Kunststofffaserverstärkte Fertigteile im ­Infrastrukturbau

Der Einsatz von Fertigteilen im Infrastrukturbereich ist nicht wirklich neu. Seit vielen Jahren werden kleinere Teile wie Schächte, Kanäle und Befahrbarkeitsplatten für feste Fahrbahnsysteme ebenso verwendet wie größere Elemente für den Tunnelbau, zum Beispiel Tübbinge. Der Grund dafür ist naheliegend: Fertigteile werden unter immer gleichen Bedingungen in Produktionshallen hergestellt, wodurch eine gleichbleibend hohe Qualität garantiert ist. Dies ist beim Bau vor Ort nahezu unmöglich, allein schon aufgrund unterschiedlicher Witterungseinflüsse.

Immer mehr Teile werden vorfabriziert. Ein Problem ist häufig die aufwendige Bewehrung. Oft muss ein Element hohen bis sehr hohen Lasten standhalten, was eine entsprechende Menge an Stahlbewehrung erforderlich macht. Die Bewehrungskörbe werden auch vorgefertigt – zumindest zum größten Teil; das Einbringen in die Form ist alles andere als einfach. Aufgrund des zum Teil enormen Gewichts werden Kräne benötigt, Betonüberdeckungen müssen normgerecht eingehalten werden, um spätere Korrosion zu vermeiden, und der Zeitaufwand ist enorm.

Faktor Dauerhaftigkeit

Nicht nur die Bewehrungs­arbeiten sind für die Hersteller eine Herausforderung, auch die vorgängige Logistik ist nicht zu unterschätzen. Die Bewehrungselemente müssen in der richtigen Menge zur richtigen Zeit zur Verfügung stehen – all das muss also auf die Produktion abgestimmt werden. Zwischengelagert werden die Bewehrungselemente, abhängig von der Größe, im Hof; in der Folge ist ein weiterer Logistikschritt notwendig, nämlich das Bereitstellen in der Fertigungshalle, was wiederum Zeitaufwand bedeutet. Zudem müssen Teile, die durch das Ausschalen beschädigt wurden, fachgerecht entsorgt oder aufwendig saniert werden, was ebenfalls höhere Kosten verursacht.

Aber nicht nur den Herstellern macht die konventionelle Bewehrung Kopfzerbrechen. Auch die Bauherren sind davon tangiert. Lange Zeit war die Widerstandsfähigkeit des Teils das A und O. Die Berechnung nach gängigen Normen lieferte die Basis für die Bewehrung, umfangreiche Tests wiederum stellten sicher, dass die nötigen Energien bei Belastung aufgenommen werden konnten. Doch diese Tests sind gegenwartsbezogen, Bruchtests erfolgen normalerweise nach 28 Tagen. Fertigteile werden jedoch Jahre und Jahrzehnte eingesetzt, wie zum Beispiel Tübbinge, Schacht- und Kanalbauten. Und hier kommt der Faktor Dauerhaftigkeit zum Tragen. Aggressive Abwasser setzen den konventionellen Bewehrungen aus Stahl teils gehörig zu, und die Festigkeitswerte, die nach 28 Tagen erreicht und geprüft werden, sind nach jahrelangem Einsatz nur mehr ein Wunsch aus ferner Vergangenheit.

Kriechtest bestanden

Aus diesem Grund greifen Hersteller wie auch Bauherren auf synthetische Hochleistungsfasern zurück, die in der Lage sind, Stahlbewehrung nachweislich zu ersetzen oder zumindest massiv zu reduzieren. Das Amt für Straßenbau in der Schweiz (ASTRA) hat vor einigen Jahren einen umfangreichen Test in Auftrag gegeben, der sich mit der Dauerhaftigkeit von Kunststofffasern befasst. Die synthetischen Fasern schnitten sehr gut ab, da Kunststoff bekanntlich nicht korrodiert.

Neben der Dauerhaftigkeit ist allerdings auch das Nachrissverhalten im Bruchfall eines Elements zu beachten. Hochwertige Fasern sind in der Lage, die Energien aufzunehmen. Und nur die wirklich sehr guten Fasern halten einem Kriechtest stand: Nach dem künstlich herbeigeführten Bruch wird der Testkörper einer definierten Residualbelastung ausgesetzt, wodurch die Fasern, die den Bruch überbrücken, einer Dauerlast ausgesetzt sind. Solche sogenannten Kriechtests sind zum Beispiel in Österreich in der Richtlinie Faserbeton vorgeschrieben und es dürfen nur Fasern verwendet werden, die nachweislich von einem externen, unabhängigen Prüfinstitut über mindestens anderthalb Jahre getestet wurden. Bisher hat es nur die von der EMPA mitentwickelte, bikomponente Concrix-Makrofaser geschafft, einen solchen Test nicht nur zu überstehen, sondern sogar weit über alle Anforderungen hinaus ihre Qualität unter Beweis zu stellen. Selbst nach über vier Jahren unter Dauerlast nach dem Bruch gab es nur minimale Verformungen.

Einsatz in Druckwasserrohren

Mittlerweile nutzen immer mehr Fertigteilhersteller die bikomponente Faser Concrix der Schweizer Firma Brugg Contec. Abbildung 1 zeigt zum Beispiel Druckwasserrohre, die für das Kraftwerk Rhone Oberwald hergestellt wurden. Ein 51 mm starkes GFK-Rohr mit einer Länge von 6 m und einem Durchmesser von 3 m wurde mit einer Betoninnenschale versehen, die 12 cm dick und ausschließlich mit Kunststofffasern bewehrt ist. Die Dosierung beträgt 4,50 kg/m^³ Concrix ES; sie beruht auf statischen Bemessungen auf Grundlage gültiger Normen.

Ein weiteres Beispiel sind Fertigteil-Plattenelemente für Logistikflächen, die bis vor kurzem mit zwei Lagen Mattenstahl bewehrt wurden (Abb. 2 und 3). Berechnungen haben gezeigt, dass diese mit Dosierungen von 3,0 kg/m^³ bis 4,5 kg/m^³ (je nach Plattenstärke und Lastanforderung) Concrix ES ersetzt werden können. Der niederländische Hersteller hat dies mittels Belastungstests mit fertigen Elementen nachgeprüft und setzt nun auf synthetische Hochleistungsfasern aus dem Hause Brugg Contec.

Weitere Informationen sowie statische Berechnung von Bauteilen können Interessenten bei den Ingenieuren von Brugg Contec anfragen (s. CONTACT).