Faserbetone (05.08.02)

Der Faserbeton ( folgend FB genannt ) ist ein neuartiger Verbundbaustoff, der aus Beton und dazu beigemischten Stahl-, Kunststoff- oder Glasfasern besteht...

 


1. Allgemeines zum Faserbeton

Der Faserbeton ( folgend FB genannt ) ist ein neuartiger Verbundbaustoff, der aus Beton und dazu beigemischten Stahl-, Kunststoff- oder Glasfasern besteht.
Bei der Entwicklung dieses Baustoffs wurden zwei unterschiedliche Ziele verfolgt:
a) Verbesserung der Gefügeeigenschaften des ungerissenen Betons ( Zustand I ).
b) Erhöhung der Betonzugfestigkeit und der Übertragbarkeit der Zugspannungen im Riss ( Zustand
II - gerissener Beton ).

Die Verfolgung dieser beiden Ziele führte zur Entwicklung verschiedener Faserarten, die sich nach ihrer Wirkung im Beton unterscheiden und im Prinzip für jedes Bauteil je nach der geforderten Eigenschaft gesondert gewählt werden sollten.


2. Faserarten



Es gibt drei große Faserartgruppen: Stahl, Kunststoff- und Glasfaser, die sich in Ihren Eigenschaften z.T. wesentlich unterscheiden.

2.1 Stahlfasern
Verschiedene Stahlfasern werden in Stahlfaserbetonen eingesetzt und unterscheiden sich voneinander durch deren Geometrie und Materialeigenschaften, die auch deren Einsatzmöglichkeiten im wesentlichen bestimmen:
- gefräste Fasern besitzen eine große Oberfläche und eine hohe Stückzahl pro kg. Sie werden hauptsächlich für die Erhöhung der Risssicherheit im Zustand I verwendet.
- Spannfasern (z.B. von Fa. Harex ) besitzen einen dreieckigen Querschnitt, rauhe Oberfläche, Endverankerung und sind in deren Längsachse verdrillt. Aufgrund der herstellungsbedingt geringer Duktilität werden diese Fasern ebenso für die Verbesserung der Betoneigenschaften im Zustand I eingesetzt.
- Die aus Stahldraht hergestellten Drahtfasern haben eine ausgeprägte Endver-ankerung und besitzen eine gewisse Eigensteifigkeit. Hauptsächlich beeinflus-sen sie die Eigenschaften des FB im Zustand II.

2.2 Kunststofffasern
Die meist aus Polypropylen hergestellte hauchdünne Kunststofffasern wirken nur in der Anfangsphase der Betonerhärtung. Sie besitzen keine statisch relevanten Eigenschaften und werden eigentlich nur für die "innere" Nachbehandlung des Betons eingesetzt. Man bezeichnet einen FB mit Kunststofffasern als einen kunststoffmodifizierten Beton.

2.3 Glasfasern
Für die Herstellung des Glasfaserbetons eignen sich grundsätzlich nur die alkalibeständigen AR-Glasfasern. Die Glasfasern können sowohl zur Verhinderung der Mikrorissbildung bei glasfasermodifiziertem Beton als auch zur Herstellung von statisch wirksamer Bewehrung beim Glasfaserbeton verwendet werden.


3. Anwendungsgebiete



Der Anwendung von Faserbeton wird in der Baupraxis immer beliebter und erstreckt sich von Faserbetonrohren und Fassadenplatten über Industriebodenherstellung bis hin zur vorübergehenden Tunnelsicherung durch Faserspritzbeton. Uns interessiert in erster Linie der Einsatz der Faserbetone in den für Statiker relevanten Bauteilen. Weil die Stahlfasern bei der Faserbetonherstellung öfter zum Einsatz kommen als andere Faserarten, möchten wir unsere Recherchen auf den Stahlfaserbeton einschränken.

3.1 Stahlfaser statt der konstruktiven Bewehrung
Der größte Anwendungsbereich vom Stahlfaserbeton ( folgend SFB ) ist die Herstellung von Industrieböden. Dabei handelt es sich z.T. um durch Gabelstaplerverkehr oder Hochregale hochbelastete Bodenplatten, die jedoch im statischen Sinne als nicht tragend anzusehen sind und nur durch den zentrischen Zug aus den Eigen- und Zwangsspannungen ( z.B. aus Hydratationswärmeentwicklung oder Schwinden ) beansprucht werden. Der Einsatz von SFB bietet hier eine deutliche Verbesserung der geforderten Eigenschaften wie Rissefreiheit, hohe Schlagfestigkeit oder Dichtigkeit sowie Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung. Bei diesen Bauteilen wurde bis jetzt die klassische Matten / Rundstahlbewehrung nur konstruktiv zur Rissweitenbeschränkung eingesetzt, so dass ihre Aufgaben nun von Stahlfasern übernommen werden. Auf gleicher Grundlage ( Wirtschaftlichkeit durch den Wegfall der konstruktiven Bewehrung für Rissweitenbeschränkung und eine Verbesserung der betontechnologischen Eigenschaften ) wird SFB auch im Wohnungsbau ( Kellersohlen oder Kellerwände ) verwendet. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet für den SFB ist die Verwendung von Stahlfaserspritzbeton statt des mattenbewehrten Spritzbetons zur vorübergehenden Befestigung der Tunnelwände und Decke bis zur Herstellung der dauerhaften Tunnelröhre aus konventionellem Stahlbeton. Wegen deren Eigenschaften werden Faserbetone in Bereichen eingesetzt, in denen die Dichtigkeit eine besondere Rolle spielt. z.B. Tankstellen-, Behälterbau, WU-Betone.

3.2 Stahlfaser statt statischer Bewehrung
Grundsätzlich kann man wohl sagen, dass vor allem durch seine Wirtschaftlichkeit ( keine lohn- und materialkostenintensive Bewehrungsarbeiten erforderlich ) der SFB in Bauteilen, die nur konstruktiv bewehrt werden große Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Stahlbeton besitzt und zurecht vermehrt angewendet wird. Um bestimmte SFB-Bauteile durch einheitliche Regeln bemessen und nachweisen zu können, sind vom Deutschen Beton- und Bautechnikverein e.V. auf der Grundlage der alten Stahlbetonnorm und der bis dahin durchgeführten Untersuchungen entsprechende Merkblätter herausgegeben worden.:
- Grundlagen zur Bemessung von Industriefußböden aus Stahlfaserbeton (Fassung 1991, redaktionell überarbeitet 1996)
- Bemessungsgrundlagen für Stahlfaserbeton im Tunnelbau (Fassung September 1992, redaktionell überarbeitet 1996).
Im Rahmen der neuen DIN 1045 ist vom Fachausschuss des DBV ein neues Merkblatt ausgearbeitet worden:
- Stahlfaserbeton (Fassung Oktober 2001) ,
in dem allgemeine Regeln für die Bemessung der Bauteile aus diesem Baustoffes angeboten werden ( mehr dazu im Abschnitt "Statische Berechnungen zum SFB" )

4. Meinungen zum Stahlfaserbeton



Die ersten Erfahrungen mit dem SFB hat man bereits vor Jahren gemacht. Die Zement- und Faserhersteller pochen seitdem darauf, dass der SFB wirtschaftlicher und besser ist, als der herkömmliche Stahlbeton und sehen darin den Wunderbaustoff der Zukunft. Der SFB ist seit dieser Zeit der Gegenstand etlicher Untersuchungen im Rahmen von Studien-, Diplom- und Doktorarbeiten, in denen er auf Herz und Nieren geprüft wird. Wir haben uns einige von den Arbeiten angesehen ( sh. Literaturhinweise ) und möchten deren Ergebnisse hier ganz kurz zusammenfassen:
a) Widerstandseigenschaften des Stahlfaserbetons: Im Rahmen diverser Versuche ist festgestellt worden, dass durch die Mitwirkung der Faser im sehr jungen Beton die Entstehung von feinen Mikrorissen im Betonstein infolge von Schwinden oder Hydratationswärmeentwicklung wesentlich verringert oder gar ganz verhindert wird. Diese Wirkung basiert auf der Aufnahme eines großen Teils der Kerbspannungen an den Mikrorisswurzeln durch die vorhandene Fasern ( durch die weniger gewordenen Risse trocknet der Beton nicht so schnell aus, wodurch die Schwindprozesse und die Schwindspannungsentwicklung verlangsamt und z.T. reduziert werden. Die Gesamtrissbreite nimmt stark ab ).
Diese Eigenschaft wird hauptsächlich durch einen guten Verbund der Fasern mit dem Beton auf deren ganzer Oberfläche ( bzw. eine große betonvolumenbezogene Faseroberfläche, d.h. viele feine Fasern mit rauer, ungleichmäßiger Oberfläche ) beeinflusst. Der so hergestellte SFB zeigt einen verbesserten Widerstand gegen Schlagbeanspruchung, Verschleiß und weist eine wesentlich geringere Rissneigung auf ( wichtig für Sichtflächen oder Betone, deren besondere Eigenschaften auf Dichtigkeit zurückzuführen sind ).
Zusätzlich wird auch die Biegezugfestigkeit des Betons im Zustand I erhöht. Ein weiterer Punkt, der die qualitativen Eigenschaften des SFB auszeichnet, ist die rissverteilende Wirkung bestimmter Stahlfasern, die der Wirkung der konventionellen Rissweitenbeschränkung durch Betonstahlbewehrung entspricht. Dabei lassen diese Fasern ( meist Drahtfasern mit einer ausgeprägter Endverankerung ) zwar die Entstehung von feinen Rissen zu, nehmen jedoch einen gewissen Teil der Zugkräfte im Rissbereich auf. Dies führt zur Mehrfachrissbildung, wobei die Aufweitung der einzelnen Risse verhindern wird. Allerdings muss man dazu sagen, dass bei der für die Baupraxis üblichen Dosierung von 0.25% - 1.0% Stahlfaser im Gesamtvolumen diese Wirkung nur eine geringe Rolle spielt, da sie erst bei höheren Stahlfaserdosierungen deutlich zum Zuge kommt.
b) Festigkeitseigenschaften des Stahlfaserbetons:
- Druckfestigkeit: der bessere Querzugwiderstand des SFB beschert ihm eine bis zu 20% höhere Druckfestigkeit, die aber erst bei einem hohen Stahlfasergehalt auftritt. Bei Gehalten, die eine gute Verarbeitbarkeit zulassen, gibt es keine wirkliche Erhöhung der Druckfestigkeit gegenüber dem faserlosen Beton.
- Schubfestigkeit: die bereits unter a) angesprochene Rissweitenverringerung sorgt für eine deutlich bessere Kraftübertragung zwischen den gegenüberliegenden Rissufern im Beton, was bei der richtigen Wahl der Faser und deren Dosierung zu einer Steigerung der Beton-schubfestigkeit führt.
- Zugfestigkeit ( zentrischer Zug ): Versuche zeigen dass die reine Zugfestigkeit des SFB sich kaum von der des normalen Betons unterscheidet.
- Biegezugfestigket: Durch die Wahl von Stahlfasern mit hohem Länge / ø - Verhältnis lässt sich die Duktilität und die Biegezugfestigkeit von SFB steigern, was zu einem günstigerem Bruchverhalten führt. Aber auch hier setzt die Verarbeitbarkeit des Materials Grenzen, da die günstigen aber langen Fasern zur sogenannten "Igelbildung" neigen.
- Nachrissverhalten: bis zum Reißen des Betons ist eine höhere Biegezugfestigkeit des SFB gegenüber dem üblichen Stahlbeton zu beobachten. Nach dem Eintreten der Erstrisse nehmen die aufnehmbaren Spannungen sehr schnell ab, da die Fasern nicht mehr gedehnt, sondern aus dem Betongefüge rausgezogen werden. Bei dem Stahlbeton hingegen beginnt der Bewehrungsstahl erst jetzt richtig zu arbeiten und kann deutlich höhere Belastung aufnehmen.
c) Korrosionsverhalten:
- Ungerissener Beton: In einem ungerissenen Beton wurde eine Korrosion der Stahlfasern nur in einer Tiefe bis ca. 5 bis 7 mm beobachtet. Die geringe Querschnittsfläche der einzelnen Fasern führt nur zu geringen Druckspannungen im Beton infolge der Volumenzunahme, so dass die Faserkorrosion zu keinen Abplatzungen führt.
- Gerissener Beton: Im Bereich der Risse korrodieren die Stahlfasern aufgrund der geringer Querschnittsabmessungen sehr schnell. Hier können Fasern aus rostfreien Stählen oder eine geeignete Oberflächenbehandlung des SFB-Bauteils eine Abhilfe schaffen.
d) Hochfeste Betone: Untersuchungen zu den Hochleistungsbetonen zeigten keine nennenswerte Verbesserungen deren Eigenschaften durch die Stahlfaserzugabe.


5. Berücksichtigung der Stahlfaserwirkung bei der Bauteilbemessung



5.1 Stahlfaserbetonbemessung nach DIN 1045-1

5.1.1 Sicherheitskonzept, Schnittgrößen, Festigkeiten
Die Bemessung von Bauteile aus Stahlfaserbeton ( Nachweise der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit ) erfolgt nach dem neuen Sicherheitskonzept nach DIN 1055-100 bzw. DIN 1045-1. Für die Schnittgrößenermittlung dürfen folgende Berechnungsverfahren angewendet werden: das linear-elastische, das linear-elastische mit Umlagerung und das nichtlineare Verfahren ( bei Bauteilen mit niedrigem Gefährdungspotenzial auch die Berechnungsverfahren nach der Plastizitätstheorie ).
Die Stahlfaserbetone werden je nach ihren Festigkeitseigenschaften in Leistungsklassen eingeteilt ( die Festigkeitsklassen für Normalbeton gelten hier selbstverständlich auch und werden bei der Stahlfaserbetonbezeichnung mit angegeben). Der Tragwerksplaner muss bei seiner Berechnung die erforderliche Leistungsklasse des Stahlfaserbetons angeben, die Wahl der Fasern und die Betonrezeptur liegen dann in der Verantwortung der Betonwerke.

5.1.2 Biegung, Längskraft
Im Gegensatz zu der Stahlbetonbemessung, bei der die gesamten Biegezugspannungen vom Betonstahl aufgenommen werden, werden bei der Stahlfaserbetonbemessung die vorhandenen Zugkräfte im Querschnitt zwischen dem Bewehrungsstahl und dem Faserbeton aufgeteilt. Logischerweise verringert sich so die vom Bewehrungsstahl aufzunehmende Zugkraft, so dass der Bewehrungsquerschnitt reduziert werden kann.

5.1.3 Querkraft
Bei dem Querkraftnachweis geht man ähnlich vor: Dem Stahlfaserbeton wird ein eigener Anteil der aufzunehmenden Querkraft zugewiesen. Zusätzlich dazu darf die Bemessungsschubspannung aufgrund der Faserwirkung erhöht werden. Die Bemessung erfolgt in zwei Bereichen:
- Bereich A: der Mindestwert des Querkraftbewehrungsgrades ist unterschritten. Für den Nachweis wird die Wirkung der Stahlfaser berücksichtigt und der erforderliche Querbewehrungsquerschnitt ermittelt.
- Bereich B: der Mindestwert des Querkraftbewehrungsgrades ist eingehalten. Für den Nachweis der Querkrafttragfähigkeit wird der Querkraftbewehrungsgrad um den Wert des äquivalenten Bewehrungsgrades des Stahlfaserbetons erhöht.

5.1.4 Torsion
Die erhöhte Gesamttorsionstragfähigkeit wird als Summe aus dem Stahlbetontraganteil und Stahlfaserbetontraganteil ermittelt. Bei der Berücksichtigung der Faserwirkung auf die Torsionstragfähigkeit kann man die Wirkung des Stahlfaserbetons bei der Aufnahme der Biegemomente nicht ansetzen.

5.1.5 Durchstanzen
Analog dem Nachweis der Querkrafttragfähigkeit wird bei den Nachweisen in den maßgebenden Rundschnitten der Gesamtbewehrungsgrad als Summe des Stahlbetonbewehrungsgrades und des äquivalenten Stahlfaserbetonbewehrungsgrades ermittelt.

5.1.6 Nachweise der Gebrauchstauglichkeit
Die Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit gliedern sich in:
- Nachweis der Spannungsbegrenzung: Um eine übermäßige Rissbildung und nicht-elastische Verformungen zu vermeiden, dürfen die Spannungen im Betonstahl und im Stahlfaserbeton bestimmte Werte nicht überschreiten.
- Begrenzung der Rissbreiten: Beim Nachweis der Rissbreitenbeschränkung darf man entweder die wirksame Betonzugfestigkeit um den Wert der äquivalenten Zugfestigkeit des Stahlfaserbetons reduzieren ( betrifft Abschn. 11.2.2 und 11.2.4 in DIN1045-1 ), oder man erhöht die anzusetzende Stahlzugspannung durch eine rechnerische Modifizierung der Grenzdurchmesser ( betrifft Abschn. 11.2.3 in DIN 1045-1 ). Beide Wege führen zur Verringerung des erforderlichen Bewehrungsgehalts.
- Verformungsbegrenzungen: Der Stahlfaserbeton wirkt sich auf die Verformungen nicht aus.

5.1.7 Nachweis örtlich verminderter Faserwirkung
Für den Nachweis der örtlich verminderten Faserwirkung müssen die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit mit reduzierten Rechenwerten der Stahlfaserbetonzugfestigkeit wiederholt werden. Alle Baustoffteilsicherheitsbeiwerte werden dabei auf 1.0 festgesetzt.

5.1.8 Bauteile mit niedrigem Gefährdungspotenzial
Die Bemessung darf mit Biegezugfestigkeit des Stahlfaserbetons erfolgen.


5.2 Besonderheiten bei Anwendung von DIN 1045 ( alt )

5.2.1 Schnittgrößenermittlung, Sicherheitskonzept
Bei der Schnittgrößenermittlung für die Bemessung bzw. die Nachweisen sind nur lineare Berechnungsmethoden zulässig, eine 15 %-ge Momentenumlagerung bei Durchlaufsystemen ist aber möglich. Bei der Anwendung von DIN 1045 ( alt ) arbeitet man mit den globalen Sicherheitsbeiwerten.

5.2.2 Querkraft, Durchstanzen und Torsion
Hier dürfen die vorhandene Stahlfasern als äquivalente Querkraftbewehrung in Abhängigkeit von der Querschnittsform, der äquivalenten Betonzugspannung im Grenzzustand der Tragfähigkeit und der Betonstahlspannung angesetzt werden.

5.2.3 Nachweis der örtlich verminderter Faserwirkung
Für den Nachweis einer örtlich verminderten Faserwirkung müssen die Nachweise für den Zustand der Tragfähigkeit ( Biegung, Querkraft, Torsion und Durchstanzen ) noch einmal geführt werden. Dabei müssen die zulässigen rechnerischen Zugspannungen des Faserbetons durch einen Beiwert reduziert werden, der von der Art der Wasserzugabe, dem Mischertyp und der gezogenen Querschnittsfläche abhängt. Der globale Sicherheitsbeiwert wird für diese Nachweise auf 1.35 festgelegt.

5.2.4 Begrenzung der Rissbreite ( Abs. 17.6 DIN 1045, 1988 )
Der erforderliche Mindestbewehrungsgehalt zur Beschränkung der Rissbreiten wird bei Stahl-faserbeton auf zweierlei Weisen reduziert:
1. Die Betonzugspannung wird durch die äquivalente Betonzugspannung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit reduziert.
2. Die anzusetzende rechnerische Betonstahlspannung wird indirekt über die Modifizierung der Grenzdurchmesser bzw. der max. Stababstände erhöht.

5.2.5 Bemessung von Bauteilen mit niedrigem Gefährdungspotenzial
Bauteile mit niedrigem Gefährdungspotenzial können mit der Biegezugfestigkeit des Stahlfaserbetons bemessen werden. Bei dem Vergleich der vorhandenen Spannung mit der zulässigen Spannung wird ein globaler Sicherheitsbeiwert gamma verwendet, der in Abhängigkeit von der Leistungsklasse des SFB und dem Anwendungsgebiet bestimmt wird.

5.2.6 Bewehrungsstöße und -verankerungen
Man darf auf die Querbewehrung im Bereich der Stöße verzichten, wenn die Stahlfasern die Stabkräfte über die parallel zu den Bewehrungsstäben auftretenden Risse hinweg übertragen können.


6. Ausführung



Bei der Ausführung müssen folgende Punkte beachtet werden:
- Faserzugabe: Die Zugabe der Fasern muss immer im Betonwerk erfolgen, da die Bestandteile eines Faserbeton aufeinander technologisch abgestimmt werden müssen. Ein Normalbeton dem z.B. Stahlfasern zugegeben werden, darf nicht als Stahlfaserbeton im Sinne der DIN 1045 bezeichnet werden.
- Großflächige Bauteile: Entgegen der spontan entstehender Vermutung, dass mit dem Stahlfaserbeton riesige fugenlose Bauabschnitte hergestellt werden können, muss man auch bei Stahlfaserbetonbauteilen die Rissbildung infolge Schwindens durch eine angemessene Anordnung und Ausbildung der Schein-, Press- oder Raumfugen verhindern. Die konstruktive Ausbildung der Fugen unterscheidet sich nicht von der Fugenausbildung bei normalen Betonbauteilen.
- Einspringende Ecken: Um eine Rissentstehung im Bereich der einspringenden Ecken ( z.B. Aussparungsecken ) zu verhindern, muss hier Rundstahlbewehrung zugelegt werden ( entweder parallel zu den Schalkanten oder in einem Winkel von 45° dazu ).


7. Unsere Meinung



Der steigende Einsatz von SFB in der Baupraxis ist sicherlich nicht unbegründet. Bei der Herstellung von bestimmten Bauteilen ( z.B. Industrieböden, Behälter ) ist die Verwendung von Stahlfaserbeton eine wirtschaftlichere Lösung gegenüber dem gewöhnlichen Stahlbetonbau, weil die Bewehrungsarbeiten entweder ganz wegfallen oder erheblich reduziert werden können. Auf der anderen Seite hat dieser Baustoff auch seine Grenzen: weil die Stahlfasern in ihrem Nachrissverhalten nur geringe Spannungen aufnehmen können, werden dadurch höchstens die Bewehrungsquerschnitte in der Größenordnung von Q133 - Q188 ersetzt, bzw. kann die Stabstahl- oder Mattenstahlbewehrung nur bei Bauteilen mit geringen Spannungen weggelassen werden. Sehr vielversprechend ist sicherlich ein rein konstruktiver Einsatz von Stahlfaserbetone in Verbindung mit Stahlbetonbewehrung zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen oder Verschleiß bzw. zur Erhöhung der Dichtigkeit der Bauteile.


8. Quellenverzeichnis



- DBV Merkblatt Stahlfaserbeton, Fassung Oktober 2001
- Internetseiten von READYMIX AG: www.stahlfaserbeton.de
- Auszüge aus "Stahlfasern: Eigenschaften und Wirkungsweisen", Markus Schulz, Herne, beton [7/2000]
- Auszüge aus "Hochleistungsfaserbetone mit Hochofenzement", Eberhard Lang, Duisburg-Rheinhausen Beton-Informationen [1/1999]
- Internetseiten von Christian Pockes, FH Deggendorf: www.fh-deggendorf.de/biw/studenten/jg1995 - Internetseiten von Thomas Niedernhuber, FH Deggendorf:
www.biw.fh-deggendorf.de/alumni/2001/niedernhuber/einsatz-stahlfasern/index.htm
- Internetseiten der Fachvereinigung - Faserbeton e.V.: www.fvf-faserbeton.de


9. Einige Links zum Thema Faserbeton



- Readymix AG: www.readymix.de + www.stahlfaserbeton.de
- Bekaert AG: www.bekaert.com/deu/iedefault.htm
- Fachvereinigung - Faserbeton e.V.: www.fvf-faserbeton.de
- VULKAN HAREX Stahlfasertechnik GmbH & Co: www.vulkan-harex.de
- me - Fasersysteme: www.me-fasersysteme.de


Sie können diesen Fachbeitrag auch als .pdf-File downloaden Zum download