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[ Stahlfaserbeton ]

Innovative Bewehrung

Mit den wachsenden Ansprüchen an Betons wird der Einsatz von Stahlfasern immer interessanter.

Starker Beton: In der Gärtnerplatzbrücke in Kassel über die Fulda stecken Hochleistungs­stahl­fasern in den Platten und Gurten.

René Oesterheld
Das erste Mal wurde Stahlfaserbeton hierzulande in einem unterirdischen Bauwerk eingesetzt. Etwa dreißig Jahre sind seitdem ­vergangen. Kontinuierliche Forschung und Entwicklung eröffneten weitere Verwendungsfelder. Erst im Tunnelbau, später für Fußböden. Speziell bei Industriefußböden blickt man nunmehr auf rund fünfzehn Jahre positiver Erfahrungen zurück. Mit 65 Prozent ist deshalb auch deren Anteil an allen heutigen Einsatzbereichen entsprechend hoch. Durch den Wegfall der Sauberkeitsschicht und Laserscreeds zum Betonieren können bis zu 2 000 Quadratmeter Fußboden pro Tag kostengünstig hergestellt werden. Stahlfaserbeton eignet sich außerdem für Betonfertigteile sowie Fundamentplatten und Kellerwände im Wohnungsbau. Die Unterwasserbetonsohle am Potsdamer Platz in Berlin oder die Stützen für das Herriot’s Hochhaus in Frankfurt/Main zählen zu den besonders innovativen Projekten.

Stahlfaserbeton ist ein Material mit besonderen Eigenschaften. Hervorzuheben ist seine große Duktilität, sowohl bei Druck- als auch bei Zugbeanspruchung. Er ist ein leistungsfähiger Baustoff, der bei vielen Bauaufgaben zu kostengünstigen Lösungen führt. Mit Stahlfaserbeton können in den Bereichen Zugspannungen aufgenommen werden, in denen eine Einlage von Betonstahlbewehrung große Mühe bereitet, wie zum Beispiel in Lasteinleitungsbereichen und in der Umgebung von Aussparungen.

Grundsätzlich ist zurzeit davon auszugehen, dass eine alleinige Verwendung von Stahlfasern ganz ohne die klassische Stahlbewehrung in konstruktiv anspruchsvollen Bauwerken auch in absehbarer Zukunft nicht möglich sein wird. Im Wohnungs- und Industriebau mit bis zu zwei Vollgeschossen und normalen Deckenlasten sind allerdings bereits einige Gebäude mit einer Kombibewehrung aus Spannstahl- und Stahlfasern errichtet worden. Auch aktuelle Projekte, wie die Gärtnerplatzbrücke in Kassel, geben Hoffnung auf eine schnelle Weiterentwicklung und zunehmende praktische Anwendungen. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung wird die Richtlinie „Stahlfaserbeton“ vom Deutschen Ausschuss für Stahlbeton sein, deren Veröffentlichung demnächst erwartet wird. Bis dahin ermöglicht das Merkblatt „Stahlfaserbeton“ des DBV, Bemessungen durchzuführen.

Eigenschaften und Verarbeitung

Die Aufgabe der Stahlfasern im Beton ist es, die Rissbreiten zu minimieren und somit die Dauerhaftigkeit des Bauteils zu verlängern und zusätzlich die Verformungsfähigkeit (Duktilität) zu erhöhen. Duktile Baustoffe wie Stahl lassen nach Erreichen der Fließgrenze weitere Verformungen zu, ohne zu versagen. Diese Eigenschaft ist zum Beispiel besonders dann gefordert, wenn schwere Gegenstände aus geringer Höhe auf das Bauteil fallen. Bei Stahlfaserbeton ist deshalb die Schlagfestigkeit bis zu 20-mal höher als bei vergleichbaren Betons ohne Stahlfasern.

Außerdem können Stahlfasern die auftretenden Spannungen im frischen Beton gut aufnehmen, wodurch Schwindrisse minimiert und infolge der guten Kraftübertragung auch Risse im Festbeton deutlich reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Ober­flächenverschleiß. Bereits bei Zugabe von einem Volumenprozent Stahlfasern kann die Abnutzung um bis zu 25 Prozent verringert werden. Stahlfaserbeton besitzt darüber hinaus eine gute Wärmeleitfähigkeit – ein Vorteil besonders bei Heizestrichen und beheizten Industrieböden.

Die Wirkung der Stahlfasern steigt mit ­zunehmendem Fasergehalt. Zur Überprüfung des Fasergehaltes stehen inzwischen mehrere Messmethoden zur Verfügung. Am einfachsten ist die induktive Messung, die sowohl im Frischbeton als auch im Fest­beton vorgenommen werden kann. Außerdem lassen sich Aussagen über die Faser­verteilung treffen.

Je höher der Faseranteil, desto schlechter lässt sich der Beton pumpen und verdichten. Vor allem bei langen Fasern besteht die Gefahr der „Igelbildung“. Weitgehend verhindern lassen sich diese kugeligen Faserverfilzungen durch eine maschinelle Dosierung. Eine andere Möglichkeit bietet die Verwendung speziell verklebter Stahlfasern, die sich beim Mischen im Frischbeton lösen. Zur Sicherstellung einer guten Verarbeitbarkeit insgesamt wird im Vergleich zu faserfreien Betons der Leimanteil erhöht.

Ein weiteres Kriterium für die Wirkungsweise von Stahlfasern im Beton ist die Art des Einbauverfahrens. Es bestimmt maßgeblich die Ausrichtung der Fasern, die großen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften des Stahlfaserbetons hat. Zum Beispiel richten sich die Fasern bei Spritzbeton flächig aus. Wichtig ist, dass die beim Betonieren entstehende Faserausrichtung mit den statischen Annahmen möglichst gut übereinstimmt.

Bei ultrahochfesten Betons (UHPC) werden Stahlfasern eingesetzt, um die Verformungsfähigkeit des Bauteils zu erhöhen. Das wurde unlängst bei der Gärtnerplatzbrücke über die Fulda bei Kassel praktiziert. Hochleistungsstahlfasern hat man hier für die Platten und Gurte in Kombination mit einer vorgespannten Bewehrung angewendet.

Weitere Möglichkeiten bietet der Industriebau. In Zusammenarbeit mit der Firma Max Bögl und dem iBMB der TU Braunschweig wurden durch eine Zulassung im Einzelfall Stahlbetonbinder mit einer Vorspannungs- und Stahlfaserbewehrung realisiert. Eine schlaffe Bewehrung war dadurch nicht mehr nötig. Der Vorteil dieser Bauweise ist, dass sich der Spielraum für die Aussparungen der technischen Gebäudeausrüstung in den Bindern vergrößert.

Grundlagen für die Bemessung

Soll Stahlfaserbeton für Fundamentplatten und Wände im Einfamilienhausbau verwendet werden, ist Folgendes zu beachten: Im Gegensatz zu Industrieböden handelt es sich hier um tragende und aussteifende Bauteile nach DIN 1045 „Tragwerke aus Stahl, Stahlbeton und Spannbeton“. Da noch keine DIN-Norm für die Bemessung tragender und aussteifender Bauteile mit Stahlfasern vorliegt, ist entweder eine Zustimmung im Einzelfall oder eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung durch das DIBt erforderlich. Mitunter bieten die Transportbetonunternehmer auch in Zusammenarbeit mit einem Faserhersteller auf Grundlage einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Systeme an, mit denen die herkömmliche Bewehrung auf eine Faserbewehrung umgerechnet werden kann. Als Grundlage für eine Bemessung kann man das Merkblatt „Stahlfaserbeton“ vom Deutschen Beton- und Bautechnikverein (DBV) heranziehen. In jedem Fall sind im Vorfeld Untersuchungen am Beton notwendig. Dazu werden Probekörper hergestellt und in einem festgelegten Verfahren hinsichtlich der Eignung überprüft.

Minuspunkte

Dem Einsatz von Stahlfasern sind aber auch Grenzen gesetzt. Vorsicht ist bei Gebäuden der Lebens- und Futtermittelverarbeitung sowie bei Stallanlagen geboten. Es könnten bei der Betonverarbeitung einzelne Fasern an die Oberfläche gelangen, die herausstehen oder sich lösen könnten. Tiere könnten sich verletzen oder die Fasern in den Lebensmittelkreislauf gelangen.

Bei Sichtbeton ist aufgrund des hohen ästhetischen ­Anspruchs an die Farbgebung ebenfalls von Stahlfasern abzuraten. An der Oberfläche befindliche Stahlfasern könnten korrodieren und rotbraune Flecke hinterlassen. Diese Verfärbungen stellen allerdings keinen technischen Mangel dar und beeinflussen die Dauerhaftigkeit in keiner Weise.

Anders als bei den mehrere Millimeter dicken Bewehrungsstäben reicht der bei den nur wenige Zehntelmillimeter dicken Fasern entstehende Sprengdruck bei Korrosion nicht zum Abdrücken der Betondeckung aus. Edelstahl­fasern können Rostflecken gegebenenfalls verhindern.

Stahlfasertypen und Verarbeitung

Es gibt eine Reihe verschiedener Stahlfasertypen. Gebräuchlich sind:

a) Gefräste Stahlfasern mit sichelförmigem Querschnitt, in der Längsachse tordiert
b) Drahtfasern, gebogen und geschnitten oder gestanzt, zur besseren Verankerung in der Betonmatrix mit Endhaken und gelegentlich mit zusätzlicher Prägung ausgestattetc) Blechfasern, aus Blechen ­geschnit­ten und dabei verformt, zum Teil mit Prägungen zur Verbesserung des Verbunds.Die Auswahl der Faser oder Faser­mischungen richtet sich nach dem je­weiligen Anwendungszweck. Neben den ­geometrischen und den Oberflächen­eigen­schaften besitzen die Fasern auch unterschiedliche Zugfestigkeiten, die im direkten Zusammenhang mit der Stahl­güte und dem Herstellungsprozess stehen. Die Stahldrahtfasern haben Zug­festigkeiten im Bereich von 1 000 bis 2 400 N/mm². Die Faserlängen variieren zwischen zwölf und 70 Millimetern mit Durchmessern von 0,15 bis 1,20 Millimetern. Ein weiteres Kriterium für die Bemessung ist die Faserschlankheit, die das Verhältnis aus Länge und Dicke angibt.

Forum Textilbeton

Am 1. Oktober 2007 wurde in Dresden das Deutsche Zentrum Textilbeton gegründet. Unter dem Dach der TUDAG – der Vermarktungsgesellschaft der TU Dresden – wird damit eine Plattform ­geschaffen, über die parallel zur laufen­den Grundlagenforschung an der TU Dresden die Erkenntnisse im Bereich des textilbewehrten Betons in die Praxis überführt werden sollen.

Ziel ist, den neuen Werkstoff Textilbeton einem breiten Interessentenkreis bekannt zu machen und die Industrie, insbesondere den Mittelstand, bei der Entwicklung neuer Technologien und innovativer Produkte zu unterstützen. Interessenten, die Textilbeton anwenden möchten, wird fachliche Beratung und Unterstützung bei der praktischen Umsetzung angeboten. Dabei kann die gesamte Wertschöpfungskette – Berechnung und Bemessung, Baustoffzusammensetzung, Herstellung der textilen Bewehrung bis zur Herstellung von Musterprodukten sowie Prüfungen an Bauteilen – angeboten werden.

Um bei den Partnern in der Wirtschaft und bei Behörden das Wissen um diesen neuen Werkstoff, die neue Technologie sowie die neuen Anwendungen und Produkte, die sich daraus ergeben, zu fördern, ermittelt das Deutsche Zentrum Textilbeton den Anwendungsbedarf des neuen Verbundbaustoffes. Dazu wurde ein Fragebogen erarbeitet, der im Internet ­bereitsteht. Zur Unterstützung dieses ­Anliegens werden alle Interessenten um die Ausfüllung und Rücksendung dieses Fragebogens gebeten.

www.textilbetonzentrum.de

Dipl.-Ing. René Oesterheld ist Technischer Bauberater der BetonMarketing Nord.

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