Carbonbeton ist die Bauweise der Zukunft. Angesichts der drängenden Aufgaben zur Begrenzung des Klimawandels und des sorgsamen Umgangs mit den begrenzten Ressourcen hat der Carbonbeton genau die richtigen Eigenschaften. Er spart mehr als 50 % Ressourcen, insbesondere Sand, und reduziert den CO2-Ausstoß um bis zu 70 %. 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.

Herausgeber: 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.

vorwort V

Herausgeber- und Autor:innenverzeichnis XVII

1 Einleitung und Überblick 1Silke 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 21Steffen 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 55Marko 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 87Maximilian 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 99Josef 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 135Klaus 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 163Sarah 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 263Ulrich 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 289Josef 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 323Philipp 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 341Andreas 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 367Matthias 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 385Marko 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 449Christoph 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 467John 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 485Peter 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 497Marleen 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 513Peter 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 525Klaus 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 545Michael 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 581Alexander 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 591Ammar Al-Jamous

Literatur 593

Inserentenverzeichnis 595