Hochleistungs-Betonfertigteile für Freileitungsmaste

1. Einleitung

Die Energiewende in Deutschland stellt neue Herausforderungen an den Stromtransport. Die Netzlandschaft soll möglichst schnell für den Umstieg auf die erneuerbaren Energien aufgerüstet und zukunftssicher gestaltet werden, wobei sich der Bau neuer Trassen nicht vermeiden lässt [1]. Diese enorme Anstrengung muss u. a. unter Berücksichtigung der übergeordneten Herausforderungen „Mensch und Umwelt“ sowie „Technikalternativen“ sichergestellt werden und darüber hinaus auch die „Wirtschaftlichkeit“ berücksichtigen.

Für den Ausbau des 380 kV-Höchstspannungsnetzes setzen die Netzbetreiber derzeit noch auf den verfügbaren Stand der Technik und planen als Konstruktion für Freileitungsmasten mit der flächenintensiven Stahlgitterbauweise. Als Argument für den Stahlgittermast werden, neben dem verfügbaren Stand der Technik, oftmals die geringen Kosten genannt. Wegen Bedenken der Öffentlichkeit gegenüber dem Einfluss auf die menschliche Gesundheit, die Natur und auf das Landschaftsbild, steht die Genehmigung von Stahlgittermasten verstärkt in der Diskussion. Der Widerstand gegen Freileitungen für wichtige neue Höchstspannungsleitungen ist hauptsächlich einer ablehnenden Haltung der Bevölkerung und Politik gegen „Monstertrassen“ mit Stahlgittermasten geschuldet.

In diesem Zusammenhang wurde vom BMWi das Verbundforschungsvorhaben „Kompakt-Höchstspannungsmaste und Traversen“ (kurz: KoHöMaT) zur Entwicklung einer umwelt- und ressourcenschonenden Bauweise für Freileitungsmaste im Zuge von Höchstspannungsleitungen gefördert, welches durch eine Vollwandbauweise und die kompakte Anordnung der Leiterseile zu einer wesentlichen Reduzierung der Trassenbreite und des erforderlichen Flächen- und Raumbedarfs führt. Darüber hinaus ergeben sich als Folge der neuartigen Mastkonstruktion und des optimierten Mastdesigns eine hohe Tragsicherheit sowie geringe Instandhaltungs- und Lebenszykluskosten.

2. Neuartige Mastkonstruktion

In Frankreich, Dänemark, den Niederlanden und Italien werden derzeit Betonmaste als alternative Bauweise zu den bisherigen Stahlgitterlösungen diskutiert und z. T. schon eingesetzt, denen neben anderen Aspekten eine wesentlich höhere Akzeptanz in der Bevölkerung beigemessen wird.

Betonmaste finden bis zum heutigen Zeitpunkt weltweit im Allgemeinen nur im Niederspannungsbereich und bis ca. 20 m Masthöhe Verwendung [2]. Die prinzipielle Anwendungsmöglichkeit der Betonmastbauweise, auch für hohe Maste und für Maste im Höchstspannungsbereich, wurde aber z. B. schon in folgenden Projekten nachgewiesen:

Mast 310 (in Form eines doppelten Abspannmastes) der 380 kV-Leitung Innertkirchen - Littau - Mettlender in der Schweiz mit einer Höhe von fast 60 m, fertiggestellt in Ortbetonbauweise im Jahr 1990 [3]

Mast 1 (in Form eines Industrieschornsteins) der 380 kV-Leitung vom Kraftwerk „Reuter“ zum Kraftwerk „Reuter West“ in Berlin mit einer Höhe von 66 m, fertiggestellt in Ortbetonbauweise im Jahr 1987 [4]

Tragmaste der 500 kV-Leitung für die Jangtse-Freileitungskreuzung Nanjing in China mit einer Höhe von 257 m, fertiggestellt in Ortbetonbauweise im Jahr 1992 [5]

Für die Herstellung von Mastkonstruktionen aus Beton bietet das Schleuderverfahren wesentliche Vorteile im Vergleich zu üblichen Beton-Fertigungsverfahren. Zum einen wird eine höhere Betondruckfestigkeit und Betongüte erzielt (bis zu 30 % höhere Druckfestigkeit bei gleicher Betonrezeptur), was sich positiv auf die erforderliche Querschnittsfläche und damit auf das Gewicht bzw. den Materialeinsatz auswirkt. Des Weiteren wird der Bewehrungs- und Spannstahl durch die hohe Verdichtung des Betons infolge des Schleuderns optimal vor Korrosion geschützt. Ein weiterer positiver Effekt des Schleuderverfahrens ist die hohe Oberflächenqualität. Durch den Einsatz von Hochleistungswerkstoffen (z. B. UHPC, hochfeste Betonstahlbewehrung) können diese Eigenschaften weiter verbessert sowie die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Schleuderbetonmasten weiter gesteigert werden.

Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens KoHöMaT wurden vom iBMB, Fachgebiet Massivbau der TU Braunschweig in Kooperation mit der Firma Europoles GmbH & Co. KG (Europoles) vorgespannte Hochleistungsfertigteile aus ultra-hochfestem Schleuderbeton und hochfester Bewehrung entwickelt, die für den Einsatz als Höchstspannungsmasten optimiert wurden und eine wirtschaftliche Alternative zu Stahlgittermasten darstellen. Für die Herstellung im Schleuderverfahren wurden zunächst eine UHPC-Rezeptur entwickelt und optimiert sowie die Eigenschaften und das Zusammenwirken mit normal- und hochfester Bewehrung wissenschaftlich geprüft. Für die praktische Anwendung der KoHöMaT wurden zudem das strukturmechanische Verhalten der Betonmaste durch Versuche im Realmaßstab untersucht.

3. Entwicklung und Optimierung eines Hochleistungsbetons

Schleuderbeton ist eine besondere Art der Herstellung und Verdichtung von Beton. Bei der Herstellung von Schleuderbetonbauteilen wird eine rotationssymmetrische Schalung eingesetzt, in der der vorgefertigte Bewehrungskorb eingelegt und der Beton eingefüllt wird. Anschließend wird die Schalung auf einer Schleuderbank mit einer Geschwindigkeit von etwa 600 Umdrehungen pro Minute um ihre Längsachse in Rotation versetzt. Der Beton wird infolge der Zentrifugalkräfte mit etwa 20-facher Erdbeschleunigung gegen die Innenwand der Schalung gedrückt und verdichtet. Der Schleudervorgang wird beendet, sobald der Beton eine ausreichende Grünstandfestigkeit aufweist.

Grundsätzlich werden bei der Entwicklung eines Hochleistungsbetons für die Herstellung von Betonmasten im Schleuderverfahren bestimmte Anforderungen an den Beton gestellt, u. a. eine definierte Fließfähigkeit und Verarbeitbarkeit bei gleichzeitig hoher Grünstandfestigkeit. Darüber hinaus muss beim Einsatz in Freileitungsmasten (für Höchstspannungsleitungen) das Materialverhalten z. B. in Hinblick auf den Ermüdungswiderstand (durch Windbelastung etc.) oder den Widerstand gegen thermische und elektrische Belastung beachtet werden. Und schließlich ergeben sich besondere Herausforderungen bei der Herstellung der großformatigen Versuchsmaste. Dies zum einen aus der neuen Betontechnologie und den darauf abzustimmenden Produktionskenngrößen und zeitlichen Abläufe sowie zum anderen aus der Anpassung der Verfahrensweise auf das neuartige Mastdesign. In diesem Zusammenhang sind u. a. die großen Durchmesser und das dadurch erforderliche Betonvolumen sowie die gewählte Konizität der Maste und die Stabilisierung des dadurch hervorgerufenen Längstransports des Betons während des Schleudervorgangs zu nennen.

Um diese vielfältigen Anforderungen zu erfüllen, wurde von der Fa. Europoles ein für das Schleuderverfahren geeigneter ultrahochfester Beton entwickelt und in Kooperation mit dem iBMB, Fachgebiet Massivbau der TU Braunschweig durch stetige Anpassung der Betonzusammensetzung hinsichtlich der Produktions- sowie Frisch- und Festbetoneigenschaften optimiert ([6], [7], [8]).

Der entwickelte ultrahochfeste Schleuderbeton (UHPSC: Ultra High Performance Spun Concrete) basiert auf einer Weiterentwicklung der Rezeptur für hochfeste Schleuderbetone bis C100/115, die bereits für die Herstellung von Masten, Stützen und Balken bauaufsichtlich zugelassen ist [9]. Die Ausgangsstoffe für den UHPSC sind Normzement, Sand und Basaltsplitt [10]. Darüber hinaus werden Microsilika und Quarzmehl als Zusatzstoffe verwendet, die sowohl die Festigkeit erhöhen als auch die Verarbeitbarkeit des Frischbetons positiv beeinflussen. Die Steigerung der Festigkeit wurde zudem durch eine Verringerung des effektiven Wasser-Bindemittel-Wertes erreicht. Die sich aus dem Schleuderverfahren ergebenden Anforderungen an die Frischbetoneigenschaften des UHPSC konnten durch die Kombination von zwei Fließmitteln auf PCE-Basis erfüllt werden, wobei eines für eine sehr gute Anfangsverflüssigung sorgt und durch das zweite die Konsistenzhaltung eingestellt wird. Durch das Verhältnis beider Zusatzmittel konnte die Zeitspanne der Verarbeitbarkeit, auch in Abhängigkeit von der Betontemperatur, beeinflusst werden.

Für die optimierte UHPSC-Rezeptur wurden das Kurz- und Langzeitverhalten des Betons durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen am iBMB, Fachgebiet Massivbau der TU Braunschweig, ermittelt und die bemessungsrelevanten Materialkennwerte bestimmt [8]. Die Untersuchungen umfassten:

Spannungs-Stauchungs-Beziehung

Druckfestigkeit (inkl. Festigkeitsentwicklung)

Elastizitätsmodul

Zugfestigkeit

Ermüdungsverhalten (unter Druckschwellbelastung)

Dauerstandverhalten

Kriech- und Schwindeigenschaften

Verbundverhalten (zum Beton- und Spannstahl)

Insgesamt wurden ca. 600 Begleitkörperprüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse der insgesamt über 300 Druckfestigkeitsprüfungen an Schleuderbeton-Bohrkernen (SB-BK, h/d = 110/55 mm), Rüttelbeton-Bohrkernen (RB-BK, h/d = 110/55 mm), Rüttelbeton-Normzylindern (RB-Z) und Rüttelbeton-Normwürfeln (RB-W) sind in Bild 3 zusammengefasst. Weitere Ergebnisse zu den mechanischen Kennwerten des UHPSC (Spannungs-Stauchungs-Beziehung, E-Modul, Zugfestigkeit) können [8] und [11] entnommen werden.

Neben den Eigenschaften unter Kurzzeitbeanspruchung wurden auch Untersuchungen zum Langzeitmaterialverhalten des UHPSC durchgeführt. Hinsichtlich des Dauerstandverhaltens (auch bei sehr langen Standzeiten) konnte auf Basis von Dauerstandversuchen an Schleuderbetonbohrkernen (h/d = 110/55 mm) in erster Näherung ein Dauerstandsgrenzwert von αlim ≈ 0,90 abgeschätzt werden (Bild 4, links). Hieraus kann, unter Berücksichtigung eines Umrechnungsfaktors von Schleuderbeton-Bohrkernen (h/d = 110/55 mm) auf Normzylinder (h/d = 300/150 mm) von 1/1,09 (vgl. [8]), ein Dauerstandsbeiwert von αcc ≈ 0,9/1,09 ≈ 0,85 abgeleitet werden, der auch aus anderen Untersuchungen und normativen Regelungen bekannt ist ([12], [13]). Für eine abgesicherte Angabe der Dauerstandfestigkeit bedarf es jedoch noch weiterer Untersuchungen.

Darüber hinaus konnte anhand von ausgewählten Ermüdungsversuchen an Schleuderbeton-Bohrkernen unter Druckschwellbeanspruchung gezeigt werden, dass der UHPSC grundsätzlich ein ähnliches Ermüdungsverhalten wie normal- und hochfeste Rüttelbetone aufweist (vgl.  Bild 4 rechts, [11]), und dass die vorhandenen normativen Modelle in guter Näherung für die Auslegung der neuartigen Maste verwendet werden können. Für den allgemeinen Einsatz des UHPSC in anderen Strukturen müssten dann weitere Untersuchungen mit den bauwerkspezifischen Randparametern erfolgen.

4. Hochleistungs-Betonfertigteilmaste

Für die Entwicklung innovativer und raumoptimierter Schleuderbetonmaste kamen neben dem ultrahochfesten Schleuderbeton weitere Hochleistungswerkstoffe (z. B. eine hochfeste Betonstahlbewehrung SAS670) zum Einsatz. Auf Basis einer Parameterstudie wurden die Effizienz des Einsatzes des ultrahochfesten Betons in Kombination mit hochfester Betonstahlbewehrung (Optimierung der Ausführungsdicke der Mastwandung zur Reduktion des Materialeinsatzes) und die Anwendung von Spannstahllitzen größeren Durchmessers (Ø 15,3 mm) zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit untersucht. Basierend auf diesen Untersuchungen sowie realitätsnaher Beanspruchungsszenarien von Freileitungsmasten wurden praxisrelevante Mast-Ausführungsvarianten mit Außendurchmessern von 1,5 m bis 3,0 m und Längen von etwa 26 m erarbeitet. Im Anschluss wurden mehrere Prototypen mit unterschiedlicher Konfiguration (Variation der Abmessungen, Bewehrung etc.) von der Fa. Europoles produziert (Bild 5).

Insgesamt acht dieser Prototypen wurden schließlich hinsichtlich ihres Trag- und Verformungsverhaltens unter maßgebenden Belastungskombinationen aus Biegung und Querkraft bzw. Biegung, Querkraft und Torsion im Großversuchsstand der Fa. Europoles experimentell untersucht (Bild 6, vgl. [16]).

Darüber hinaus wurde eine praxistaugliche Verbindungs- und Fügetechnik zwischen Schleuderbetonmast und Gründungselement, zwischen zwei Schleuderbeton-Mastsegmenten und zwischen Schleuderbetonmast und Stahlmast (für Hybridmastkonstruktionen) entwickelt und untersucht (Bild 7, vgl. [17]).

Anhand der umfangreichen theoretischen und experimentellen Untersuchungen konnten wesentliche Erkenntnisse im Hinblick auf die Produktion und das Tragverhalten dieser Hochleistungs-Fertigteile gewonnen werden. Auf Basis vorhandener normativer Bemessungsmodelle, die unter Berücksichtigung der material- und systemspezifischen Besonderheiten angepasst wurden, ist eine zuverlässige Herstellung sowie sichere Auslegung der Maste möglich.

5. Zusammenfassung

Im Rahmen der erforderlichen Anpassung der Stromnetzinfrastruktur für den Ausbau der erneuerbaren Energien wurde im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens „Kompakthöchstspannungsmasten und -Traversen (KoHöMaT)“ eine innovative Bauweise von Freileitungsmasten für Höchstspannungsleitungen entwickelt, die durch den Einsatz von Hochleistungswerkstoffen sowie durch ein optimiertes Mastdesign zu einer hohen Sicherheit und Dauerhaftigkeit mit geringen Instandhaltungs- und Lebenszykluskosten führt.

Mit den zahlreichen theoretischen und experimentellen Untersuchungen konnten sowohl die Eigenschaften des entwickelten ultrahochfesten Schleuderbetons unter Kurzzeit- und Langzeitbeanspruchung bestimmt als auch dessen Eignung für die Produktion von Schleuderbetonmasten bestätigt werden. Darüber hinaus konnte auf Basis von Versuchen an großformatigen Prototypen die Tragfähigkeit der Schleuderbetonmaste ermittelt und Grundlagen zur Bemessung und Konstruktion von Schleuderbetonmasten erarbeitet werden.

Durch die Entwicklung einer praxistauglichen Verbindungstechnik zwischen Gründungselement und Betonmast bzw. zwischen den einzelnen Elementen der Betonmaste kann eine sehr schnelle und einfache Bauausführung der kompakten Höchstspannungsmaste erreicht werden. Innovative Beton- und Herstelltechnologien verbunden mit modularen Bauprinzipien zeigen auch in diesem Anwendungssegment die Leistungsfähigkeit der Betonfertigteilbauweise eindrucksvoll auf.

Zur Baukastenerweiterung (z. B. für eine zusätzliche Gewichtreduktion) sind auch werkstoffübergreifende Hybridmaste möglich, die aus einem unteren Betonmodul und einem oberen, vollwandigen Stahlmodul bestehen und
z. B. für das Bauen in unwegsamem Gelände zur Anwendung kommen können.