Handbuch Carbonbeton (E-Book) von Manfred Curbach
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vorwort V
Herausgeber- und Autor:innenverzeichnis XVII
1 Einleitung und Überblick 1
Silke Scheerer und Frank Schladitz
1.1 Geschichtliche Entwicklung 1
1.1.1 Die Anfänge des Betonbaus 1
1.1.2 Faserbewehrungen für Beton 2
1.1.3 Das C3-Projekt Carbonbeton für den baupraktischen Einsatz 6
1.2 Allgemeine Vorteile und Grenzen 6
1.3 Einsatzgebiete 10
Literatur 14
2 Bewehrung 21
Steffen Rittner, Frank Schladitz und Elisabeth Schütze
2.1 Material 21
2.1.1 Einleitung 21
2.1.2 Carbon 23
2.1.3 Glas 26
2.1.4 Basalt 28
2.1.5 Naturfasern 28
2.1.6 Wirkfaden 29
2.1.7 Schlichte 29
2.1.8 Tränkung Imprägnierung Beschichtung 30
2.1.9 Auswahl am Markt erhältlicher Produkte 33
2.2 Bewehrungsformen 34
2.2.1 Einleitung 34
2.2.2 Stabbewehrung 34
2.2.3 Mattenbewehrung 39
2.2.4 Auswahl am Markt erhältlicher Produkte 50
Literatur 51
3 Beton 55
Marko Butler, Viktor Mechtcherine und Kai Wilhelm
3.1 Bindemittel und Zusatzstoffe 55
3.1.1 Portlandzementklinker 56
3.1.2 Reaktive und inerte Stoffe für den Ersatz von Portlandzementklinker 57
3.1.3 Neuartige/Alternative Bindemittel 61
3.2 Konzepte für den Betonentwurf 65
3.2.1 Was ist Frischbeton? 65
3.2.2 Unterschied Carbonbeton (Textilbeton) zu Normalbeton 67
3.2.3 Betonnomenklatur 68
3.3 Parameter des Betonentwurfs 68
3.3.1 Frisch- und Festbetoneigenschaften sowie Bauteilgeometrie 68
3.3.2 Wasser- und Fließmittelgehalt 70
3.3.3 Größtkorn der Gesteinskörnung 71
3.3.4 Theorie der Kornzusammensetzung 74
3.3.5 Mischverfahren/Mischregime 78
3.4 Marktverfügbare Bindemittel und Betone 79
3.4.1 Bindemittel und Zusatzstoffe 79
3.4.2 Betone für den Neubau 80
3.4.3 Betone für Verstärkung und Instandsetzung 82
Literatur 83
4 Verbundwerkstoff 87
Maximilian May
4.1 Grundlagen 87
4.1.1 Erläuterung des Verbundwerkstoffs 87
4.1.2 Bestandteile und Aufgaben der Komponenten im VWS-System Nichtmetallische Bewehrung 87
4.1.3 Bestandteile und Aufgabe der Komponenten im VWS-System Bewehrter Beton 88
4.2 Zugtragverhalten des VWS-Systems Bewehrter Beton 88
4.3 Verbundmechanismen 90
4.3.1 Verbund innerhalb der nichtmetallischen Bewehrung 91
4.3.2 Verbund zwischen der Betonmatrix und der nichtmetallischen Bewehrung 91
4.3.3 Verbund- und Versagensmechanismen bei Stabbewehrungen 93
4.3.4 Verbund- und Versagensmechanismen bei Gitterbewehrungen 94
4.3.5 Einflussfaktoren auf das Verhalten des VWS-Systems Bewehrter Beton 97
Literatur 97
5 Grundlagen des Bewehrens 99
Josef Hegger, Sergej Rempel, Alexander Schumann, Elisabeth Schütze und Norbert Will
5.1 Allgemeine Konstruktionsdetails 99
5.1.1 Allgemeines 99
5.1.2 Wahl der Bewehrung 99
5.1.3 Herstellungsprozess der bewehrten Betonbauteile 103
5.2 Textile Bewehrung 107
5.2.1 Betondeckung und Einbautoleranzen 107
5.2.2 Allgemeine Bewehrungsregeln für textile Bewehrungen 109
5.3 Stabförmige Bewehrung 120
5.3.1 Vorbemerkung 120
5.3.2 Betondeckung 121
5.3.3 Biegen von nichtmetallischen Stäben 123
5.3.4 Endverankerung 124
5.3.5 Stöße 130
5.3.6 Sonstige Konstruktionsdetails und offene Fragestellungen 131
Literatur 132
6 Verarbeitung und Produktion 135
Klaus Holschemacher, Stefan Käseberg, Sebastian May, Egbert Müller, Silke Scheerer, Alexander Schumann und Christian Wagner
6.1 Einleitung 135
6.2 Herstellung und Transport des Betons 135
6.3 Verarbeitung der Bewehrung 137
6.3.1 Lagerung auf der Baustelle und im Fertigteilwerk 137
6.3.2 Verarbeitung der Bewehrung 137
6.3.3 Automatisierung 140
6.4 Lagesicherung beim Bewehrungseinbau 140
6.5 Schalung 143
6.6 Beton-Einbautechnologien 144
6.7 Nachbehandlung 147
6.7.1 Allgemeines zur Nachbehandlung 147
6.7.2 Beginn und Dauer der Nachbehandlung 148
6.7.3 Besonderheiten beim Carbonbeton 149
6.8 Transport- und Montagezustände bei Fertigteilen 151
6.9 Weiterverarbeitung von Halbfertigteilen in der Elementbauweise 153
6.10 Verstärkung und Instandsetzung 154
6.10.1 Einführung 154
6.10.2 Untergrund vorbereiten 154
6.10.3 Spritz- und Laminierverfahren 156
6.10.4 Nachbehandlung 160
6.10.5 Eigen- und Fremdüberwachung 160
Literatur 160
7 Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit 163
Sarah Bergmann, Jan Bielak, Sven Bosbach, Josef Hegger, Sebastian May, Egbert Müller, Eric Mündecke, Jan Philip Schulze-Ardey, Alexander Schumann, Arne Spelter und Norbert Will
7.1 Sicherheitskonzept 163
7.2 Ermittlung der Bemessungswerte 168
7.3 Teilsicherheitsbeiwerte 171
7.4 Mindestbewehrung 175
7.5 Neubau 177
7.5.1 Biegung mit/ohne Normalkraft 177
7.5.2 Querkraft 189
7.5.3 Torsion 206
7.5.4 Durchstanzen 212
7.5.5 Bauteile unter Normalkraft nach Theorie II. Ordnung 216
7.6 Verstärkung/Instandsetzung von Stahlbetonbauteilen 222
7.6.1 Biegung 222
7.6.2 Querkraft 228
7.6.3 Torsionsverstärkung mit Carbonbeton 237
7.6.4 Normalkraftbeanspruchte Bauteile 242
7.7 Bemessungshilfen 246
Literatur 251
8 Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 263
Ulrich Häußler-Combe
8.1 Allgemeines 263
8.2 Einführung zum fortlaufenden Berechnungsbeispiel 264
8.3 Dehnungs- und Spannungsverhältnisse des Biegequerschnitts 266
8.3.1 Querschnittswerte im Zustand I 266
8.3.2 Dehnungs- Und Spannungsverhältnisse Im Zustand II 268
8.3.3 Beispiel 270
8.4 Spannungsnachweise 272
8.4.1 Allgemeines 272
8.4.2 Berechnungsansätze 273
8.4.3 Beispiel 274
8.5 Berechnung der Rissbreiten 277
8.5.1 Allgemeines 277
8.5.2 Berechnungsansätze 277
8.5.3 Beispiel 279
8.6 Direkte Berechnung der Verformungen 281
8.6.1 Allgemeines 281
8.6.2 Berechnungsansätze 282
8.6.3 Beispiel 285
Literatur 288
9 Dauerstand und Ermüdung 289
Josef Hegger, Steffen Müller, Arne Spelter, Juliane Wagner und Norbert Will
9.1 Grundlagen des Dauerstand- und Ermüdungsverhaltens 289
9.2 Materialverhalten unter Dauerbeanspruchung 292
9.2.1 Dauerstandverhalten von Carbon/CFK 292
9.2.2 Dauerstandverhalten der zementgebundenen Matrix 293
9.2.3 Dauerstandverhalten von Carbonbeton 296
9.2.4 Dauerstandverhalten von Carbonbetonbauteilen 300
9.2.5 Nachweise 303
9.3 Materialverhalten bei Ermüdungsbeanspruchung 305
9.3.1 Ermüdungsverhalten von Carbon/CFK 305
9.3.2 Ermüdungsverhalten der zementgebundenen Matrix 307
9.3.3 Ermüdungsverhalten von Carbonbeton 310
9.3.4 Ermüdungsverhalten von Carbonbetonbauteilen 313
9.3.5 Nachweise 316
Literatur 316
10 Dauerhaftigkeit 323
Philipp Kunz und Viktor Mechtcherine
10.1 Einführung 323
10.2 Mechanismen der Schädigung 325
10.3 Grundlagen der Dauerhaftigkeitsbewertung und Konzept 326
10.3.1 Allgemeine Bemerkungen 326
10.3.2 Korrosionsschutz der Stahlbewehrung 327
10.3.3 Dauerhaftigkeit der Matrix 328
10.3.4 Dauerhaftigkeit von Faser und Polymertränkung 329
10.3.5 Dauerhaftigkeit des Faser-Matrix-Verbundes 329
10.4 Charakteristische Materialeigenschaften für die Vorhersage von Langzeitdauerhaftigkeit und Lebensdauer 330
10.4.1 Allgemeine Bemerkungen 330
10.4.2 Transporteigenschaften 330
10.4.3 Dehnvermögen von Carbonbeton 333
10.4.4 Selbstheilung von Rissen 334
10.5 Zusammenfassung und Ausblick 336
Literatur 337
11 Vorspannung 341
Andreas Apitz, Alex Hückler, Juan P. Osman-Letelier und Mike Schlaich
11.1 Einleitung 341
11.1.1 Allgemeines 341
11.1.2 Stand der Forschung 342
11.1.3 Anwendungen 342
11.2 Biegebemessung 348
11.2.1 Einleitung und Stand der Normung 348
11.2.2 Konzept für eine Bemessung von Bauteilen aus vorgespanntem Carbonbeton 349
11.2.3 Grenzzustand der Tragfähigkeit 350
11.2.4 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit 350
11.2.5 Sonstige Nachweise 351
11.3 Beispiel Biegebemessung 351
11.3.1 System: Plattenbalken mit sofortigem Verbund vorgespannt 351
11.3.2 Tragfähigkeitskriterien 353
11.3.3 Verformungskriterien 355
11.4 Technologie und Herstellung 356
11.4.1 Schlaffe Stabbewehrung 356
11.4.2 Spannglied 358
11.4.3 Vorspannen von Gelegen 358
11.4.4 Bewehren 359
11.4.5 Spannglied Transport, Montage und Vorspannen 361
11.4.6 Fertigstellung 362
11.5 Zusammenfassung und Ausblick 362
Literatur 364
12 Einbauteile 367
Matthias Roik und Frank Schladitz
12.1 Befestigungs- und Verbindungsmittel 367
12.1.1 Einleitung 367
12.1.2 Versagensarten 368
12.2 Verbindungsmittel 372
12.3 Abstandhalter 372
12.4 Transportankersysteme 375
12.4.1 Einleitung 375
12.4.2 Versagensarten 377
12.4.3 Transportanker für dünne, textilbewehrte Betonelemente 378
12.5 Auswahl der auf dem Markt erhältlichen Produkte 379
12.5.1 Vertikalverankerung, Fassadenplattenanker 379
12.5.2 Horizontalverankerungen 380
12.5.3 Verstiftungen 381
12.5.4 Transportanker 382
Literatur 383
13 Materialprüfung 385
Marko Butler, Josef Hegger, Thomas Heiermann, Karoline Holz, Philipp Kunz, Maximilian May, Cynthia Morales Cruz, Stephan Reichel, Silke Scheerer, Jörg Schmidt, Jan Philip Schulze-Ardey, Alexander Schumann, Arne Spelter, Juliane Wagner, Kai Wilhelm und Norbert Will
13.1 Ausgangsmaterialien 385
13.1.1 Vorbemerkungen 385
13.1.2 Chemische Komponenten für Schlichte und Tränkung 385
13.1.3 Faser 388
13.1.4 Betone 390
13.2 Verbundmaterial 393
13.2.1 Zugfestigkeit 394
13.2.2 Verbundverhalten 402
13.2.3 Temperaturbeständigkeit 417
13.2.4 Dauerstand 421
13.2.5 Ermüdung 427
13.2.6 Dauerhaftigkeit 432
13.2.7 Brand 439
Literatur 441
14 Normen und Richtlinien 449
Christoph Alfes, Alexander Schumann und Robert Zobel
14.1 Nationale Normen und Richtlinien 449
14.1.1 Technische Baubestimmungen Grundlagen 449
14.1.2 Aktueller Stand der rechtlichen Grundlage 452
14.1.3 Vorbereitung von Richtlinien für Carbonbeton 454
14.2 Internationale Normen und Richtlinien 457
14.3 Genehmigungen für Bauarten mit Textilbeton/Carbonbeton 459
14.3.1 Zustimmung im Einzelfall vorhabenbezogene Bauartgenehmigung 459
14.3.2 Zulassung 462
14.4 Zusammenfassung 463
Literatur 464
15 Bauphysik 467
John Grunewald, Karoline Holz, Michael Juknat, Alexander Kahnt, Stephan Reichel, Jörg Schmidt und Mario Stelzmann
15.1 Wärme und Feuchte 467
15.1.1 Vergleich Außenwände aus Carbon- und Stahlbeton 468
15.1.2 Tauwasser im Inneren von Baukonstruktionen 470
15.1.3 Nachweis Periodenbilanzverfahren 471
15.1.4 Nachweis hygrothermische Simulation 474
15.1.5 Schlagregenschutz 475
15.1.6 Winterlicher Wärmeschutz 476
15.1.7 Sommerlicher Wärmeschutz 476
15.1.8 Optische Dauerhaftigkeit 476
15.2 Schallschutz 478
15.3 Brand 479
Literatur 483
16 Recycling 485
Peter Jehle und Jan Kortmann
16.1 Einleitung 485
16.2 Abbruch und Rückbau 486
16.3 Baustoffaufbereitung 488
16.3.1 Einleitung 488
16.3.2 Zerkleinerung und Aufschluss 489
16.3.3 Sortierung und Klassierung 490
16.3.4 Empfohlener Aufbereitungsprozess 491
16.4 Materialverwertung 492
16.4.1 Einleitung 492
16.4.2 Verwertung mineralische Fraktion 493
16.4.3 Verwertung Faserfraktion 493
Literatur 495
17 Ökologische Beurteilung von Betonbauteilen mit Bewehrung aus Carbongelegen 497
Marleen Backes, Carl-Alexander Graubner, Torsten Mielecke, Christoph Müller und Julia Schütz
17.1 Grundlagen der Ökobilanzierung 497
17.2 Umweltwirkungen von C3-Betonen 498
17.2.1 Allgemeines 498
17.2.2 C3-Betone für neue Bauteile 498
17.2.3 C3-Betone zur Verstärkung bestehender Bauteile 500
17.3 Umweltwirkungen von Carbongelegen 502
17.4 Vergleichende Ökobilanzierung von Bauteilen 503
17.4.1 Grundlagen 503
17.4.2 Parkhausdecke 503
17.4.3 Fertigteil-Wandsysteme 504
17.5 Umweltverträglichkeit 506
17.5.1 Charakterisierungsversuche und Festlegung der Carbonfaser und des Feinbetons für die weiteren Auslaug- und Beregnungsversuche 506
17.5.2 Herstellung der Feinbetonprüfkörper 507
17.5.3 DSLT-Auslaugung der vier unterschiedlichen Feinbetonprobekörper FB- 1 bis FB-1-4- 2 508
17.5.4 Zusammenfassung 510
Literatur 511
18 Arbeits- und Gesundheitsschutz 513
Peter Jehle, Florian Kopf, Thorsten Streibel und Ralf Zimmermann
18.1 Gesundheitsrisiken bei Tätigkeiten mit Carbonbeton 513
18.1.1 Einleitung 513
18.1.2 Physikalisch-morphologische Analyse 514
18.1.3 Chemische Analyse 514
18.1.4 In-vitro Untersuchungen 515
18.1.5 Thermische Beanspruchung 516
18.2 Verarbeitung von Carbonbewehrungen 517
18.2.1 Einleitung 517
18.2.2 Be- und Verarbeitungsverfahren und Gefährdungen 518
18.2.3 Schutzmaßnahmen 519
18.2.4 Zusammenfassung 520
18.3 Be- und Verarbeitung von Carbonbeton 520
18.3.1 Einleitung 520
18.3.2 Be- und Verarbeitungsverfahren und Gefährdungen 521
18.3.3 Schutzmaßnahmen 522
18.3.4 Zusammenfassung 523
Literatur 523
19 Multifunktionalität 525
Klaus Holschemacher, Stefan Käseberg, Tobias Rudloff und Dominik Schlüter
19.1 Designkriterien multifunktionaler Bauteile aus Carbonbeton 525
19.2 Konstruktionsentwicklung multifunktionaler Fertigteile am Beispiel elektrischer Energiespeicherung 528
19.3 Basisstruktur zur Funktionsintegration 533
19.4 Lichtleitung in Carbonbeton 534
19.4.1 Allgemeines 534
19.4.2 Optische Fasern und Lichtwellenleiter 536
19.4.3 Technische Textilien mit aktiven Leuchtfunktionen 536
19.4.4 Transluzenter Beton 537
19.4.5 Lichtleitender Beton 538
19.4.6 Anwendung im Carbonbetonbau 539
19.5 Strukturüberwachung 539
19.5.1 Allgemeines 539
19.5.2 Bewehrungen aus Carbonfasergelegen mit Sensorintegration für Betonfertigteile 541
Literatur 543
20 Praktische Anwendung 545
Michael Frenzel, Matthias Lieboldt, Stefan Minar, Silke Scheerer und Angela Schmidt
20.1 Neubau 545
20.1.1 Allgemeine Entwicklung in der Bundesrepublik Deutschland 545
20.1.2 Hochbauweise 548
20.1.3 Ingenieurbauweise 550
20.2 Verstärkung und Instandsetzung 552
20.2.1 Allgemeine Entwicklung 552
20.2.2 Hochbau 553
20.2.3 Ingenieurbau 559
20.2.4 Tiefbau/Infrastruktur 564
20.3 C3-Ergebnishaus 565
20.3.1 Ziele und Intensionen 565
20.3.2 Entwurf 567
20.3.3 Planung und Ausführung der BOX (Halb-)Fertigteile 567
20.3.4 Planung und Ausführung der TWIST-Schalenelemente 568
20.3.5 Bewertung der Carbonbetonbauweise 570
20.3.6 Danksagung 570
20.4 Mehr als ein Baustoff Carbonbeton in Kunst und Alltag 570
20.4.1 Vorbemerkung 570
20.4.2 Betonboote 571
20.4.3 Kunstwerke 572
20.4.4 Carbonbeton im Innen- und Außenraum 573
Literatur 575
21 Ausschreibung und Vergabe für Carbon- und Textilbeton 581
Alexander Kahnt und Matthias Tietze
21.1 Ausschreibung, Vergabe, Leistungsbeschreibung 581
21.1.1 Einleitung 582
21.1.2 Verschiedene Verfahren 582
21.1.3 Bauvorhaben mit dem Einsatz von Carbonbeton 584
21.2 Ausschreibungsplanung 584
21.2.1 Einleitung 584
21.2.2 Funktionale Ausschreibung 585
21.2.3 Leistungspositionen 585
21.3 Ausschreibungstexte Beispiele 585
21.3.1 Verstärkung 586
21.3.2 Fertigteile 588
21.4 Ausblick 590
Literatur 590
22 Aus- und Weiterbildung 591
Ammar Al-Jamous
Literatur 593
Inserentenverzeichnis 595
Carbonbeton ist somit ein Game-Changer, der auf das Bauen ebenso Auswirkungen hat wie auf das Erscheinungsbild und die Nutzung der gebauten Umwelt. Zusammen mit der sehr langen Lebensdauer, dem Werterhalt, der Bezahlbarkeit und der Ästhetik verdient er die Bezeichnung einer disruptiven Innovation.
Nach Entstehung der Idee vor fast 30 Jahren und nach intensiver Grundlagenforschung im Rahmen zweier Sonderforschungsbereiche der DFG konnte die erforderliche anwendungsorientierte Forschung durch das Konsortium C3 - Carbon Concrete Composite durchgeführt werden. Dieses vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Zwanzig20-Programms unterstützte Großprojekt hat gezeigt, dass Carbonbeton in die Praxis überführt werden kann. Hierzu haben über 160 Partner alle notwendigen neuen Kenntnisse erarbeitet.
Höhepunkt und zusammenfassendes Ergebnis ist der CUBE, das erste komplett aus Carbonbeton gefertigte Gebäude. Es besteht aus der "Box", die die Möglichkeiten wirtschaftlichen und modularen Bauens zeigt, und aus dem "Twist", der die Entstehung einer neuen Architektursprache visualisiert.
Das vorliegende Buch fasst den heute vorliegenden Stand des Wissens zu Carbonbeton von den Grundlagen bis zur Anwendung zusammen und darf daher als Standardwerk des Neuen Bauens bezeichnet werden.
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach ist Direktor des Instituts Massivbau der Technischen Universität Dresden und Sprecher des Konsortiums C3 - Carbon Concrete Composite.
Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger ist Leiter des Lehrstuhls und Instituts für Massivbau der RWTH Aachen.
Dr.-Ing. Matthias Lieboldt war wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Massivbau der Technischen Universität Dresden sowie Mitarbeiter des C3 - Carbon Concrete Composite e.V. und ist heute Projektmanager Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar.
Dr.-Ing. Frank Schladitz ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Massivbau der Technischen Universität Dresden und Geschäftsführer des C3 - Carbon Concrete Composite e.V.
Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Matthias Tietze ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Massivbau der Technischen Universität Dresden und Mitarbeiter des C3 - Carbon Concrete Composite e.V.
Schlagwörter zu:
Handbuch Carbonbeton von Manfred Curbach - mit der ISBN: 9783433608692
Bauingenieur- u. Bauwesen; Baustoffe; Betonbau; Bewehrung; Carbonbeton; Kohlenstoffmaterialien; Konstruktionswerkstoffe; Materialwissenschaften; Nachhaltiges Bauen; Tief- u. Hochbau / Massivbau; Tragwerke, Online-Buchhandlung
Kunden Rezensionen: Handbuch Carbonbeton | Buch oder eBook | Manfred Curbach
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