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Nichtmetallische Bewehrungen wie faserverstärkter Kunststoff (FRP) verändern das Bauwesen, indem sie leichtere, stärkere und langlebigere Alternativen zu herkömmlicher Stahlbewehrung bieten. Da sie kein Korrosionsrisiko aufweisen und eine Lebensdauer von über 100 Jahren haben, setzen sie neue Maßstäbe für Effizienz und Nachhaltigkeit in Betonkonstruktionen.

Um besser zu verstehen, wie FRP-Verstärkungen entwickelt, getestet und in realen Projekten eingesetzt werden, haben wir mit Dr. Marcus Hinzen , Leiter der Produktentwicklung, gesprochen.

In diesem Interview gibt Dr. Hinzen Einblicke in folgende Themen:

• Warum FRP-Verstärkungen unsere Bauweise verändern
  
• Wie Solidian diese Materialien im hauseigenen Labor testet und zertifiziert
  
• Welche Herausforderungen bleiben für eine breitere Akzeptanz in der Branche bestehen?
  
• Beispiele für erfolgreiche Projekte und die Zukunft der FRP-Technologie

Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie Solidian & Kelteks mit leistungsstarken, korrosionsbeständigen Verstärkungslösungen die Zukunft des Bauwesens mitgestalten.

FRP-Bewehrungen gewinnen in der Bauindustrie an Bedeutung. Was macht sie im Vergleich zu herkömmlichen Stahlbewehrungen zu einem so bahnbrechenden Material?

Faserverstärkte Kunststoffverstärkungen (FVK), auch nichtmetallische Verstärkungen genannt, bestehen aus hochfesten und sehr steifen Hochleistungsfasern. In der Regel werden hierfür alkali- und korrosionsbeständige Glas- oder Kohlenstofffasern verwendet. In einem textilen Verfahren werden gitterartige Verstärkungsstrukturen hergestellt, die anschließend mit einem Polymer (meist einem Reaktionsharz) imprägniert werden.

Die Kombination dieser Materialien macht solche Verstärkungen vollständig resistent gegen chloridinduzierte Korrosion . Da Korrosionsschäden eines der Hauptprobleme im Bauwesen sind, das mit großem Aufwand behoben werden muss und letztlich auch ein Sicherheitsrisiko darstellt, sind GFK-Verstärkungen echte Game-Changer. Aufgrund dieses Vorteils können Bauteile mit GFK-Verstärkung auf eine Lebensdauer von 100 Jahren ausgelegt werden .

Doch es gibt noch weitere positive Effekte. Da keine Korrosionsprobleme mehr zu befürchten sind, entfallen die beschreibenden Regeln für die Zusammensetzung des Betons und die Betondeckung für die Expositionsklassen, die zur Vermeidung von Bewehrungskorrosion eingehalten werden müssen. Das bedeutet, dass Umweltbedingungen mit hohem Chloridgehalt (Streusalz XD oder Meerwasser XS) und starker Karbonatisierung des Betons die Dauerhaftigkeit der Bewehrung nicht mehr beeinträchtigen. Die dadurch mögliche Reduzierung der Betondeckung ermöglicht es, Bauteile deutlich dünner auszuführen. Die damit verbundenen Einsparungen an CO2-emittierendem Zement und anderen Ressourcen sind ein weiterer entscheidender Vorteil, nicht wahr?

Können Sie uns die verschiedenen Arten von Tests erläutern, die im Solidian-Labor an FRP-Verstärkungen durchgeführt werden?

Das solidian-eigene Werkstofflabor besteht seit 2015 und ist auf die besonderen Herausforderungen der Prüfung von faserverstärkten Kunststoffen zugeschnitten. Im Gegensatz zu etablierten Prüfinstituten konnten bei der Einrichtung des Labors alle materialspezifischen Besonderheiten berücksichtigt werden, die bei der Prüfung von Glas- oder Carbonverstärkungen zu beachten sind. Damit zählt das solidian-eigene Prüflabor zu den bestausgestatteten Laboren für die Bewertung nichtmetallischer Verstärkungen. Dies spiegelt sich auch in völlig neuen Prüfmethoden wider, die im eigenen Haus entwickelt und teilweise in aktuelle Regelwerke übernommen wurden.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Prüfungen, die direkt an der Bewehrung selbst durchgeführt werden, und Prüfungen, die die Wechselwirkung mit dem Beton bzw. Mörtel bewerten. Letztere sind besonders wichtig, da die heute auf dem Markt erhältlichen nichtmetallischen Bewehrungen im Gegensatz zu den geometrisch genormten Stahlbewehrungen sehr unterschiedliche Oberflächengeometrien aufweisen, die zu entsprechend unterschiedlichem Verbundverhalten im Beton führen können. Einzelprüfungen, insbesondere des Verbundverhaltens im Beton, sind daher von besonderer Bedeutung.

Neben Laborversuchen können wir auch kleinere Versuche an Betonelementen durchführen, die die realen Abmessungen der Bauteile berücksichtigen. Dies ist besonders interessant, da bestimmte Eigenschaften, wie beispielsweise die Durchbiegung filigraner Betonelemente oder die praktische Herstellung der Bauteile, einen Einfluss haben können, der erfasst werden muss. In diesem Zusammenhang bieten wir potenziellen Kunden und Entwicklungspartnern gerne die Möglichkeit, einen Tag lang gemeinsam mit uns Versuche durchzuführen, bei denen wir die Produkte unserer Partner und Kunden zusammen mit unseren Bewehrungen untersuchen. So können wir beispielsweise auch das Tragverhalten unserer Bewehrungen in spezifischen Reparaturmörteln untersuchen, die dann gemeinsam als Systemlösung dem Markt angeboten werden können. Dadurch bleibt das Know-how der Beteiligten auch im kleinen Kreis.

Bevor FRP-Verstärkungen in der Praxis eingesetzt werden können, müssen sie strengen Tests unterzogen werden. Welche Aspekte bewerten Sie im Labor besonders?

Dies bezieht sich vermutlich auf den Entwicklungsprozess. Dank der genannten Ausstattung des Labors können wir nahezu alle für die spätere Anwendung wichtigen Eigenschaften unserer Produkte bereits in einem sehr frühen Stadium der Produktentwicklung berücksichtigen. Dies ermöglicht eine schnelle Iteration bei der Festlegung von Materialzusammensetzungen und Prozessparametern.

Die wichtigsten zu berücksichtigenden Aspekte lassen sich in geometrische, chemisch-physikalische und mechanische Eigenschaften unterteilen.

Um eine maßstabsgetreue Darstellung nichtmetallischer Bewehrungen in Plänen zu gewährleisten, die von Produkt zu Produkt stark variieren können, müssen die äußeren Abmessungen, wie beispielsweise die Höhe der Faserstränge oder Knoten, aber auch die unregelmäßigen Querschnittsflächen und die Maschenöffnungen zur Gewährleistung der Betonierbarkeit erfasst werden.

Bei den chemisch-physikalischen Untersuchungen stehen zwei Schwerpunkte im Vordergrund. Erstens weisen alle faserverstärkten Kunststoffe ein temperaturabhängiges Zug- und Verbundverhalten auf, das genau beschrieben und verstanden werden muss, damit auch bei besonders hohen und niedrigen Temperaturen eine sichere Bemessung von Bauwerken möglich ist. Beispielsweise ermitteln wir Erweichungspunkte von Harzen und Abminderungsfaktoren für bestimmte Temperaturen, um alle Einflüsse bei der Dimensionierung von Bauwerken berücksichtigen zu können. Der zweite Schwerpunkt liegt auf dem Langzeitverhalten. Hier muss sichergestellt werden, dass das stark alkalische Milieu des Betons während der gesamten Nutzungsdauer des Bauwerks weder die Polymere noch die verwendeten Fasern angreift. Dies wird in aufwendigen Langzeitprüfverfahren mit gleichzeitiger Einwirkung von Temperatur, Laugen, Feuchtigkeit und Last sichergestellt. Selbstverständlich haben alle solidian Produkte diesen Test erfolgreich bestanden.

Schließlich befassen sich die mechanischen Prüfungen mit den übertragbaren Zug- und Verbundkräften der Bewehrungen. Carbonfasern weisen bis zu achtmal höhere Zugfestigkeiten als Bewehrungsstahl auf. Um diese Festigkeiten ausnutzen zu können, bestehen hohe Anforderungen an die Laminatqualität, die in verschiedenen Zugversuchen geprüft wird. Eine besondere Herausforderung besteht darin, derart hohe Kräfte in den Beton einzuleiten, ohne dass dieser vor der Bewehrung versagt. Hierfür stehen Verbundversuche zur Verfügung, mit denen alle Versagensfälle abgedeckt werden können.

Wie stellt Solidian die Qualität und Konsistenz von FRP-Verstärkungen während der gesamten Produktion sicher?

Bei solidian verfügen wir seit vielen Jahren über ein eigenes Produktionskontrollsystem, um wesentliche Eigenschaften sicherzustellen und für den Anwender zu garantieren. Auch das interne Werkstofflabor trägt hierzu maßgeblich bei. So kann die Zugfestigkeit der Bewehrungen während der Produktion überwacht werden. So kann bei Abweichungen im Prozess sehr schnell reagiert werden. Darüber hinaus erfassen wir zahlreiche Daten, die uns bei der Erstellung von Datenblättern helfen, reproduzierbare Bewehrungseigenschaften zu definieren. Darüber hinaus prüfen wir selbstverständlich auch die Qualität unserer zugekauften Rohstoffe, sodass eine kontinuierliche Überwachung der Eigenschaften möglich ist.

Die Zertifizierung ist ein wichtiger Schritt bei der Markteinführung neuer Baustoffe. Welche Zertifizierungen müssen GFK-Verstärkungen erfüllen?

Insbesondere in Deutschland, aber auch in den meisten anderen Ländern, ist dies die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des Bauprodukts . Eine solche ist immer dann zusätzlich erforderlich, wenn es sich bei dem Produkt nicht um ein geregeltes Bauprodukt handelt, beispielsweise wenn keine Produktnormen oder andere technische Baubestimmungen vorliegen. Darüber hinaus muss auch die Anwendung geregelt sein. Dies könnte beispielsweise ein bestimmtes Bauteil sein, das unter Verwendung eines zugelassenen Bewehrungsprodukts hergestellt wird. Im Bauwesen wird jedoch neben den zugelassenen Bauprodukten und Anwendungen auch die Verknüpfung mit einer Bemessungsrichtlinie benötigt, damit die neuen Bauprodukte auch individuell gestaltet werden können. Für viele neue Bauprodukte können jedoch bestehende Bemessungsregeln verwendet werden. Bei nichtmetallischen Bewehrungen war dies nicht möglich, da die Einzelheiten der Bemessung und Ausführung in keinem bestehenden Dokument beschrieben waren. Daher musste zunächst eine solche Bemessungsgrundlage in Form einer deutschen Richtlinie geschaffen werden. Insgesamt war das gesamte Zulassungsverfahren für den interessierten Anwender stets mit einem gewissen Aufwand verbunden.

Umso mehr freuen wir uns, dass diese Hürde im Jahr 2024 mit der Veröffentlichung unserer allgemeinen Produktzulassung, der zugehörigen Anwendungszulassung sowie der ersten DAfStb-Richtlinie für Bemessung und Ausführung genommen wurde. Dies stellt einen echten Meilenstein für diese innovative Bauweise dar und ermöglicht Anwendern nun die Realisierung von Projekten ohne zusätzlichen Genehmigungsaufwand.

Es handelt sich somit um die für die Anwendung mit Sicherheit wichtigste Zertifizierung, die in Deutschland auch durch ein Übereinstimmungszertifikat (Ü-Zeichen) bestätigt wird.

Darüber hinaus ist uns bei solidian eine transparente Darstellung der umweltrelevanten Auswirkungen unserer Produkte wichtig. Diese wird in Umwelt-Produktdeklarationen (EPD) beschrieben, die wir für unsere zugelassenen Bewehrungsgitter von einer unabhängigen Prüfstelle erhalten haben. Mit der wachsenden Bedeutung von Ökobilanzen und Lebenszyklusanalysen in der Baubranche gewinnt eine solche Produktkennzeichnung zunehmend an Bedeutung.

6. Angesichts der zunehmenden Beliebtheit von FRP-Verstärkungen: Was sind Ihrer Meinung nach die größten Herausforderungen für eine branchenweite Einführung?

Wir erleben immer wieder, dass Innovationen es in der Baubranche schwer haben. Denn man greift gerne auf etablierte, konventionelle Produkte und Verfahren zurück. In einem stark regulierten Markt gibt es oft wenig Spielraum für Abweichungen vom gewohnten Vorgehen. Erfreulicherweise finden sich immer mehr Anwender, die bereit sind, die Möglichkeiten unserer bestehenden Zulassung zu nutzen und innovative Pilotprojekte umzusetzen. Dies in einem breiten Markt zu erreichen, halte ich für eine der größten Herausforderungen.

Natürlich müssen wir auch der Ausbildung des Bauingenieurnachwuchses besondere Aufmerksamkeit schenken. Studierende sollten frühzeitig an den neuen Werkstoff herangeführt werden, damit die spätere praktische Anwendung für sie keine Herausforderung mehr darstellt. Ebenso ist es wichtig, dass die Arbeiter auf der Baustelle und in den Fertigteilwerken ausreichend geschult werden und unbegründete Vorbehalte ausgeräumt werden.

Letztlich müssen auch die Hersteller nichtmetallischer FVK-Verstärkungen die Produktentwicklung kontinuierlich vorantreiben, damit deren Einsatz in der Praxis immer reibungsloser erfolgen kann.

Können Sie ein Beispiel für ein Projekt nennen, bei dem sich FRP-Verstärkungen bewährt haben?

Es gibt natürlich zahlreiche realisierte Bauprojekte. Lassen Sie mich kurz zwei Beispiele nennen, die jeweils besondere Vorteile durch den Einsatz nichtmetallischer Bewehrung aufzeigen.

2015 errichteten wir gemeinsam mit Max Bögl eine Fußgängerbrücke , die ausschließlich mit Carbonfasergittern bewehrt wurde. Aufgrund der fehlenden Korrosion ist die Brücke planmäßig rissfrei und benötigt dennoch kein Oberflächenschutzsystem. Zudem konnten die Betonquerschnitte deutlich reduziert werden. Dadurch wurden 50 % Ressourcen und 30 % CO2 eingespart.

Beim Bau der Bosporus-Brücke setzten wir 2016 Carbon- und Glasbewehrungen ein. Im oberen Bereich der 320 Meter hohen Pylone waren die Windlasten sehr hoch, gleichzeitig durften die Verkleidungselemente nicht zu schwer sein. Mit unseren Bewehrungen war es möglich, nur 30 Millimeter dicke, aber dennoch tragfähige Elemente zu verbauen. Mit normaler Stahlbewehrung wäre dies nicht möglich gewesen.

Auf welche Innovationen in der FRP-Verstärkungstechnologie freuen Sie sich mit Blick auf die Zukunft am meisten?

Wir verfügen bereits über ein hochinnovatives Produkt mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und einer Lebensdauer von 100 Jahren. Nichtmetallische Bewehrungen können heute bereits in vielen Anwendungen problemlos eingesetzt und richtlinienkonform ausgelegt werden.

Eine wichtige Anforderung ist jedoch die flexible Formbarkeit von Bewehrungen, wie dies auch bei Stahlbewehrungen der Fall ist. Faserverstärkte Kunststoffe stellen uns hier vor größere Herausforderungen, da die Hochleistungsfasern keine Streckgrenze aufweisen. Daher arbeiten wir intensiv an technischen Lösungen mit thermoplastischen Polymeren, die zukünftig eine Umformung auf der Baustelle ermöglichen.

Auch die Vorspannung von Betonbauteilen mit Carbonbewehrungen bietet ein ganz besonderes Potenzial . Da die Carbonbewehrungen zwar ein hohes Tragpotenzial, jedoch einen geringeren Elastizitätsmodul als Betonstahl aufweisen, bietet die Vorspannung die Möglichkeit, das enorme Festigkeitspotenzial von Carbon auszuschöpfen und gleichzeitig die üblichen Verformungsgrenzen für Betonbauteile einzuhalten.