Beton gut verbunden

Wie stark ist ultrahochfest?

Opus Caementitium (opus = Werk, Bauwerk caementitium = Zuschlagstoff, Bruchstein) hieß der Baustoff, der schon von den Römern entwickelt wurde. Dieser „römische Beton“ oder „Kalkbeton“ bestand aus gebranntem Kalk, Wasser und Sand, dem mortar (Mörtel), gemischt mit Bruchsteinen. Unter anderem wurde die bis heute erhaltene Kuppel des Pantheons in Rom, mit einem Durchmesser von 43 Metern, aus dem römischen Beton hergestellt. Von diesem neuen Baustoff bis zum heutigen Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) war es jedoch eine weite Entwicklung.

Bauwerke aus üblichem Normalbeton sind aufgrund ihrer Abmessungen schwer und verbrauchen wie auch andere Baustoffe erhebliche Mengen an Energie und Rohstoffen. Dies liegt einerseits an den statisch erforderlichen Bauteilabmessungen und an dem hohen Energieverbrauch von jährlich insgesamt etwa 70 Giga-Joule für die Zementherstellung. Andererseits ist die Haltbarkeit des Normalbetons gegenüber den Einwirkungen aus Umwelteinflüssen wie Frost, aggressive Wasser oder Chloride begrenzt. Bei der Stahlbetonbauweise werden die Zugkräfte vom Bewehrungsstahl und die Druckkräfte vom Beton aufgenommen. Die Beanspruchungshöhe ist dabei maßgeblich von der Bauteildicke abhängig. Mit zunehmender Spannweite der Bauteile wächst daher auch die erforderliche Bauteildicke an. Bei weit gespannten Bauteilen – wie bei Brücken oder Hallen – ist die mögliche Spannweite der Bauwerke deshalb durch das Eigengewicht des Betons begrenzt, nicht durch die Nutzlast.

Ultra-Hochleistungsbeton ist dagegen ein völlig neuer, sehr gefügedichter Beton mit einer stahlähnlich hohen Druckfestigkeit von etwa 200 N/mm2 (bei geeigneter Wärmebehandlung sogar 400 N/mm²) und einer Biegezugfestigkeit bis zu 50 N/mm2 (1 N/mm2 = 10 kg/cm2). Er ist etwa 5- bis 10-mal fester als üblicher Beton und daher für druckbeanspruchte Bauteile wie vorgespannte Träger, hybride Querschnitte oder Hochhausstützen besonders geeignet. Das Eigengewicht von Trägern lässt sich auf die Hälfte bis ein Drittel reduzieren. Bei Stützen lässt sich der Querschnitt entsprechend vermindern und Nutzfläche gewinnen. Bauwerke mit diesem Baustoff können deshalb bei gleicher Tragfähigkeit wesentlich filigraner, leichter und ästhetischer gestaltet werden. Die Rohstoffe für die Herstellung von UHPC sind zwar teurer als bei normalfesten Betonen, allerdings sinkt der Gesamtbedarf. Bei gleichen Bauteilen können schätzungsweise bis zu 40 Prozent der Energie und der CO2-Emissionen eingespart werden. Zudem bietet UHPC aufgrund seiner besseren Dichte einen höheren Korrosionsschutz für die eingelegte Bewehrung.

Am Institut für Massivbau der RWTH Aachen werden Forschungsvorhaben zu Ultra-Hochleistungsbeton durchgeführt. Die Fragen der Wissenschaftler lauten:

• Wie verhält sich UHPC im Verbund mit anderen Materialien?
• Welche neuen Bauteilformen lassen sich mit UHPC herstellen und wie könnten sie in der Praxis anwendbar sein?
• Wie ist das Trag- und Verformungsverhalten von Spannbeton- und Verbundträgern aus UHPC?
• Und – wie sieht das Ganze unter einer dynamischen Belastung aus, um die Bauweise im Brückenbau anwenden zu können?

Zunächst treffen die Wissenschaftler geeignete Annahmen, um das Tragverhalten ingenieurmäßig abzuschätzen. Dabei werden Computersimulationen mit zahlreichen Parameteruntersuchungen durchgeführt, die die Zusammenhänge veranschaulichen, und weitere, die das Bauteilverhalten möglichst zielsicher prognostizieren sollen. Mithilfe der Simulationsergebnisse kann in den Bauteilversuchen sowohl das Bauteil selbst als auch der Prüfstand richtig dimensioniert werden. Versuche und Simulationen liefern gemeinsam die Erkenntnisse, die für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nötig sind, um die für die praktische Anwendung nötigen Bemessungsregeln herzuleiten.







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