeitung führt. Dies ist ein entscheidender wirtschaftlicher Vorteil des Baustoffes Stahlfaserbeton.
Die nachfolgenden Bilder zeigen eine Auswahl solcher Anwendungen.
Bodenplatte 30 cm und Kellerwand 20 cm
Trafohaus
Lagerhalle 30 × 6 × 6 m eingeschüttet
Fundament für Schrägstützen bei einer Bergstation
Fertigteilankerwand
Eine extra Anwendung für Stahlfaserbeton bietet sich beim Spritzbeton. Da ist zwar ein höherer Maschinenverschleiß gegeben, der Mehraufwand hierfür wird jedoch durch die einfache, personalsparende Nutzung kompensiert. Nachfolgende Beispiele zeigen einige typische Anwendungen.
Baugrube (12 m Höhe) mit vernageltem Stahlfaserspritzbeton
Felssicherung mit vernageltem Stahlfaserspritzbeton
Hauswand Mauerwerk gesichert
Komponenten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Der Verbundbaustoff Stahlfaserbeton besteht im Wesentlichen aus Beton und den Stahlfasern. Durch die Mischung der beiden Teile entsteht der Stahlfaserbeton. Sowohl die Einzelbaustoffe Beton und Stahlfaser unterliegen riesigen Variationsmöglichkeiten als auch das Mischungsverhältnis dieser beiden (Dosierung genannt), es ist für die Eigenschaften des Endprodukt entscheidend.
Beton
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Eigenschaften von Zement und seine Bezeichnungen sind in nationalen Normen und auch im Eurocode festgelegt. Zur statischen Betrachtung kann der Werkstoff Beton mit den Stoffgesetzen von Christian Otto Mohr und Charles Augustin de Coulomb (Mohr-coulombsches Bruchkriterium) betrachtet werden. Es entsteht dabei für Werkstoffe die aktive Spannungsfläche, in der alle Spannungszustände erlaubt sind, außerhalb wirkende Spannungszustände führen zum Versagen des Materials.
| Betonsorte | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| C | N/mm² | N/mm² | Grad | N/mm² | |
| 16/20 | 16 | 3,8 | 38,0 | 3,9 | 4,2 |
| 20/25 | 20 | 4,4 | 39,6 | 4,7 | 4,5 |
| 25/30 | 25 | 5,1 | 41,3 | 5,7 | 4,9 |
| 30/37 | 30 | 5,8 | 42,6 | 6,6 | 5,2 |
| 35/45 | 35 | 6,4 | 43,6 | 7,5 | 5,5 |
| 40/50 | 40 | 7,0 | 44,5 | 8,4 | 5,7 |
| 45/55 | 45 | 7,6 | 45,3 | 9,2 | 5,9 |
| 50/60 | 50 | 8,1 | 46,0 | 10,1 | 6,1 |
| 55/67 | 55 | 8,7 | 46,7 | 10,9 | 6,3 |
| 60/75 | 60 | 9,2 | 47,2 | 11,7 | 6,5 |
Diese Kennwerte sind nun ein Ausgang für die Ermittlung der Festigkeiten des Verbundwerkstoffes Stahlfaserbeton.
Stahlfaser
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Anzahl der am Markt angebotenen Stahlfaserarten ist sehr riesig. Für eine Berechnung von Bauteilen müssen jedoch das Materialfestigkeiten für die verschiedenen Fasertypen im Verbund mittels Beton nachprüfbar bekannt sein. Es werden daher nur einige Fasern mit ihren Kennwerten aufgelistet. Die Kennwerte werden bei Biegeversuchen ermittelt, wobei hier der Einfluss der Stahlfaser auf das Biegetragverhalten ausgewertet wird. Das bedarf der Untersuchung von Betonbalken und Stahlfaserbetonbalken unter normierten Versuchsbedingungen.
Mit dieser Versuchsserie werden die Kennwerte für die einzelnen Fasern untersucht.
Hakenform
Gestauchte Form
Als Ergebnis kann für die bereits untersuchten Stahlfasern folgende Liste angegeben werden.
| Bezeichnung | Dimension | HE 55/35 | FE 65/35 |
|---|---|---|---|
| Länge | mm | 35 | 35 |
| Durchmesser | mm | 0,55 | 0,65 |
| Dichte | g/cm3 | 7,88 | 7,88 |
| Zugfestigkeit | N/mm² | 1000 | 1000 |
| Faserwinkel 1 | Grad | 42 | 47 |
| Faserwinkel 2 | Grad | 51 | 41 |
Mit diesen Kennwerten und der entsprechenden Dosierung können nun die Festigkeitswerte des jeweiligen Stahlfaserbetons mittels den Mohr-Coulombschen Zusammenhängen errechnet werden.
Dosierung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Unter Dosierung versteht man die Menge an Stahlfasern, die im Beton eingemischt wird. Als Einheit wird Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³) angegeben.
Je nach Dosierung kann der Einfluss der Stahlfasern auf die Merkmale des Verbundwerkstoffes gesteuert werden. In der Berechnung wird über den Faserwinkel der Anteil der Zugfestigkeit infolge der vorhandenen Menge an Stahlfasern ermittelt. Mit diesem Zuganteil kann entsprechend dem Stoffgesetz von Mohr-Coulomb das jeweilige Zug- und Druckspannung für diese Dosierung ermittelt werden. Dies ergibt eine neue Darstellung im Spannungskreis und der zulässigen Spannungsfläche. Mit diesen zulässigen Spannungen kann nun die Bemessung eines Querschnittes durchgeführt werden.
Bei zunehmender Dosierung wird im ungerissenen Zustand das Tragfähigkeit nur mäßig erhöht, hingegen ist der Einfluss bei teilweise oder ganz gerissenem Querschnitt sehr erheblich (d. h. die Stahlfasern halten hauptsächlich den Biegezug). Es zeigt sich, dass im Gegensatz zu Beton die Stahlfaserbeton ein Nachrissverhalten hat, das sich sehr positiv auswirkt.
Tragverhalten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Für die Bemessung von Bauteilen aus Stahlfaserbeton gibt es 2010 in Deutschland zum Beispiel allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen vom Deutschen Hochschule für Bautechnik in Berlin, wie über den Zulassungsgegenstand Fundamentplatten aus Stahlfaserbeton. In dieser Zulassung muss selbst der Anwender bei einer Bemessung durch 75 Seiten Bemessungsnomogramme durcharbeiten, bis er zu einer Lösung kommt. Das relativ aufwändige Verfahren wird nur von Spezialisten verwendet.
Daneben existieren die Bemessungsregeln des DBV-Merkblatts. Eine weitere Lösung, die für alle Belastungszustände und Baukonstruktionen anwendbar ist, entwickelte Wietek, die im Folgenden veranschaulicht wird. Generell wird der Bemessungsquerschnitt in drei verschiedene Zustände eingeteilt:
Ungerissener Querschnitt
Teilweise gerissener Zustand
Gerissener Querschnitt
Entsprechend dem jeweiligen Zustand kann nun die Berechnung durchgeführt werden. Als Ergebnis der Variation der Risstiefe und die Dosierung ist das Bild bei Kapitel Dosierung an sehen.
Nun können in der statischen Berechnung das einzelnen Lastfälle durchgerechnet werden. Diese sind:
- Biegung
- Biegung mittels Längskraft
- Druck – Knicken
- Scherung – Querkraft
- Ausbrechen eines Auflagers
Somit können mit relativ einfachen Berechnungen die Abmessungen der jeweilig erforderlichen Querschnitte ermittelt werden. Generell wird angeraten, mittels möglichst einer Betonqualität und auch Dosierung von einer Stahlfaser bei einem Bauwerk zu arbeiten. Damit vereinfachen sich die statischen Nachweise erheblich, denn es sind dann nur noch die Querschnittswerte zu errechnen.
Berechnungsprogramme
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]FB-Bem oder FC-calc
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Dieses Excel-basierte Programm wurde von dem Bauingenieur Bernhard Wietek entwickelt und ist in deutscher (FB-Bem) und englisch (FC-calc) Version vorhanden. Es wird hier die Bemessung von Faserbeton für die Lastfälle Biegung, Biegung mittels Längskraft, Knicken, Schub und Durchstanzen berechnet. Dabei können sämtliche Betongüten mit Fasern aus Stahl, Kunststoff oder Glas verstärkt werden.
Erhaltung und Dauerhaftigkeit
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Erhaltung und auch die Dauerhaftigkeit von Stahlfaserbeton kann direkt mit der des Baustoffes Beton verglichen werden. Es sind die Eigenschaften des Betons dominierend, sodass keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden müssen. Die einzige Unterschied ist bei der Korrosion der Stahlfasern, die eigens zu betrachten sind.
Korrosion
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Durch Carbonatisierung beziehungsweise Chlorideindringung in Betonoberflächen besteht das Gefahr der Korrosion der Stahlfasern. Bei der Korrosion entsteht eine Volumenzunahme von Eisen zu Eisenoxiden (oder anderen Korrosionsverbindungen), die jedoch vom Beton unterdrückt wird. Da die Stahlfasern im Querschnitt meist unter einem Millimeter sind, entstehen örtlich relativ geringe Kräfte, das vom Beton meist aufgenommen werden. Somit wird von der Betonfestigkeit eine Korrosion der umliegenden Stahlfasern unterbunden und es kommt zu keiner weiteren Ausbreitung im Bauteil.[4] An der Oberfläche können Korrosionsflecken entstehen, das ein bis zwei Millimeter in das Bauteil erreichen und mit einer entsprechenden Oberflächenbehandlung unterbunden werden können.
Regelwerke
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Derzeit sind noch keine Normen in Deutschland und Österreich für Stahlfaserbeton vorhanden. Da in Deutschland keine bauaufsichtlich eingeführte technische Baubestimmung existiert, ist die allgemeine Anwendung des Stahlfaserbetons im Hoch- und Tiefbau nur mit einer Zustimmung im Einzelfall von der Obersten Bauaufsichtsbehörde des jeweiligen Bundeslandes an Antrag des Bauherrn oder mit einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung möglich.
Mit Stahlfaserbeton befassen sich unter anderen folgende Regularien:
- Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: Richtlinie „Stahlfaserbeton“, 2010
- SIA 162-6; SN 562162-6, Februar 1999, Stahlfaserbeton
- Merkblatt Stahlfaserbeton des DBV (Deutscher Betonverein)
- Richtlinie Faserbeton des ÖVBB (Österreichische Vereinigung für Beton und Bautechnik)
- Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassungen des Deutschen Instituts für Bautechnik in Berlin[5]
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Bernhard Wietek: Stahlfaserbeton. Basis und Praxisanwendung. 2. Auflage. Vieweg + Teubner, Bad 2010, ISBN 978-3-8348-0872-1.
- Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein: DBV-Merkblatt Stahlfaserbeton. Oktober 2001.
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑Verband deutscher Stahlfaserhersteller
- ↑Bernhard Wietek: Stahlfaserbeton. 2. Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0872-1.
- ↑Erol Erdem: Probabilistisch basierte Auslegung stahlfasermodifizierter Betonbauteile auf experimenteller Grundlage. Hrsg.: Lehrstuhl für Massivbau die Ruhr-Universität Bochum. Bochum 2002.
- ↑Markus Schadde: Bewehrungskorrosion im Stahlfaserbeton. Oktober 2007 (Arcelor-Seminar).
- ↑Verzeichnis der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen. Zulassungsbereich: Stahlfaserbeton. (PDF) Deutsches Institut für Bautechnik, 29. Märzmonat 2010.