Sicherheit Durch Beton : Schutz Vor Explosion, Brand Und Risikostoffen

Symposium

13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 16. März 2017

Sicherheit durch Beton Schutz vor Explosion, Brand und Risikostoffen Sicherheit durch Beton (Hrsg.)

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Harald S. Müller, Ulrich Nolting und Julian Link (Hrsg.)

SYMPOSIUM

Sicherheit durch Beton

Schutz vor Explosion, Brand und Risikostoffen

SYMPOSIUM

13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 16. März 2017

Sicherheit durch Beton Schutz vor Explosion, Brand und Risikostoffen

Herausgegeben von Harald S. Müller, Ulrich Nolting und Julian Link

Mit Beiträgen von Hubert Bachmann Viktor Mechtcherine Diethelm Bosold Bernard Middendorf Iurie Curosu Harald S. Müller Frank Dehn Hans-Werner Nordhues Martina Götze Stefanie Thalheim Nico Herrmann Klaus Thoma Manfred Keuser Tobias Zircher Andreas König

Veranstalter: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Massivbau und Baustofftechnologie 76128 Karlsruhe VDB – Verband Deutscher Betoningenieure e. V. Regionalgruppen 9 und 10 InformationsZentrum Beton GmbH Gerhard-Koch-Straße 2+4 73760 Ostfildern Titelbildcollage Alle Bilder von iStock, Links oben: © Evgeny Sergeev, Links unten: © Cesar Okada, Rechts oben: © ollo, Mitte: © Max2611, Rechts mitte: © endopack, Rechts unten: © devnenski

Hinweis der Herausgeber Für den Inhalt namentlich gekennzeichneter Beiträge ist die jeweilige Autorin bzw. der jeweilige Autor verantwortlich.

Impressum

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Print on Demand 2017 – Gedruckt auf FSC-zertifiziertem Papier

ISBN 978-3-7315-0629-4 DOI 10.5445/KSP/1000065210

Vorwort

Der vorliegende Tagungsband wird mit einem weitläufigen Blick über das Thema Risiko- management eröffnet. Darauf aufbauend werden die Schutzmechanismen des Baustoffs Beton gegen verschiedene Angriffsarten eingehend erläutert. Der erste Themenblock widmet sich dem Szenario Explosion und befasst sich mit den Auswirkungen der dynamischen und hochdynamischen Einwirkungen auf Betonbauteile. Die Widerstandsfähigkeit des Betons gegenüber Brandbeanspruchung und die baulichen Aspekte des Brandschutzes werden im zweiten Themenblock diskutiert. Das dritte Gefährdungspotenzial stellen chemische Risiko- stoffe dar. Die Widerstandsmöglichkeiten und die erforderlichen baulichen Ausführungen werden hierzu thematisiert. Die renommierten Referenten stellen neben den geeigneten betontechnologischen Optimierungen auch konstruktive Ausführungen der jeweiligen Gefährdungslagen anhand von praxisnahen Beispielen vor.

Die Veranstalter

Inhalt

Vorwort VV

Einführung Risiken

Klaus Thoma Von Risiko zu Resilienz – Aktuelle Themen der Sicherheitsforschung 1

Diethelm Bosold Schutzmechanismen von Beton – ein Überblick 3

Explosion

Viktor Mechtcherine Betoneigenschaften gegen hochdynamische Einwirkungen 9 Martina Götze Iurie Curosu

Manfred Keuser Konstruktive Aspekte zur Verminderung von Explosionsschäden 21 Tobias Zircher

Brand

Frank Dehn Betontechnologische Maßnahmen gegen Brandeinwirkungen 33 Stefanie Thalheim Andreas König

Hubert Bachmann Brandschutz – baupraktische Anwendungen 43

Risikostoffe

Bernhard Middendorf Betonangriff durch chemische Risikostoffe 55

Hans-Werner Nordhues Konstruktive Lösungen für den Umgang mit Risikostoffen 61

Harald S. Müller Atomare Zwischen- und Endlagerung - 71 Nico Herrmann eine Lösungsperspektive mit Beton?

Programm der Veranstaltung 79

Autorenverzeichnis 81

Übersicht über Tagungsbände vergangener Symposien 83

VII

Von Risiko zu Resilienz – Aktuelle Themen der Sicherheitsforschung

Klaus Thoma

Zusammenfassung Der vorliegende Vortrag soll als Einführungsvortrag zur Veranstaltung dienen und einen weitläufigen Überblick über den evolutionär bedingten und heute soziologisch einzuordnenden Begriff „Risiko“ geben. Hierbei sollte bewusst kein Fokus auf die Baustoffindustrie gelegt werden, sondern erkannte, erkennbare und auch nicht wahrnehmbare allgemeine Gefahren bzw. Risikoauslöser des Alltags sowie Naturkatastrophen und unsere Ängste davor beleuchtet werden. Wie geht die Risikowahrnehmung und Ängstlichkeit einher, was könnten Antworten der Ingenieurwissenschaften sein? Risiken werden durch Gefährdungen erzeugt. Aus dem Streben heraus, Schutz und Sicherheit für den Bürger und kritische Infrastrukturen zu gewährleisten, entstand in den letzten Jahren weltweit die Sicherheitsforschung als ein interdisziplinäres Forschungsgebiet. In dem Vortrag wird versucht, hier den Bogen zu schlagen von gesellschaftspolitischen Aspekten bis hin zu deren ingenieurtechnischen Behandlung. Das Ziel dieses Vortrages sollte neben eines Einblicks in die aktuelle Sicherheitsforschung auch eine Darstel- lung von realen Schutzmechanismen sein. Dadurch wird das Publikum auf das Themengebiet der Schutzwirkung von Baustoffen, wie Beton, hingeführt.

Autor Prof. Dr. Klaus Thoma Institutsleiter im Ruhestand Fraunhofer Ernst-Mach-Institut Eckerstrasse 4 79104 Freiburg

Schutzmechanismen von Beton – ein Überblick

Diethelm Bosold

Zusammenfassung Angriffe auf Beton können in einer modernen Industriegesellschaft vielfältig sein. Um diesen teilweise sehr unterschiedlichen Angriffsarten zu widerstehen, gelten drei Prinzipien. Zunächst muss die Betonoberfläche möglichst dauerhaft sein. Dazu werden die Bestandteile eines Betons wie Gesteinskörnung, Zementart bzw. Qualität des Zementsteins oder der Einsatz von Betonzusatzmitteln und / oder Betonzusatzstoffen für den zu erwartenden Angriff zusammengestellt. Weiterhin dürfen Fehlstellen, die in der Betonbauweise als Risse aber teilweise Bestand- teil des Tragprinzips sind, nicht zu breit sein bzw. müssen mitunter ganz vermieden werden. Drittes Schutzprinzip ist der Einsatz von Schutzschichten. Wichtigster Faktor bei der Betonzusammensetzung ist das Massenverhältnis von Wasser zu Zement (w/z-Wert). Dieses Verhältnis bestimmt die Betondruckfestigkeit und zu einem großen Teil auch die Dauerhaf- tigkeit. Großen Einfluss auf verschiedene Angriffsarten hat auch die Gesteinskörnung. Sie muss je nach Angriff frostbeständig, verschleißfest, Strahlen hemmend und anderes sein. Vereinzelt ist ein besonderer Zement oder ein bestimmtes Betonzusatzmittel erforderlich. Über die Kombination aus variabler Betonzusammensetzung, Bemessung unter besonderer Berücksichtigung der Rissbildung sowie notfalls Schutzschichten lässt sich ein Beton auf vielfältige Angriffsarten einstellen.

1 Einleitung Bewehrungskorrosion: Beton ist als weltweit meistgebrauchter Konstrukti- . XC Karbonatisierung der Betonrandzone durch onsbaustoff immer dem direkten Kontakt mit dem CO2 der Umgebungsluft, dadurch pH-Wert Untergrund, der Atmosphäre oder auch von Absenkung der Betondeckung und Menschen erzeugten Umgebungsbedingungen aus- Korrosionsmöglichkeit der Bewehrung, gesetzt. Dabei hatte der Baustoff Beton genau wie . XS / XD Lochfraßkorrosion der Bewehrung alle anderen Konstruktionsbaustoffe zunächst die durch Chloride aus Meerwasser (XS) und Hauptaufgabe, den Menschen in seinen Häusern vor aus Taumitteln (XD). den Unbilden der Witterung zu schützen, also vor Betonkorrosion: extremen Temperaturen, Niederschlag und Wind unterschiedlicher Stärke. . XF Sprengwirkung in der Betonrandzone durch Mit zunehmender Technisierung des gesamten gefrierendes Wasser, teilweise mit Taumit- Umfeldes der Menschen hat man die vielfältigen teln, Möglichkeiten, die aus der beliebig anpassbaren . XA chemischer Angriff durch im Boden bzw. Betonzusammensetzung resultieren, dazu genutzt, Wasser befindliche natürliche Stoffe, den Menschen aber auch seine Umwelt vor weiteren . XM mechanischer Verschleiß an der Oberfläche. Gefahren wie z. B. verschiedenste Industrieprozesse Zunehmend werden spezielle auf einzelne Anwen- aber auch vor Flüssigkeiten aller Art, vor Strahlen dungsfälle zugeschnittene Expositionsklassen defi- oder Gasen zu schützen. niert. So z. B. bei Trinkwasserbehältern [3] oder in der neuen Instandhaltungsrichtlinie [4]: 2 Angriffe auf Beton . XTWB berücksichtigt die besonderen Umge- 2.1 Expositionsklassen bungsbedingungen in Trinkwasser- Die üblichen Umgebungsbedingungen werden in behältern, den Regelwerken [1] und [2] durch die Expositions- . XSTAT, XBW1, XBW2, XCR und XDYN klassen abgedeckt. Diese Umgebungsbedingungen beschreiben den Untergrund, auf dem eine sind im Prinzip seit Jahrzehnten schon definiert, Instandsetzungsmaßnahme durchgeführt hatten aber noch nicht diese prägnante Bezeichnung. werden soll. Bei den Expositionsklassen wird in Bewehrungs- und Betonkorrosion unterschieden.

3 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

2.2 Symposiumsthemen 2.3.6 Chemischer Angriff außerhalb von XA Die Symposiumsthemen Explosion, Brand und Risiko- Der chemische Angriff, der über die Expositionsklas- stoffe werden in diesem Beitrag nicht behandelt. sen XA abgedeckt wird, ist in mehreren Bereichen limitiert. Es werden nur wenige Parameter abgedeckt, 2.3 Weitere Szenarien, bei denen die Stärke der Angriffe ist begrenzt, ebenso die Beton eine Schutzwirkung hat Umgebungstemperatur und mögliche Strömungs- Weitere Schutzwirkungen hat Beton bei Wasserun- geschwindigkeit. Daher bleibt in diesen Fällen meist durchlässigkeit, Gasundurchlässigkeit, Schutz vor nur der Schutz durch eine zusätzliche Schutzschicht. Strahlen, Beständigkeit bei hohen und tiefen Tempe- raturen sowie Schutz vor chemischen Angriffen, die 2.3.7 Lärmschutz nicht von den Expositionsklassen XA abgedeckt sind. Beim Schutz vor Luftschall sind schwere Baustoffe notwendig. Hier kommt normaler Beton zum Einsatz. 2.3.1 Wasserundurchlässigkeit Schwerbeton ist nicht notwendig. Um die Reflexion Die Anforderungen an die Wasserundurchlässigkeit des Schalls an der Betonoberfläche zu minimieren, von Betonkonstruktionen sind in den letzten Jahren wird auf der der Schallquelle zugewandten Seite mit gewachsen. Auch bei sehr hohen Nutzungsanforde- haufwerksporigem Beton eine poröse Oberfläche rungen darf die Betonkonstruktion Wasser weder in geschaffen, die die Reflexion minimiert. flüssiger Form noch als Dampf messbar durchlassen. Die wasserundurchlässige Betonkonstruktion, bei der 2.3.8 Schutz vor Aquaplaning mit Dränbeton der Beton sowohl die statische als auch die abdich- Beim Dränbeton wird Oberflächenwasser schnell tende Funktion übernimmt, ist heute vielgebaute nach unten geleitet, sodass keine Pfützen entstehen, Praxis. die zu Aquaplaning führen können. Dazu wird mit einer Ausfallkörnung ein haufwerksporiges Gefüge 2.3.2 Gasundurchlässigkeit des Betons erzeugt. Da Dränbetonoberflächen meist Die Gasundurchlässigkeit hat eher untergeordnete durch mechanischen Verschleiß belastet werden, ist Bedeutung. Eine typische Gasundurchlässigkeit ist hier eine hochwertige Zementsteinmatrix notwendig, z. B. der Schutz von Gebäuden bei Gefahr von Radon- die die Gesteinskörner fest punktuell verbindet. vorkommen im Untergrund. Dieser Effekt kann mit Kunststofffasern noch verbessert werden. 2.3.3 Schutz vor Strahlen Während früher der Schutz vor schädlichen Strahlen 3 Schutzprinzipien bei Atomkraftwerken im Vordergrund stand, geht es heute eher um die Lagerung der durch Strahlen 3.1 Allgemeines belasteten Baustoffe und auch um medizinische Ein- Soll ein Beton einer Einwirkung widerstehen, muss er satzgebiete. Bei immer neuen Strahlentherapien je nach Beanspruchung eine widerstandsfähige muss die Umgebung vor den unterschiedlichen Betonoberfläche aufweisen, um das Eindringen von Strahlen (z. B. γ-Strahlen) geschützt werden. Hier Schadstoffen zu verhindern oder zu begrenzen und kommt Strahlenschutzbeton zum Einsatz. als Bauteil den Einwirkungen rissfrei bzw. in definierten Rissbreiten begegnen. Weiterhin kann eine 2.3.4 Hohe Temperaturen Schutzschicht notwendig sein. Fugen werden in Bei einigen Produktionsprozessen kommen hohe diesem Beitrag nicht behandelt. Temperaturen zum Einsatz die planmäßig und über- wiegend lang andauernd sind und nicht unter eher 3.2 Widerstand durch die kurzfristigem Brand einzuordnen sind. Bei unter- Betonzusammensetzung schiedlichen Temperaturen finden verschiedene Durch die gezielte Zusammensetzung seiner Prozesse statt, die die Festbetoneigenschaften wie Bestandteile kann Beton auf sehr viele Beanspru- Festigkeit oder E-Modul beeinträchtigen. Die Beton- chungen eingestellt werden. Beton besteht bekannt- norm DIN EN 206-1 / DIN 1045-2 [2] kennt „Beton für lich aus Zement, Wasser, Gesteinskörnung (Sand und hohe Gebrauchstemperaturen bis 250 °C“. Bei Kies) sowie ggf. Betonzusatzmitteln und/oder Beton- darüber hinaus zunehmenden Temperaturen sind zusatzstoffen. weitergehende Maßnahmen überwiegend bei der 3.2.1 Wasserzementwert Wahl der Gesteinskörnung notwendig. Bei einem Wasserzementwert (w/z-Wert) von etwa 2.3.5 Tiefe Temperaturen 0,4 wird das gesamte in der Mischung vorhandene Festbeton wird von tiefen Temperaturen (bis -170°C) Wasser vom Zement gebunden. Bei höheren w/z- gar nicht beeinträchtigt. Vielmehr ergeben sich bei Werten können darüber hinausgehende Wassermen- feuchten Festbetonen teilweise erhebliche Festig- gen nicht gebunden werden und verbleiben im erhär- keitszuwächse [5]. tenden Beton. Sie bilden später die Kapillarporen.

4 Schutzmechanismen von Beton – ein Überblick

Über die Größe der Kapillarporen und damit über den schwere Gesteinskörnungen zum Einsatz. Die schwe- w/z-Wert wird die Betondruckfestigkeit aber auch ren Gesteinskörnungen enthalten meist Eisenverbin- seine Widerstandfähigkeit gegenüber eindringenden dungen, können aber auch Barium- oder Titanverbin- Medien gesteuert. Bei zunehmenden Anforderungen dungen enthalten. innerhalb einer Expositionsklasse (z. B. XC1 bis XC4) Soll der Festbeton hohen Gebrauchstemperatu- werden die Grenzwerte für den w/z-Wert geringer. Im ren bis 250 °C standhalten, werden Gesteinsarten hochfesten und ultrahochfesten Beton wird dieses benötigt, die einen ähnlichen Temperaturausdeh- Prinzip ebenso angewandt. Dabei wird der ultrahoch- nungskoeffizienten haben wie der Zementstein, um feste Beton international auch UHPC genannt, also Gefügestörungen zu minimieren. Bei höheren Tem- mit ultra hoher Performance. Das Wort „Perfor- peraturen ist zu berücksichtigen, welche Gesteins- mance“ zeigt, dass nicht nur die Druckfestigkeit arten bei welcher Temperatur wie reagieren. So steigt, sondern auch andere Eigenschaften positiv erfährt quarzitische Gesteinskörnung bei 573 °C den beeinflusst werden. sogenannten Quarzsprung, bei dem sich das spezifi- Andererseits ist die beliebige Absenkung des w/z- sche Volumen des Quarzes ändert und somit zu Wertes nicht immer sinnvoll. Beim Beton mit hohem geringen Gefügestörungen führt. Wird kalkstein- Wassereindringwiderstand (wu-Beton) führt eine haltige Gesteinskörnung eingesetzt, entweicht bei höhere als statisch notwendige Druckfestigkeit zu höheren Temperaturen CO2 aus dem Kalkstein. einem spröderen, rissanfälligeren Beton und damit zu Bei porösen Vorsatzschalen von Lärmschutzwän- höheren Bewehrungsgehalten. Dies verschlechtert den und bei Dränbeton wird ein Beton mit hoher aber die Betonierbarkeit, verstärkt damit die Gefahr Porosität benötigt. Dazu wird eine Ausfallkörnung von Kiesnestern, steigert auch den Preis und ist somit eingesetzt, also eine Sieblinie, bei der einzelne Korn- in diesem Beispiel kontraproduktiv. gruppen fehlen. Die verbleibenden großen Gesteins- Der w/z-Wert ist der Dreh- und Angelpunkt der körner werden nur punktuell miteinander verbunden Betontechnologie. und bieten dadurch viele ungefüllte Zwischenräume.

3.2.2 Zement 3.2.4 Betonzusatzmittel Generell steigt mit den Anforderungen an die Dauer- Bei der Expositionsklasse XF4 (hohe Wassersättigung haftigkeit innerhalb einer Expositionsklasse auch der mit Taumittel) muss zwingend ein Luftporenbildner Mindestzementgehalt. Dabei hat der Zement einer- als Betonzusatzmittel eingesetzt werden. Bei XF2 und seits Einfluss auf die Festigkeit, andererseits als Träger XF3 kann alternativ zum LP-Bildner die Widerstands- des basischen Milieus eine wichtige Aufgabe beim fähigkeit auch über die noch höhere Qualität der Korrosionsschutz der Bewehrung. Betondeckung erzielt werden, also über die Begren- Beim Sulfatangriff durch sulfathaltige Wässer und zung des w/z-Wertes. Böden innerhalb der Expositionsklassen XA kommt 3.3 Beherrschung von Rissen ein spezieller Zement mit hohem Sulfatwiderstand Um die Bewehrungskorrosion des Stahlbetons in den zum Einsatz. auch planmäßig auftretenden Rissen zu kontrollieren, 3.2.3 Gesteinskörnung wird für die verschiedenen Expositionsklassen eine Die Gesteinskörnung ist gewichts- und volumenmä- maximal zulässige Rissbreite definiert. Für die Exposi- ßig der größte Bestandteil eines Kubikmeters Beton. tionsklassen XC2, XC3, XC4, XS und XD sind das nach Daher überrascht es auch nicht, dass ihr an verschie- [1] bei Stahlbeton maximal 0,3 mm. denen Stellen eine wichtige Bedeutung zukommt. Allerdings reicht diese Begrenzung der Rissbreite Beim Frostangriff (Expositionsklassen XF) muss bei einzelnen Anwendungen nicht mehr aus. Bei der natürlich auch die Gesteinskörnung selber frostbe- Forderung nach Wasserundurchlässigkeit zeigte sich, ständig sein. Für die meisten dichten Gesteinsarten dass diese Vorgehensweise häufig unzureichend ist. trifft das zu. So wurden in der DAfStb-Richtlinie „Wasserundurch- Beim Verschleiß (Expositionsklassen XM) über- lässige Bauwerke aus Beton“ [6] zwei weitere Vorge- nimmt das Korngerüst der Gesteinskörnung direkt an hensweisen als Entwurfsgrundsätze vorgegeben. der beanspruchten Betonoberfläche den Widerstand Besonders der Entwurfsgrundsatz „Vermeidung von gegen rollende, schleifende oder stoßende Bean- Trennrissen“ wird bei der in Überarbeitung befindli- spruchung, da die Festigkeit der meisten Gesteine chen Richtlinie [7] noch stärker hervorgehoben. deutlich höher ist als die Festigkeit des sie umhüllen- 3.3.1 Entwurfsgrundsatz a: den Zementsteins. Vermeidung von Trennrissen Der Strahlenschutzbeton schützt die Umgebung Bei diesem Entwurfsgrundsatz sollen Trennrisse und damit auch die Menschen vor schädlichen durch die Festlegung von konstruktiven, betontech- Strahlen aller Art. Je nach Strahlung, die abgeschirmt nologischen und ausführungstechnischen Maßnah- werden soll, kommen kristallwasserreiche oder men vermieden werden. Dies wird weniger durch die

5 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Bemessung der Bewehrung, sondern durch die 3.3.3 Entwurfsgrundsatz c: Planung einer zwangarmen Konstruktion gewähr- Festlegung von Trennrissbreiten mit leistet. planmäßigen Dichtmaßnahmen 3.3.2 Entwurfsgrundsatz b: Bei diesem Entwurfsgrundsatz sollen Trennrissbreiten Festlegung von Trennrissbreiten zunächst so gewählt werden, dass sie die rechnerischen Trennrissbreiten nach [1], Abschnitt 7.3.1 auf Bei diesem Entwurfsgrundsatz sollen Trennrissbreiten der feuchtebeanspruchten Bauteilseite einhalten. so gewählt werden, dass der Wasserdurchtritt durch Zusätzlich soll der Wasserdurchtritt in Kombination Selbstheilung begrenzt werden soll. Dazu muss Was- mit im Entwurf vorgesehenen planmäßigen Dicht- ser durch die Risse sickern und die Risse dürfen nicht maßnahmen gemäß [6] erfüllen. „Ziel dieses zu breit sein. Ist erst später mit anstehendem Wasser Entwurfsgrundsatzes ist es, die Anzahl der Risse zu zu rechnen und wird eine hochwertige Nutzung minimieren und diese Risse bei Beanspruchungs- geplant, sind weitere Maßnahmen notwendig. klasse 1 zielsicher abzudichten.“

Tab. 1: Einwirkungen und Schutzmechanismen von Beton

Einwirkung Problem Lösung Umsetzung

Betonrandzone und Poren- w/z-Wert, Karbonatisierung Bewehrungskorrosion gefüge optimieren Rissbreitenbegrenzung Bewehrungskorrosion/ Betonrandzone und Poren- w/z-Wert, Chloride Lochfraß gefüge optimieren Rissbreitenbegrenzung Sprengwirkung/ Betonrandzone optimieren, w/z-Wert, Frost Abmehlen Luftporen einführen LP-Mittel Betonrandzone und Poren- w/z-Wert, Chemischer Angriff Ablösung gefüge optimieren, ggf. Rissbreitenbegrenzung, Schutzschicht ggf. Schutzschicht Betonrandzone optimieren, w/z-Wert, verschleißfeste Mechanischer Verschleiß Abrieb besondere Gesteinskörnung Gesteinskörnung

Explosion

Brand

Risikostoffe

Porengefüge / w/z-Wert, Wasserundurchlässigkeit Durchlässigkeit Rissprävention Rissprävention Porengefüge / w/z-Wert, Gasundurchlässigkeit Durchlässigkeit Rissprävention Rissprävention Besondere Strahlen hemmende bzw. Strahlen Durchlässigkeit Gesteinskörnung schwere Gesteinskörnung Gefügestörungen Gesteinskörnung mit ähnli- Angepasste Hohe Temperaturen Zementstein / Gesteins- chem Temperaturausdeh- Gesteinskörnung körnung nungskoeffizient

Tiefe Temperaturen keins

lösender oder treibender Gutachterliche Stellung- Chemischer Angriff Angriff, ggf. Durchlässig- nahme, häufig Schutz der Schutzschichten außerhalb von XA keit Oberfläche Normalbeton mit haufwerk- Lärmschutz Durchlässigkeit Masse + Porosität sporiger Leichtbetonvor- satzschale Haufwerksporiger Aquaplaning Undurchlässigkeit Porosität Normalbeton

6 Schutzmechanismen von Beton – ein Überblick

3.4 Einsatz von Schutzschichten Schon bei der Expositionsklasse XA3 sind Angriffs- werte erreicht, bei denen die Betonoberfläche alleine nicht mehr dauerhaft ist. Hier muss mit einer Schutz- schicht gearbeitet werden. Darüber hinaus gibt es verschiedene Beispiele, bei denen der Beton eine Schutzschicht benötigt: direkt befahrene Parkdecks, viele Bauteile im Bereich des landwirtschaftlichen Bauens und andere.

4 Literatur [1] DIN EN 1992-1-1 / DIN EN 1992-1-1/NA Be- messung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken, Teil 1-1: Allgemeine Bemes- sungsregeln für den Hochbau mit Nationalem An- hang, Beuth-Verlag 2011 / 2013

[2] DIN Fachbericht 100: DIN EN 206-1 in Verbin- dung mit DIN 1045-2: Beton; Festlegung, Eigenschaf- ten, Herstellung und Konformität, Beuth-Verlag 2010

[3] DVGW Arbeitsblatt A 300, Teil 1 Planung und Bau, Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. 2014

[4] DAfStb-Richtlinie “Instandhaltung von Beton- bauteilen”, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Gelbdruck Berlin 2016

[5] Weigler, Helmut und Karl, Sieghart, Beton – Arten, Herstellung, Eigenschaften, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 1989

[6] DAfStb-Richtlinie “Wasserundurchlässige Bau- werke aus Beton”, Deutscher Ausschuss für Stahlbe- ton, Berlin 2003

[7] DAfStb-Richtlinie “Wasserundurchlässige Bau- werke aus Beton”, Deutscher Ausschuss für Stahlbe- ton, Gelbdruck Berlin 2016

Autor Dr.-Ing. Diethelm Bosold InformationsZentrum Beton GmbH Neustraße 1 59269 Beckum

Betoneigenschaften gegen hochdynamische Einwirkungen

Viktor Mechtcherine, Martina Götze und Iurie Curosu

Zusammenfassung Der vorliegende Artikel befasst sich mit dynamischen und hochdynamischen Einwirkungen auf Beton und seinem Widerstand gegenüber solchen Beanspruchungen. Es wird ein Überblick über vorhandene Normen, diverse dynamische Lastfälle wie Impakt, Erdbeben und Explosion sowie über stattfindende Schädigungsprozesse und das charakteristische Materialverhalten gegeben. Des Weiteren werden materialbezogene Maßnahmen vorgestellt, die zielgerichtet den Betonzerstörungen infolge dynamischer Beanspruchungen entgegenwirken. Es werden die spezielle Beschaffenheit und Zusammensetzung der geeigneten Betonarten beschrieben, wie stahlfaserbewehrter Ultrahochleistungsbeton (UHPC) und hochduktiler Beton (SHCC). Die neuesten Ergebnisse aus dem einschlägigen Forschungsfeld des Institutes für Baustoffe der TU Dresden sowie innovative Ansätze hinsichtlich künftiger Mate- rialentwicklungen mineralisch gebundener Faserverbundwerkstoffe für die Verstärkung impaktgefährdeter bestehender Bauwerke und Neubauten fließen in die Betrachtungen ein.

1 Einleitung Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Infra- Die meisten heute existierenden sowie in Bau bzw. struktur ein immenser materieller bzw. finanzieller Planung befindlichen Gebäude und Bauwerke beste- Aufwand benötigt, was sich u. a. auf deren Nachhal- hen aus Beton oder Stahlbeton. Neben vielen Vortei- tigkeit negativ auswirkt. len dieser Bauweise weist sie auch einen bedeuten- Die höchste Gefährdungskategorie hochdynami- den Nachteil auf und zwar einen relativ geringen scher Beanspruchung stellt das Katastrophenszenario Widerstand gegen kurzzeitdynamische Belastungen, einer Explosion dar. Dieses kann als Folge von Unfäl- wie z. B. Stoß, Detonation oder Erdbeben. Dies ist in len, Naturerscheinungen bzw. Anschlägen entstehen erster Linie auf die Sprödigkeit des Werkstoffs Beton und infrastrukturelle Einrichtungen weiträumig zurückzuführen. Angesichts der stets zunehmenden vernichten. Außer der Freisetzung einer Luftstoßwelle Gefahr des Eintretens solcher dynamischer Beanspru- können durch die wirkenden extremen Prozesse chungen, z. B. durch Naturkatastrophen oder Terror- Partikeleinschläge auf der Betonoberfläche ausgelöst anschläge, besteht weltweit dringender Handlungs- und danach einzelne Bauteile oder gesamte Gebäude bedarf im Hinblick auf die Gewährleistung der Sicher- zerstört werden. heit der Menschen und der für das Leben der Um den aufgeführten Gefahrensituationen ziel- Menschen wichtigen Infrastruktur. gerichtet entgegenzutreten und die Ausmaße der Dynamische bzw. hochdynamische Beanspru- Schäden durch hochdynamische Belastungen auf chungen auf Beton stellen sowohl im Hoch- und Tief- geringes Niveau zu reduzieren, müssen angepasste bau als auch im Ingenieurbau ein hohes Gefähr- Betone mit speziellen Eigenschaften entwickelt und dungspotential zunächst für den eingesetzten eingesetzt werden. Der Artikel setzt sich daher mit Baustoff selbst, das unmittelbar betroffene Bauteil, in betontechnischen Lösungen auseinander, die die Fol- Ausweitung dessen für Gebäude und nicht zuletzt für gen von hochdynamischen Einwirkungen auf Beton die umgebenden Lebewesen und deren Umwelt dar. verringern sollen. Spezielles Augenmerk liegt dabei Betroffen können zudem wichtige Infrastrukturbau- auf den stahlfaserbewehrten Ultrahochleistungs- teile aus Beton sein, wie Brücken, Tunnel, Straßen betonen (engl.: ultra high performance concrete, bzw. Autobahnen, die als Lebensadern für die Auf- UHPC) und auf den neuesten Forschungsergebnissen rechterhaltung des Verkehrs und zur Sicherstellung mit hochduktilen Betonen (engl.: strain-hardening von Energieversorgungs- und Kommunikations- cement-based composites, SHCC). Im Ausblick wird einrichtungen dienen. Ihre Zerstörungen ziehen weit- auf die künftigen Arbeiten an der TU Dresden im Rah- reichende Folgen mit eingeschränkter oder gar mens des im Mai 2017 startenden Graduiertenkollegs unmöglicher Nutzung bzw. beträchtlichen Funktions- der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zum einbußen nach sich. Abgesehen von den eventuellen Thema „Impakt-Sicherheit von Baukonstruktionen Personenschäden wird zur Wiederherstellung der durch mineralisch gebundene Komposite“ verwiesen.

9 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

2 Dynamische und hochdynamische wird in DIN 1991-1-7 [5] wie folgt definiert: „Robust- Einwirkungen heit ist die Eigenschaft eines Tragwerkes, Ereignisse wie Brand, Explosion, Anprall oder Folgen menschli- 2.1 Normativer Überblick chen Versagens so zu überstehen, dass keine Schä- Betonbauteile werden während ihrer Nutzung viel- den entstehen, die in keinem Verhältnis zur Schaden- zähligen einzeln oder zumeist gleichzeitig wirkenden sursache stehen.“ Die materialspezifische Thematik Expositionen ausgesetzt und müssen diesen Bean- für die gezielte Auswahl von widerstandsfähigen spruchungen über viele Jahrzehnte nachhaltig Baustoffen wird in dieser Norm nicht beleuchtet. gerecht werden. Normaler Beton ist ein quasi-sprö- Die Normenreihe DIN EN 1998 [6] des Euro- der Baustoff, d. h. er versagt plötzlich, ohne Voran- codes 8 gilt für die Bemessung, Auslegung und Kon- kündigung durch größere nichtelastische Verformun- struktion von Bauwerken des Hoch- und Ingenieur- gen. Bei der Planung und Bemessung von Beton- und baus in Erdbebengebieten. Hauptziele sind hierbei Stahlbetonbauteilen sind sowohl lastunabhängige als die Sicherstellung des Schutzes menschlichen Lebens auch lastabhängige Einwirkungen zu berücksichtigen sowie die Erhaltung der Funktionstüchtigkeit wichti- [1], die letzteren im Allgemeinen als quasi-statische ger Bauwerke, u. a. von Brücken, Rohrleitungen, Belastungsfälle. Diese Fälle, bei denen eine relativ Tank- und Stützbauwerken, Türmen, Masten und konstante Last, wie z. B. das Eigengewicht, über eine Schornsteinen, im Lastfall eines Erdbebenereignisses. vergleichsweise lange Zeitdauer wirkt, sind in Die Sprengwirkungshemmung hinsichtlich Fens- Normen geregelt, die Grundlage der Bemessung ter, Türen und Abschlüsse ist Thema der Normen eines Bauwerkes bilden. Die im gültigen Eurocode 2 DIN EN 13123-1 [7] und DIN EN 13124-1 [8]. Die [2, 3] sowie in der DIN 1045-2 [4] aufgeführten Norm DIN 13541 [9] legt Prüfverfahren und Leis- Anforderungen an Beton berücksichtigen jedoch tungsanforderungen für die Klasseneinteilung von keine dynamischen bzw. hochdynamischen Belas- sprengwirkungshemmenden Sicherheitssonderver- tungsfälle. Eine „erhebliche“ mechanische Beton- glasungen für das Bauwesen fest. Bei der Prüfung beanspruchung wird gemäß dieser Regelwerke ledig- wird der erforderliche Druckstoß z. B. in einem Stoß- lich mit dem Verschleißfall in den Expositionsklassen rohr erzeugt, um die Detonation einer Sprengladung XM1 bis XM3 erfasst. nachzuahmen. Der Zweck besteht darin, die Men- Der Eurocode 1 mit seiner relevanten Normen- schen gegen Sprengstoff mit spezieller Verglasung zu reihe DIN EN 1991 bezieht sich sowohl auf unter- schützen. schiedliche Einflüsse auf Tragwerke, wie die ständige Zusammengefasst an dieser Stelle: Es gibt derzeit Einwirkungsart des Eigengewichts, die veränderliche keine relevante Normung, die der Gefährdung durch Art von Nutzlasten im Hochbau, Schnee- bzw. Wind- dynamische bzw. hochdynamische Einwirkungen mit oder Verkehrslasten als auch auf außergewöhnliche Verweis auf geeignete Betonqualitäten Rechnung Einwirkungen. Letzteren ist der Teil DIN 1991-1-7 [5] trägt bzw. ein Konzept für die Herstellung von Beton gewidmet. Diese außergewöhnlichen Beeinflussun- mit dem erforderlichen Widerstand gegenüber kurz- gen betreffen vorzugsweise den Anprall von Straßen- zeitdynamische Einwirkungen bietet. fahrzeugen auf stützende Unterbauten und Über- bauungen ebenso wie die Einwirkungen aus Gabel- 2.2 Einteilung und Charakterisierung staplern und Eisenbahnfahrzeugen bei Entgleisung Dynamische und hochdynamische Einwirkungen sowie außergewöhnliche Einwirkungen aus Schiffs- gehören zu den außergewöhnlichen Einwirkungen verkehr und harter Landung von Helikoptern auf und finden blitzschnell, d. h. mit sehr hoher Dächern. Außerdem bezieht sich Kapitel 5 in [5] auf Geschwindigkeit im Bereich von Mikro- bis Millise- Innenraumexplosionen, die in Gebäuden und Ingeni- kunden statt; sie werden der Kurzzeitdynamik zuge- eurbauwerken mit Gasanschluss oder Lagerung ordnet. Zudem können hohe im Gigapascalbereich explosiver Stoffe wie Stäuben, Gasen, Flüssigkeiten, liegende Belastungsdrücke auftreten. In Abhängig- z. B. in chemischen Anlagen, Behältern, Bunkern, keit der speziellen Einwirkungsart können die Kraft- Wohnungen und Tunneln auftreten können. Es sind beaufschlagungen außerdem stark veränderlich sein. Strategien zur Begrenzung des lokalen Versagens, Den auslösenden Ursachen zugeordnet Schadensfolgeklassen, Risikogruppen, dynamische werden beispielsweise Unfälle, Naturereignisse und Anprallberechnungen, Regelungen und Bemessun- kriegerische Handlungen. Zu diesen extremen Einwir- gen für die Sicherstellung von Ingenieurbauwerken kungen auf Beton gehören: gegen identifizierbare und nichtidentifizierbare . sehr starker Wind, außergewöhnliche Einwirkungen enthalten. Auf . Steinschlag, wirkende Anprallkräfte wird spezifisch eingegangen. . Havarie, Außergewöhnliche Einwirkungen aus Explosionen . Flugzeugabsturz, außerhalb von Gebäuden durch z. B. Terrorhandlun- . Verkehrsunfall, gen werden nicht betrachtet. Der Begriff „Robustheit“ . Erdbeben mit herabfallenden Bauwerksteilen,

10 Betoneigenschaften gegen hochdynamische Einwirkungen

. Beschuss bei militärischen Operationen, Tab. 1: Unterscheidung der Verzerrungsraten- . Terroranschlag, bereiche [10] . Meteoriteneinschlag, Verzerrungsratenbereich [s-1] Bezeichnung . Explosion.

Natürlich können auch in normalen Baubetriebsab- 10-6 bis 10-4 quasi-statisch läufen stoßartige Beanspruchungen vorkommen und 10-4 bis 5 · 10-1 moderat dynamisch zwar besonders bei: 5 · 10-1 bis 2 · 102 hochdynamisch . Aushüben von Baugruben, . Abbrucharbeiten bei Bauen im Bestand, Hochdynamische Beanspruchungen gehen sowohl . Prozessen der Bauausführung, wie dem Einram- mit hohen Verzerrungsraten als auch starken Belas- men von Bohrpfählen und Bergbauarbeiten, tungsdrücken einher. Die enormen Beaufschlagun- . Wirkung schweren Gerätes, wie Bohrhämmern gen bei dynamischen/hochdynamischen Vorgängen und Schlagbohrmaschinen, Stemmarbeiten. mit Geschwindigkeiten von bis zu 30 m/s bei einem Auf-/Anprall, über 60 m/s bei starkem Wind, zirka Infolge dessen entstehen in beteiligten bzw. auch 90 m/s bei einem Flugzeugabsturz bis hin zu benachbarten Bauteilen mehr oder weniger örtlich 9000 m/s bei Kontaktdetonationen bzw. Explosionen begrenzte Impakte. Die Wurzeln des allgemeinen bzw. mehr als 10000 m/s einem Meteoriteneinschlag Begriffes „Impakt“ sind im Lateinischen angesiedelt bewirken äußerst kurzzeitige Beanspruchungen im mit impactus = eingeschlagen. Impakt bedeutet Bauteil mit einem möglichen entsprechend hohen demnach nichts anderes als Einschlag, Aufprall oder Schädigungsgrad. Anprall. Tab. 2 unterscheidet das Materialverhalten von Um eine Abgrenzung zwischen den extremen Festkörpern in Abhängigkeit von ausgewählten Beanspruchungsarten für Betonstrukturen zu veran- Beanspruchungen mit ihren typischen Belastungs- schaulichen, zeigt Abb. 1 verschiedene Belastungs- dauern [12]. formen mit den wirkenden Belastungsdrücken in Abhängigkeit der Verzerrungsrate [10]. Tab. 2: Charakterisierungen verschiedener dynamischer Beanspruchungen [12] Beanspruchung Belastungs- Materialverhalten Meteoriten- einschlag dauer [s] von Festkörpern

Hohlladungs- elastisch- detonation Windlast > 101 viskoelastisch Kontaktdeto- 1 Nahfeld- nation Erdbeben 10 elastisch-plastisch detonation elastisch-plastisch, Flugzeugabsturz 10-1 Impakt schädigend elastisch-plastisch, Blast Bombenpenetration > 10-3 schädigend fluidähnlich, Kontaktdetonation > 10-4 hydrodynamisch

-5 Abb. 1: Klassifizierung extremer Einwirkungen auf Kometeneinschlag > 10 Phasenübergänge Betonstrukturen nach auftretender Verzer- Dass eine stärkere Gefährdung durch Erdbeben in rungsrate und maximalen Belastungs- einigen Gebieten Deutschlands relevant ist, beweist drücken [10] die Darstellung der Erdbebenzonen bis zur Katego- Dabei bildet die Verzerrungsrate ε̇, auch als Dehn- rie 3 in Abb. 2 aus [13], siehe auch erdbebengerechte geschwindigkeit bzw. Dehnrate bezeichnet, einen Baunorm DIN EN 1998 [6]. Seismologisch aufge- wichtigen Parameter für die Beurteilung einer dyna- zeichnet werden Beben ab einer Magnitude von 4,5 mischen Einwirkung. Sie drückt die Längenänderung auf der Richterskala. Wenngleich diese Naturerschei- über die Belastungszeit aus und dient zur Klassi- nungen hierzulande eine vergleichsweise geringe fizierung der Geschwindigkeit mechanischer Verfor- Stärke erreichen, können sie infolge der Schwingun- mungen [11]. gen dennoch in den ausgewiesenen Flächen Schäden In der Literatur wird zudem folgende Bezeich- an Gebäuden, wie u. a. Risse, wankende Hochhäuser, nung der Verzerrungsratenbereiche vorgefunden, eingestürzte Mauern bzw. Schornsteine hervorrufen siehe Tab. 1, nach [10]: und Verletzte bzw. gar Tote fordern. Im europäischen

11 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Maßstab betrifft die Erdbebenthematik weitere Län- Folgerichtig können die oben aufgeführten stoßarti- der, wie Italien oder Griechenland, aber auch die gen Einwirkungen auf Beton einerseits einem breiten Schweiz und Österreich. Spektrum zugeordnet werden und andererseits eine große Bandbreite hinsichtlich ihrer Geschwindigkei- ten, Spitzendrücke und resultierenden Verformungen nach sich ziehen.

2.3 Beschreibung der Schädigungen Die äußerst gravierenden Schädigungsformen des Betons bei stoß- bzw. impaktartiger Belastung werden, wie vorher beschrieben, durch die plötzlich herrschenden hohen Druckspannungen hervorgerufen und entsprechen verschiedenen Szenarien. Als zutreffendes ursächliches Beispiel sei an dieser Stelle die Penetration von Bomben in Beton aufgeführt. Typisch erscheint in diesem Fall eine mehr oder weniger lokal stattfindende Materialkomprimierung, in deren Folge es zur Zerstörung kommt, siehe Abb. 3 links [14]. Trifft ein Projektil auf ein Bauteil, so kann es in Abhängigkeit von Geometrie, Masse und Auftreff- geschwindigkeit aufschlagen, eindringen oder auch durchschlagen. Bei einer Explosionseinwirkung allerdings stellt das Zugversagen die vorherrschende Versagensform Abb. 2: Karte Erdbebenzonen in Deutschland [13] dar. Abb. 3 rechts [14] zeigt ein beobachtetes Scha- densbild nach dieser Beaufschlagung an einer mittig Eine in der Natur oder von Menschenhand stattfin- durchgesägten Betonplatte mit Abplatzungen und dende Explosion ist ein physikalisches Ereignis, Rissen im kraternahen Bereich. charakterisiert mit der innerhalb von Mikrosekunden abrupten Freisetzung riesiger Energiemengen auf sehr kleinem Raum mit damit verbundener Volumen- ausdehnung von Gasen, von Druck- und Temperatur- anstiegen und einer Stoß- bzw. Detonationswelle. Sie kann verursacht werden durch chemische Reaktio- nen, ausgelöst in explosionsfähiger Atmosphäre, Selbstentzündung komprimierter Gase, wie bei vulka- nischen Ausbrüchen oder auch z. B. durch Spreng- stoffe bei Terror-oder Kriegsanschlägen. Die Freiset- zung damit verbundener plötzlicher hoher Kräfte und deren Ausbreitung geschieht vom Explosionszentrum Abb. 3: Links: Beschuss eines bewehrten Betonkör- aus. Die bei Explosionen gesamte freiwerdende Ener- pers mit steckendem Penetrator (Vorder- gie, nicht nur die kinetische, wird in der gebräuchli- seite), rechts: mittig durchgesägte Beton- chen Maßeinheit TNT-Äquivalent angegeben: platte nach Beanspruchung durch eine TNT-Äquivalent = 1 kg TNT Sprengstoff = 4,184 MJ. Kontaktladung (Explosionseinwirkung) [14] Tab. 3 vergleicht, diversen einschlägigen Quellen Für die Schadenserfassung sind für die beiden Beauf- entnommen, TNT-Äquivalente verschiedener Explosi- schlagungen des Impakts sowie der extremeren onsursachen. Explosion in diesem Zusammenhang zahlenwert- Tab. 3: Vergleich TNT-Äquivalente unterschied- mäßige Charakterisierungen wichtig, das heißt die licher Ereignisse Erfassung der Abmessungen von Kratertiefen und Ursache TNT-Äquivalent [kg] Abplatzungen der Betonzerstörungen sowie die Bestimmung der Restfestigkeit des Betons im Krater- Feuerwerkskörper < 0,001 bereich. Damit lassen sich Aussagen über die stati- Sprengsatz, terroristische Resttragfähigkeit einer Struktur oder die Wider- einige bis über 1000 scher Anschlag standsfähigkeit eines Betonkörpers auch gegen einen 1. Einschlag World möglichen weiteren Impakt treffen [14]. 3000 Trade Center, 2001 Bei einem Hochgeschwindigkeitsaufprall trifft ein relativ kleiner Körper mit hoher Geschwindigkeit auf Erdbeben, Stärke 4 1 000 000 ein größeres Bauteil. Der Beschuss einer Betonwand

12 Betoneigenschaften gegen hochdynamische Einwirkungen

führt dazu, dass der übertragene Impuls auf die Wand insgesamt gering ist. Die Folge des Impaktors ist lokal begrenzt, wirkt allerdings mit großem Schaden. In sehr vielen Fällen geht ein Impakt mit dem Ein- trag von Stoßwellen in den Beton einher, wie im Ereignis eines Bebens, so dass es nicht nur an der direkt belasteten Seite zu Schädigungen kommt, sondern durch Ausbreitung ebenfalls an lastfernen. In der zeitlichen Abfolge sind ebenfalls mehrere sich überlagernde Impakte wahrscheinlich, die letztlich die Betonquerschnitte vollständig zerstören können. Man unterscheidet in lokale Ereignisse, z. B. einen Abb. 4: Gasexplosion in einem Wohnhaus [15] Impakt oder eine Detonation (Beschuss oder Kon- taktdetonation) mit hoher Verzerrungsrate und Tab. 5 beschreibt die Zerstörungsbilder in Abhängig- erheblicher örtlicher Schädigung des Betongefüges. keit der Druckdifferenz der entstandenen Detonati- Diese Schädigung tritt dann zumeist lokalisiert an onswelle [16]. einem Bauteilabschnitt auf, wobei die Wahrschein- Tab. 5: Zerstörungswirkung der Explosionsdruck- lichkeit des Ausfalls des direkt betroffenen Bauteils welle [16] sehr hoch ist. Andererseits kann die Beaufschlagung Druckdifferenz [mbar] Wirkung auch global wirksam werden, wenn beispielweise leichte Schäden an Dächern, größere Bauteilbereiche oder gesamte Bauteile mit 30 vergleichsweise geringeren Verzerrungsraten betrof- 10 Prozent der Fenster fen sind, z. B. Beschuss aus weiterer Entfernung (Fern- teilweise Zerstörung von 70 feldexplosion oder Blast). Tab. 4 beinhaltet eine zah- Häusern lenwertmäßige Unterscheidung zwischen lokaler und 140 bis 200 Einsturz von Mauerwerk globaler Belastung, charakterisiert mit dem skalierten nahezu vollständige Zerstö- Abstand Z. Dieser wird gemäß dem Hopkinson´schen 350 bis 500 Skalierungsgesetz in Abhängigkeit der Sprengstoff- rung von Gebäuden menge und dem Abstand zwischen Abschuss und Ziel Bei der räumlichen Ausbreitung der Druck- bzw. Luft- berechnet [10]. stoßwelle wird diese aufgrund der Effekte der Refle- Tab. 4: Unterscheidung Detonationsart [10] xion und Transmission an Materialgrenzen im Beton skalierter Abstand Z Bezeichnung zwischen Zuschlagskorn und Zementmatrix sowie an der Kontaktfläche zwischen Beton und Bewehrungs- [m/kg1/3] stahl ungeordnet gebrochen. Die Explosionsenergie ≤ 0,5 Nah- oder Kontaktdetonation wird beim Ausbreiten teilweise in Deformationsener- > 0,5 Detonation im Fernfeld gie und teilweise über Reibung in thermische Energie umgewandelt. Die Drücke werden bei der Wellenaus- Extrem hohe Verzerrungsraten sowie Drücke und die breitung geringer [12]. verschiedenartige Fortpflanzung der Druckwelle(n) Ein tragisches Beispiel aus der jüngsten Vergan- an den direkten Kontaktbereichen auch unterschied- genheit bildet die gewaltige Doppelexplosion im licher Materialien bilden die Grundlage des Erschei- Chemie-Unternehmen BASF-Werk Ludwigshafen im nungsbildes der Betonzerstörung. Oktober 2016 mit der Beteiligung von Hafenanlagen, Äußerst verheerend zeigen sich die baustoff- bzw. begleitet von einem zehnstündigen Brand, siehe bauwerklichen Zerstörungen infolge Explosion Abb. 5 aus [17]. Das ist leider kein Einzelfall, denn sowohl in abgeschlossenen Innenräumen als auch jährlich passieren allein in Chemiekonzernen etliche außerhalb, siehe Abb. 4 gemäß [15]. In Abhängigkeit meldepflichtige Vorfälle im Zusammenhang mit des Ortes des explosiven Einschlages (z. B. durch Explosionen. Bomben) oder der Art der stattfindenden Explosion Sehr erstrebenswert ist das Vermögen von Bau- (z. B. durch Gase oder Treibstoffe) sei hier das nega- teilen oder Infrastrukturen bei kritischen Einwirkun- tive Ereignis eines progressiven Einsturzes innerhalb gen möglichst in nur unbedeutenden Teilbereichen eines Hochhauses genannt, dass dominoeffektartig zu versagen, jedoch die volle Funktionsfähigkeit zu durch das Ausbreiten der Stoßwelle in alle Richtun- erhalten; man bezeichnet es mit „Resilienz“. Die ein- gen hin zu seiner teilweisen oder gesamten Schädi- getretene Zerstörung soll damit nicht zum Ausfall gung führen kann, vgl. die Attacke vom 11. Septem- gesamter baustofflicher Strukturen und deren Um- ber 2001 in den USA. feld führen.

13 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

4 Allgemeiner Forschungsstand Ultrahochleistungsbetone (UHPC) besitzen gegen- über Normalbetonen erhöhte Druck- und Zugfestig- keiten jedoch auch eine hohe Sprödigkeit. Um Sprö- digkeit der UHPC zu verringern, werden feine Stahl- fasern zugegeben. Das führt zu einer erheblich verbesserten Zähigkeit und gesteigerten Resttrag- fähigkeit, so dass stahlfaserbewehrte Ultrahochleis- tungsbetone häufig als geeignete Materialien bei Impakt-Belastungen vorgeschlagen werden [18, 19]. Obwohl das Energieabsorptionsvermögen der stahlfaserbewehrten UHPC im Vergleich zu Normal- Abb. 5: Explosionskraft, BASF Werk Ludwigshafen betonen oder unbewehrten UHPC wesentlich erhöht [17] wird, weisen diese eine frühe Versagenslokalisierung unter Zugbelastung und ein dehnungsentfestigendes 3 Motivation zur baustofflichen Bruchverhalten auf. Die Zugfestigkeit solcher UHPC Weiterentwicklung nimmt bei hochdynamischen Belastungen im Ver- gleich zum quasi-statischen Regime deutlich zu. Die Beton- bzw. Stahlbetonbauwerke weisen i. d. R. ein Versagensmodi bleiben wegen der niedrigen Dehn- relativ geringes Vermögen zur Energiedissipation bei ratenempfindlichkeit des Stahlfaser-Matrix-Verbun- kurzzeitdynamischen Belastungen auf, was in erster des qualitativ und quantitativ unverändert. Das führt Linie auf die Sprödigkeit des Werkstoffs Beton mit steigender Dehnrate kaum zur Steigerung der zurückzuführen ist. So zeigt der im Allgemeinen gut dynamischen Bruchenergie im Vergleich zur Bruch- erforschte normalfeste Beton unter dynamischer energie bei quasi-statischer Belastung, während die Belastung stets einen geringen Widerstand. Daher Matrixzugfestigkeit des Betons zunimmt [18]. müssen zur Absicherung von Bauwerken und in Mit einem gezielten Entwurf der Zusammen- Anbetracht der stets zunehmenden Gefahr des setzung des stahlfaserbewehrten UHPC und einer Eintretens dynamischer Beanspruchungen Materia- Anpassung des Faser-Matrix-Verbundes kann die lien gefunden werden, die die dynamischen Kurzzeit- Duktilität sowohl vor der Versagenslokalisierung kräfte aufzunehmen und zu übertragen im Stande durch Verfestigung und multiple Rissbildung, als sind. Nur so lässt sich im erwünscht günstigsten Falle auch während des Versagens (Entfestigung) bedeu- ein progressives Bauwerksversagen vermeiden. tend gesteigert werden [20, 21]. Derart dehnungsver- Insbesondere wird die Eigenschaft Duktilität des festigende UHPC oder UHPFRC (Ultra-High Perfor- baustofflichen Materials zur Grundvoraussetzung für mance Fiber Reinforced Concrete) weisen nicht nur die eingangs aus DIN 1991-1-7 [5] zitierte und erfor- höhere Zugfestigkeiten auf, sondern auch deutlich derliche Robustheit gegenüber den geschilderten höhere Bruchdehnungen (bis zu 1 %) [20]. Dadurch außergewöhnlichen Ereignissen, herrührend aus wird eine signifikante Erhöhung der gesamten Bruch- dynamischen bzw. hochdynamischen Beanspruchun- energie erreicht. Weiterhin wurde festgestellt, dass gen. Einem Impakt, in welcher Form auch immer, bei solchen dehnungsverfestigenden UHPC bei entgegenzustehen, bedeutet dessen kinetische erhöhten Belastungsraten nicht nur die Zugfestigkeit Energie wirksam umzuwandeln. Das beaufschlagte sondern auch die Bruchenergie steigt [21]. In diesem Material muss den hohen Verzerrungsraten standhal- Fall bringt die Zunahme der Matrixzugfestigkeit ten können, die bei den großen Belastungsgeschwin- durch die multiple Rissbildung vor der Entfestigung digkeiten dynamischer Einwirkungen auftreten. Ganz einen erheblich größeren Beitrag zur Energie- konkrete Anforderungen im Fall eines Impakt oder dissipation. einer Explosion lassen sich vereinfacht folgenderma- Hinsichtlich hochdynamischer Beanspruchungen ßen formulieren: stellt der Explosionsfall die schärfste Beaufschlagung dar. Zum einen treten äußerst hohe Spannungen auf, . Duktilität von Werkstoff und Konstruktion, zudem führen die sehr hohen Dehnraten zu einem . Restfestigkeit des Werkstoffs und Resttragfähig- veränderten Materialverhalten, was allgemein für keit der Konstruktion, Impakt-Einwirkungen gilt. Die Wirksamkeit der stahl- . keine oder nur geringe Abplatzungen und faserbewehrten UHPC in Bauteilen unter Explosions- Kraterbildungen, einwirkung wurde von verschiedenen Autoren unter- . verringerte Fragmentierung. sucht. Ngo et al. [22] und Wu et al. [23] berichten über Diese Anforderungen bedingen Forschungsbedarf in die Ergebnisse aus Experimenten mit Ductal-Platten, Bezug auf die Entwicklung neuartiger, mineralisch die bei auftretenden Explosionen mit kleinen gebundener, duktiler Komposite. (1 bis 3 m) und großen (30 bis 50 m) Abständen und

14 Betoneigenschaften gegen hochdynamische Einwirkungen

Reflexionsdrücken beaufschlagt wurden. Im Ver- Aufprall eines LKWs entwickelt. Abb. 6 und 7 aus [27] gleich zu den Platten aus Normalbeton wiesen die veranschaulichen den hohen Explosions- und Trüm- Ductal-Platten eine verbesserte Tragfähigkeit, hohe merschutz des Materials. Duktilität, niedrige bleibende Verformungen sowie ein hohes Vermögen zur Energieabsorption ohne Materialabsplitterung auf. Barnett et al. [24] untersuchten das Verhalten von stahlfaserbewehrten (2 und 4 Vol.-%) Ductal-Platten mit und ohne konventioneller Stahlbewehrung unter Einwirkung einer starken Sprengladung von 100 kg TNT-Äquivalent. Die stahlfaserbewehrten Platten mit konventioneller Stahlbewehrung zeigten hierbei sehr hohe elastische Verformungskapazitäten mit bleibenden Deformati- onen von 20 bis 50 mm. Letztere lagen bei den nicht stahlbewehrten Platten deutlich höher und sie rissen über ihre gesamte Breite, verblieben aber in einem Abb. 6: Links: DUCON-Beton®, rechts: herkömmli- cher Beton nach einem Explosionstest [27] Stück ohne Absplitterungen. Yi at al. [25] führten ver- gleichende Untersuchungen an Platten aus Normal- Im Vergleich zu Stahlbeton kann DUCON aufgrund beton, hochfestem Beton und stahlfaserbewehrtem seines höheren Widerstands mit halber Bauteilstärke UHPC hinsichtlich deren Verhalten bei Nahdetonati- sowie mit halbem Bauteilgewicht ausgeführt werden. onen im Abstand von 1,5 m mit 4 bis 16 kg ANC- Die Trümmerschutzschicht aus DUCON fängt den Sprengstoffen durch. Als Ergebnis wurde ein verbes- Stahlbeton ab und wirkt wie ein Fangnetz, das ein sertes Verhalten der Platten aus stahlfaserbewehrtem Herabfallen von Trümmerteilen verhindert und Per- UHPC erhalten. Die maximalen und die bleibenden sonen und Anlagen schützt. Von der Firma wird als Deformationen waren im Fall UHPC deutlich geringer. Referenz das neue World Trade Center in New York Außerdem wurde eine kontrollierte Rissbildung mit City aufgeführt, dass in mehreren Bereichen mit leich- verringerten Abplatzungen festgestellt. Aoude et ten und dünnen Explosionsschutzwänden und Trüm- al. [26] untersuchten im Vergleich das Tragverhalten merschutzplatten versehen wurde. von Stahlbetonstützen aus Normalbeton und stahlfaserbewehrtem Ultrahochleistungsbeton (UHPFRC) bei Explosionsbelastungen mit Hilfe eines Shock- Tubes. Die Ergebnisse zeigten, dass für UHPFRC die Widerstandsfähigkeit der Stützen deutlich stieg, die maximalen und bleibenden Verformungen reduziert wurden sowie die Explosionsbelastungen beim Ver- sagen erheblich höher waren. Dieselbe Tendenz wurde bei der Erhöhung des Faservolumenanteils von 2 % auf 4 % beobachtet. Die Verwendung der UHPFRC hatte positive Auswirkung auf den Versa- Abb. 7: Trümmerschutzdecke aus DUCON-Beton® gensmodus der Stützen. Es ergaben sich eine erhöhte nach der Explosionslast [27] Schadenstoleranz und keine Absplitterungen. Auf dem Markt befindet sich ein patentierter, Als ein weiteres Beispiel kreativer Werkstofferschaf- gleichmäßig mikrobewehrter und selbstverdichten- fung gegen explosive Anschläge sei die von natur- der hochfester Beton, der DUCON-Beton® (DUctile faserverstärktem Polymerbeton aufgeführt, der in CONcrete) [27]. Die Mikrobewehrung besteht aus Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für räumlich verknüpften feinen Stahlmatten. Material Kurzzeitdynamik “Erst-Mach-Institut” in Efringen Kir- und Art der Mikrobewehrung werden entsprechend chen erarbeitet wurde. Es handelt sich um ein hoch der spezifischen Anforderungen an das jeweilige Energie absorbierendes Polymerbetonsystem, auch Bauteil angepasst. Die Eigenschaften des Spezialbe- Biobeton genannt [28]. Es werden zerkleinerte Mais- tons sind insbesondere: sehr hohe Duktilität bei spindeln mit Epoxidharz, Quarzsand und einem Här- hoher Tragfähigkeit und hohe Energieabsorption ter zu einem Polymerbeton vermischt. Durch das ohne schlagartiges Reißen bzw. Brechen, auch von hohe Porenvolumen der Füllstoffe erreicht dieser tragenden Bauteilen. Nach Herstellerangaben kann Sonderbeton eine Porosität von 46 % bei einer Fes- das Material größte dynamische Einwirkungen auf- tigkeit nahe der von zementgebundenem Beton. Der nehmen und gewährleistet zudem Splitterfreiheit bei Polymerbeton wird als äußere zweischalige Schutz- Beschuss. Es wurde zum Schutz von Gebäuden und schicht auf Gebäude aufgetragen. So ist er in der Fassaden gegen Erdbeben, Explosionen oder den Lage, als Dämpfungsschicht zwischen Explosionsort

15 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

und Altbetonstruktur Blastwellen zu absorbieren. Eigenschaften (hohe Bruchdehnung, feine Rissvertei- Damit wird die Druckspitze einer Explosion reduziert. lung, hohe Bruchenergie) von SHCC erforscht [31]. In Bei nahegelegenen Ereignissen führt dies zu einer Spallationsexperimenten am sogenannten Split-Hop- deutlichen Schadensreduzierung, eine Zerstörung kinson-Bar wurden zylinderförmige Prüfkörper des gesamten Bauwerks wird verhindert. Einsatzge- (d = 75 mm, l = 250 mm) aus normalfestem SHCC mit biete sind u. a. Gebäude, Tunnel, Stützpfeiler und hydrophilen Polyvinylalkohol (PVA) Fasern bei Ver- –1 Kernkraftwerke. zerrungsraten > 140 s belastet und die Ergebnisse den gemessenen Eigenschaften bei quasi-statischen, 5 Forschungsarbeiten am Institut für zentrischen Zugversuchen gegenübergestellt. Für die Baustoffe der TU Dresden Bestimmungen des E-Moduls und der Zugfestigkeit wurden ungekerbte zylindrische Prüfkörper und für Für die Wirksamkeit der Schutz- und Verstärkungs- die Ermittlung der spezifischen Bruchenergie schichten aus mineralisch basierten Kompositen hin- gekerbte zylindrische Prüfkörper verwendet. Beim sichtlich der Steigerung der Impakt- und Explosions- Übergang von quasi-statischer zu hochdynamischer sicherheit von Betonbauwerken spielt deren Vermö- Belastung wurde eine Steigerung der Zugfestigkeit gen zur Energiedissipation eine entscheidende Rolle. des Komposites um den Faktor 6,7 festgestellt. Die Daher sollen solche Komposite neben einer hohen spezifische Bruchenergie nahm um den Faktor 2,4 zu. Zugfestigkeit auch eine hohe Verformungskapazität Jedoch wurden dabei eine deutliche Abnahme der bzw. Bruchenergie aufweisen. Am Institut für Bau- multiplen Rissbildung und eine Änderung des Versa- stoffe der TU Dresden wird intensiv an der Entwick- gensmodus vom ausgeprägten Faserreißen zum lung von Betonen mit Faserbewehrungen gearbeitet, kompletten Auszug beobachtet. die ein hohes Arbeitsvermögen auch bei hochdyna- Der negative Effekt der zunehmenden Dehnrate mischen Belastungen aufweisen. Dazu werden die auf die Duktilität von SHCC lässt sich durch eine ent- Faser-Matrix-Interphasen experimentell und analy- sprechende Materialentwicklung deutlich reduzieren, tisch charakterisiert sowie Einflüsse auf das integrale z. B. durch den Einsatz hydrophober Polymerfasern Materialverhalten inklusive Rissbildungen erforscht. aus hochdichtem Polyethylen (HDPE). Curosu et al. Die entwickelten dehnungsverfestigenden, hoch- [30] analysierten das Zugverhalten zweier unter- duktilen Betone (SHCC) sind Verbundwerkstoffe, wel- schiedlicher SHCC mit HDPE Fasern (SHCC-PE und che aus feinkörnigen zementgebundenen Matrices HS-SHCC-PE) in quasi-statischem Regime und in und kurzen Polymerfasern bestehen. Das dehnungs- Spallationsexperimenten. Diese SHCC wiesen auch verfestigende Verhalten unter quasi-statischer Zug- unter Impakt-Belastungen eine sehr hohe Duktilität beanspruchung, siehe Abb. 8, geht mit multipler Riss- und eine hervorragende Energiedissipation auf. Im bildung einher. Diese führt zu Bruchdehnungen von Gegensatz zu herkömmlichen Betonen, faserbewehr- mehreren Prozent, was deutlich über den Dehnungs- ten Betonen oder sogar SHCC mit PVA-Fasern [31] kapazitäten der in Abschnitt 4 aufgeführten faser- konnte das Versagen der mit hydrophoben HDPE- bewehrten UHPC liegt. Die Ausbildung zahlreicher Fasern bewehrten SHCC-Prüfkörper lediglich bei den Rissoberflächen sowie der partielle Auszug rissüber- gekerbten Proben erreicht werden [30]. Der in Abb. 9 brückender Fasern gewährleisten im Vergleich zu gezeigte Prüfkörper aus hochfestem SHCC anderen mineralischen Baustoffen eine sehr hohe (HS-SHCC-PE) ist der einzige ungekerbte Prüfkörper Energiedissipation. mit HDPE-Fasern, bei dem eine Lokalisierung des Versagens auftrat (siehe Pfeil in Abb. 9). Die in der Abb. 9 zu sehende ausgeprägte multiple Riss- bildung konnte bisher bei keinem anderen in Spalla- tionsexperimenten untersuchten Betonen, ein- schließlich SHCC mit PVA-Fasern, festgestellt werden.

Abb. 8: Typische Spannungs-Dehnungsbeziehung von konventionellem Faserbeton und hochduktilem Beton sowie von Rissbilder des Abb. 9: Beschädigte Probe aus hochfestem SHCC hochduktilen Betons [29] nach einem hochdynamischen Zugversuch Am Institut für Baustoffe wurde die Auswirkung am Hopkinson-Bar [30] (für Sichtbarma- zunehmender Belastungsgeschwindigkeit auf die bei chung des Rissmusters mit Wasser statischer Belastung nachgewiesenen positiven besprüht)

16 Betoneigenschaften gegen hochdynamische Einwirkungen

Aus der Gegenüberstellung der Ergebnisse der quasi- sondere die mit HDPE Fasern bewehrten normalfes- statischen und dynamischen Zugversuche an gekerbten SHCC (SHCC-PE) und hochfesten SHCC (HS- ten Proben wurde eine Steigerung der spezifischen SHCC-PE) ein sehr hohes Energiedissipationsvermö- Bruchenergie um einen Faktor von 3,3 für normalfes- gen. Der Versagensmodus von SHCC blieb mit ten und von 4,2 für hochfesten SHCC mit HDPE- zunehmender Dehnrate unverändert. Die Bruchfläche Fasern ermittelt. Die spezifische Bruchenergie beider wies einen sehr ausgeprägten Faserauszug auf. Dies SHCC betrug je nach Mischungszusammensetzung ist offensichtlich auf den für SHCC-PE charakteristi- das 300- bis 500-fache der Werte für herkömmlichen schen großen Unterschied zwischen der Festigkeit Beton und mindestens das 3-Fache im Vergleich zum der Faser-Matrix-Interphase und der Zugfestigkeit oben beschriebenen SHCC mit hydrophilen PVA- der Fasern zurückzuführen, der im Hinblick auf die Fasern. Es lässt sich mutmaßen, dass die multiple Faserausnutzung eine Reserve darstellt. Die Bruchflä- Rissbildung nach dem Erreichen eines kompletten chen der HS-SHCC-PE-Prüfkörper zeigten einen fast Versagens der Proben ausgeprägter sein dürfte. Das vollständigen Faserbruch, d. h. nur ganz wenige Versagen konnte jedoch mit der verwendeten Prüf- Fasern lagen noch ungerissen vor. Dies lässt sich gut vorrichtung nicht erreicht werden. nachvollziehen, da die Zugfestigkeit der HDPE-Fasern im HS-SHCC-PE bereits unter quasi-statischen bzw. 60 niederdynamischen Belastungen optimal ausgenutzt war. 50 Curosu et al. [32] untersuchten das Zugverhalten aller oben beschriebenen SHCC unter quasi-stati-

40 schen und hohen Dehnraten von 120 s-1 an einem PE

- modifizierten Split-Hopkinson Bar. Die Prüfvorrich-

30 tung ermöglichte die Aufzeichnung der Spannung-

PVA

- [kN/m]

SHCC Dehnungs-Diagramme. Die SHCC verhielten sich

- ormalbeton

20 + UHPC unter hohen Dehnraten genau wie in den Spallations-

SHCC

N UHPC Stahlfasern experimenten. Es wurde eine deutliche Erhöhung der

spezifischeBruchenergie 10 Zugfestigkeit aller SHCC festgestellt. Im Gegensatz zu SHCC-PVA zeigten die beiden mit HDPE Fasern 0 bewehrten SHCC auch unter hohen Dehnraten eine sehr ausgeprägte multiple Rissbildung. Während die 60 mittlere Bruchdehnung bis zur Entfestigung des nor- malfesten SHCC mit HDPE Fasern (SHCC-PE) unter 50 quasi-statischen Bedingungen bei 1.7 % lag, was auf den nicht ausreichend starken Faser-Matrix-Verbund 40 zurückzuführen ist, stieg die Bruchdehnung unter hohen Dehnraten auf ca. 3 %, siehe Abb. 11.

30 Der positive Einfluss der Steigerung der Dehnra-

[MPa] PE

- ten auf den Faser-Matrix-Verbund führt zu günstige-

ren mikromechanischen Verhältnissen. Es kommt ormalbeton

20 PE

- N

SHCC dadurch zu einer ausgeprägteren multiplen Rissbil-

PVA - dynamische Zugfestigkeit dynamische dung, zusätzlich zu höherer Zugfestigkeit und insge-

10 SHCC

- samt zu einer viel höheren Bruchenergie (Fläche unter

UHPC + + UHPC

UHPC Stahlfasern SHCC den Spannungs-Dehnungs-Kurven), siehe Abb. 11. 0 Die Veränderung des Zugverhaltens von SHCC mit Abb. 10: Dynamische Materialeigenschaften von zunehmender Dehnrate liegt in den unterschiedli- Normalbeton, UHPC, UHPC mit 2,5 Vol.-% chen Dehnratenempfindlichkeiten der Polymerfasern, Stahlfasern (l/d = 9 mm/0,15 mm), SHCC- der zementgebundenen Matrix und der Interphase PVA [31], SHCC-PE und HS-SHCC-PE [30] (Verbundzone) begründet. Mit zunehmender Dehn- In Abb. 10 sind die mit Spallationsexperimenten rate ändern sich die mechanischen Eigenschaften bestimmten dynamischen Kennwerte Zugfestigkeit jeder der drei Phasen, jedoch nicht im gleichen Maße. und spezifische Bruchenergie von SHCC den entspre- Das führt zu einer deutlich ungünstigen (bei SHCC- chenden (mittleren) Kennwerten von Normalbeton PVA) oder günstigen (bei SHCC-PE) Veränderung der und UHPC mit Stahlfasern gegenübergestellt. mikromechanischen Verhältnisse. Die treffsichere Obwohl die untersuchten SHCC-Zusammensetzun- Charakterisierung dieser Änderungsmechanismen gen hinsichtlich der Zugfestigkeit kein besonders bildet die Voraussetzung des gezielten Entwurfes hohes Leistungsvermögen aufwiesen, besaßen insbe- impaktresistenter SHCC.

17 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

12 SHCC-PE Quasi-Statisch 9

3 Zugspannung [MPa]Zugspannung 0 0 1 2 3 4 5 6 Dehnung [%]

12 Abb. 12: Zugverhalten von Textilbeton ohne und mit SHCC-PE Impakt Kurzfasern 9 Zusammenfassend veranschaulicht Abb. 13 die gewünschte Wirkung des hochduktilen, extrem Ener- 6 gie absorbierenden Materialverhaltens unter Impakt- Beanspruchung.

3 Zugspannung [MPa]Zugspannung 0 0 1 2 3 4 5 6 Dehnung [%] Abb. 11: Spannungs-Dehnungs-Diagramme von quasi-statischen (oben) und hochgeschwin- digkeits- (unten) Zugexperimenten an nor-

malfestem SHCC mit HDPE Fasern [32] Abb. 13: Impakt-Widerstand eines Betonbauteils Einen vielversprechenden Ansatz zur gezielten ohne (links) und mit Verstärkung (rechts) Gestaltung der mechanischen Eigenschaften von durch neue mineralisch gebundene Kompo- Verbundwerkstoffen bei Impakt-Einwirkungen stellt site außerdem die Verwendung einer hybriden Beweh- In Abb. 13 befindet sich links ein Bauteil aus her- rung dar, vgl. Abb. 12, d. h. einer Kombination aus kömmlichen Normalbeton ohne Verstärkungsschicht; textilen Bewehrungslagen und disperser Kurzfaser- charakteristisch ist das äußerst spröde Materialversa- bewehrung. Bei ersten orientierenden Versuchen zur gen mit immenser Materialabsplitterung infolge Betonverstärkung wurden Textilien eingesetzt, die für Impakt-Einwirkung. Rechts ist der resultierende quasi-statische Belastungszenarien optimiert wur- Impakt-Widerstand eines Betonbauteils mit aufge- den. Die Vorversuche zeigten das große Potential von brachter Verstärkung durch neue mineralisch gebun- Textilstrukturen auch für impaktbelastete Bauteile dene Komposite schematisch dargestellt. [33, 34]. Es wurde die Leistungsfähigkeit von mit Glas- fasertextil bewehrtem Feinkornbeton geprüft und 6 Ausblick eine Zunahme der Zugfestigkeit und der Bruchener- gie, aber eine Abnahme der Bruchdehnung mit In allernächster Zukunft wird auf diesem Arbeitsfeld zunehmender Verzerrungsrate gefunden [33]. Für der Einwirkung hochdynamischer Beaufschlagung längere Prüfkörper wurde eine deutliche Abnahme umfassende Forschungsarbeit geleistet werden. So der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung, jedoch eine wird an der TU Dresden ab Mai 2017 die erste 4,5- Zunahme der gesamten Bruchenergie beobachtet. jährige Förderperiode des durch die DFG geförderten Die noch nicht veröffentlichten Untersuchungser- Graduiertenkollegs zum Thema „Impaktsicherheit gebnisse des Instituts für Baustoffe der TU Dresden von Baukonstruktionen durch mineralisch gebun- ergaben, dass durch die Zugabe von duktilen PVA- dene Komposite“ (GRK 2250) beginnen. Damit Fasern im Textilbeton die Bruchenergie bei quasi- entsteht weltweit der erste interdisziplinäre statischer Belastung weiter gesteigert werden kann, Forschungsverbund, der sich mit der international siehe Abb. 12. hochaktuellen Fragestellung der Impaktsicherheit

18 Betoneigenschaften gegen hochdynamische Einwirkungen

von Gebäuden und Bauwerken befasst. Dabei soll die [4] DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton fachübergreifende Umsetzung der Thematik den und Spannbeton - Teil 2: Beton - Festlegung, Eigen- gesamten Skalenbereich vom Werkstoff bis zum Bau- schaften, Herstellung und Konformität, Anwendungs- werk mit experimenteller Materialforschung auf der regeln zur DIN EN 206-1; Ausgabe 2008-08 Mikro- und Mesoebene umfassen. Das innovative Forschungsgebiet bezieht sich insbesondere auf die: [5] DIN EN 1991-1-7 Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke Erdbeben - Teil 1-7: Allgemeine Einwir- . Entwicklung neuer duktiler mineralisch gebunde- kungen – Außergewöhnliche Einwirkungen; Ausgabe ner Komposite (Feinkornbetone) mit unterschied- 2010-12 lichen Faserbewehrungen, die im Vergleich zu Normalbeton ein deutlich verbessertes Verhalten [6] DIN EN 1998 Eurocode 8: Auslegung von Bau- gegen Impakt-Belastung aufweisen, werken gegen Erdbeben - Teile 1-6; Ausgaben 2006 . Aufstellung neuer Konzepte und Bemessungs- bis 2013 grundlagen für die Verstärkung bestehender [7] DIN EN 13123-1: Sprengwirkungshemmung – Betonkonstruktionen durch dünne Schichten aus diesen neuen hochduktilen Verbundwerkstoffen, Anforderungen und Klassifizierung, Teil 1: Stoßrohr; . Schaffung neuer Mess- und Auswertungsmetho- Ausgabe 2001-10 den zur Untersuchung der beim Impakt stattfin- [8] DIN EN 13124-1: Sprengwirkungshemmung – denden Prozesse wie Wellenausbreitung, Verfor- Prüfverfahren, Teil 1: Stoßrohr; Ausgabe 2001-10 mungs- und Bruchvorgänge etc., . Formulierung neuer Methoden zur numerischen [9] DIN 13541: Glas im Bauwesen – Sicherheitsson- Simulation impaktbeanspruchter neuartiger derverglasung – Prüfverfahren und Klasseneinteilung Komposite und damit verstärkter Betonstrukturen des Widerstandes gegen Sprengwirkung; Ausgabe mit Kopplung unterschiedlicher Raum- und Zeit- 2012-06 skalen, [10] Millon, O. (2015) Analyse und Beschreibung des . Bildung neuer Ansätze für Sicherheitsbeurteilun- gen und ökonomisch-ökologische Bewertungen. dynamischen Zugverhaltens von ultra-hochfestem Beton, Dissertation am Institut für Baustoffe der TU Das zentrale Ziel des geplanten Graduiertenkollegs Dresden, Schriftenreihe ε̇ – Forschungsergebnisse aus ist, bestehende Gebäude und Bauwerke durch Appli- der Kurzzeitdynamik, Heft 27, Frauenhofer Verlag, kation von flächigen, dünnschichtigen Verstärkungen Stuttgart deutlich widerstandsfähiger zu machen. Durch die Verwendung neuartiger mineralisch gebundener [11] Riedel, W. (2004): Beton unter dynamischen Las- Komposite soll die Sicherheit der Menschen und der ten – Meso- und makromechanische Modelle und für das Leben der Menschen wichtigen Infrastruktur ihre Parameter, Dissertation, Schriftenreihe ε̇ – For- signifikant erhöht werden. Die entwickelten Grundla- schungsergebnisse aus der Kurzzeitdynamik, ISBN 3- gen werden außerdem das wirtschaftliche und ökolo- 8167-6340-5 gische Bauen von neuen, gegen Impaktbeanspru- chungen höchstresistenten Strukturen ermöglichen. [12] Beton-Kalender 2012: Infrastruktur-Befesti- gungstechnik-Eurocode 2; Herausgegeben von Kon- 7 Literatur rad Bergmeister, Frank Fingerloos und Johann-Diet- rich Wörner; Ernst & Sohn Berlin (2012) [1] Zement-Merkblatt B 9: Expositionsklassen für Betonbauteile im Geltungsbereich der EC2 (9.2014), [13] http://www.gfz-potsdam.de/din4149_erdbe- Herausgeber: Verein Deutscher Zementwerke e.V. benzonenabfrage/ (abgefragt am 23.11.2016)

[2] DIN EN 1992-1-1 Eurocode 2: Bemessung und [14] Schuler, S. (2004) Experimentelle und numeri- Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontrag- sche Untersuchung zur Schädigung von stoßbean- werken - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und spruchtem Beton, Dissertation, Schriftenreihe ε̇ – For- Regeln für den Hochbau; Ausgabe 2011-01 schungsergebnisse aus der Kurzzeitdynamik, Heft 6, Fraunhofer-Institut, Freiburg [3] DIN EN 1992-1/NA: Nationaler Anhang: Bemes- sung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spann- [15] http://www.mz-web.de/ (abgerufen 29.11.2016) betontragwerken.- Teil 1-1: Allgemeine Bemessungs- [16] http://www.linkfang.de/wiki/Detonationswelle regeln und Regeln für den Hochbau; Ausgabe 2013 (abgefragt am 29.11.2016)

19 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

[17] http://www.swr.de/landesschau-aktuell/rp/lud- [28] Trickes, N.: Polymerbeton – Naturfaserverstärkt wigshafen/basf-explosion-in-ludwigshafen-falsches- und seine Einsatzmöglichkeiten, Produktpräsenta- rohr-angesaegt/- tion. http://www.trickes-mineralguss.com (abgerufen /id=1652/did=18377274/nid=1652/18v2gev/ (abge- am 01.12.2016) fragt am 25.11.2016) [29] Mechtcherine, V. Hochduktiler Beton mit Kurz- [18] Nöldgen, M., Millon, O., Thoma, K., Fehling, E. faserbewehrung – Baustoffliche Grundlagen und Hochdynamische Materialeigenschaften von Ultra- bautechnische Anwendungen. Beton- und Stahlbet- hochleistungsbeton (UHPC). Beton- und Stahlbeton- onbau 110 (2015) 1, 50-58 bau 104 (2009) 11, 717-727 [30] Curosu, I., Mechtcherine, V., Millon, O. Effect of [19] Scheydt, J.C., Millon, O., Müller, H.S., Thoma, K. fiber properties and matrix composition on the ten- Entwicklung eines brandbeständigen ultrahochfesten sile behavior of strain-hardening cement-based com- Betons für hochdynamische Beanspruchungen. posites (SHCCs) subject to impact loading. Cement Beton- und Stahlbetonbau 107 (2012) 5, 289-301 and Concrete Research 82 (2016) 23-25

[20] Wille, K., El-Tawil, S., Naaman, A.E. Properties of [31] Mechtcherine, V., Millon, O., Butler, M., Thoma, strain-hardening ultra-high performance fiber rein- K. Mechanical behavior of strain hardening cement- forced concrete (UHP-FRC) under direct tensile load- based composites under impact loading. Cement ing. Cement and Concrete Composites 48 (2014), Concrete Composites, 33 (2011) 1-11 53-66 [32] Curosu, I., Mechtcherine, V., Forni, D., Cadoni, E. [21] Park, S., Kim, D.J., Kim, S.W. Investigating the Influence of fibre type on the tensile behaviour of impact resistance of ultra-high-performance fiber strain-hardening cement-based composites (SHCC) reinforced concrete using an improved strain energy under impact loading. In: Proccedings of the 22nd impact test machine. Construction and Building DYMAT Technical Meeting, Frankreich, 2016 Materials 125 (2016), 145-159 [33] Silva, F. A., Butler, M., Mechtcherine, V., Zhu, D., Mobasher, B. Strain rate effect on the tensile behav- [22] Ngo, T., Mendis, P., Krauthammer, T. Behavior of iour of textile-reinforced concrete under static and ultrahigh-strength prestressed concrete panelssub- dynamic loading. Materials Science and Engineering jected to blast loading. ASCE J Struct Eng 2007 133 A 528 (2011) 1727-1734 (1), 1582-90 [34] Yao, Y., Silva, F.A., Butler, M., Mechtcherine, V., [23] Wu, C., Oehlers, D.J., Rebentrost, M. Leach, J., Mobasher, B. Tension stiffening in textile-reinforced Whittaker A.S. Blast testing of ultra-high performance concrete under high speed tensile loads. Cement and fibre concrte slabs and FRP retrofitted RC slabs. Eng Concrete Composites 64 (2015) 49-61 Struct 2009; 31(9), 2060-9 Autoren [24] Barnett, S., Millard, S., Tyas, A., Schleyer, G. Blast tests of fibre-reinforced concrete panels. Proc ICE Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Constr Mater 2010; 163(3), 127-9 Institut für Baustoffe Technische Universität Dresden [25] Yi NH, Kim JHJ, Han TS, Cho, YG, Lee, JH. Blast- Georg-Schumann-Straße 7 resistant characteristics of ultra-high strength con- 01187 Dresden crete and reactive powder concrete. Constr Build Ma- ter 2012; 28(1), 694-707 Dipl.-Chem. Martina Götze Institut für Baustoffe [26] Aoude, H., Dagenais, F.P., Burrell, R.P., Technische Universität Dresden Saatcioglu, M. Behavior of ultra-high performance fi- Georg-Schumann-Straße 7 ber reinforced concrete columns under blast-loads. 01187 Dresden International Journal of Impact Engineering 80 (2015), 185-202 M.Sc. Iurie Curosu Institut für Baustoffe [27] http://ducon.eu/: DUCON Europe GmbH Co. Technische Universität Dresden KG, Germany, 64546 Mörfelden-Walldorf, Farmstraße Georg-Schumann-Straße 7 118 (abgerufen am 01.12.2016) 01187 Dresden

Konstruktive Aspekte zur Verminderung von Explosionsschäden

Manfred Keuser und Tobias Zircher

Zusammenfassung Explosionsbelastungen zählen zu den außergewöhnlichen Einwirkungen. Für die Bemessung und Konstruktion sind über das Standard-Regelwerk hinaus wesentliche Aspekte zu berücksichtigen, um Stahlbetontragwerke sicher und zuverlässig zu bemessen. In diesem Beitrag wird zunächst auf die Grundlagen des Material- und Bau- teilverhaltens unter hohen Belastungs- und Verzerrungsgeschwindigkeiten eingegangen. Nach einer Beschrei- bung von Lastansätzen werden deren Auswirkungen auf Stahlbetonkonstruktionen beschrieben. Im Anschluss hieran werden Berechnungsverfahren und Entwurfskonzepte für die konstruktive Durchbildung aufgezeigt. Daran schließt sich die Vorstellung von ausgeführten Beispielen von Bauwerken aus Stahlbeton, die für Explosionsbeanspruchung ausgelegt sind.

1 Einleitung Aufbauend auf einen Aufsatz im Betonkalender Für die Berechnung, Bemessung und konstruktive 2012 [10] wird in diesem Beitrag auf die Durchbildung von Stahlbetonkonstruktionen exis- Berechnung, Bemessung und konstruktive Durchbil- tiert ein umfangreiches Regelwerk, insbesondere die dung von bewehrten Betonkonstruktionen unter Eurocodes [2], [3], [4], das für die große Mehrzahl Explosionsbelastung eingegangen. In Tab. 1 sind die der auftretenden Belastungen eine zuverlässige unterschiedlichen Arten von Belastungen in Abhän- Bemessung ermöglicht. Ergänzt wird dieses Regel- gigkeit von der Belastungsgeschwindigkeit und der werk durch umfangreiche Fachliteratur und den FIB Belastungsdauer zusammengestellt, Explosionsbe- Modelcode [7]. Neben den planmäßigen Einwirkun- lastungen sind dabei der Kurzzeitdynamik zuzu- gen können Bauwerke im Verlauf ihres Lebenszyklus ordnen. auch durch außergewöhnliche Einwirkungen wie Tab. 1: Beanspruchungsarten in Abhängigkeit von Anprall, Explosion und Impakt beaufschlagt werden. der Belastungsdauer und der Verzerrungs- Dabei treten in den Baustoffen hohe Verzerrungs- rate [10] raten und Drücke auf, die zu Kompaktion und Schä- digungen führen, die bei üblichen statischen und dynamischen Beanspruchungen vernachlässigbar sind. In den üblichen Regelwerken wird hierauf nur in kurzer Form eingegangen. Dies ist zum einen der Tatsache geschuldet, dass insbesondere Auswirkun- gen von Explosion und Impakt nicht nur in Anlagen der chemischen Industrie und bei Kernkraftwerken untersucht werden, sondern ganz besonders beim Militär und vieles dabei der Geheimhaltung unter- liegt. Zum anderen wurde in der Vergangenheit auf diesem Gebiet zwar eine große Zahl von Je nach Art der Explosionsbelastung treten unter- Forschungsprojekten erfolgreich abgeschlossen, es schiedliche Phänomene in der Struktur auf und es besteht jedoch nach wie vor erheblicher For- sind neben den globalen Auswirkungen auf das schungsbedarf. Nicht zuletzt durch die Häufung von Tragverhalten wie z.B. Masseeffekte durch die terroristischen Anschlägen ist das Thema der Explo- Beschleunigung von Bauteilen gegebenenfalls auch sionsbelastung, die häufig auch von Brandereignis- lokale Effekte infolge der in das Material eingeleite- sen begleitet ist, in den Fokus der Öffentlichkeit ten Druckwellen zu berücksichtigen. getreten.

21 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Abb. 1 ordnet Belastungsszenarien den dabei auftre- 2.1 Fernfeldexplosionen tenden Verzerrungsraten zu. Als Fernfeldexplosionen werden Detonationen bezeichnet, die einen deutlichen Abstand zu mögli- chen Zielen besitzen. Nachdem die Detonationsfront den Sprengstoff durchlaufen hat, trifft sie die umge- bende Luft und erzeugt eine Stoßwelle (Blast). Idealerweise kommt es zu einer kugelsymmetrischen Druckausbreitung und damit können die Explosi- Abb. 1: Einordnung verschiedener Belastungssze- onsparameter, Druck, Zeit und Impuls analytisch narien anhand der Verzerrungsrate 휀̇ [16] berechnet werden. Der üblicherweise vorhandene Druck-Zeit- 2 Einwirkungen Verlauf einer Fernfeldexplosion ist charakterisiert Gasexplosionen in Wohngebäuden, Unfälle in tech- durch die Druckanstiegszeit im Nanosekundenbe- nischen Anlagen mit folgenden Explosionen und der reich, den Spitzenüberdruck, die Überdruckphase im Transport von explosionsgefährdeten Gütern sind Millisekundenbereich und die Unterdruckphase Ereignisse die Menschen und die gesamte Infra- (Sogphase) (Abb. 2). struktur bedrohen. Des Weiteren besteht derzeit eine hohe Gefahr durch terroristische Anschläge, die nicht plan- und kalkulierbar sind. Der Lastfall Explosion hat aus den genannten Gründen an Bedeutung gewonnen. Für bekannte Gefährdungen wie Kraftwerksunfälle oder Staub- explosionen gibt es Störfallverordnungen und Richt- linien. Terroristische Angriffe finden jedoch nicht „genormt“ statt und es werden zu ca. 85% explosive Stoffe verwendet. Jedes mögliche terroristische Szenario ist im Einzelnen zu prüfen und zu beden- ken. Unter Betrachtung der Eintretenswahrschein- lichkeit und des damit vorhandenen Risikos können Polizei, Bauherr und Versicherung ein individuelles Gefährdungsszenario festlegen. Abb. 2: Idealisierter Druck-Zeit-Verlauf und Defini- Der Ingenieur ist bei der Festlegung des Risikos tionen [10] nicht zwingend beteiligt, sollte aber in beratender Funktion hinzugezogen werden. Für die Einordnung Der Spitzenüberdruck wird aus der Differenz von von hochdynamischen Einwirkungen auf Bauteile hat Spitzendruck p1 und Umgebungsluftdruck p0 be- sich in der Vergangenheit die Verzerrungsrate 휀̇ als rechnet. Die Anstiegszeit und damit die Intensität Ableitung der Verzerrung im Material nach der Zeit der Stoßfront sind für praktische und theoretische und die Belastungsgeschwindigkeit als geeigneter Analysen vernachlässigbar und werden als Druck- Parameter erwiesen. sprung angenommen. Trifft die Luftstoßwelle jedoch Bei Explosionen ist in Kontakt-, Nah- und Fern- auf ein starres Hindernis (z.B. Bauteil eines Gebäu- feldexplosionen zu unterscheiden. Es werden dabei des), dann steigt der Spitzenüberdruck auf das Verzerrungsraten von 101 bis 107 1/s in der Bauteil- ca. 2,8-fache gegenüber einer ungehinderten struktur erzeugt. Zusätzlich ist bei Explosionen zu Wellenausbreitung an. unterscheiden in Detonation (Überschallexplosion) Die Partikel einer Luftstoßwelle können bei und Deflagration (Unterschallexplosion). Militärische einem Hindernis nicht frei reflektiert werden, weil Sprengstoffe besitzen eine Detonationsgeschwin- die Luft weiter nachströmt und somit entsteht ein digkeit von ca. 8000 m/s. Im Folgenden werden die zusätzlicher Staudruck, der auch dynamischer Druck Fernfeld-, Nahfeld-, Kontaktdetonation näher erläu- genannt wird. Es entsteht der reflektierte Überdruck, tert und zusätzlich wird kurz auf Impaktein- der auf das Bauwerk einwirkt und in der Folgenden wirkungen eingegangen. Abb. 3 mit dem roten Graphen dargestellt ist.

22 Konstruktive Aspekte zur Verminderung von Explosionsschäden

2.3 Kontaktexplosionen Bei Kontaktexplosionen befindet sich die Ladung direkt am Bauteil und die einwirkenden Beanspru- chungen sind in der Regel zerstörend. Bei Kontakt- explosionen werden nur lokale Bereiche eines Bauteils geschädigt oder zerstört, vgl. Abb. 4. Dies kann zum völligen Versagen eines Bauteils führen

Abb. 3: Überdruck-Zeit-Verläufe: gemessen und berechnet [10]

Die daraus resultierende Bemessungslast p2 bildet bei senkrechten Reflexionen an starren Oberflächen der reflektierte Überdruck-Zeit-Verlauf:

푝1(3훾−1)−푝0(훾−1) 푝2 = 푝1 (1) 푝1(훾−1)+(훾+1) mit p1 = einfallende Druck Abb. 4: Rückseite einer Stahlbetonplatte mit p0 = Umgebungsluftdruck 2,0x2,0x0,3 m nach einer Kontaktexplosion  = Isotropenexponent mit 850 g PETN Die vollständige Herleitung der Gleichung (1) ist Somit ist es von großer Bedeutung, dass gefährdete den Quellen [10], [12] zu entnehmen. Dieser Lastan- Bauwerke redundant ausgeführt werden und der satz kann bei ausreichend steifen Bauteilen z.B. mögliche Einsturz eines Bauwerks durch eine Stahlbetonstützen angewandt werden. Bei komple- Lastumlagerung vermieden wird. In der nachfolgen- xen Umgebungsbedingungen mit Mehrfachreflexio- den Abb. 5 ist die Einwirkung aus einer Kontaktde- nen sind numerische Simulationen mit CFD- tonation auf eine Stahlbetonplatte schematisch Programmen (Computational Fluid Dynamics) zur dargestellt. Bestimmung der Druckbelastung unerlässlich. Die Ergebnisse der CFD Analysen können jedoch mit den in der Literatur [10], [12] angegebenen Formeln verglichen und somit abgeschätzt und verifiziert werden. 2.2 Nahfeldexplosionen Die Definition ob Nahfeld- oder Fernfeldexplosion wird über den Abstand vom Detonationsort zum

Ziel, und über die Menge des Explosionsstoffes Abb. 5: Schematische Darstellung einer Kontakt- getroffen. Dazu wurde der „skalierte Abstand“ explosion z = R/W1/3 (R= Abstand, W= Explosivmasse) einge- führt, um den Zusammenhang darzustellen und eine Im Bereich rund um den Sprengstoff wir der Beton Einstufung in Nachfeld- und Fernfeldexplosion zu infolge hoher Druckspannungen zerstört. Diese ermöglichen. Druckwellen wandern durch das Bauteil und werden Ist der Wert z > 0,5 m/kg1/3 wird von einer Fern- am freien Rand (Bauteilrückseite) zu einer Zugwelle feldexplosion gesprochen. Ist z < 0,5 m/kg1/3 so reflektiert. Die dabei auftretenden Zugspannungen kann von einer Nahfeldexplosion ausgegangen überschreiten die Betonzugfestigkeit um ein Vielfa- werden. Die Nahfeldexplosion hat somit Einwir- ches und Betonabplatzungen sind die Folge. kungsbestandteile aus Kontakt- und Fernfeld- Somit stellt sich das typische Schädigungsbild explosionen. Für die Ermittlung der maßgebenden einer Kontaktdetonation ein mit Druckschädigungen Lasten auf ein Bauteil ist deshalb eine CFD Analyse auf der Seite der Ladung und eines Abplatzungske- erforderlich. gels auf der Bauteilrückseite.

23 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

2.4 Impaktbelastung ausfall von einzelnen Tragwerkselementen führen, Impaktbelastungen können mit geringen Geschwin- als auch eine sehr hohe Druck- und Sogbelastung digkeiten ≤ 30 m/s beispielsweise durch den Aufprall auf andere Bauteile erzeugen. eines Ankers auf dem Deckel eines Tunnels am Bei Impaktbelastungen mit Schusswaffen treten Meeresboden, als auch im hohen Geschwindigkeits- bei üblichen Stahlbetonbauteilen mit einem bereich ≥ 800 m/s durch den Beschuss eines Bauteils gemäß DIN EN 1992-1-1 [4] hergestellten Beton und entstehen. Trifft ein Fragment oder Projektil mit üblichen Wand- und Deckendicken ≥ 18 cm in der hohen Geschwindigkeiten auf ein Bauteil, so kann es Regel nur oberflächliche Schäden auf. Bei der aufschlagen, eindringen und durchdringen. Diese Verwendung von Hartkernmunition sind gegebe- Einwirkung wird maßgeblich durch Masse, Auftreff- nenfalls Einschusslöcher erkennbar. winkel, Auftreffgeschwindigkeit und Geometrie des Hierzu läuft derzeit am Lehrstuhl für Massivbau Impakors beeinflusst [10]. der Universität der Bundeswehr in München ein Viele Projektile haben inzwischen an der Spitze umfangreiches Forschungsprojekt mit Normal- und eine optimierte Ogivenform um maximale Penetra- Stahlfaserbetonbauteilen unter Beschuss- und tionstiefen zu erreichen [8]. Bei Normalbeton ist auf Kontaktexplosionsbeanspruchung. Erste Ergebnisse der Widerstandsseite insbesondere die Bauteildicke zu den Beschussversuchen wurden bereits in [18] von Bedeutung. Die Bewehrung ist beim Lastfall veröffentlicht. Eine Impaktbeanspruchung aus groß- Beschuss von untergeordneter Bedeutung. Die kalibrigem Beschuss beispielsweise mit einer Wirkung eines Impaktors ist sehr lokal und hat in Haubitze ist vergleichbar mit den Schädigungen bei der Regel keinen Einfluss auf die Gesamttragfähig- einer Kontaktexplosion. keit eines Bauteils. 3 Berechnungsverfahren Zur Reduzierung der Penetrationstiefe aus Be- schuss ist die Zugabe von sehr harten Gesteinskör- Wie bei allen Arten von Beanspruchungen erfordert nungen ein probates Mittel. Für die Berechnung der auch die Berechnung von Stahlbetontragwerken Penetrationstiefe mit verschiedenen Ansätzen geben unter Explosionsbeanspruchung eine adäquate Li [15], Yankelevsky [17] und Kennedy [14] einen Modellierung. Im statischen Modell werden die guten Überblick. folgenden Teilmodelle zusammengeführt:

2.5 Auswirkungen auf Stahlbetonbauteile . Geometriemodell Die Auswirkungen auf Stahlbetonbauteile sind für . Materialmodell die in 2.1 bis 2.4 beschriebenen Schadensszenarien . Mechanisches Modell sehr unterschiedlich. Bei Belastungen aus Fern- . Einwirkungsmodell feldexplosionen werden Bauteile wie beispielsweise Je nach Idealisierungsgrad können die Berech- Wände oder Decken mit sehr hohen Druck- und nungsverfahren wie folgt unterschieden werden, vgl. Sogkräften belastet, die auch im Wechsel auftreten [7], [10]. können. Stufe 1 Berechnung mit statischen Ersatzlasten an Ein Versagen der belasteten Bauteile auf Biegung statischen Systemen, die auch für die Ein- in Bauteilmitte oder auf Querkraft bzw. Abscheren wirkungen aus der planmäßigen Nutzung ist eine Folge. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, verwendet werden, mit linearen oder nicht dass aufgrund der wechselnden Druck- und Sogbe- linearen Materialverhalten. lastung eine Lastumkehr erfolgen kann. Bauteile bei denen dies möglich ist, sind somit für beide Einwir- Stufe 2 Berechnung an Systemen gem. Stufe 1, kungsszenarien konstruktiv durchzubilden. jedoch mit Ansatz von Druck-Zeit-Verläu- Kontaktexplosionen zeigen ein anderes Scha- fen und mit Berücksichtigung der Bewe- densbild. Das Bauteil wird in einem lokalen Bereich gungsgleichung und der Festigkeitssteige- sehr stark geschädigt und verliert in diesem Schädi- rung bei hohen Verzerrungsraten. gungsbereich in der Regel seine Tragfähigkeit. Das Stufe 3 Berechnung mit numerischen Methoden statische System des Gesamttragwerks ist deshalb und detaillierter Modellierung des Explosi- so auszuführen, dass eine Lastumlagerung bei onsvorgangs und Berücksichtigung von einem möglichen Ausfall eines durch Kontakt- großen Verzerrungen und Schädigungen explosion geschädigten Haupttragwerkselements und deren Auswirkungen auf Steifigkeiten erfolgen kann. Durch ein redundantes System wird und Festigkeiten. somit der Einsturz eines Gebäudes verhindert. Bei Nahfeldexplosionen tritt ein kombiniertes Stufe 4 Ingenieurmodelle, die auf der Grundlage Schädigungsverhalten aus Fernfeld- und Kontaktex- von Versuchen und Berechnungen in plosion auf. Dieser Lastfall kann sowohl zum Total- Stufe 3 entwickelt wurden.

24 Konstruktive Aspekte zur Verminderung von Explosionsschäden

Nachfolgend werden die verschiedenen Möglichkei- Grundlage der Berechnung ist die Bewegungs- ten der Berechnung von Stahlbetontragwerken gleichung (1) unter Explosionslasten und die Anwendungsberei- M ∙ Ü (t) + C ∙ U̇ (t) + K ∙ U(t) = F(t) (2) che der 4 Modellierungsstufen kurz beschrieben. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Stufe 2. Hier sind zusätzlich zu einer statischen Berechnung die Massenbelegung und die Dämpfung zu berück- 3.1 Berechnung in Stufe 1 sichtigen. Während die Massen aus den lokalen Die Berechnung mit statischen Ersatzlasten ist auf Abmessungen des Betonbauteils einfach ermittelt einfache Fälle wie beispielsweise Fernfeldexplosio- werden können, ist die realitätsnahe Ermittlung der nen in einem großen Abstand zum belasteten Bau- Dämpfung insbesondere bei nichtlinearen Formulie- werk beschränkt. Da keine dynamischen Effekte wie rungen aufwändig. Hinweise enthält [10]. Auch die das Beschleunigen des Bauwerks und die daraus Beschreibung der Steifigkeit erfordert die Berück- resultierenden Schwingungen in der Berechnung sichtigung des Werkstoffverhaltens, insbesondere erfasst werden können, sind diese in der Festlegung der Rissbildung. Hier ist die Aufstellung von der Ersatzlasten und durch konstruktive Maßnahmen Momenten-Normalkraft-Krümmungs-Beziehungen, z.B. bei der Bewehrung zu berücksichtigen. vgl. Abb. 8, eine effiziente Möglichkeit der wirklich- 3.2 Berechnung mit Hilfe von keitsnahen Modellierung. Dabei ist bei nichtlinearen Druck- Zeitverläufen Berechnungen vorab die Bewehrung festzulegen und gegebenenfalls iterativ zu verändern, bis die Diese Art der Berechnung ist üblich bei Fernfeldex- Tragfähigkeit nachgewiesen werden kann. plosionen, bei denen keine Reflexionen der hierdurch ausgelösten Druckwelle zu erwarten sind bzw. bei Ansatz des reflektierten Überdrucks. Hier werden mit dieser Methode gute Ergebnisse erzielt, die eine zuverlässige Bemessung erlauben. Dabei können als mechanische Modelle sowohl Rahmen- als auch Faltwerks- oder Flächentragwerksmodelle verwendet werden, vgl. Abb. 6.

Abb. 8: Momenten-Krümmungs-Beziehungen

Abb. 6: Statische Modelle für Berechnungsverfah- Als Ergebnis der dynamischen Berechnung ergeben ren in Stufe 2; a) Rahmenmodell, b) Falt- sich Weggrößen (Verformungen, Verdrehungen, werksmodell [10] Krümmungen) und Kraftgrößen (Normal- und Quer- kräfte, Biegemomente) und Auflagerreaktionen. Für Als Lastmodell wird ein Druck-Zeit-Verlauf verwen- die Bemessung bieten sich 2 Möglichkeiten an, zum det, z.B. wie in Abb. 7 ein linearer Verlauf, mit dem einen kann auf der Grundlage der so ermittelten der in der Realität nichtlineare Verlauf approximiert Schnittgrößen ein Nachweis im Grenzzustand der wird. In der Berechnung nach der Zeitschrittmetho- Tragfähigkeit erfolgen, analog zur Bemessung unter de wird dabei in jedem Zeitschritt ein konstanter statischen Einwirkungen. Dabei können die in Tab. 2 Druck aufgebracht. Die Berechnung erfolgt mit Hilfe angegebenen Faktoren zur Erhöhung der Festigkeit der bekannten Verfahren der Dynamik. Dabei kann angenommen werden. lineares oder nichtlineares Materialverhalten berück- sichtigt werden. Tab. 2: Faktoren zur Berücksichtigung der Festig- keitssteigerungen bei hohen Verzerrungs- raten [10]

Abb. 7: Fernfelddetonation, Druck-Zeit-Diagramm

(ps = reflektierter Spitzenüberdruck) [10]

25 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Die zweite Möglichkeit setzt zwingend eine nichtli- zungen. Numerische Methoden sind in aller Regel neare Berechnung voraus. Sobald im Zuge der erforderlich, da geschlossene Lösungen der in der Berechnung an einer Stelle das Biegemoment Regel nichtlinearen partiellen Differentialgleichun- erreicht, bei dem die Bewehrung fließt, wird dort ein gen, mit denen derartige Phänomene beschrieben plastisches Gelenk eingeführt, vgl. z.B. Abb. 9. werden praktisch nahezu nicht verfügbar sind. Dabei ist besonders zu beachten, dass hier zusätzlich zu den Auswirkungen von Fernfeldexplo- sionen, die das globale Strukturverhalten betreffen, lokale Effekte zu berücksichtigen sind und dass dabei in aller Regel starke Schädigungen des

Abb. 9: Verdrehungen plastischer Gelenke m [10] Materials auftreten. Für die Berechnungen stehen Softwarepakete zur Verfügung, die auf den folgen- Dabei ist zu beachten, dass bei der Ermittlung des den Grundlagen basieren: Bauteilwiderstands in der Druckzone nur die dort angeordnete Bewehrung angesetzt wird, da der . Finite-Element-Methode Beton bei großen Stauchungen stark geschädigt . Finite-Differenz-Methode wird. Die Querschnitte sollten daher in der Regel . Fluid-Dynamics (Hydrocodes) symmetrisch bewehrt werden, alternativ ist in der Näheres zu den Grundlagen der Rechenmethoden, Momenten-Krümmungs-Beziehung eine Reduzie- zu den strukturmechanischen Formulierungen und rung des Biegemoments nach Erreichen der Grenz- der Diskretisierung in den Rechenmodellen wird rotation zu berücksichtigen. In Tab. 3 sind die in [10] und in der dort genannten Literatur beschrie- Grenzrotationen angegeben, die sich nach [1] ben. ergeben. Die Konstruktion ist so auszulegen, dass diese Werte eingehalten werden, die Vorgehens- 3.4 Empirische Ansätze der Schädigung bei weise entspricht somit der bei Berechnungen nach Kontakt- und Nahdetonationen Theorie II. Ordnung oder unter Erdbebenbelastung. Für die Abschätzung der Schädigung bei Nah- und Tab. 3: Begrenzung der Rotationen [10] Kontaktdetonation wurden empirische Ansätze entwickelt, die auf Versuchs- und Rechenergebnis- sen basieren Fuchs gibt in [9] Hinweise auf die Schädigung des Betongefüges bei Kontaktdetonati- on auf der Grundlage von zerstörungsfreien und zerstörenden Untersuchungen an angesprengten Stahlbetonplatten. In Abb. 10 und in der zugehöri- gen Tab. 4 werden Vorschläge für die Abminderung der Betonkennwerte gemacht.

Abb. 10: Empfehlung zur Abstufung des Verbund- verhaltens [9]

Tab. 4: Materialkennwerte im geschädigten 3.3 Numerische Berechnungsverfahren Bereich Betonkennwert Größenordnung Die Bemessung von Stahlbetonbauteilen, die ca. 60 % der Festigkeit im Nah- und Kontaktdetonationen ausgesetzt sind, Druckfestigkeit ungeschädigten Bereich stellt auch heute noch eine große Herausforderung < 50 % des E-Moduls im an Ingenieure. Umfassende Kenntnisse der hoch- E-Modul ungeschädigten Bereich dynamischen Vorgänge, der Werkstoffe und der Explosionsstoffe und der Möglichkeiten und Gren- Das unter der Leitung von Prof. Gebbeken entwi- zen der Modellierung und geeigneter numerischen ckelte Software-Tool XploSim ermöglicht die Beur- Rechenverfahren sind hierfür zwingende Vorausset- teilung von Schäden von Betonplatten mit und ohne

26 Konstruktive Aspekte zur Verminderung von Explosionsschäden

Bewehrung unter Detonationsbelastung. Dabei sind 4.3 Tragwerkskonzepte die Ladungsmenge des Sprengstoffs, der Ladungs- Für die konstruktive Durchbildung von Knotenpunk- abstand, die Plattendicke und die Betongüte sowie ten einzelner Bauteile und der Gesamttragwerke die Bewehrung die wesentlichen Eingangsparame- müssen spezielle konstruktive Grundsätze berück- ter. Das Programm liefert Angaben zu den geschä- sichtigt werden, wenn Explosionsbelastungen zu digten Bereichen auf der Last- und der Schutzsei- berücksichtigen sind. Die Konstruktionsregeln bei te [10]. dynamischer Belastung, hohen Drücken und hohen Verzerrungsraten gehen über die Konstruktions- 4 Entwurfskonzepte regeln bei statischer Belastung hinaus. Die Unter- 4.1 Generelle Anforderungen schiede werden in den folgenden Punkten näher Zur Abtragung von Hochdynamischen Lasten ist die erläutert. An ein Bauwerk als Ganzes und an Ausbildung der Knotenpunkte einer Konstruktion tragende Elemente im Einzelnen werden folgende von großer Bedeutung. Nicht nur das belastete Anforderungen gestellt [10]: Element, sondern auch dessen Anschlüsse und die . eine hohe Duktilität maximal aufnehmbare Kraft der weiterleitenden . eine möglichst große Robustheit Elemente bestimmen den Tragwiderstand. . die zwingende Vermeidung eines progressiven Die Konstruktionsteile sollten ähnliche Steifigkei- Versagens der Gesamttragkonstruktion durch ten besitzen und in der gesamten Tragkonstruktion das Versagen einzelner Tragwerkselemente. sollten Steifigkeitssprünge durch lokale Schwächun- gen oder Dickenänderungen der Bauteile vermieden Im Bauwerk muss die Möglichkeit zur Lastumlage- werden. Eine kontinuierliche Änderung der Steifig- rung vorhanden sein. Diese Anforderung kann nur keit ist dann beispielsweise über die Anordnung von statisch unbestimmten Tragsystemen erreicht einer Voute sichergestellt werden. werden die zusätzlich eine größtmögliche Redun- Des Weiteren sind Grundsätze aus dem Erdbe- danz, unabhängig von der Bauart gewährleisten. beningenieurwesen zu beachten [5]. Die Bauteile Wie bereits in Punkt 2.5 erläutert unterscheiden sich müssen neben der Tragfähigkeit ein hohes Verfor- die Belastungen bei außergewöhnlichen Einwirkun- mungsverhalten bis zum Versagen aufweisen. Durch gen in Form von Blast und Impakt stark von den das Plastifizieren des Bewehrungsstahls und die planmäßigen Belastungen aus der Nutzung des Deformation des Bauteils kann die Energie dissipiert Gebäudes. Für die Bauwerke und deren Bauteile und eine Membrantragwirkung erzeugt werden [10]. ergeben sich folgende Beanspruchungen [13]: 4.2 Materialanforderungen . Bei einem planmäßig biegebelasteten Bauteil Aufgrund der hochdynamischen Belastung werden kann sich bei einer durch eine Explosion erzeug- besondere Anforderungen an die eingesetzten ten Druckwelle zusätzlich zur Biegetragwirkung Materialien gestellt. Dem Bewehrungsstahl sollte eine Membrantragwirkung einstellen. Die Trag- mindestens der Duktilitätsklasse B oder besser der fähigkeit wird durch die Membrantragwirkung Klasse C der DIN EN 1992-1-1 [4] entsprechen. Die gesteigert und die Robustheit erhöht. Die Duktilitätsklasse C hat eine maximale Bruchdehnung rechnerisch nicht berücksichtigten Tragreserven von 7,5 % und der in normalen statischen Berech- werden hier aktiviert und die eingebaute Beweh- nungen nicht ausgenutzte Verfestigungsbereich des rung muss eine Membrantragwirkung ermögli- Stahls liefert eine zusätzliche Tragreserve um 15 % chen und dadurch kann ein redundantes bis 35 %. Auf Matten, angeschweißte Stäbe am Tragsystem erzeugt werden. Auflager oder auf geschweißte Stöße ist aufgrund . Die auftretenden Druck- und Sogbelastungen der Versprödung des Materials zu verzichten. Des können möglicherweise die Wirkungsrichtung Weiteren ist es bei einem vorgegebenen Beweh- der Hauptbeanspruchungen ändern, z.B. wenn rungsgrad sinnvoll ein Bewehrungsnetz mit eine druckbewehrte Stütze eine große Biege- dünnen Stabdurchmessern und engen Stababstän- beanspruchung erfährt. In diesem Fall kann die den zu wählen, damit der Ausbruch von großen Redundanz des Bauteils nur durch eine geeigne- Betontrümmern vermieden wird. te konstruktive Durchbildung mit der entspre- Die Betonfestigkeit sollte mindestens der Klasse chend angepassten Bewehrungsführung sicher- C30/37 gem. DIN EN 1992-1-1 [4] entsprechen. gestellt werden. Durch die Zugabe von Fasern (Kohle-, Glas- und . Ein dynamisches Abscheren ist möglich und Stahlfasern) können die Abplatzungen bei Blast- und dieses Versagen unterscheidet sich deutlich vom Impaktbeanspruchungen auf der lastabgewandten normalen Querkraftversagen bei statischer Seite verhindert, bzw. stark reduziert werden. Belastung.

27 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

. Durch den Ausfall von Einzelelementen kann es Schädigung noch ausreichend groß ist. Durch zu einer Änderung des statischen Gesamtsys- Vouten an neuralgischen Stellen kann der innere tems kommen. Durch die Druck- und Sogbelas- Hebelarm zusätzlich erhöht werden. tung auftretende Änderungen der Schnittgrößen Nach Explosionen folgt oftmals ein Brand- von Druck- zu Zuggliedern oder vom Durchlauf- ereignis, darum sind die Brandschutzanforderungen zu Einfeldträgern müssen durch die Anpassung (z.B. Betondeckung) zwingend einzuhalten. Ein der Tragwerkselemente und insbesondere durch Abplatzen der Betondeckung kann durch die Zuga- eine geeignete Bewehrungsführung kompensiert be von Fasern verhindert werden und somit auch werden. eine direkte Beflammung der Bewehrungsstäbe. Die untere und obere Grenze des Bewehrungsgrades ist in Anlehnung an die DIN EN 1998-1 [5] festzulegen, damit das plastische Verformungsvermögen erhöht wird. Der Bewehrungsstahl muss die aus Kraterbildung und Abplatzungen resultierenden Druckkräfte auf-

nehmen können. Die Längsbewehrung ist mit Abb. 11: Momentenverlauf und notwendige Beweh- geschlossenen, zugfest verankerten Bügeln analog rung bei einem Durchlaufträger [10] zu einer Torsionsschubbewehrung einzufassen und In der Abb. 11 ist der qualitative Momentenverlauf für die Ableitung der Druckkräfte in der Bewehrung eines Durchlaufträgers mit der gemäß Zugkraftde- ist ein großer Stabdurchmesser zu wählen. Diese ckungslinie erforderlichen Biegebewehrung darge- Forderung steht natürlich im Widerspruch zu einem stellt. Bei einem Ausfall der Mittelstütze treten durch engmaschigen Bewehrungsnetz mit dünnen Stäben das fehlende Auflager ursprünglich nicht geplante das den Trümmerflug einschränken soll. Insbeson- Zugsspannungen auf der Plattenunterseite auf dere für Stahlbetonstützen ist eine engmaschige (Abb. 12). Umschnürung mit Bewehrungsbügeln mit einem verschwenkten Einbau der Bügelschlösser zwingend erforderlich. Der Betonkern in der Stütze bleibt dadurch erhalten und die Längsbewehrung knickt nicht aus. Zur Erhöhung der Redundanz bei Durchlaufträ- gern ist die auf der jeweiligen Zug- und Druckseite eingebaute Bewehrung durchgehend bis über die Abb. 12: Momentenverlauf und notwendige Beweh- Auflagerpunkte zu führen. Somit können wie in rung bei einem Einfeldträger [10] Abb. 12 dargestellt, auch bei einem Ausfall des Mittelauflagers die Lasten abgetragen werden. Das Die Feldbewehrung muss diese zusätzlichen gilt auch für den Ausfall eines Endauflagers, damit Biegemomente aufnehmen und zugleich erfolgt ein sich im Endfeld eine Kragarmtragwirkung einstellen Anstieg der Stützmomente in den Eckbereichen. Die kann. obere und untere Bewehrung muss für diese Syste- Die Bewehrung sollte grundsätzlich mittels mänderung bemessen und eingebaut sein. Durch Haken ≥ 135° verankert werden. Auf aufgeschweißte die Lastumkehr infolge einer Innenraumexplosion Bewehrungseisen am Auflagerrand ist aufgrund der kehrt sich der Momentenverlauf um und aus Druck- möglichen Sprödbruchgefahr bei hochdynamischen zonen werden Zugzonen und umgekehrt. Deswegen Einwirkungen zu verzichten. Die Bewehrungsstöße ist eine symmetrische Anordnung der Bewehrung sind gegebenenfalls als Muffenstöße auszubilden. erforderlich. Bei der Übergreifungslänge von Beweh- Die Ausführung von Bewehrungsstößen sollte stets rungsstäben ist zu beachten, dass planmäßig ange- gestaffelt erfolgen, da im Falle von Kontaktexplosio- ordnete Druckstöße Zugbeanspruchungen erfahren nen Teilbereiche komplett zerstört werden und der können und die Übergreifungslänge ist gemäß einer Verbund zwischen dem Beton und Bewehrungsstahl Zugbeanspruchung zu wählen. in diesem geschädigten Bauteilbereich nicht mehr vorhanden ist. In Bauteilen in denen sich nach einer 5 Konstruktionsdetails starken hochdynamischen Belastung eine plan- Bei Explosions- und Impaktbelastungen ist eine mäßige Zugmembrantragwirkung ausbilden kann ausreichende Bauteildicke zur Vermeidung von dürfen keine Übergreifungsstöße angeordnet Penetration und Abplatzungen erforderlich. Die werden. Mindestdicke eines Bauteils darf 20 cm nicht unter- Bei einer hochdynamischen Belastung durch eine schreiten, damit der innere Hebelarm auch nach Luftstoßwelle kann ein Bauteil in Folge von sehr früh einem Explosionsereignis mit einhergehender auftretenden Auflagerschubkräften versagen, bevor

28 Konstruktive Aspekte zur Verminderung von Explosionsschäden

sich ein Biegetragverhalten einstellt [11]. Durch den Die Längsbewehrung wird zugfest verankert und die Einbau einer zusätzlichen Diagonalbewehrung Diagonalstäbe verhindern ein Abscheren und dienen (Abscherbewehrung) und die Vermeidung von zur Aufnahme eines „öffnenden“ Moments aus einer Bewehrungsstößen in diesen Bereich kann dieses möglichen Luftstossbelastung. Versagen weitgehend ausgeschlossen werden. Zusätzlich ist es in einem Bauwerk sinnvoll Ausblasöffnungen vorzusehen, die bei einem bestimmten Innendruck geöffnet werden und einen schnellen Druckabbau in den Innenräumen ermögli- chen [1]. Des Weiteren ist die Anordnung von Soll- bruchstellen in einem Bauwerk möglich. Nach dem Bruch an einer definierten Stelle kann sich ein neues Tragsystem einstellen. Eventuelle Sollbruchstellen sind bei der Bemessung eines Bauwerks zwingen zu berücksichtigen, da aus der dann stattfindenden Lastumlagerung neue Belastungen für andere Bauteile entstehen.

5.1 Beispiele für konstruktive Durchbildungen In den nachfolgenden Abb. 13 und Abb. 14 sind möglich Konstruktionsdetails für den Anschluss einer Platte an eine Wand und einer Stütze an einen Unterzug dargestellt. Abb. 15: Ausbildung einer Wandecke [10] In Abb. 15 wird eine durch eine zusätzliche Voute verstärkte Wandecke dargestellt. Bei diesem Detail wird durch die Aufvoutung der innere Hebelarm vergrößert und das bei Innenraumexplosionen auftretende „öffnende Moment kann aufgenommen werden.

Abb. 13: Anschluss Platte / Wand [10]

Abb. 14: Anschluss Unterzug / Stütze [10] Abb. 16: Detail konsolartig verstärkter Anschluss [10]

29 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

In Abb. 16 ist eine Verbindung zur Aufnahme der [3] DIN EN 1991-1-1:2010-12: Eurocode 1: Einwir- Lasten konsolartig verstärkt. Dieses Detail kann kungen auf Tragwerke; Teil 1-7: Allgemeine Einwir- beispielsweise für den Anschluss einer Decke an eine kungen – Außergewöhnliche Einwirkungen, Beuth Stahlbetonwand verwendet werden. Verlag, Berlin, 2010 Hier kann infolge der diagonal angeordneten [4] DIN EN 1992-1-1:2011-01: Eurocode 2: Bemes- Stäbe eine von unten und oben wirkende Explosi- onslast aufgenommen werden und die Abscher- sung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spann- gefahr wird durch die konstruktive Maßnahme betontragwerken; Teil 1-1: Allgemeine Bemessungs- deutlich reduziert. regeln und Regeln für den Hochbau, Beuth Verlag, Berlin, 2011 [5] DIN EN 1998-1:2010-12: Eurocode 8: Ausle- gung von Bauwerken gegen Erdbeben; Teil 1: Grundlagen, Erdbebeneinwirkung und Regeln für Hochbauten, Beuth Verlag, Berlin, 2010 [6] DIN EN 1999-1:2014-03: Eurocode 9: Bemes- sung und Konstruktion von Aluminiumtragwerken- Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln; Deutsche Fassung EN 1999-1-1:2007 + A1:2009 + A2:2013,

Beuth Verlag, Berlin, 2014 Abb. 17: Ausbildung einer Wandecke [10] [7] fib Bulletins 55 und 56 (2010) Model Code Abb. 17 zeigt exemplarisch die Bewehrungsführung 2010 First complete Draft in einer Rechteckstütze. Es ist dabei wie bereits in 5.1 erläutert auf eine die Längsbewehrung [8] Forrestal, M.J., Frew, D.J., Hanchak, S.J., Brar, umschnürende, enge Verbügelung zu achten. Die N.S. (1996) Penetration of grout and concrete tar- Übergreifungsstöße sind als Zugstöße auszubilden. gets with ogive-nose steel projectiles. International Eine Ausführung der Bügelbewehrung mit Journal of Impact Engineering Vol. 18, pp. 465-476 Bügelschlössern wird ebenfalls aufgezeigt. Die [9] Fuchs, M., (2008) Stahlbetonbauteile nach Schlösser sind an jedem Bügel zu versetzen, damit außergewöhnlicher Einwirkung - Schadensquantifi- so ein „aufreißen“ der Stütze vermieden wird. zierung und Instandsetzung. Dissertation, Berichte aus dem Konstruktiven Ingenieurbau 6 Schlussbemerkung [10] Gebbeken, N., Keuser, M., Linse, T., Wensauer, Die Berechnung, Bemessung und konstruktive R.: Betonstrukturen unter Explosion und Impakt. In: Durchbildung von Stahlbetonkonstruktionen unter Bergmeister, K., Fingerloos, F., Wörner, J.-D. (Hrsg.): Explosionsbeanspruchung erfordert ein deutlich über das im üblichen Hochbau in der Regel notwen- Beton-Kalender 2012. Berlin: Ernst & Sohn, 2012, S. dige Fachwissen. Insbesondere bei Fernfeldexplosi- 199-278. onen ist die Beanspruchung ähnlich der bei [11] Gebbeken, N.; Dittrich, G. (2006) Dynamisches Erdbebenbeanspruchungen, auch wenn dort die Abscherversagen von Stahlbeton-Bauteilen unter Anregung des Bauwerks durch den Baugrund Detonationsbelastung. Beton und Stahlbeton- erfolgt. Dadurch ergeben sich häufig ähnliche Kon- bau 101, Heft 7 struktionsformen. Stahlbetonbauwerke bieten bei entsprechender Bemessung und konstruktiver [12] Gebbeken, N., Döge, T. (2006) Vom Explosions- Durchbildung eine hohe Schutzwirkung gegen szenario zur Bemessungslast In: Der Prüfingenieur Explosionsbelastungen und die häufig damit in 2006, S. 42-52 Verbindung auftretende Brandbeanspruchung. [13] Gebbeken, N., Keuser, M., Klaus, M., et al. (2006) (Hrsg.) 2. Workshop „Bau Protect“ Sicherheit 7 Literatur der baulichen Infrastruktur vor außergewöhnlichen [1] Department of Defense (2008) Structures to Einwirkungen: Berichte aus dem Konstruktiven Inge- Resist the Effects of Accidental Explosions, UFC 3- nieurbau, Universität der Bundeswehr München, 340-02 06/4

[2] DIN EN 1990-1:2010-12: Eurocode Grundlagen [14] Kennedy, R.P. (1966) A review of procedures der Tragwerksplanung; Deutsche Fassung EN for the analysis and design of concrete structures to 1990:2002 + A1:2005 + A1:2005/AC:2010, Beuth resist missile impact effects. Nuclear Engineering Verlag, Berlin, 2010 and Design 37 pp. 183-203

30 Konstruktive Aspekte zur Verminderung von Explosionsschäden

[15] Li, Q.M., Reid, S.R., Wen, H.M., Telford, A.R. (2005) Local impact effects of hard missiles on concrete targets. International Journal of Impact Engi- neering Vol. 32, pp. 224-284

[16] Schuller, H. (2004) Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Schädigung von stoßbe- anspruchtem Beton. Schriftenreihe Forschungser- gebnisse aus der Kurzzeitdynamik, Band 6

[17] Yankelevsky, D.Z. (1997) Local Responce of Concrete Slabs to Low Velocity Missile Impact. Inter- national Journal of Impact Engineering Vol. 19, pp. 331-343

[18] Zircher, T., Michal, M., Keuser, M., Burbach, A. (2016) Use of steel fiber concrete for protective components, 24th International Symposium on Mili- tary Aspects of Blast and Shok, (MABS) Paper 80

Autoren Prof. Dr.-Ing. Manfred Keuser Institut für Konstruktiven Ingenieurbau Universität der Bundeswehr München Werner-Heisenberg-Weg 39 85577 Neubiberg

M.Sc. Tobias Zircher Institut für Konstruktiven Ingenieurbau Universität der Bundeswehr München Werner-Heisenberg-Weg 39 85577 Neubiberg

Betontechnologische Maßnahmen gegen Brandeinwirkungen

Frank Dehn, Stefanie Thalheim und Andreas König

Zusammenfassung Bauwerke des Hoch-, Industrie- und Ingenieurbaus sind während ihrer Nutzungsdauer verschiedenen Belastungsbedingungen ausgesetzt. Neben den dauerhaften bzw. häufig wiederkehrenden Einwirkungen kann es auch zu außergewöhnlichen Beanspruchungen kommen, wozu beispielsweise auch der Brandfall zählt. Das Verhalten von Beton im Brandfall ist prinzipiell durch die Kopplung der zeitlichen und temperaturabhängigen Änderung des physikalisch-chemischen und mechanischen Baustoffverhaltens geprägt, welche letztlich zu einer Beeinträchtigung des Tragvermögens bis hin zum Versagen des Baustoffs und der Bauwerke führen kann. Auf der Grundlage von aktuellen Forschungsergebnissen zum Hochtemperaturverhalten von Bindemitteln, den temperaturbedingten Umwandlungsprozessen der Gesteinskörnungen sowie zur Wirkungsweise von Polymer- fasern zur Reduzierung von Betonabplatzungen fasst der nachfolgende Beitrag wesentliche neue Erkenntnisse zusammen, wie mittels betontechnologischer Maßnahmen und Optimierungen, der Brandwiderstand von Beton verbessert werden kann.

1 Allgemeines 2 Leistungsfähigkeit von Beton gegenüber einer kurzzeitigen Betone üblicher Zusammensetzung werden den Brandeinwirkung nichtbrennbaren Baustoffen zugeordnet. Sie tragen daher nicht zur Steigerung der Brandlast bei. Viel- 2.1 Definition der kurzzeitigen Brandeinwir- mehr dient der Beton der Einschränkung der infolge kung aus materialwissenschaftlicher Sicht der Brandeinwirkung evtl. eintretenden Schädigung; beispielsweise als thermischer Schutz der Beton- Hinsichtlich der im nachfolgenden Abschnitt 3 auf- stahlbewehrung bei einer ausreichend widerstands- geführten Erkenntnisse kann eine kurzzeitige Brand- fähigen Betondeckung. Im Falle einer für die Brand- einwirkung unterstellt werden, wenn deren Einwir- einwirkung nicht beständigen Betonrezeptur kann es kungsdauer maximal 240 min. beträgt und bei der innerhalb des Betongefüges zu physikalisch- eine Maximaltemperatur von rd. 1400 °C nicht über- chemischen (Umwandlungs-) Prozessen kommen, schritten wird. Diese Grenzwerte sind ausschließlich die makroskopisch mit einem Verlust an Festigkeit materialwissenschaftlich begründet, d.h. sie werden und Steifigkeit einhergehen. Hinzukommen thermo- bzgl. der Beschreibung des Verhaltens der Beton- mechanisch- und thermo-hydraulisch-induzierte ausgangsstoffe infolge der Brandeinwirkung Verformungen und ggf. daraus resultierende vorausgesetzt, spiegeln zunächst aber keine norma- Betonabplatzungen. Letztere können zu einer erheb- tive oder sicherheitsrelevante Betrachtung der lichen Einschränkung des Tragvermögens von Brandeinwirkung - wie im Falle eines standardisier- Beton- und Stahlbetonbauwerken führen. Sie sind ten Temperatur-Zeit-Szenarios - wider. primär auf eine nicht ausreichende Permeabilität des In der Praxis vorkommende Realbrände können Betons für Wasserdampf zurückzuführen und dagegen in Abhängigkeit der Brandlast sowie der können bspw. mit Hilfe von Polymerfasern deutlich sonstigen geometrischen und ventilationsrelevanten reduziert werden. Randbedingungen von der oben genannten Brand- Bei der Kenntnis des spezifischen Hochtempera- einwirkungsdauer und der Maximaltemperatur deut- turverhaltens der einzelnen Betonausgangsstoffe ist lich abweichen. es möglich, die Eigenschaften des Betons als Ganzes Die Leistungsfähigkeit von Beton gegenüber gezielt einzustellen und somit das Brand- und einer kurzzeitigen Brandeinwirkung wird unter Abplatzverhalten signifikant zu verbessern. Dies gilt Beachtung der oben formulierten Randbedingungen in erster Linie für eine kurzzeitige, aber auch einge- im Wesentlichen durch das thermische und zeitab- schränkt für eine langandauernde Brandeinwirkung, hängige Verhalten der einzelnen Betonausgangs- die weitestgehend den gängigen Brandeinwirkungs- stoffe sowie deren Wechselwirkung untereinander szenarien des Hoch-, Industrie- und Ingenieurbaus beeinflusst. entspricht.

33 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Bezüglich weiterer Leistungsmerkmale von Beton 3 Erhöhung des Brandwiderstands unter Brandeinwirkung sind im Vergleich zu anderen durch Optimierung der Baustoffen, die höhere thermische Stabilität, die Betonzusammensetzung nicht auftretende Rauchbildung sowie die Nichtfrei- Grundlegend verursacht eine thermische Einwirkung setzung toxischer Gase zu nennen. innerhalb des Betons spezifische chemische Reakti- 2.2 Verhalten verschiedener Betonarten onen, mineralogische Phasenumwandlungen und bei kurzzeitiger Brandeinwirkung physikalische Prozesse, (z.B. thermische Ausdeh- nung, Änderung des Aggregatzustandes usw.), Dennoch gibt es deutliche Unterschiede im thermo- infolge derer auch die mechanischen Eigenschaften mechanischen und thermo-hydraulischen Verhalten beeinflusst werden. [1; 2] verschiedener Betonarten bei einer Brandeinwir- Die thermische Einwirkung kann entsprechend kung. So unterscheiden sich Normalbetone ganz der Aufheizrate, der Maximaltemperatur und Einwir- wesentlich von Hochleistungsbetonen. In experi- kungsdauer in verschiedene Anwendungsfälle unter- mentellen Laboruntersuchungen wie auch in schieden werden (z.B. Refractories oder Brand). (Original-) Brandversuchen zeigen hochfeste, selbst- Unabhängig vom Auftreten der erhöhten Tempera- verdichtende und ultrahochfeste Betone an den tur besteht die zentrale Frage darin, welche Prozesse brandbeanspruchten Oberflächen die Neigung zu infolge der Temperatureinwirkung im Beton ausge- frühzeitigen Abplatzungen. Die Ursache ist das im löst werden und wie diese sich auf dessen Eignung Vergleich zum Normalbeton deutlich geringere für einen ausgewählten Einsatz auswirken. diffusive Transportvermögen für Wasserdampf in Die sich stetig verändernden und gegenseitig der Zementsteinmatrix, das durch das dichtere beeinflussenden Mechanismen sowie die große Gefüge und die damit einhergehende geringere Heterogenität des mehrphasigen Baustoffs Beton Permeabilität hervorgerufen wird. Im Vergleich zum sind die entscheidenden Gründe, warum eine beton- selbstverdichtenden Beton und hochfesten Beton ist technologische Optimierung bezüglich des Brand- die Permeabilität bei ultrahochfesten Betonen widerstands auf grundlegenden naturwissenschaftli- nochmals geringer. Diese hohe Dichtigkeit wirkt sich chen Untersuchungen zum Hochtemperaturverhal- zwar positiv auf die Dauerhaftigkeitseigenschaften ten erfolgen muss. Jedem Bestandteil des Verbund- im Kaltzustand aus, ist jedoch im Brandfall eher baustoffs Beton kommt aufgrund der chemisch- nachteilig. Wird ein Beton durch eine Brandeinwir- mineralogischen Zusammensetzung, der Gefügecha- kung erhitzt, verdampft ab einer Temperatur von ca. rakteristika und nicht zuletzt entsprechend seines 105 °C freies und physikalisch-gebundenes Wasser. Stoffanteils im Verbundsystem hinsichtlich des Ein Teil des entstehenden Wasserdampfs diffundiert Hochtemperaturverhaltens eine eigene Wichtung zu infolge der fortschreitenden Wärmefront in den und muss zunächst einzeln betrachtet werden. Eine Beton hinein und kondensiert in den noch nicht Optimierung der Einzelbestandteile ist für das erhitzten Bereichen. Dieser Vorgang wird durch die Gesamtsystem sinnvoll. quasi vollständige Füllung einer temperaturbeding- Auf der Grundlage von aktuellen Forschungser- ten Kondensationszone mit flüssigem Wasser abge- gebnissen zum Hochtemperaturverhalten von schlossen. Die weitere Diffusion des Wasserdampfes Bindemitteln, den temperaturbedingten Schädi- in die kühleren Zonen des Betons wird durch die gungsmechanismen der Gesteinskörnungen sowie Inkompressibilität des flüssigen Wassers in der Kon- zur Wirkungsweise von Polymerfasern zur Reduzie- densationszone unterbunden. Als Folge steigt der rung von Betonabplatzungen werden im nachfol- (Sättigungs-) Dampfdruck insbesondere innerhalb genden Abschnitt 3 wesentliche neue Erkenntnisse der Kapillarporen der Zementsteinmatrix überpro- zusammengefasst, wie mittels betontechnologischer portional an. Bei einem Normalbeton, mit seiner Maßnahmen und Optimierungen, der Brandwider- relativ hohen Porosität und einer bereits zu einem stand von Beton verbessert werden kann. früheren Aufheizstadium einsetzenden Mikrorissbil- dung kann sich der (Sättigungs-) Dampfdruck zum 3.1 Bindemittel einen in größeren Poren entspannen oder durch Eine hinsichtlich der Hochtemperatureigenschaften Entweichen über die Mikrorisse abbauen. Bei einem vielversprechende Alternative zu herkömmlichen, in sehr dichten Betongefüge kommt es hingegen zu DIN EN 197-1 [3] (OPC, engl. Ordinary Portland einem Anstieg des (Sättigungs-) Dampfdrucks. Cement) und DIN EN 14647 [4] (HAC, engl. High Erreicht dieser die Zugfestigkeit des Betons kommt Alumina Cement) geregelten Zementen sind bei- es zu explosionsartigen Abplatzungen, die bei weite- spielsweise alkalisch-aktivierte Bindemittel (AAB) rem Fortschreiten zum Baustoffversagen führen oder Geopolymer-Bindemittel (GP), die im Wesentli- können. Die temperaturabhängigen Festigkeits- und chen unter Verwendung von natürlichen Ressourcen Steifigkeitsveränderungen sind in diesem Fall nicht und/oder industriellen Nebenprodukten hergestellt mehr maßgebend. werden [5] (Abb 1).

34 Betontechnologische Maßnahmen gegen Brandeinwirkungen

Abb. 1: Hauptoxide verschiedener Ausgangsstoffe (links) sowie Vorschlag zur Klassifizierung und Abgrenzung alkalisch-aktivierter Bindemittel und Geopolymere im Vergleich zu hydraulischen Bindemitteln (rechts) [6] Alkalisch-aktivierte Bindemittel können als minerali- lungen statt, die oftmals mit Volumen- und /oder sche, anorganische, nicht-metallische Bindemittel anderen Eigenschaftsänderungen einhergehen und mit hohen Gehalten an reaktivem Silicium und daher eine Gefügeschädigung induzieren können, Aluminium sowie ggf. Calcium definiert werden, die sich schließlich im Verlust der mechanischen deren Ansteifen und Verfestigung auf der zumeist Eigenschaften widerspiegeln kann. In Tab. 1 sind die externen Zugabe von (erd-) alkalischen Zusätzen stattfindenden Zersetzungsreaktionen in Abhängig- basiert [6]. Im Unterschied zu OPC und HAC, bei keit des Bindemittels nach steigender Temperatur denen CSH- und CAH-Phasen die festigkeitsbilden- zusammengefasst. den Reaktionsprodukte sind, bilden sich bei Geopo- Tab. 1: Übersicht der Zersetzungsreaktionen nach lymeren (GP) (Ca-arme AAB mit einem CaO-Gehalt zunehmender Temperatur [1; 7] ≤ 10 M-%) amorphe bis semikristalline, dreidimensi- onal vernetzte alumosilicatische Polymernetzwerke Tempera- Phase Umwandlungsreaktion aus. Ca-reiche alkalisch-aktivierte Bindemittel (AAB tur mit CaO-Gehalt > 10 M-%) bilden den Übergang OPC zwischen OPC und GP. In Ca-reichen alkalisch- 130 °C CSH C3S2H4  C3S2 + 4H aktivierten Bindemitteln liegen CSH-Phasen und 105- CSH CxSyHz  CxSy + zH alumosilicatische Polymernetzwerke parallel vor [6]. 1000 °C Im Folgenden werden hinsichtlich der Zusammen- 371 °C MH MH  M + H setzung typische Vertreter der oben angesproche- 440- CH CH  C + H nen Bindemittel gegenübergestellt und bzgl. des 510 °C Hochtemperaturverhaltens bewertet: 590- CĊ CĊ  C + Ċ . konventioneller Portlandzement CEM I (OPC), 880 °C . Tonerdezement (HAC), HAC . Ca-arme alkalisch-aktivierte Bindemittel auf Basis 130 °C CAH10 2CAH10  C2AH8 + AH3 + von Steinkohlenflugasche (SFA), nachfolgend 9H Geopolymer (GP) genannt, und ein 170 °C C3AH6 C3AH6  C3A + 6H . Ca-reiches alkalisch-aktiviertes Bindemittel auf Basis von Steinkohlenflugasche im Gemisch mit 230 °C C2AH8 3C2AH8  2C3AH6 + AH3 + Hüttensand (HÜS), Verhältnis 50:50, folgend AAB 9H genannt. 300 °C AH3 AH3  A + 3H X Aufgrund der verschiedenen chemisch- mineralogischen Zusammensetzungen der Aus- AAB und GP gangsstoffe sowie aufgrund der unterschiedlichen 130 °C CSH C3S2H4  C3S2 + 4H Abbindemechanismen entstehen in den Bindemit- 105- CxSyHz  CxSy + zH teln verschiedene festigkeitsbildende Reaktionspro- 1000 °C dukte. Werden diese Reaktionsprodukte steigenden Y Temperaturen ausgesetzt, finden je nach Reaktivität Z bindemittelspezifische Reaktionen und Umwand-

35 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Neben der Decarbonatisierung findet hauptsächlich 3.2 Gesteinskörnung eine Dehydratisierung der Mineralphasen unter Die Gesteinskörnung besitzt den größten Volumen- Temperaturzunahme statt. Berücksichtigt man anteil im Beton und beeinflusst daher trotz ihrer neben der Anzahl der reaktiven Phasen auch deren vermeintlich inerten Kinetik deutlich die Eigenschaf- mengenmäßigen Anteil am Gesamtbindemittel kann ten des Betons bei einer Brandeinwirkung. folgende Abstufung der (chemisch-mineralogischen) Reaktivität vorgenommen werden: OPC > (HAC) > 3.2.1 Normative Grundlagen AAB > GP. Insofern kann aus obiger Betrachtung ein Zum Erreichen der normativ geforderten Betonei- erster Optimierungsschritt abgeleitet werden, genschaften werden in DIN EN 12620 [8], die wonach Ca-arme Bindemittel hinsichtlich der Tem- notwendigen geometrischen, physikalischen und peraturstabilität Vorteile zeigen. Zusätzlich zu den in chemischen Anforderungen von Gesteinskörnungen Tab. 1 wiedergegebenen Phasen und deren definiert. Diese Anforderungen beziehen sich auf Umwandlungen muss berücksichtigt werden, dass den kalten Zustand, jedoch nicht auf den Hochtem- die Zersetzungsprodukte wiederum Ausgangspunkt peratur- bzw. Brandfall. neuer Reaktionen und Umwandlungen sein können, 3.2.2 Kategorisierung der Gesteinskörnung die bei noch höheren Temperaturen und zuneh- mendem Druck stattfinden. In DIN EN 1992-1-2 [9] werden für die (Heiß-) Bemessung von Stahl- und Spannbetontragwerken, 3.1.1 Ausdehnungsverhalten und Porosität die materialspezifischen Eigenschaften der thermi- Auswirkungen der Zersetzungen und Umwandlun- schen Verlängerung (Dehnung), die spezifische gen zeigen sich in der Veränderung der Geometrie Wärme und die thermische Leitfähigkeit für die (Abb. 2) und Porosität (Abb. 3). Gesteinskörnung berücksichtigt. Dabei werden quarz- und kalksteinhaltige Gesteinskörnungen unterschieden. Abb. 4 fasst für diese beiden Gesteinskörnungstypen die thermische Dehnung im Vergleich zu einem Zementstein (OPC) zusammen. In Bezug auf das Hochtemperaturverhalten von Gesteinskörnungen wird zum einen bei der quarziti- schen Gesteinskörnungen der bei Temperaturen über 573 °C auftretende Quarzsprung genannt, d.h., die temperaturbedingte kristalline Umwandlung von Tiefquarz (-Quarz) zu Hochquarz (-Quarz) beim Wärmeeintrag, was mit einer sprunghaften Vergrö- ßerung des spezifischen Volumens um 0,8 % verbunden ist. Zum anderen findet bei kalksteinhal- Abb. 2: Ergebnisse von dilatometrischen Messun- tigen Gesteinskörnungen ab einer Temperatur von gen an vier Bindemitteln [1; 7] etwa 800 °C die Entsäuerung von Calciumcarbonat statt, d.h. Kohlendioxid (CO2) wird ausgetrieben und es entsteht Calciumoxid (CaO). Verbunden mit dem Ausgasen des CO2 ist eine deutliche Zunahme des Drucks im Porenraum des Betongefüges. Eigene Untersuchungen zeigen, dass sowohl diese Kategorisierung als auch die damit verbunde- nen Materialparameter unzureichend sind, um die thermische Stabilität und damit das Hochtempera- turverhalten von Gesteinskörnungen im Einzelnen und deren Auswirkungen auf die Betoneigenschaf- ten abzubilden. So tritt beispielsweise Carbonat 3- [CO2 ] nicht nur in Form von CaCO3, sondern auch als MgCO3 auf; zudem gibt es die Mischform CaMg[CO2]3. Zum Beispiel sind für Dolomit eine Abb. 3: Entwicklung des kumulativen Porendurch- geringere Zersetzungstemperatur und eine stärkere messers, Vergleich 25 °C und 1000 °C [1; 7] Ausdehnung als bei Kalkstein charakteristisch.

36 Betontechnologische Maßnahmen gegen Brandeinwirkungen

Die Thematik des Größtkorns ist insbesondere unter dem Aspekt der Frischbetonkonsistenz wichtig. Da zunehmend Betone mit fließfähiger Konsistenz eingesetzt werden, bedingt dies oftmals eine Reduzierung des Größtkorns und damit eine Erhöhung des Zementleimvolumens. Damit zusammenhängend ist auch die bessere Untermischbarkeit von Polymerfasern zu erwähnen, die im wensentlichen zur Verbinderung von explosionsartigen Abplatzungen in der Aufheizphase zu Beginn der Brandeinwirkung stattfinden (Abschnitt 3.3). 3.2.3 Neue Erkenntnisse zum Einfluss der Gesteinskörnung auf das Hochtemperatur- verhalten von Beton Ein bis dato wenig beachteter Einfluss auf den Abb. 4: Temperaturabhängiges Ausdehnungsver- Brandwiderstand von Betonen stellt die Bildung von halten von Zementstein (OPC) und ver- viskosen Schmelzen oberhalb von 1000 °C dar, die schiedenen Gesteinskörnungen (in Anleh- weniger ein partielles Abplatzen als vielmehr ein nung an [2]) Abtropfen im oberflächennahen Betonbereich zur Folge haben. Außerdem liegen nicht nur reine quarz- und kalk- Dieser Wirkungsmechanismus tritt vermehrt bei steinhaltige Gesteinskörnungen vor, sondern auch quarzitischer Gesteinskörnung auf und ist Gegen- Mehrphasengesteine. Zusätzlich gewinnt die Prob- stand aktueller Forschungen. Hierfür wurden aus lematik des Einsatzes von rezyklierten Gesteinskör- nungen an Bedeutung, so dass diese Gruppe und brandbeanspruchten Tübbings, welche mit der sog. deren Eigenschaften zukünftig Berücksichtigung RWS-Kurve bei max. 1.350 °C brandbeansprucht finden sollte. wurden, Teilproben herauspräpariert und mittels Neben der chemischen Zusammensetzung bildgebender Verfahren wie Auflichtmikroskopie haben Parameter wie Kristallinität, Porosität (vor (ALM) und Röntgencomputertomographie (µXCT) allem in Wechselwirkung mit dem Wassergehalt) (Abb. 5, rechts) sowie ortsaufgelöster Röntgen- sowie die Textur, Einfluss auf die thermische Stabili- diffraktometrie (XRD) und Röntgenfluoreszenz- tät der Gesteinskörnung. Unter anderem weist kryp- analyse (RFA) untersucht. Prinzipiell wird in µXCT-Aufnahmen die Dichte- tokristallines SiO2, wie es etwa in Flinten vorkommt, bereits ab 300 °C eine erhöhte Abplatzneigung auf. verteilung grauwertspezifisch visualisiert, wobei Im Vergleich dazu können Quarzite bis 750 °C ohne hohe Dichten helle und geringe Dichten dunkel jegliche Instabilität erwärmt werden. Als weiteres dargestellt werden. Die brandzugewandte Seite Beispiel soll das anisotrope Ausdehnungsverhalten besteht aus einer erstarrten porösen Schmelzschicht, in der kleine und große Gesteinskörnungen einge- von CaCO3 genannt werden. Parallel der c-Achse dehnt sich das Mineral bei einem Anstieg der bettet sind und deren Matrix durch eine höhere Temperatur aus, senkrecht dazu ist eine Kontraktion Dichte als die der Gesteinskörnung oder der zu verzeichnen. Als gemeinsame Folge werden in Zementsteinmatrix charakterisiert ist (Abb. 5, rechts). allen Fällen interne Zwangsspannungen erzeugt, die Die ortsaufgelöste Phasenanalyse der oberflächen- sich u.a. in der Entstehung von Mikrorissen nahen Schmelze zeigt einen hohen röntgenamor- entspannen können. phen Anteil mit geringen Anteilen an Quarz (SiO2; Neben der Chemie und Mineralogie der =2,65 g/cm³), Albit (Na[AlSi3O3]; =2,62 g/cm³), Gesteinskörnung hängt das Brandverhalten des Gehlenit (Ca2Al[AlSiO7]; =3,04 g/cm³) und Kalium- Betons ebenfalls von den granulometrischen ferrit (KFeO2; =unbekannt). Unter den bestehenden Kennwerten, insbesondere vom Größtkorn der Reflexen könnten zusätzlich die Reflexe der Mineral- Gesteinskörnung ab. Beispielsweise wird in der phasen Cristobalit (SiO2; =2,33 g/cm³) sowie Literatur berichtet, dass größere Gesteinskörnungen Anorthit (CaAl2Si2O8; =2,75 g/cm³) überlagert das Abplatzrisiko von Beton, unabhängig vom wurden sein. Die Phasenanalyse wurde durch die verwendeten Bindemittel, verringern [10; 11]. Im Detektion der chemischen Elemente Calcium und Widerspruch dazu stehen Ergebnisse anderer Silicium sowie Eisen und Titan mittels RFA bestätigt. Untersuchungen, wonach Betone mit einem Die am Anschliff zu sehenden hellen lokalen Berei- geringeren Größtkorn, eine geringere thermische che in der Schmelze (Abb. 5, Stelle 1, links) bestehen Ausdehnung aufweisen [12; 13]. aus Calcit (CaCO3).

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Abb. 5: Anschliff (links) sowie das entsprechende CT-Schnittbild (rechts) mit den für die ortsaufgelöste Phasenanalyse markierten Stellen (Brandeinwirkungsrichtung durch Pfeile markiert)

Die begrenzte thermische Beständigkeit des Calcits bis ca. 600 °C lässt vermuten, dass der durch Dehyd- rierung und Carbonatisierung entstehende Freikalk (CaO) zunächst mit der Umgebungsfeuchte frühes- tens während der Abkühlung zu Portlandit (Ca(OH)2) rehydratisierte und später zu Calcit (CaCO3) carbo- natisierte. Die ortsaufgelöste Porenanalyse des in dieser Zone befindlichen großen Gesteinskornes (Abb. 6 und 7, rechts) verdeutlicht, dass in der quar- zitischen Gesteinskörnung nur wenige partielle Bereiche thermisch mobilisiert wurden. Die hohe Dichte, die ermittelten Quarzanteile und die geringe Veränderung der Morphologie der Gesteine deuten weniger auf eine SiO2-Schmelze (Quarz, Tridymit) hin. Vielmehr entstand die Schmelze vermutlich aus den silicatischen Anteilen der Gesteinskörnung, wie z.B. aus den Silicatgruppen Pyroxen, Amphibol, (Akali-) Feldspat sowie Plagioklas und aus dem dehydrierten sowie decarbonatisierten Zementstein- anteil. Unter Berücksichtigung des Probekörperein- Abb. 6: Ortsaufgelöste Porenanalyse baus im Ofen, in Kombination mit der erhöhten Schmelzdichte, der massiven Schmelzdicke von 6 bis 8 mm und der fehlenden Risse in diesem Bereich, hatte die Schmelze wahrscheinlich eine hohe Visko- sität. Es kann davon ausgegangen werden, dass durch die Bildung der Schmelze zumindest die Abplatztiefe und ggf. durch den hohen Luftporenan- teil und der der draus resultierenden geringeren Wärmeleitfähigkeit, die Schädigungstiefe minimiert wurde. Um derartige materialspezifische Einflüsse auf den Brandwiderstand durch eine entsprechende Gesteinskörnungsauswahl gezielt zu nutzen, bedarf es weiterer Grundlagenuntersuchungen zur Wir- Abb. 7: Ortsaufgelöste Porenanalyse im Zement- stein (links) und in einem Gesteinskorn kungsweise derartiger Schmelzen. (rechts)

38 Betontechnologische Maßnahmen gegen Brandeinwirkungen

3.3 Polymerfasern wirkung mit den anderen Betonausgangsstoffen, der Zur Erhöhung der Permeabilität während der Brand- PP-Fasergehalt reduziert und somit die Frischbeton- einwirkung werden dem Beton üblicherweise Mikro- konsistenz verbessert werden. polymerfasern aus Polypropylen (sog. PP-Fasern) 3.3.2 Neue Erkenntnisse zur Dauerhaftigkeit von zugegeben. Dabei wird die Wirkung der PP-Fasern Polymerfasern dem Schmelzen und Zersetzen zugeschrieben, Im Allgemeinen hat Polypropylen einen sehr guten wodurch Mikrokanäle im Beton entstehen, die zur chemischen Widerstand und ist gegen Alkohole, Minderung des (Sättigungs-) Dampfdrucks im organische Säuren, Ester sowie gegen Alkalien bzw. Porengefüge des Betons beitragen. Zusätzlich Laugen hochresistent. Daher können PP-Fasern kommt es durch das Zersetzen der PP-Fasern infol- grundsätzlich als resistent gegenüber den üblichen ge der fortschreitenden Temperatureinwirkung zu im Beton vorherrschenden Bedingungen angesehen einer Volumenexpansion der PP-Faserschmelze und werden. Jedoch kann es zu einer verstärkten ther- somit zu einer verstärkten Mikrorissbildung im misch-oxidativen Alterung von Polypropylen durch Beton, die den Abbau von temperaturbedingten erhöhte Umgebungstemperaturen kommen, die die Eigen- und Zwangsspannungen ermöglicht [14]. PP-Fasereigenschaften beeinflussen kann und bei 3.3.1 Normative Grundlagen und besondere der Bewertung der Langzeitstabilität von PP-Fasern Eigenschaften im Beton berücksichtigt werden muss (Abb. 8). Im Polypropylenfasern (PP-Fasern) werden nach DIN EN Hinblick auf eine qualitative Einschätzung der Alte- 206-1 [15] in Verbindung mit DIN 1045-2 [16] der rungsbeständigkeit von Polypropylenfasern kann Gruppe der Betonzusatzstoffe zugeordnet. Für die bspw. die Oxidationsstabilität (anhand des OIT- Charakterisierung der Produkteigenschaften der Werts) mittels einer dynamischen Differenzkalori- PP-Fasern gilt DIN EN 14889-2 [17]. Darüberhinaus- metrie herangezogen werden (vgl. DIN EN ISO gehende spezifische Eigenschaften, wie bspw. die 11357-6:2013-04 [20]). Damit kann grob abge- Verbesserung des Brand- und Abplatzverhaltens schätzt werden, inwieweit PP-Fasern im oberflächi- wurden bis vor kurzem im Rahmen eines bau- gen und somit möglichen brandbeanspruchten aufsichtlichen Verwendbarkeitsnachweises (abZ) Bereich infolge einer evtl. stattfindenden Alterung erbracht. Nach derzeitiger Sachlage laufen die bis- überhaupt noch wirksam sind. lang erteilten allgemeinen bauaufsichtlichen Zulas- sungen spätestens im Jahr 2020 aus, was bspw. eine Anpassung der nationalen Regelwerke für Infra- strukturbauwerke (ZTV-ING [18] und DB Richtlinie 853.1001A01 [19]) bzgl. der Anforderungen an PP-Fasern zur Verbesserung des Brand- und Abplatzverhaltens erfordert. Die Herstellung von Polymerfasern kann im Spinnverfahren (Nassspinnen, Trockenspinnen oder Schmelzspinnen) oder durch das Herausstanzen aus einer Folie erfolgen. Monofilamente PP-Fasern (Ein- zelfasern) werden gesponnen, oberflächenbehandelt und anschließend auf Länge geschnitten. Durch besondere mechanische und/oder thermische Ver- fahren, z.B. dem Recken und/oder einer Wärmebe- handlung, können der Elastizitätsmodul und die Festigkeit erheblich gesteigert werden. Zudem kön- nen Polymerfasern auch einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden, um ein ausgeprägte- res Fließverhalten bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts zu ermöglichen, welches über den sog. MFI-Wert beschrieben werden kann (MFI – Melt Flow Index). Derart vorbehandelte PP-Fasern nutzt man für den baulichen Brandschutz, weil hierdurch die nachgewiesene brandschutztechnische Wirk- samkeit zu einem verhältnismäßig frühen Stadium der Temperaturbeanspruchung genutzt werden Abb. 8: Veränderung der PP-Fasern infolge einer kann. Zudem kann unter Beachtung der Wechsel- Alterung

39 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

3.3.3 Wirkungsweise von PP-Fasern zeigt sich, dass sich anden Grenzflächen zusätzli- bei Brandeinwirkung che Poren und weiche Hydratationsprodukte, wie Eine wirksame Reduzierung von explosiven Abplat- Portlandit und Ettringit, bilden. Die Dicke dieser zungen bei Betonen kann durch ein Porensystem Überganszonen ist primär vom äquivalenten erreicht werden, das zu einem ausreichenden Abbau Wasser-Zementwert, von der Zementart und von des (Sättigungs-) Dampfdrucks führt. Dies ist durch der Verwendung von reaktiven mehlfeinen Zugabe von Polymerfasern möglich, die einerseits Betonzusatzstoffen (Silikastäube, Flugaschen, bei Brandeinwirkung schmelzen und durchgängige Metakaolin usw.) abhängig. Die Übergangszonen Mikroporen frei machen und zudem Mikrorisse in ermöglichen im Prinzip einen höheren der Zementsteinmatrix bilden sowie andererseits Stofftransport (Feuchtediffusion). Sie sind aber eine poröse Übergangszone - zwischen Zement- nur teilweise miteinander verbunden. Durch die steinmatrix und PP-Fasern - bilden, durch die sich Zugabe von PP-Fasern bilden sich zusätzliche der entstehende (Sättigungs-) Dampfdruck frühzei- Übergangszonen um die PP-Fasern, die eine tig entspannen kann. Infolgedessen sind Poren, Verbindung zwischen den verschiedenen Über- Risse bzw. PP-Fasern mit bestimmten Durchmessern, gangszonen bewirken und somit den Beton Längen und Lagen erforderlich, um den Wasser- filtrationsfähiger bzw. permeabler machen dampf ableiten zu können und somit die Zugspan- (Abb. 9, rechts). Hinzukommt die frühzeitige nungen zu begrenzen. Optimale Porenquerschnitte Bildung von Mikrorissen, die sich infolge der resultieren in Abhängigkeit von den Betonausgangs- expandierenden PP-Faserschmelze bilden und stoffen und des Gefüges aus zwei entgegenwirken- zusätzlich zum Abbau interner Drücke und den Faktoren. Zum einen aus dem Diffusionsweg Spannungen im Betongefüge beitragen (Abb. 9, und der großen Oberfläche und zum anderen aus links). dem behinderten Stofftransport in den Poren. Große Kapillaren bilden einen zu langen Weg und stellen eine zu kleine Oberfläche für den Wasser- dampftransport zur Verfügung. Wiederum sind kleine Poren nicht im Stande, den Wasserdampf schnell genug entweichen zu lassen. Entsprechend dieser Überlegungen liegt die obere Grenze für die wirksamen Porendurchmesser vermutlich innerhalb eines Zehntels von Millimetern. Die untere Grenze wird erreicht, wenn der Stofftransport der Poren auf das Maß der Diffusionsgeschwindigkeit verringert wird (kleiner 3 m). Versuche lassen vermuten, dass ein Großteil des freien und des physikalisch- gebundenen Wassers bereits vor dem Beginn der Zersetzung der PP-Fasern verdampft ist. Die PP-Fasern befinden sich jedoch lokal noch in der Zementsteinmatrix. Folglich werden die möglichen Entweichungskanäle für den Wasserdampfdruck vor allem durch die filtrierten Übergangszonen zwischen Zementsteinmatrix und Gesteinskörnungen bzw. zwischen Zementsteinmatrix und PP-Fasern erfolgen. Die positive Wirkung der Polymerfasern auf den Brandwiderstand von Beton kann primär auf die nachfolgend aufgeführten Faktoren zurückgeführt werden, wenngleich bislang nicht eindeutig geklärt ist, welcher dieser Faktoren dominiert [21]: Abb. 9: Rasterelektronmikroskopische Aufnahmen von PP-Fasern (links) und Visualisierung der . Verbesserung der Permeabilität des Betons ITZ mittels 3D-XCT (rechts) durch die Bildung von Kapillarporen, die beim Abschmelzen und Verbrennen der PP-Fasern . Verbesserung der Permeabilität durch zusätzli- gebildet werden (Abb. 9, links). che Mikroporen, die beim Einmischen der . Verbesserung der Permeabilität durch Schaffung PP-Fasern infolge Strukturauflockerung gebildet von diffusionsoffenen Übergangszonen (Interfa- werden. Dass ein solcher Effekt prinzipiell cial Transition Zone=ITZ). Betrachtet man die vorhanden ist, zeigt sich darin, dass durch die Struktur im Übergangsbereich zwischen den Ge- Zugabe größerer Anteile an Polymerfasern, die steinskörnungen und der Zementsteinmatrix, so Druckfestigkeit des Betons kleiner wird.

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4 Zusammenfassung [3] DIN EN 197-1:2011-11: Zement - Teil 1: Zu- sammensetzung, Anforderungen und Konfor- Der Brandschutz stellt eine wesentliche Grundanfor- mitätskriterien von Normalzement; Deutsche derung an Bauwerke des Hoch-, Industrie- und Ingenieurbaus dar. Auch aus dem Baustoff Beton Fassung EN 197-1:2011 hergestellte Bauwerke müssen diesen Grundanfor- [4] DIN EN 14647:2006-01: Tonerdezement – derungen und den damit implizierten Schutzzielen Zusammensetzung, Anforderungen und Kon- genügen. Zum Erreichen der Schutzziele sind z.B. formitätskriterien; Deutsche Fassung EN konstruktive Maßnahmen denkbar, wie sie bspw. in 14647:2005+AC:2006 den einschlägigen Bemessungsnormen (z.B. DIN EN 1992-1-2 [9] usw.) beschrieben sind. Oder aber eine [5] Herrmann, A., König, A., Dehn, F. (2015) Pro- rein aus der stofflichen Zusammensetzung des posal for the classification of alkali-activated Betons bedingte Optimierung ist möglich, damit die binders and Geopolymer binders. Cement In- infolge der Brandeinwirkung möglichen Schädigun- ternational, Vol. 13, Issue 3, pp. 62-69 gen minimiert und damit sowohl der Personen- als auch der Sachschutz dauerhaft aufrechtgehalten [6] Herrmann A., König A., Dehn, F. (2015) Vor- wird. Mit der steigenden Komplexität, z.B. durch die schlag zur Klassifizierung von alkalisch- vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten aus Aus- aktivierten Bindemitteln und Geopolymeren. gangsstoffen, Herstellungs- und Nachbehandlungs- Beton, Heft 7+8, S. 236-239 bedingungen, entwickelt sich der Baustoff Beton tendenziell immer mehr zum Hightech-Material und [7] Thalheim, S. Hochtemperaturverhalten von zum „Baustoff nach Maß“, der auf projektspezifische Betonen auf Basis alkalisch-aktivierter Binde- Anforderungen abgestimmt werden kann und muss. mittel, Dissertation, Universität Leipzig (in Vor- Einhergehend mit diesen Entwicklungen ist jedoch, bereitung) dass bislang nicht alle Eigenschaften des Betons unter verschiedenen Einwirkungen bekannt sein [8] DIN EN 12620:2008-07: Gesteinskörnungen für können. Dazu zählt vielfach auch das spezifische Beton; Deutsche Fassung EN 12620: Verhalten unter einer Brandeinwirkung. In den 2002+A1:2008 vorangegangenen Abschnitten wurde jedoch [9] DIN EN 1992-1-2:2010-12: Eurocode 2: Bemes- gezeigt, dass es möglich ist, durch betontechnologi- sung und Konstruktion von Stahlbeton-und sche Maßnahmen, den Brandwiderstand von Beton Spannbetontragwerken – Teil 1-2: Allgemeine deutlich zu erhöhen. Hierfür macht man sich die vertiefte Kenntnis des Hochtemperaturverhaltens Regeln – Tragwerksbemessung für den Brand- der Betonausgangsstoffe zu Nutze. Unter Beachtung fall; Deutsche Fassung EN 1992-1- dieser Kenntnisse und bei Berücksichtigung zukünf- 2:2004+AC:2008 tiger betontechnologischer Entwicklungen bei den [10] Gao, M., Yuan, G., Wang, L., Gao, G. (2015) Bindemitteln, Gesteinskörnungen und Betonzusatz- Influence of aggregates on coefficient of ther- stoffen sind weitere Optimierungsmöglichkeiten mal expansion of concrete. Proceedings of the gegeben, die es erlauben, Betone bereitzustellen, 2015 4th International Conference on Civil, die gänzlich ohne zusätzliche konstruktive Schutz- Architectural and Hydraulic Engineering (IC- maßnahmen, einen hohen Brandwiderstand auf- CAHE 2015), Guangzhou, China, June 20-21, weisen. 2015.

5 Literatur [11] Nince, A. A., Figueiredo, A.D. de (2005) The influence of aggregate size in the risk of spall- [1] Dehler, J. (2016) Temperaturabhängiges Ver- ing in normal and high-strength concrete sub- halten von Calciumsilicatzementen, Calcium- jected to hydrocarbon fire. International con- aluminatzementen und alkalisch-aktivierten ference on Concrete for Structures (INCOS 05), Bindemitteln. Vertieferarbeit. Universität Coimbra, Portugal, 07.-08.07.20015 Leipzig [12] Phan, Z., Sanjayan, J. G., Kong, D. L. Y. (2012) [2] Schneider, U. (1982) Verhalten von Beton unter Effect of aggregate size on spalling of geopol- hohen Temperaturen. Schriftenreihe des Deut- ymer and Portland cement concretes subjected schen Ausschusses für Stahlbeton, Heft 337, to elevated temperatures. Construction and Berlin Building Materials 36, S. 365–372

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[13] Razafinjato, R. N.; Beaucor, A.-L., Hebert, R. L., Autoren Ledesert, B., Bodet, R., Noumowe, A. (2016) Prof. Dr.-Ing. Frank Dehn High temperature behavior of wide petro- graphic range of siliceous and calcareous ag- Institut für Mineralogie, Kristallographie und gregates for concretes. Construction and Build- Materialwissenschaft ing Materials 123 (2016) pp. 261 – 273 Universität Leipzig Scharnhorststraße 20 [14] Dehn, F., Fischer, O., Orgass, M. (2017) Poly- 04275 Leipzig propylenfaserbeton (PP-Faserbeton), In: Berg- meister, K., Fingerloos, F., Wörner, J.D. (Hrsg.) Dr. rer. nat. Andreas König Betonkalender 2017, Band 1, S. 475-489, Verlag Institut für Mineralogie, Kristallographie und Ernst & Sohn, Berlin, ISBN978-3-433-3123-0 Materialwissenschaft Universität Leipzig [15] DIN EN 206-1:2001-07: Beton – Teil 1: Festle- Scharnhorststraße 20 gung, Eigenschaften, Herstellung und Konfor- 04275 Leipzig mität; Deutsche Fassung EN 206-

1:2001+A1:2004+A2:2005 M.Sc. Stefanie Thalheim [16] DIN 1045-2:2008-08: Tragwerke aus Beton, Institut für Mineralogie, Kristallographie und Stahlbeton und Spannbeton – Teil 2: Beton - Materialwissenschaft Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Universität Leipzig Scharnhorststraße 20 Konformität – Anwendungsregeln zu DIN EN 04275 Leipzig 206-1

[17] DIN EN 14889-2:2006-11: Fasern für Beton – Teil 2: Polymerfasern – Begriffe, Festlegungen und Konformität; Deutsche Fassung EN 14889- 2:2006

[18] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING), Teil 5 Tunnelbau, Anhang B, 12-2014

[19] DB-Richtlinie 853.1001A01: Entwurfsgrundla- gen, Allgemeine Regelungen, Baulicher Brand- schutz für Tübbingtunnel, 11-2014

[20] DIN EN ISO 11357-6:2013-04: Kunststoffe – Dynamische Differenz-Thermoanalyse (DSC) – Teil 6: Bestimmung der Oxidations- Induktionszeit (isothermische OIT) und Oxida- tions-Induktionstemperatur (dynamische OIT); Deutsche Fassung EN ISO 11357-6:2013

[21] Holschemacher, K., Dehn, F., Müller, T., Lobisch, F. (2017) Grundlagen des Faserbetons, In: Bergmeister, K., Fingerloos, F., Wörner, J.D. (Hrsg.) Betonkalender 2017, Band 1, S. 383- 472, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, ISBN978-3- 433-3123-0

Brandschutz – baupraktische Anwendungen

Hubert Bachmann

1 Allgemeines Die Bauordnungen der Bundesländer [1] geben als Schutzziel für Bauwerke vor: „Bauliche Anlagen sind so zu errichten, dass die öffentliche Sicherheit und Ordnung, insbesondere Leben, Gesundheit und die natürlichen Lebensgrundlagen, nicht gefährdet werden.“ Daraus lassen sich detaillierte Schutzziele für den Lastfall Brand ableiten, welche im Wesentlichen lauten:

. Vorbeugung der Entstehung eines Brandes . Vorbeugung der Ausbreitung von Feuer und Rauch Abb. 1: Übersicht zum Brandschutzkonzept [4] . Schutz der Menschen und Tiere Einen wesentlichen Beitrag zu der Brandschutzstra- . Rettung von Menschen und Tieren tegie leistet der so genannte „bauliche oder kon- . Standsicherheit des Gebäudes struktive Brandschutz“. Darunter versteht man im Um diese Schutzziele zu erreichen müssen jedoch Allgemeinen den Widerstand von Baumaterialien, ganz allgemein gewisse Randbedingungen für ein von Gebäudeteilen oder ganzen Gebäuden gegen- Brandereignis definiert werden. Hierzu gehören über einer definierten Brandeinwirkung. Die wesent- insbesondere [2] lichen Regelungen hierzu finden sich in der jeweiligen Landesbauordnung. Dort werden in Abhängig- . Gebäudekonzept (Brandabschnitte, etc.) keit der Gebäudeklassen die Anforderungen zum . Nutzungskonzept (Brandlasten etc.) Brandverhalten der Materialien sowie den Feuer- . Infrastruktur (Anlagentechnik, etc.) widerstandsklassen definiert. . Brandszenarien (Brandverlauf, etc.) Das Brandverhalten der Materialien lässt sich Diese Konzepte führen letztlich zu einer Brand- einteilen in schutzstrategie, welche sich in den Normen und Nicht-brennbare Materialien Vorschriften widerspiegelt. Für alle Gebäudetypen A1 ohne brennbare Bestandteile lassen sich daraus bestimmte Vorgaben wie A2 mit brennbaren Bestandteilen . Brandverhalten der Baustoffe, und in . Feuerwiderstandsklassen, . notwendige gebäudetechnische Anlagen, Brennbare Materialien . Fluchtwegforderungen B1 schwer entflammbar B2 normal entflammbar ableiten. Werden diese Vorgaben im Einzelnen von B3 leicht entflammbar den Planern und Bauausführenden eingehalten, gilt der Nachweis ausreichenden Brandschutzes als Die Feuerwiderstandsfähigkeit wird je nach erbracht. Gebäudeklasse unterschieden in Daneben gibt es noch die Möglichkeit mit einer so . feuerhemmend (Geb.-Kl. 2+3) genannten „Ingenieurmethode des Brandschutzes“ . hochfeuerhemmend (Geb.-Kl. 4) eine an den Schutzzielen orientierte Bemessung . feuerbeständig (Geb.-Kl. 5), durchzuführen. Dabei können anhand realistischer Brandszenarien die thermische Einwirkung eines wobei alle Gebäude mit einer Höhe über 13m in realen Brandes (Naturbrand) sowie die tatsächlich Gebäudeklasse 5 eingeordnet werden. Dieser Einstu- vorliegenden Randbedingungen unter Beachtung fung werden nun die so genannte Feuerwider- des tatsächlichen Materialverhaltens ermittelt wer- standsklassen zugeordnet, welche für Bauteile nor- den und so die Zielvorgabe des Brandschutzes malerweise von F30 – F120 geht, was bedeutet, dass nachgewiesen werden [3]. ein Bauteil einer Brandeinwirkung 30 – 120 Minuten

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widerstehen können muss. Für alle größeren Bau- möglich. Unterschieden wird zwischen folgenden werke gilt demnach feuerbeständig, also F90. Nachweismöglichkeiten: Darüber hinaus gibt es für besondere Gebäude . Tabellarische Bemessung (einfache Nachweise zusätzliche resp. höhere Anforderungen. Beispiels- über Vergleich) weise gilt für Hochhäuser mit einer Höhe über 60m, . Vereinfachtes Rechenverfahren dass alle tragenden Bauteile der Feuerwiderstands- . Allgemeines Rechenverfahren klasse F120 zugeordnet werden. Bei Höhen über 200m sind Sonderregellungen resp. das Brand- Der tabellarischen Bemessung liegen die Norm- schutzkonzept zu beachten. Entsprechende Rege- brandkurven zugrunde. Daneben gibt DIN EN 1991- lungen finden sich in der Hochhausrichtlinie [6]. 1-2 die Möglichkeit der Verwendung von Natur- Die neue Normengeneration beschreibt die brandmodellen, also auf den speziellen Fall abge- Widerstandsklasse nun mit verschiedenen Buch- stimmte Brandentwicklungen unter Beachtung der staben spezifischen Randbedingungen, z.B. der Brandlast. Werden Teiltragwerke oder das Gesamttragwerk . R für „resistance“ –Tragfähigkeit- berechnet, kommen das vereinfachte oder allge- . E für „etancheite“ –Raumabschluss- meine Rechenverfahren zur Anwendung. Bei . I für „isolation“ -Hitzeabschirmung- Verwendung von Naturbrandmodellen sollte ein . M für „mechanical“ -Stoßbeanspruchung- allgemeines Rechenverfahren verwendet werden. Der Unterschied zu F-Klassen besteht in der jeweiligen Prüf- und Klassifizierungsnorm, ist vereinfachend aber einander zugeordnet. Eine tragende Brandwand muss beispielsweise der Klasse REI-M 90 entsprechen. Die Nachweise dieser Anforderungen finden sich in den Normen und Vorschriften. Dort sind zum einen Klassifizierungen der Materialien oder Bauteile angegeben, zum anderen Berechnungsverfahren um den Feuerwiderstand einer Konstruktion nachzuweisen. Im Weiteren soll auf die Nachweis- resp. Berech- nungsmöglichkeiten eingegangen werden. Abb. 2: Übersicht der Nachweisverfahren nach DIN 2 Normative Regelungen zum EN 1991 ff [2] konstruktiven Brandschutz 2.1 Tabellarische Bemessung Mit der DIN 4102-4 [5] wurden über viele Jahre Bei der tabellarischen Bemessung wird die vorhan- Brandschutznachweise für Bauteile anhand genorm- dene Konstruktion mit Brandversuchen verglichen. ter Versuche durchgeführt. Dabei wurden in Abhän- Unter Ansatz der Einheitstemperaturkuve (ETK) wird gigkeit der Feuerwiderstandsklasse Mindestwerte für als kritische Bauteiltemperatur ein Wert von Bauteildicken, Betondeckungen etc. definiert, bei 500° Celsius verwendet. Es wird also nachgewiesen, deren Einhaltung aller Vorgaben die Feuerwider- dass bei Einhaltung der Tabellenwerte die kritische standsdauer gewährleistet war. In den meisten Temperatur im Bauteil nicht oder gerade erreicht Fällen war diese Methode ausreichend. Konnte ein wird. Vereinfachend kann man davon ausgehen, direkter Nachweis aufgrund unterschiedlicher Rand- dass bei der kritischen Temperatur der Abfall des bedingungen nicht geführt werden, bestand die Materialwiderstands gerade der Reduktion der Möglichkeit anhand des Abschnitts 3.1 einen rech- Einwirkung im Brandfall entspricht. nerischen Nachweis unter Beachtung der anliegen- Im Massivbau sind die maßgebenden Parameter den Materialtemperatur zu führen. die Bauteilabmessung und der Achsabstand der Mit der Einführung der europäischen Normen- Betondeckung zum Schutz des Betonstahls vor zu reihe DIN EN 1991 ff. wurden materialspezifische hohen Temperaturen. Der Beton wirkt im Brandfall Nachweise möglich, welche in den jeweiligen Teilen als Wärmespeicher und verhindert so, dass der 1-2 (z.B. DIN EN 1992-1-2 für den Massivbau) Betonstahl seine Festigkeit verliert. In DIN EN ausgeführt sind. Mit diesen Vorgaben ist es nun 1992-1-2 Abschnitt 5 sind diese Tabellen dargestellt. möglich auch rechnerische Nachweise eines ausrei- Neben den singulären Kriterien des Bauteilquer- chenden Brandschutzes zu führen. Daneben sind schnitts sind für einen ausreichenden Brandschutz natürlich die einfachen Nachweise über den jedoch auch die Anschlusselemente, die Verbin- Vergleich mit genormten Versuchen immer noch dungselemente und Konstruktionen aus Kombinati-

44 Brandschutz – baupraktische Anwendungen

onen verschiedener Materialen wichtig. Hierzu liefert die Ergänzungsnorm DIN 4102-4 (Mai 2016) einen wertvollen Beitrag. Materialübergreifend werden hier übliche Konstruktionen und Details wiederge- geben und stellen damit eine wertvolle Hilfe für den

Praktiker dar.

Abb. 5: Veränderung des Reduktionsfaktors ηfi als Funktion der Einwirkungen nach DIN EN 1992-1-2 [7] Als Beispiel einer vereinfachten Rechenmethode soll hier die Zonenmethode nach DIN EN 1992-1-2 Abb. 3: Beispiel einer Bemessungstabelle nach Anhang B.2 (Massivbau) angeführt werden. Dabei DIN EN 1992-1-2 [7] - Mindestdicke und wird der Bauteilwiderstand unter Annahme von Mindestachsabstände für tragende Beton- Materialschwächungen ermittelt und der Einwirkung wände gegenüber gestellt. Die Materialschwächungen betreffen zum einen den Beton und zum anderen den Betonstahl. Infolge des Brandes werden Rand- zonen des Querschnitts definiert, welche durch den Brand zermürbt sind und ausfallen. Für den Rest- querschnitt des Betons sowie den Betonstahl wird temperaturabhängig eine Reduktion der Tragfähig- keit definiert und damit die restliche Tragfähigkeit ermittelt. Dabei dürfen auch Betonstäbe angesetzt werden, welche innerhalb der zermürbten Zone liegen.

Abb. 4: Inhalte der Normen DIN EN 1992-1-2 [7] und DIN 4102-4 [8] 2.2 Vereinfachtes Rechenverfahren Bei den vereinfachten Rechenverfahren wird nachgewiesen, dass der Bauteilwiderstand für die gefor- derte Feuerwiderstandsdauer größer als die im Brandfall einwirkenden Belastungen ist. Dabei wer- Abb. 6: Querschnitt einer Betonstütze und Iso- den Vereinfachungen bei der Temperaturermittlung thermen bei 4seitiger Brandbeanspruchung sowie dem tatsächlichen Brandverhalten der nach [4] Materialien in Kauf genommen. Im Brandfall gilt entsprechend

푅푓푖,푑 ≥ 퐸푓푖,푑 = 휂푓푖 퐸푑 (1) Zu beachten ist, dass der Lastfall Brand als außer- gewöhnliche Einwirkung gilt. Der Faktor ηfi berück- sichtigt, dass die Lastfallkombination für den Brand vereinfachend aus der Lastfallkombination im Kalt- fall abgeleitet werden darf. Der Wert darf vereinfachend zu 0,7 angenommen werden. Je nach der Größe der Nutzlast kann dieser auch noch geringer Abb. 7: Reduktion des Querschnitts durch Zonen sein. nach DIN EN 1992-1-2 [7]

45 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Im Fall von Biegeträgern, insbesondere Durch- laufsystemen, lässt sich das vereinfachte Verfahren nach DIN EN 1992-1-2 Anhang E anwenden. Ausge- hend von den Isothermen für die gewählte Feuerwi- derstandsdauer ermittelt man wiederum reduzierte Materialwiderstände und führt einen Vergleich der einwirkenden und widerstehenden Biegemomente. Beim Einfeldträger kann dabei eine höher gewählte Biegezugbewehrung günstig wirken, beim Durch- laufträger kann die „kalte“ Bewehrung an der Bau- teiloberseite die Biegetragfähigkeit erheblich ver- Abb. 9: Biegemomentenverteilung zur Gewährleis- größern. Prinzipiell wird dabei eine Momenten- tung des Gleichgewichts nach DIN EN umlagerung vorausgesetzt. Es ist zu beachten, dass 1992-1-2 [7] die obere Bewehrung dem geänderten Momenten- verlauf entsprechen muss und die Brandbeanspru- Ein Nachweis der Querkrafttragfähigkeit und kon- chung natürlich nur dreiseitig zulässig ist. Der struktiver Bewehrungen ist in der Regel nicht erfor- Biegewiderstand des Einfeldträgers lässt sich wie derlich, da hier normalerweise größere Tragreserven folgt ermitteln: vorhanden sind. Das Hauptaugenmerk beim Brandschutznach- 훾푠 퐴푠,푣표푟ℎ 푀푅푑,푓푖 = ∙ 푘푠(휃) ∙ 푀퐸푑 ∙ ≥ 푀퐸푑,푓푖 (2) 훾푠,푓𝑖 퐴푠,푒푟푓 weis wird sehr oft auf die Querschnitts- oder Bau- teilnachweise gelegt. Dabei sind es oftmals die Das Verhältnis der vorhandenen zur erforderlichen Detailnachweise, welche erhebliche Schwierigkeiten Bewehrung und dem einwirkenden Biegemoment bereiten. Für Bauwerksdetails, wie Konsolen, Fugen, stellt den Biegewiderstand im Kaltfall dar. Dieser Fragen zu Deckbelägen oder auch Aussparungen wird vergrößert mit dem Sicherheitsbeiwert können die tabellarischen Ergebnisse in der ( s,fi = 1,0) und verringert mit ks( ) entsprechend γ θ DIN 4102-4 [8] herangezogen werden, bei Aus- nachfolgender Abb.: sparungen etc. sind ebenso vereinfachte Rechen- verfahren sinnvoll, dann mit einer eigenen Tempera- turfeldberechnung gekoppelt. Für den Brandschutznachweis bei Kragstützen wird auf den Nationalen Anhang [9] und [10] der DIN EN 1992-1-2 verwiesen. Für den Stahlbau gibt die DIN EN 1993-1-2 [11][12] ähnliche vereinfachende Nachweisverfahren vor. Es wird unterschieden zwischen Nachweisen auf Tragfähigkeitsebene oder auf Temperaturebene. Beim Tragfähigkeitsnachweis wird analog zu Abb. 8: Reduktion der Stahltragfähigkeit in Abhän- Formel (1) verfahren, auf Temperaturebene führt gigkeit der Temperatur nach DIN EN man den Nachweis, dass eine gewisse kritische 1992-1-2 [7] Temperatur in der gewählten Feuerwiderstands- dauer nicht erreicht wird. Hintergrund ist natürlich Beim Durchlaufsystem ermitteln sich zusätzlich die das Absinken der Stahltragfähigkeit mit zunehmen- Widerstandsmomente an der Stütze zu der Temperatur, analog zum Betonstahl. Die 훾 퐴 (푑−푎) 푀 = 푠 ∙ 푀 ∙ 푠,푣표푟ℎ ∙ ≥ 푀 (2) kritische Temperatur ergibt sich, vereinfachend 푅푑,푓푖 훾 퐸푑 퐴 푑 퐸푑,푓푖 푠,푓𝑖 푠,푒푟푓 dargestellt, aus dem Vergleich der reduzierten Dabei entfällt die temperaturabhängige Reduktion Einwirkung (außergewöhnliche Lastfallkombination der Stahlfestigkeit − Oberseite ist ja kalt − und die bei Brand) und des dazu gehörenden Traglast- unterseitige Brandbeanspruchung wird durch die abfalles infolge des Temperaturanstiegs. Im allge- Reduktion des inneren Hebelarms berücksichtigt. meine liegt diese kritische Temperatur bei ca. 500°C, Die Momentenumlagerung ist dabei an bestimmte natürlich abhängig von der Stahlsorte resp. deren konstruktive Randbedingungen gebunden, wie z.B. Legierungen. die Einhaltung der Mindestbauteildicken. Selbst- DIN EN 1993-1-2 [11][12] gibt Gleichungen zur verständlich muss auch die notwendige Quer- Berechnung der Temperaturerhöhungen in beklei- schnittsrotation dazu möglich sein. deten und unbekleideten Querschnitten an.

46 Brandschutz – baupraktische Anwendungen

2.3 Allgemeine Rechenverfahren Bei den allgemeinen Rechenverfahren werden weitestgehend alle Einflussparameter eines Brandes berücksichtigt. Grundsätzlich besteht ein allgemeines Verfahren immer aus zwei Berechnungen, der Temperaturfeldberechnung sowie der Spannungs- berechnung. Folgende wesentliche Unterschiede zu den einfachen Verfahren lassen sich feststellen:

. Als Brandeinwirkung kann sowohl die ETK als auch Naturbrandmodelle verwendet werden Abb. 10: Temperaturen bei ETK-Beanspruchung in . Die Temperaturfeldberechnungen und die Span- nungsberechnungen werden unter den zeitab- ungeschützten (Am/V) und bekleideten hängig und temperaturabhängigen Veränderun- Stahlprofilen (Ap/V x  p/dp) nach [13] gen der Materialien durchgeführt; Man wird aus wirtschaftlichen Gründen immer ver- . Es wird die gesamte Branddauer, auch die suchen den Nachweis für unbekleidete Stahlquer- Abkühlphase berücksichtigt, schnitte zu führen, im Allgemeinen und bei längeren . Es werden Verformungen des Tragwerks berück- Feuerwiderstandsdauern (>F60) wird man jedoch sichtigt (u.a. für die Theorie II. Ordnung bei nicht umherkommen den Stahl zu bekleiden. Dies Stabilitätsproblemen sowie Zwangschnittgrößen geschieht entweder durch einen feuerhemmenden infolge Ausdehnungen) Anstrich oder eine Beplankung (z.B. Promat) oder . Die verwendeten Rechenprogramme müssen Brandschutz-Spritzputz. validiert werden. Im Holzbau geht man einen vergleichbaren Weg Beispielhaft werden nachfolgend die temperatur- wie beim Zonenmodell über gewisse Abbrandraten abhängigen Materialparameter für den Beton dar- am Holzquerschnitt (DIN EN 1995-1-2). Der Nach- gestellt. weis erfolgt dann nach Formel (1) ebenso über eine Reduktion der Einwirkungen bei reduzierten Materi- alkennwerten und einem reduzierten Bauteilquer- schnitt. Zu beachten ist, dass auch die Anschlussknoten sowie die Verbindungsmittel entsprechend nachzuweisen sind. Nicht selten greift man zum Mittel der Abschottung durch eine Brandschutzbekleidung. Schraubenköpfe werden vertieft eingebaut und verschlossen.

Abb. 12: Rechenwerte der temperaturabhängigen thermischen Materialkennwerte von Beton [2] Grundsätzlich dürfen allgemeine Rechenverfahren nur in Abstimmung mit Behörde oder Prüfingenieur angewandt werden [9]. Die zunehmende Digitalisie- rung auch im Bauwesen führt zu einer vermehrten Verfügbarkeit von speziellen Computerprogrammen, welche allgemeine Rechenverfahren für die Praxis Abb. 11: Bemessungswerte der Abbrandraten für anwendbar machen. Es sollte den verantwortlichen Bauholz, Furnierschichtholz, Holzbeklei- Bauingenieur aber nicht dazu verleiten auf ingeni- dungen und Holzwerkstoffe nach DIN EN eurmäßige Kontrollen oder gar sein Verständnis zum 1995-1-2 [14][15] Tragverhalten zu verzichten.

47 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Abschließend soll noch auf die Brandbeanspruch- Ausgehend von dem in Abb. 14 dargestellten Binder ungen im Allgemeinen eingegangen werden. Neben lässt sich der Nachweis des Feuerwiderstands F30 den normierten Temperaturzeitkurven anhand von Tabelle 5.5 in DIN EN 1992-1-2 ermitteln. . Einheits-Temperaturzeitkurve . Hydrokarbon-Brandkurve (Flüssigkeitsbrand) Breite des Binders: . Außenbrandkurve 푏 = 190푚푚 ≥ 푏 = 160푚푚 (3) . Spezielle Brandkurven für Straßen- oder 푤 푚푖푛 Eisenbahntunnel, Achsabstand der Längsbewehrung: gibt es die Möglichkeit die Brandkurve den realen 푎 = 15 + 8 + 14⁄2 = 30푚푚 ≥ 15푚푚 (4) Bedingungen anzupassen. Diese werden als Natur- brandkurven bezeichnet. Regellungen hierzu finden sich in DIN EN 1991-1-2/NA. Da die normativen Vorgaben für den Brandschutznachweis auf den nominalen Temperaturzeitkurven beruhen, stellen Naturbrandszenarien eine Abweichung von der MBO dar und sind mit der Bauaufsicht abzu- stimmen.

Abb. 15: Stegöffnung und Zuggurtquerschnitt [17] Der Nachweis für die Stegöffnung erfolgt über die Mindestquerschnittsfläche des verbleibenden Zug- gurtes nach DIN EN 1992-1-2 Abs. 5.6.1

2 퐴푐 ≥ 2 ∙ 푏푚푖푛 (5) 2 2 2 퐴푐 = 0,40 ∙ 0,19 = 0,08푚 ≥ 2 ∙ 0,16 = 0,051푚 Im Weiteren soll mit der vereinfachten Rechen- Abb. 13: Brandkurven [16] methode nach DIN EN 1992-1-2 Abs. 4.2 Anhang B.2 gezeigt werden, dass sich der Binder auch in die 3 Beispiele aus der Praxis Feuerwiderstandskasse F60 einordnen lässt. Bild B.5 der DIN kann zur Ermittlung der geschädigten Im Weiteren sollen einige Beispiele aus der Praxis Zonen verwendet werden. Für F60 erhält man für zum konstruktiven Brandschutz benannt werden. den Steg und die Zugzone ein Wert von 18mm, für Zunächst soll anhand eines Spannbetonfertigteil- die Druckzone eine Reduktion um 20mm. Um trägers die übliche Vorgehensweise dargestellt letztgenannten Wert muss der innere Hebelarm werden und im Anschluss einige ausgesuchte Fälle, reduziert werden. die im Allgemeinen über eine Zustimmung im Ein- Die Stahltemperaturen nach 60 Minuten lassen zelfall ausgeführt wurden. sich anhand der Diagramme nach DIN ablesen zu 3.1 Betonfertigteil aus Spannbeton 300°C im Spannstahl und 600°C im Betonstahl. Mit Zunächst soll anhand eines tabellarischen Nachwei- Abb. 8 lässt sich die jeweilige Reduktion der Stahl- ses die Feuerwiderstandsdauer festgestellt werden tragfähigkeit abschätzen zu 70% und 34%. Damit und im Anschluss eine weiterführende Berechnung erhält man die aufnehmbare Stahlzugkraft zu nach der Zonenmethode gezeigt werden. 퐹푠푑,푓푖 = 푘푠(푞) ∙ 푓푦푘 ∙ 퐴푠,푝푟표푣 == = 0,34 ∙ 500 ∙ 3,1 ∙ 10−4 = 0,05 푀푁 (6)

퐹푝푑,푓푖 = 푘푝(푞) ∙ 훽 ∙ 푓푝푘 ∙ 퐴푝,푝푟표푣 = = 0,70 ∙ 0,85 ∙ 1770 ∙ 20,5 ∙ 10−4 = 2,16 푀푁 (7) Die Gesamtzugkraft beträgt somit Abb. 14: Beispiel eines Spannbetonbinder [17] 퐹푑,푓푖 = 2,16 + 0,05 = 2,21 푀푁 (8)

48 Brandschutz – baupraktische Anwendungen

Abb. 16: Stahltemperaturen nach 60 min. nach [7]

Mit dem inneren Hebelarm von 1,20m erhält man als Biegewiderstandsmoment und den Nachweis der Feuerwiderstandsdauer von F60 zu

푀푅푑,푓푖 = 퐹푑,푓푖 ∙ 푧 = 2,21 ∙ 1,20 = 2,65 푀푁푚 > 푀퐸푑,푓푖 = 2,03 푀푁푚 (9) Das einwirkende Biegemoment im Brandfall ergibt sich durch Abminderung nach DIN EN 1992-1-2 Bild 2.1. Abb. 18: Opernturm in Frankfurt [19] 3.2.1 Spannbetonträger mit Stegöffnung Die Betonträger in den Hochhausdecken mit einer Spannweite von 12m mussten zur Höhenbegren- zung extrem schlank ausgebildet werden. Die Konstruktionshöhe der Plattenbalkendecke betrug 60cm, also einer Schlankheit von 1:20. Der Brand- schutznachweis für F120 lässt sich anhand der Tabellenwerte führen, nicht so der Nachweis im Bereich der Stegöffnungen. Gerade die Spannlitzen im verbleibenden Zuggurt werden bei dem nunmehr Abb. 17: Momentengleichgewicht für F60 [17] vierseitigen Brandangriff sehr schnell heiß und 3.2 Opernturm Frankfurt verlieren die Festigkeit. Der Opernturm in Frankfurt ist ein 170m hohes Bürohochaus bei dem an zwei Bauteilen besondere Nachweise des Brandschutzes erforderlich waren. Zum einen wurden extrem schlanke Spannbeton- fertigteilträger für die Deckenkonstruktion eingesetzt, welche eine Vielzahl von Stegöffnungen für die Gebäudeausrüstung erhalten haben. Zum Nach- weis des Brandschutzes F120 wurde ein vereinfachtes Rechenverfahren angewendet. Des Weiteren kam erstmalig der hochfeste Betonstahl SAS 670/800 in Hochhausstützen zum Einsatz. Sowohl für die Megastützen im Erdgeschoss als auch die Geschossstützen wurde der besondere Betonstahl vorgesehen. Der Brandschutznachweis wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall mit einem Abb. 19: Spannbetonträger mit großen Steg- allgemeinen Verfahren erstellt. öffnungen beim Opernturm Frankfurt

49 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Der Nachweis erfolgte in 2 Schritten. Zunächst wurden die Temperaturen des Trägers im Bereich der Stegöffnungen ermittelt. Dabei wurde die ETK verwendet, die Materialkennwerte für den Wär- metransport wurden temperatur-unabhängig eingesetzt. Aufgrund der komplexen Geometrien wurde eine 3D Finite Elemente Berechnung durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Spannlitzen nach 120 min sehr hohe Temperaturen über 500°C erhalten. Damit war der Nachweis für Biegung nach DIN EN 1992-1-2 Anhang E nicht mehr zu führen. Als Kon- sequenz wurde der Zuggurt um 30mm reduziert und stattdessen eine Brandschutzplatte in der Dicke von 40mm eingebaut. Damit konnten die Temperaturen Abb. 22: Brandschutzbekleidung im Bereich der im Litzenbereich großteils unter 400°C gehalten Stegöffnung, Opernturm Frankfurt werden. 3.2.2 Megastütze mit hochfestem Betonstahl Ausgehend von den beiden Megastützen mit den Abmessungen 1,20 x 1,20m und einer Design- Belastung von 119 MN wurde beim Opernturm der hochfeste Betonstahl SAS 670/800 auch in den Randstützen soweit erforderlich eingesetzt. Zur Umsetzung eines Bewehrungsgehalts von 12% wurde auf Stabdurchmesser bis 75mm zurückge- griffen. Infolge dieser Abweichungen wurde eine Zustimmung im Einzelfall (ZIE) erforderlich. In die- Abb. 20: Temperaturfeldberechnung des Trägers im sem Rahmen war auch die Frage des Brandschutzes Bereich der Stegöffnung, Opernturm zu lösen. Frankfurt Im zweiten Schritt kann dann der Nachweis ausreichender Biegetragfähigkeit geführt werden. Dabei wird für jede einzelne Litze sowie die Betonstäbe die maximale Temperatur nach 120min abgelesen, die notwendige Abminderung der Tragfähigkeit ermittelt und schließlich der Biegewiderstand jedes Stabes aufsummiert. Der Nachweis lautet demnach

푘 훾푠 푀푅푑,푓푖 = ∑ [푘푠,푛(휃) ∙ 퐴푠,푛 ∙ 훽푛 ∙ 푓푝푘,푛 ∙ 푧푛] 훾푠,푓푖 푛=1 ≥ 푀퐸푑,푓푖 = 휂푓푖 ∙ 푀퐸푑 (9) Die Querkrafttragfähigkeit wurde nicht nachgewiesen, da sich hier über die Gewölbewirkung des Betons Umlagerungsmöglichkeiten ergeben, auch wenn die Tragfähigkeit der Bügelbewehrung absinkt. Bei einer guten Ingenieurlösung wird man ohnehin die Stegaussparungen nicht im Bereich großer Querkräfte anordnen.

Abb. 21: Temperaturverlauf mit/ohne Stegöffnung, Abb. 23: Versuchsstütze mit hoch-festem Betonstahl Opernturm Frankfurt für den Brandversuch [20]

50 Brandschutz – baupraktische Anwendungen

Zunächst wurden an der Uni Braunschweig 2 Stüt- zenversuche in der Brandkammer durchgeführt. Die Versuchsstützen waren natürlich geringer in den Abmessungen und hatten dennoch Stäbe mit bis zu 75mm Durchmesser. Der Beton war normalfest C50/60. Zur Vermeidung von Betonabplatzungen wurden 3 kg/cbm Polypropylenfasern zugegeben. Die Messergebnisse zeigen, dass die Verfor- mungen ab ca. 160min Branddauer überpropor- tional zunehmen und bei ca. 190min das Versagen der Stütze erreicht wird. Abb. 26: Berechnungsergebnis Megastütze Opern- turm Frankfurt [20]

Abb. 24: Messergebnis Brandversuch [20] Anhand dieser Versuchsergebnisse wurde sodann Abb. 27: Berechnungsergebnis Randstütze Opern- das Computerprogramm kalibriert und die im Bau- turm Frankfurt [20] werk vorgesehenen Stützen berechnet. Bei der Berechnung nach dem allgemeinen Verfahren wur- 3.3 Taunusturm Frankfurt den die brand-spezifischen Materialparameter Beim Folgeprojekt dem Taunusturm in Frankfurt temperaturabhängig berücksichtigt und der Tempe- wurde der Steg bei den Spannbetonfertigteilträgern raturentwicklung der Berechnung nach Theorie II. derart verbreitert, dass der Brandschutznachweis Ordnung als Belastung aufgegeben. Die Ergebnisse ohne zusätzliche Brandschutzbekleidung erreicht zeigen, dass die Megastütze mit dem relativ großen werden konnte. Daneben wurden für die Stützen mit Betonquerschnitt erwartungsgemäß unkritisch ist, hochfestem Betonstahl, den Stumpfstoß der Fertig- während die „dünnere“ Randstütze ihre Tragfähig- teilstützen sowie die Konsolen eigene Brand- keit schon nach 126min erreicht. Notwendig ist eine gutachten erstellt. Feuerwiderstandsdauer von 120min.

Abb. 25: Bewehrungskorb der Megastütze im Opernturm Frankfurt Abb. 28: Taunusturm Frankfurt [21][22][23]

51 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

3.3.1 Stützen mit hochfestem Betonstahl 3.3.2 Stützenstumpfstoß mit Stahlplatte Die Stützen beim Taunusturm wurden wiederum mit Beim Stumpfstoß dieser Stützen stellten sich bezüg- dem hochfesten Betonstahl SAS 670/800 bewehrt. lich des Brandschutzes zwei Fragen. Zum einen Hier wurden die Stützen jedoch komplett als Beton- müssen die Temperaturen in der stirnseitigen Stahl- fertigteilstützen hergestellt. Die Querschnitte waren platte beachtet werden und darüber hinaus stellte deutlich schlanker und höher bewehrt als diejenigen sich die Frage inwieweit der Wärmeeintrag über die beim Opernturm. Der Bewehrungsgrad betrug nahe Stirnseite in die Bewehrungsstäbe erfolgen kann. 15%.

Abb. 31: Stützenstumpfstoß beim Taunusturm Frankfurt [21] Abb. 29: Bewehrungskorb der Fertigteilstützen mit Eine 3dimensionale Wärmefeldberechnung zeigt, SAS 670/800 beim Taunusturm Frankfurt dass sowohl der Stützenbeton als auch der Verguss- [21] beton die eingetragene Wärme gut ableiten, so dass Die Tragfähigkeit im Brandfall wurde wiederum mit weder die Stäbe noch die Fußplatte nennenswerte einem allgemeinen Rechenverfahren nachgewiesen. Temperaturerhöhungen erhalten. Die maximale Dabei gibt die horizontale Verformung nach Theorie Stahltemperatur lag nach 120min unterhalb der II. Ordnung das Versagen vor. Nahezu alle Stützen 400°C – Grenze. Dabei wurde sowohl die außenseiti- zeigen eine ausreichende Tragfähigkeit, bei einer ge Wärmedämmung als auch der innenseitige Stütze wurde der Betonstahlquerschnitt resp. der Mörtelverguss angesetzt. Achsabstand der Bewehrung erhöht. Insgesamt ist die Tragfähigkeit bei derart hohen Bewehrungsgra- den stärker durch den Brandlastfall beeinflusst, die großen Stabdurchmesser führen jedoch zu relativ großen Achsabständen, weshalb die Temperatur im Betonstahl nicht so schnell ansteigt.

Abb. 32: Temperaturverteilung in der Stahlplatte des Abb. 30: Tragfähigkeit der Stützen mit SAS 670/800 Stützenstumpfstoßes beim Taunusturm beim Taunusturm Frankfurt [22] Frankfurt [22]

52 Brandschutz – baupraktische Anwendungen

3.3.3 Konsolen Beim Taunusturm kamen zur Lagerung der Spann- betonbalken sowohl Stahlkonsolen als auch Beton- konsolen zum Einsatz. Bei den Stahlkonsolen musste eine unterseitige Trägeröffnung vorgesehen werden um den Träger montieren zu können. Ein Nachweis der Stahlkonso- len über eine Temperaturfeldberechnung misslang, weshalb letztlich unterseitig eine Brandschutzplatte aufgebracht wurde und mit einer ergänzenden in die Fuge eingebauten Brandschutzschnur, der gesamte Stahlquerschnitt abgeschottet wurde.

Abb. 35: Temperaturverteilung in der Betonkonsole Taunusturm Frankfurt [23] eingebaut und so stellte sich die Frage der Brand- sicherheit. Entscheidend dabei ist das Abplatzver- halten des Betons. Bei schneller Erwärmung im Brandfall dehnt sich die äußere Betonschale extrem schnell aus. Dies führt zu inneren Spannungen Abb. 33: Stahlkonsole Taunusturm Frankfurt [21] welche zusammen mit dem inneren Druck infolge Feuchteverdampfung zum Absprengen des Betons führen. Die Bügel sowie die umfänglich eingelegten Bewehrungsstäbe bilden dabei eine Schwachstelle. Insbesondere bei hochfesten Betonen ist dieses Verhalten sehr ausgeprägt, weshalb der Einbau eines zusätzlichen engmaschigen Bewehrungsnetzes oder alternativ der Einsatz von Polypropylenfasern in den Beton vorgeschrieben sind. Nach einem allgemeinen Rechenverfahren wurden zunächst die Bauteiltemperaturen berechnet und anschließend eine nicht-lineare Stützenberech- nung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass infolge des Abplatzens der Betondeckung, der Betonstahl sehr hohe Temperaturen von 700 – 1000°C erhält und damit seine Tragfähigkeit nahezu Abb. 34: Brandschutzplatte unter Stahlkonsole verliert. Ein Nachweis für F90 war nicht möglich, Taunusturm Frankfurt [21][22] weshalb als Sanierungsmaßnahme ein ergänzender Die Betonkonsolen konnten mit den tabellarischen Brandschutzputz in ausreichender Dicke aufgetra- Verfahren nicht mehr nachgewiesen werden, gen wurde. Letzterer benötigt natürlich eine bauauf- weshalb auch hier eine Temperaturfeldberechnung sichtliche Zulassung. gefolgt von einem einfachen Rechennachweis der Stahlzugkraft im Brandfall durchgeführt wurden. Es zeigte sich auch hier, dass die maßgebenden Temperaturen im Betonstahl nicht wesentlich über 400°C liegen. Die Betontragfähigkeit sinkt bei den vorliegenden Temperaturen nahezu nicht ab.

3.4 Sanierung KFW Beim Bauvorhaben KFW in Frankfurt wurde ein nachträglich geführter Brandschutznachweis erforderlich. Die mit hochfestem Beton C60/75 hergestellten Stützen im Untergeschoss des 8geschos- sigen Gebäudes sollten eine Brandschutzmatte zur Abb. 36: Bewehrungstemperaturen bei unterschied- Sicherung der Betondeckung erhalten. Aus verschie- lichen Abplatztiefen beim Bauvorhaben denen Gründen wurde diese Bewehrung nicht KFW-Westarkade Frankfurt [24]

53 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

4 Literatur [14] DIN EN 1995-1-2: 2010-12, Bemessung und Konstruktion von Holzbauten – Teil 1-2: Allgemeine [1] Musterbauordnung des Bundes und der Län- Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall; der (MBO), Fassung Nov. 2002. [15] DIN EN 1995-1-2/NA: 2010-12, Nationaler [2] Hosser, D.: Leitfaden – Ingenieurmethoden des Anhang: Bemessung und Konstruktion von Holzbau- Brandschutzes, vfdb, Braunschweig, 3. Auflage Nov. ten – Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbe- 2013. messung für den Brandfall;

[3] Zehfuß, J.: Bemessung von Tragsystemen [16] Kampmeier, B.: Heißbemessung Naturbrand, mehrgeschossiger Gebäude in Stahlbauweise für Vortrag auf der Arbeitstagung des VPI Baden- realistische Brandbeanspruchung, Braunschweig, Württemberg, Baden-Baden, Juni 2014. Dissertation, 2004. [17] Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau (FDB): Broschüre „Spannbetonbinder nach Eurocode [4] Tillmann, M.: Brandschutzbemessung im Fer- 2“, Bonn 2015. tigteilbau, Vortrag Darmstädter Betonfertigteiltage, Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau e.V., [18] Falkner, H., Gerritzen, D., Jungwirth, D., Sparo- Darmstadt, April 2016. witz L.: Das neue Bewehrungssystem; Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS 670/800, Beton- und [5] DIN 4102-4: Brandverhalten von Baustoffen Stahlbetonbau 103 (2008), Heft 5. und Bauteilen – Zusammenstellung und Anwendung [19] Bachmann, H., Benz, M., Falkner, H., Gerritzen, klassifizierter Baustoffe, Bauteile und Sonderbautei- D., Wlodkowski, H.: Das neue Bewehrungssystem; le, März 1994, Beuth Verlag, Berlin. Druckglieder mit hochfestem Betonstahl SAS [6] Muster-Richtlinie über den Bau und Betrieb 670/800; Beton- und Stahlbetonbau 103 (2008), Heft von Hochhäusern (Muster-Hochhaus-Richtlinie - 8. MHHR) Fassung April 2008 [20] Hosser, D.: Zum Brandverhalten von Stützen [7] DIN EN 1992-1-2: 2010-12, Planung von Stahl- mit hochfestem Stahl SAS 670/800 beim Bauvorha- beton- und Spannbetontragwerken–Teil 1-2: Allge- ben Opernturm Frankfurt, Gutachtliche Stellung- meine Regeln – Tragwerksbemessung für den nahme Nr. G 07 011, TU Braunschweig, August 2007. Brandfall; [21] Bachmann, H.; Benz, M.: Hochhaus [8] DIN 4102-4: 2016-05, Brandverhalten von TaunusTurm. Technischer Bericht zur Erlangung Baustoffen und Bauteilen – Teil 4: Zusammenstel- einer Zustimmung im Einzelfall für die Herstellung lung und Anwendung klassifizierter Baustoffe, Bau- der Hochhausstützen mit hochfestem Betonstahl teile und Sonderbauteile S670/800. Ed. Züblin AG, Technisches Büro Kon- struktiver Ingenieurbau, Stuttgart, vom 02.10.2011). [9] DIN EN 1992-1-2 NA: 2010-12, Nationaler Anhang: Bemessung und Konstruktion von Stahlbe- [22] Hosser, D.: Zum Brandverhalten von Stützen ton- und Spannbetontragwerken – Teil 1-2: Allge- mit hochfestem Stahl SAS 670/800 beim Bauvorha- meine Regeln – Tragwerksbemessung für den ben Taunusturm Frankfurt, Gutachtliche Stellung- Brandfall. nahme Nr. G 12 007, TU Braunschweig, März 2012. [10] DIN EN 1992-1-2 NA/A1: 2015-09, Nationaler [23] Hosser, D.: Zum Brandverhalten von Stahlbe- Anhang: Bemessung und Konstruktion von Stahlbe- tonkonsolen von Fertigteilstützen beim Bauvorha- ton- und Spannbetontragwerken – Teil 1-2: Allge- ben Taunusturm Frankfurt, Gutachtliche Stellung- meine Regeln – Tragwerksbemessung für den nahme Nr. G 12 013, TU Braunschweig, Mai 2012. Brandfall; Änderung A1 [24] Hosser, D.: Brandschutztechnischer Nachweis [11] DIN EN 1993-1-2: 2010-12, Bemessung und von Stahlbetonstützen aus hochfestem Beton Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-2: Allgemeine C60/75 Bauvorhaben: Gutachtliche Stellungnahme Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall; Nr. G 08 011 KfW-Westarkade, Frankfurt April 2008. [12] DIN EN 1993-1-2/NA: 2010-12, Nationaler Anhang: Bemessung und Konstruktion von Stahl- bauten – Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerks- Autor bemessung für den Brandfall Dr.-Ing. Hubert Bachmann [13] Schaumann, P.: Brandschutznachweise für Ed. Züblin AG ungeschützte Stahlkonstruktionen, Näherungsfor- Albstadtweg 3 meln für die Erwärmung nach ETK. Bundesbaublatt, 70567 Stuttgart Heft 7, S. 69-71, 1999.

54 Betonangriff durch chemische Risikostoffe

Bernhard Middendorf

Zusammenfassung Bei der Betonkorrosion werden korrosionsfördernde Risikostoffe durch wässrige Lösungen an das Bauteil heran- getragen. Sie können durch leichtlösliche oberflächliche Neubildungen zu lösender oder durch voluminöse im Gefügeinneren entstehende Neubildungen, ggf. mit reaktiven Komponenten, zu einer treibenden Korrosion führen. Zum einen werden die Grundlagen dieser beiden wesentlichen Korrosionstypen zusammengefasst dargestellt und zum anderen wird der Widerstand gegen chemischen Angriff von gefügendichten ultrahochfesten Betonen betrachtet, welche überwiegend zur Herstellung filigraner Bauteile mit stark reduzierten Querschnitten oder in besonders chemisch und/oder mechanisch exponierten Bereichen eingesetzt werden. Eine Ableitung des chemischen Widerstands aus den gemessenen Werten der Druckfestigkeiten ist bei ultrahochfesten Betonen nicht möglich, da das Zementsteingefüge mit seinen charakteristischen Eigenschaften hinsichtlich Phasenbestand, Porosität und Porenradienverteilung den entscheidenden Einfluss auf die Korrosionswiderstandsfähigkeit hat.

1 Einleitung Reaktionen führen anfänglich ebenfalls zu mikrostrukturellen Schädigungen, die sich zu Gefügerissen Chemische Risikostoffe können einerseits einen erweitern, was dann häufig die Nutzungsdauer des lösenden oder anderseits einen treibenden Angriff Bauteils oder Bauwerks beendet. auf Beton auswirken und reduzieren somit dessen Im Folgenden werden chemische Risikostoffe im Nutzungsdauer und Dauerhaftigkeit. Betondauer- Hinblick auf die Betonschädigung betrachtet; dabei haftigkeit ist definiert als die Fähigkeit unter vorgese- wird zwischen lösendem und treibendem Angriff hener Exposition Witterungseinflüssen, chemischen unterschieden und es wird auf die Berücksichtigung Angriffen, Abrieb oder anderen Prozessen, die zur der Normen bei chemischem Angriff eingegangen. Verschlechterung seiner ursprünglichen Form, Quali- Einen Hauptpunkt stellt die Resistenzbewertung von tät und Gebrauchstauglichkeit führen, zu wider- modernen gefügedichten Hochleistungsbetonen dar. stehen. Unter Dauerhaftigkeit wird auch ein befriedi- gendes und bedingungsgemäßes Verhalten hinsicht- 2 Chemische Risikostoffe lich Sicherheit, Gebrauchsfähigkeit und Ästhetik während der angestrebten Nutzungsdauer verstan- 2.1 Allgemeines den. Auf welche Weise dieses angestrebte Verhalten Wenn der Nichtfachmann chemische Risikostoffe in eines Bauwerkes erreicht wird, hängt sowohl von der Kombination mit Betonschädigung hört, denkt er Bemessungsphilosophie als auch von Wirtschaftlich- meist an „ausgefallene“ chemische Substanzen die keitsüberlegungen ab. In die Wirtschaftlichkeitsüber- Betone extrem stark schädigen können. Ein viel legungen müssen neben den Herstellungskosten diskutiertes und deutlich überbewertetes Beispiel auch die Kosten für Wartung und Instandhaltung einstellen die Enteisungslösungen von Flugzeugen auf bezogen werden. Dauerhaftigkeitsreduzierungen Beton-Runways dar. Dabei handelt es sich überwie- durch die Einwirkung chemischer Risikostoffe treten gend um Glykol/Wasser-Gemische, die wie andere üblicherweise bereits zu Beginn der Nutzungsdauer organische mehrwertige Hydroxylverbindungen (z.B. auf und verschlechtern die Materialeigenschaften Glyzerin) Beton schwach angreifen, aber bei weitem sukzessive mit der Zeit. Nicht immer haben jedoch nicht die Hauptrisikostoffe darstellen. Unabhängig Materialverschlechterungen durch die jeweilige von der immer weiter steigenden Anzahl der Exposition einen unmittelbaren Einfluss auf die Normalzemente nach DIN EN 197-1 [1] sind die Sicherheit des Bauteils oder Bauwerks. wesentlichen chemischen Risikostoffe und deren Wird Beton durch aggressive Medien chemisch Wirkungsweise bekannt und es wird deren schädi- angelöst, führt dies schrittweise zu mikrostrukturellen gender Wirkung durch betontechnologische Maß- Schäden, die eine mögliche Reduktion der nahmen entgegengewirkt. Gebrauchstauglichkeitsdauer bis hin zur Gefährdung In Knöfel [2] ist eine detaillierte Übersicht von auf der Sicherheit nach sich ziehen kann. Treibende Zementstein wirkenden Substanzen angegeben.

55 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

2.2 Betonangriff durch lösenden Angriff genügend Feuchtigkeit vorhanden ist. Bei aggressi- Beim lösenden Angriff dringen schädliche mit Wasser ven feuchten Gasen hingegen steigt der Korrosions- verdünnte anorganische oder organische Säuren grad. Die Bewertung als Risikostoff hängt somit nicht oder austauschfähige Salze in das Betongefüge ein, nur von dessen chemischer Zusammensetzung ab, reagieren mit den Bestandteilen des Betons und sondern auch von der Betonqualität und von lösen diese aus der festen Betonstruktur heraus. In bestimmten Umweltfaktoren wie Temperatur, Druck Tab. 1 sind die wesentlichen lösenden Risikostoff- und wiederholten Feuchtigkeitsänderungen. Durch je 10 °C Temperaturzunahme wird die chemische gruppen zusammengestellt. Angriffswirkung ungefähr verdoppelt bis verdrei- Tab. 1: Lösende Risikostoffe facht. Darüber hinaus fördern steigende Temperatu- Risikostoff Schädigungs- Schädigungs- ren die Austrocknung des Betons und erhöhen somit typ wirkung seine Gas- und Wasserdurchlässigkeit. Abnehmende weiches Was- Lösen des Ze- gering Temperaturen verstärken zusätzlich durch Schwinden ser ≤ 3 ° dH mentsteins die Rissbildung und begünstigen das Eindringen und des aggressiver Flüssigkeiten [3]. Ca(OH)2 Carbonate, Nitrate, Silikate und einige Chloride starke Laugen Lösen der gering und Fluoride zählen nicht zu aggressiven Risiko- (NaOH, KOH) CAH- und stoffen. Hartes kalkreiches Wasser ist im Allgemeinen C(A,F)H-Ver- für Beton günstig, da es die Hydratation fördert. bindungen Andere schwach alkalische Lösungen sind im Allge- anorganische Lösen des Ze- gering meinen ungefährlich. Mineralölprodukte und Stein- Säuren (z.B. mentsteins bis kohlenteeröle, die keine sauren Bestandteile oder H2SO4, HCl, (CSH-Phasen) sehr stark fetten Öle enthalten, sind für ausreichend erhärteten HNO3, H2CO3) durch Bildung Beton ebenfalls ungefährlich; es können jedoch uner- leichtlöslicher wünschte Verfärbungen auftreten. Ein Schutz des Salze Betons gegen chemische Angriffe ist häufig bei organische Lösen des Ze- gering Laborgebäuden und Anlagen der chemischen oder Säuren (z.B. mentsteins bis Nahrungsmittelindustrie, Silos, Naturzugtürme von Essig-, Amei- durch Bildung stark Kohlekraftwerken, Abwasserkanälen und Kläranlagen sen-, Milch-, leichtlöslicher notwendig. In Sonderfällen in denen die Grenzwerte Zitronensäure) Salze der betonangreifenden Wässer nach DIN 4030 [4] überschritten werden sind auch Schutzmaßnahmen Neben den in Tab. 1 aufgelisteten betonangreifenden bei Gründungen, Brückenpfeilern, Fahrbahnplatten organischen und anorganischen Säuren können auch oder Talsperren notwendig. säurehaltige und säurebildende Substanzen wie 2.3 Betonangriff durch treibenden Angriff Steinkohlenteerdestillate, bestimmte Industrieabfälle, Fruchtsäfte, Milchprodukte, Salze schwacher Basen Beim treibenden Angriff reagieren sulfathaltige Wäs- und verschiedene Naturwässer zu einer Betonzerstö- ser oder Böden mit dem Beton, wenn die verwende- rung führen. Die meisten Ammoniumsalze reagieren ten Zemente keinen ausreichenden Sulfatwiderstand mit dem Kalk des Zementsteines unter Bildung von aufweisen. Durch Einwirken sulfathaltiger Lösungen Ammoniakgas und einem wasserlöslichen Calcium- auf erhärteten Beton oder zementgebundene Mörtel salz; dieser Vorgang führt zu Auslaugungen. Tierische reagieren C3A und/oder dessen Hydratationspro- Exkremente können durch Oxidation ebenfalls beton- dukte mit dem Sulfat und es kommt zur treibenden angreifende Säuren bilden. Tierische Fette reagieren und gefügezerstörenden Bildung durch Ettringit. Bei mit dem alkalischen Zementstein unter Bildung von sehr hohen Sulfatkonzentrationen kann das während Calciumseifen und Alkoholen [3]. Der Reaktionsme- der Zementhydratation gebildete Calciumhydroxid chanismus einiger weniger seltenerer betonangrei- mit dem Sulfat zu Gips reagieren, welcher ebenfalls fender Stoffe ist bisher noch nicht vollständig aufge- treibend wirkt. klärt. Meerwasser wirkt wegen seines hohen Sulfat- Bei tiefen Temperaturen im Bereich von 0-15 °C gehaltes bei geringer Betondichtigkeit zerstörend bei gleichzeitiger hoher Betonfeuchtigkeit, pH-Wer- oder treibend auf Betone, die nicht mit C3A-reduzierten > 10,5 und dem Vorhandensein von Sulfat- und ten SR-Zementen hergestellt sind. Der Angriffsgrad Carbonat-Ionen können Calciumsilikate und/oder wächst i.d.R. mit zunehmender Konzentration der CSH-Phasen zu Thaumasit (Ca3[CO3/SO4/Si(OH)6]• angreifenden Lösung. Bei einigen hochkonzentrier- 12 H2O) reagieren, was mit einem Festigkeitsverlust ten Elektrolyten ist es jedoch umgekehrt. Bei pH- des Betons einhergeht. Da Thaumasit bei 5 °C Werten < 7 wächst die Angriffswirkung mit abneh- 100-fach weniger löslich ist als bei 20 °C, führen mendem pH-Wert. Aggressive, trockene Gase kön- permanent tiefe Temperaturen dann zu einem erhöh- nen nur zerstörend wirken, wenn im Betoninneren ten Thaumasitbildungspotential. Ein prominentes

56 Betonangriff durch chemische Risikostoffe

Beispiel ist die Zersetzung von Fundamenten zahlreicher Wohngebäude in Kanada durch Thaumasit- bildung, deren Betone mit hohen Gehalten an Flug- asche hergestellt worden sind. Trotz Kenntnis der Reaktionsmechanismen und vorliegenden Richtlinien des DAfStb [5] kommt es doch immer wieder vor, dass bei Betonen mit schlecht kristallisierten oder amorphen silikatischen Gesteinskörnungen und alkalireichem Zement ein Alkalitreiben (Alkali-Kieselsäure-Reaktion, AKR) das Gefüge nachhaltig zerstört. Es bilden sich im Gefüge AKR-Gele die durch Wasseraufnahme quellen. Im Betongefüge lassen sich licht- und/oder rasterelekt- Abb. 2: Positiver AKR-Nachweis einer Betonprobe ronenmikroskopisch um die reaktiven Gesteinskörner mittels der Uranylacetat-Methode nach [6] ringförmige Säume erkennen, deren eindeutige Iden- (Foto Middendorf) tifikation jedoch viel mikroskopische Erfahrung voraussetzt und in vielen Fällen nicht eindeutig ist. 3 Betontechnologische Maßnahmen Am Bauteil selbst erkennt man netzförmige Risse und gelförmige weiße Ausblühungen, wie in Abb. 1 deut- 3.1 Beton nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 lich zu erkennen ist. Der Widerstand von Betonen in stark angreifenden Säuren und sulfathaltigen Wässern ist allgemein betrachtet sehr gering. Beton ist jedoch bei richtiger Zusammensetzung und Ausführung, nach den Norm- vorgaben der DIN EN 206-1 / DIN 1045-2 [7, 8] und den darin beschriebenen Expositionsklassen, wider- standsfähig gegenüber verschiedenen äußeren Ein- flüssen. Die Wirkung chemischer Angriffe auf Beton ist in o.g. Normen geregelt. Danach werden drei Angriffsgrade unterschieden und entsprechenden Expositionsklassen zugeordnet: . XA1 schwacher Angriff . XA2 mäßiger Angriff . XA3 starker Angriff. Abb. 1: AKR-Schaden an Betontreppe, Allein aufgrund seiner chemischen Zusammen- Palais des congrès de Montréal, Kanada setzung ist Beton nicht säurefest, lässt sich jedoch (Foto Middendorf) durch entsprechende Zusätze und Wahl der Aus- Eine Identifikation oder der Nachweis von gebildeten gangsstoffe säurewiderstandsfähiger herstellen. Die Alkalisilikathydratgelen, dem Reaktionsprodukt der Betontechnologie für die Erzielung einer erhöhten AKR, ist mittels des Uranylacetat-Tests eindeutig Beständigkeit gegenüber einem Säureangriff basiert möglich. Bei der Diagnose mit Hilfe von Uranylacetat- auf zwei wesentlichen Grundlagen, dem Wasser- Lösung (UO2(CH3COO)2) werden nach Natesaiyer und Bindemittel-Verhältnis (w/z-Wert) und die Dichtigkeit Hover [6] die frischen Bruchflächen der zu untersu- des Zementsteins. Ein möglichst niedriger w/z-Wert chenden Betonprobe mit der Lösung bestrichen und im Bereich von 0,35 – 0,40 bei Zementgehalten von anschließend mit destilliertem Wasser abgespült. ca. 340 kg/m³ führt schon zu Betondruckfestigkeiten Dort wo sich Alkali-Silika-Gel gebildet hat, verbleibt von ≥ 60 N/mm² und durch die damit verbundene das Uranyl, weil es zwischen Uranyl und Alkali zu einer geringe Kapillarporosität tritt eine hohe Betondicht- Austauschreaktion kommt. Die gebildete Alkali- heit ein. Für die Erhöhung des Säurewiderstandes Uranyl-Verbindung fluoresziert unter UV-Licht hell- sind eine Begrenzung und eine Umwandlung des grün, siehe Abb. 2. Es muss jedoch berücksichtigt Calciumhydroxid-Gehaltes (Ca(OH)2) sowie eine feine werden, dass wenn Kalkstein als Gesteinskörnung Verteilung dieser Ca(OH)2-Partikel im Zementstein- auch eingesetzt wurde, die Uranylacetatmethode gefüge notwendig. Diese beiden Vorgaben werden nicht eindeutig ist. Ferner handelt es sich bei durch die Gehalte der Hauptbestandteile des Zemen- Uranylacetat um einen radioaktiven Stoff der zudem tes und durch Zugabe reaktiver Zusatzstoffe, wie noch hoch toxisch ist, womit deren Gebrauch mit Flugasche oder auch Silicastaub erfüllt. Der hohen Auflagen verbunden ist, was zur Folge hat, Wirkungsmechanismus der Stoffe, der für die dass nur zugelassene Prüfstellen diesen Nachweis Umwandlung von Ca(OH)2 in die CSH- und CAH- durchführen dürfen. Phasen verantwortlich ist, ist die puzzolanische oder

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latent hydraulische Reaktion, bei denen die reaktiven gezeigt hat. Mit dem von ihm entwickelten Verfahren Zusatzstoffe, mit den während der Zementhydrata- erfolgte die Einstufung in die Expositionsklassen der tion gebildeten Ca(OH)2-Anteilen reagieren und DIN EN 206-1 [7]. Aus seinen Untersuchungsergeb- somit diese reduzieren. nissen schlussfolgerte er, dass UHPC in der Expositi- Mit den immer komplexer werdenden Beton- onsklasse XA3 bei lösendem Angriff ohne zusätzliche mischungen, resultierend aus der steigenden Anzahl Schutzmaßnahmen eingesetzt werden kann. Für den einsetzbarer Normzemente und Zusatzstoffe muss sauren Angriff wurde eine Expositionsklasse XA4 vor- die Qualitätssicherung in Form von Überwachung zur geschlagen, die den Einsatz der UHPC bis pH 3,5 mit Vermeidung von Schäden durch lösende oder trei- zusätzlichen Schutzmaßnahmen regelt. Diese Ergeb- bende Prozesse nach Meinung des Verfassers nisse sind die Basis für weitere Untersuchungen, zukünftig erhöht und verschärft werden. deren Ergebnisse in die derzeit in Überarbeitung 3.2 Hoch- und Ultrahochleistungsbetone befindliche DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ einfließen werden. Durch den Einzug der Hochleistungsfließmittel (engl. Auf Grund der nachgewiesenen hohen Gefüge- Superplasticizer) in die Betontechnologie, insbeson- dichtigkeit und Dauerhaftigkeit sowie der hohen Fes- dere durch die Polycarboxylatether (PCE), lässt sich tigkeiten bietet es sich an UHPC neben der Herstel- der w/z-Wert von Betonen dramatisch senken, was lung filigraner Bauteile mit stark reduzierten Quer- eine sehr niedrigere Kapillarporosität bewirkt, schnitten auch für besonders hohe Beanspruchungen wodurch Festigkeiten und Dauerhaftigkeit erhöht in aggressiven Medien einzusetzen, für die Normal- werden. Es lassen sich bei zusätzlicher Optimierung betone von ihren Eigenschaften her definitiv nicht der Packungsdichte sehr gefügedichte, fein- oder geeignet sind. Darunter zählen auch kombinierte grobkörnige hochfeste und ultrahochfeste Betone Expositionen aus mechanischer Abrasion und chemi- (engl.: Ultra High Performance Concrete; UHPC) her- schem Angriff. Zu diesem Zweck wurden an UHPC stellen, die charakteristische Druckfestigkeiten über kombinierte Belastungstests durchgeführt, wie z.B. in der in DIN EN 206-1 [7] definierten höchsten Druck- Abb. 3 abgebildet. festigkeitsklasse für Hochfesten (Normal-)Beton C 100/115 besitzen. Laut dem DAfStb-Sachstands- bericht [9] „Ultrahochfester Beton“ erreichen diese Betone je nach Zusammensetzung und Herstell- verfahren Druckfestigkeiten zwischen 150 und 250 N/mm2. Neben den herausragenden mechanischen Eigenschaften soll dieser Beton deutlich korro- sionsbeständiger und die damit hergestellten Bau- werke sollen dementsprechend dauerhafter sein. Das Gefüge des Zementsteins wird nach [9] durch die gezielte Auswahl optimal aufeinander abgestimmter, reaktiver und inerter Feinststoffe in Verbindung mit einem sehr niedrigen w/z-Wert sehr feststoffreich Abb. 3: Testverfahren für kombinierte chemische und zugleich sehr porenarm gestaltet. Typische und mechanische Beanspruchung UHPC-Mischungen haben nach [9] Zementgehalte (Fotos Middendorf) zwischen 600 bis 1000 kg/m³ und somit einen deutlich höheren Zementsteinanteil als Normalbetone, Neben der chemischen Beaufschlagung mit H2SO4- auch wenn man die puzzolanische Reaktion des Lösung wird in diesem Versuch parallel auch mittels Silicastaubs und den aufgrund des niedrigen w/z- Bürsten mechanische Abrasion simuliert. Abb. 4 zeigt die Ergebnisse der Säurelagerung einer Standard Wertes unhydratisierten Zementanteil berücksichtigt. UHPC-Mischung mit grober Basaltkörnung nach Scheydt [10] zeigte, dass trotz der hohen Dichtigkeit Einlagerung in einer H2SO4-Lösung. vor allem in faserfreien UHPC aufgrund des autoge- Nach der Herstellung der Prüfkörper (Normpris- nen Schwindens sowie in thermisch behandelten men) lagerten sie 28 Tage bei 20 °C und 100 % Feuch- UHPC aufgrund von Temperaturgradienten Mikro- tigkeit. Danach wurden zwei halbe Prüfkörper in Was- risse entstehen können, die die Dauerhaftigkeit durch ser eingelagert und weitere vier halbe Prüfkörper für Eindringen korrosiver Medien reduzieren können. 14 Tage in Schwefelsäure mit einem pH-Wert von 3. Ferner zeigte sie, dass die Kontaktzone zwischen Nach diesen zwei Wochen wurden die Prüfkörper der Stahlfaserbewehrung und Zementstein in thermisch Säure entnommen und im ungebürsteten und unbehandelten UHPC nicht die Dichtigkeit aufweist, gebürsteten Zustand fotografiert. Anschließend die prognostiziert wurde. Dennoch ist es unstrittig, lagerten sie weitere 14 Tage bei pH = 2, darauffol- dass UHPC eine höhere Dauerhaftigkeit als Normal- gend 14 Tage bei pH = 1 und abschließend 14 Tage beton aufweist, was auch Schmidt-Döhl in [11] bei pH = 0. Abb. 4 zeigt deutlich den durch die Säure

58 Betonangriff durch chemische Risikostoffe

verursachten Substanzverlust und die allmähliche chemischen Angriff ist in diesem Zusammenhang von Auflösung des Bindemittels, sodass die Gesteins- besonderer Bedeutung, da eine nicht ausreichende körnung frei liegt. Einen großen Unterschied zwi- chemische Widerstandsfähigkeit eine kritische Kenn- schen gebürsteten und ungebürsteten Prüfkörpern größe für die Bewertung der Dauerhaftigkeit und der lässt sich augenscheinlich nicht erkennen. Daraus mechanischen Eigenschaften von Hochleistungs- lässt sich ableiten, dass die UHPC-Proben zwar deut- betonen darstellt. lich resistenter gegen lösenden chemischen Angriff sind als Normalbetone, jedoch wird auch ihr 5 Literatur Zementsteingefüge gelöst. [1] DIN EN 197-1 (2011) Zement - Teil 1: Zusam- mensetzung, Anforderungen und Konformitätskrite- rien von Normalzement [2] Knöfel, D. (1982) Stichwort Baustoffkorrosion, Wiesbaden; Berlin Bauverlag, ISBN 3-7625-1480-1

[3] Weigler, H. und Segmüler, E. (1966) ACI Com- mittee 515: Guide for the protection of concrete against chemical attack by means of coatings and other corrosion-resistant materials. Proc. Amer. Concr. Inst. 63 pp. 1305/92

Abb. 4: Ergebnisse der Säurelagerung einer Stan- [4] DIN 4030-1 (2008) Beurteilung betonangreifen- dard-UHPC-Mischung bei unterschiedlichen der Wässer, Böden und Gase - Teil 1: Grundlagen und mit H2SO4 eingestellten pH-Werten Grenzwerte

Möser und Pfeifer berichten in [11] hinsichtlich von [5] Richtlinie DAfStb (2011) Vorbeugende Maßnah- Dauerhaftigkeitsuntersuchungen, dass sich auch men gegen schädigende Alkalireaktionen im Beton nach mehr als zwei Jahren aufgrund des geringen (Alkali-Richtlinie), Teile 1 -3 w/z-Wertes noch sehr große Mengen unhydratisier- ter Klinkerpartikel im Gefüge befinden. Innerhalb der [6] Natesaiyer u. Hover (1988) In-situ Identification Mikrostruktur von UHPC treten vier signifikante of ASR Products in Concrete. CCR, Vol. 18, pp.455- Mikrogefügeveränderungen auf: Rekristallisation von 463 Ettringit, eine punktuell und schwach ausgeprägte Alkali-Kieselsäure Reaktion, Ausheilung von Rissen [7] DIN EN 206-1 (2001) Beton: Teil 1 Festlegung, durch Calciumcarbonat sowie eine im Bereich der Eigenschaften, Herstellung und Konformität Oberfläche stattfindende Korrosion der Stahlfasern [8] DIN 1045-1 (2008) Tragwerke aus Beton, Stahl- und eine damit verbundene lokale Abplatzungen der beton und Spannbeton. Teil 1 Bemessung und Kon- Bindemittelmatrix. struktion

4 Ausblick [9] DAfStb-Sachstandsbericht (2008) Ultrahochfes- Die detaillierte Kenntnis der Wirkungsweise chemi- ter Beton, Beuth Verlag, ISBN 3-4410-65045-4 scher Risikostoffe auf Beton steht nach wie vor im [10] Scheydt, J.C. (2013) Mechanismen der Korrosion Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen. Das Ver- bei ultrahochfestem Beton, Dissertation Karlsruher halten von genormten Normalbetonen gegenüber Institut für Technologie (KIT) chemisch aggressiven Stoffen ist bereits sehr umfangreich untersucht. Die kontinuierlich immer [11] Schmidt, M. et al. (2014) Nachhaltiges Bauen mit größer werdende Zahl genormter Zemente und ultra-hochfestem Beton, Ergebnisse des SPP 1182 ge- Zusatzstoffe in Verbindung mit komplex wirkenden fördert durch die DFG, Heft 22, Schriftenreihe Bau- Zusatzmitteln ermöglicht es eine Vielzahl an Betonen stoffe und Massivbau, kassel university press, ISBN mit speziellen Eigenschaften für extreme Anforderun- 978-3-86219-480-3 gen herzustellen. Die derzeitige Normung berück- sichtigt die Leistungsfähigkeit dieser Betone nicht ausreichend. Die moderne Betontechnologie verlangt Autor eine leistungsorientierte Klassifizierung und Prüfung. Dieser Performance-Ansatz ist insbesondere für die Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Middendorf Bewertung der Hochleistungsbetone zwingend erfor- Institut für konstruktiven Ingenieurbau derlich, da im Bauwesen ihre Leistungsfähigkeit nicht Universität Kassel optimal ausgenutzt werden kann. Gerade die kor- Mönchebergstraße 7 rekte Einschätzung der Beständigkeit gegen 34125 Kassel

Konstruktive Lösungen für den Umgang mit Risikostoffen

Hans-Werner Nordhues

Zusammenfassung Der Umgang mit Risikostoffen ist in Deutschland und in der EU in diversen Gesetzen und Verordnungen geregelt. Für den Umgang mit wassergefährdenden Risikostoffen gilt in Deutschland das Wasserhaushalsgesetzt (WHG) in Verbindung mit den Anlagenverordnungen der einzelnen Bundesländer. Für unbeschichtete Betonbauteile hat der DAfStb eine Richtlinie formuliert, mit deren Hilfe entsprechende Konstruktionen anforderungsgerecht konstruiert und ausgeführt werden können. Konstruktive Lösungen für Details, wie etwa Fugen oder Anschlüsse in chemisch belasteten Betonbauteilen, stellen große Probleme dar. Um so wichtiger ist daher eine konsequente und durchgängige Lösungsstrategie. Im Teil 1 der Richtlinie sind Hinweise und konkrete Planungsregeln hierfür aufgestellt worden. Darüber hinaus existiert eine nahezu unüberschaubare Anzahl von nicht geregelten Bauprodukten, die eine allgemeine bau- aufsichtliche Zulassung vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) besitzen.

1 DAfStb-Richtlinie Die Richtlinie gliedert sich weiterhin in drei Teile und zwei Anhänge: 1.1 Allgemeines Anfang der 1990er Jahre wurde von einem Arbeits- . Teil 1 Grundlagen, Bemessung und Konstruktion kreis des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton unbeschichteter Betonbauteile (DAfStb) unter Mitwirkung von Fachleuten aus . Teil 2 Baustoffe und Einwirken von wasserge- Industrie, Forschungseinrichtungen und Behörden fährdenden Stoffen die Richtlinie für Betonbau beim Umgang mit was- . Teil 3 Instandsetzung sergefährdenden Stoffen - BUmwS formuliert. Im . Anhang 1 Prüfverfahren September 1992 erschien die erste Ausgabe der . Anhang 2 Erläuterungen Richtlinie [5] mit zwei Teilen. Die Richtlinie ist aufgrund der Nennung im Arbeits- Aufgrund der in Forschungsprojekten des blatt DWA-A 786 (s.u.) über die jeweiligen Länder- DAfStb gewonnenen Erkenntnisse sowie der Aus- VAwS wasserrechtlich eingeführt. wertung der Erfahrungen bei der Anwendung der Richtlinie wurden mittlerweile drei Überarbeitungen 1.2 Konzept der Richtlinie der Richtlinie durchgeführt. In ihrer letzten Fassung 1.2.1 Anwendungsbereich vom März 2011 [7] ist die Richtlinie in großem Die Richtlinie wurde für Bauwerke formuliert, die Umfang ergänzt und überarbeitet worden. Wesentli- gemäß Wasserhaushaltsgesetz so zu entwerfen und che Änderungen gegenüber der Ausgabe 2004 [6] zu bauen sind, dass eine Verunreinigung der Gewäs- sind insbesondere: ser nicht zu befürchten ist. Dabei geht die Richtlinie . Anpassung an Eurocode 2 (DIN EN 1992-1-1) im Regelfall von einer einmaligen Beaufschlagung . Angaben der Bauregelliste zu Fugenblechen über einen bestimmten Zeitraum aus. Sie gilt somit wurden eingearbeitet beispielsweise für Auffangräume in der chemischen . Beaufschlagungsarten und -dauern wurden an Industrie. Die Betonbauwerke stellen die sekundäre Arbeitsblatt DWA-A 786 [10] angeglichen Barriere nach dem Versagen der Primärbarriere dar. . Überarbeitung der Konstruktionsdetails Die Richtlinie beschränkt sich nicht auf schlaff . redaktionelle Anpassungen an geänderte bewehrte oder vorgespannte Konstruktionen, so Gesetzeslage (WHG, VAUmwS, BRL) dass der Anwender im Einzelfall unter Berücksichti- gung der speziellen Gegebenheiten die Freiheit der

Wahl der geeigneten Bauweise hat.

61 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

1.2.2 Dichtheit In der Richtlinie werden die in Tab. 1 dargestellten Statt für den Baustoff (Beton) selbst, der aufgrund Beaufschlagungsdauern für die verschiedenen Bau- seiner Porosität ein Eindringen von flüssigen Medien teile genannt. mehr oder weniger zulässt, wurde die Dichtheit für Tab. 1: Beaufschlagungsdauern die Konstruktion definiert. Beanspruchungsstufe maximale Beispiel DAfStb: für das Lagern nach Beaufschla- (je nach Dichtheit im Sinne dieser Richtlinie bedeutet, „dass Arbeitsblatt DWA-A gungsdauer Infrastruktur) die Eindringfront des Mediums als Flüssigkeit wäh- 786 rend der Beaufschlagungsdauer mit einem Sicher- gering 8 h Ableitfläche heitsabstand nachweislich nicht die der Beaufschla- mittel 72 h Auf- gung abgewandte Seite des Betonbauteils erreicht“. hoch 2200 h fangraum (Abb. 1) Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Einzelfall aufgrund der infrastrukturellen oder betrieblichen Randbedingungen andere Beauf- schlagungsdauern (länger oder kürzer) sinnvoll sein können. Aus den üblicherweise über 72 Stunden durchgeführten Eindringversuchen darf maximal für einen Zeitraum von 720 Stunden mit Hilfe des Wurzel-Zeit-Gesetzes extrapoliert werden.

푡 푒 = 푒 √ (1) 푡푘 72푘 72

mit etk = Eindringtiefe der Beaufschlagungs- dauer t Abb. 1: Dichtheit im Sinne der DAfStb-Richtlinie e72k = Eindringtiefe der Beaufschlagungs- Diese Formulierung dient der Konkretisierung der dauer von 72h Festlegungen der Muster-VAwS und des Wasser- t = Beaufschlagungsdauer haushaltsgesetzes, die aussagen: Bezüglich der mechanischen Einwirkungen wird in WHG, §62 (1): der Richtlinie selbst lediglich auf die Wichtigkeit der „Anlagen zum Lagern, Abfüllen, Herstellen und Berücksichtigung von Last und Zwang bei der Behandeln ... sowie zum Verwenden ... müssen so Schnittgrößenermittlung hingewiesen. Die Erläute- beschaffen sein und so errichtet, unterhalten, rungen im Teil 1 beschreiben zusätzlich genauer betrieben und stillgelegt werden, dass eine nachtei- welche Ansätze bei den verschiedenen mechani- lige Veränderung der Eigenschaften von Gewässern schen Einwirkungen (z.B. Setzungen, Reibung, nicht zu besorgen ist.“ Temperatur) gemacht werden sollten. So werden beispielsweise Anhaltswerte für die Reibungs- Muster-VAwS, §3: beiwerte Konstruktionsbeton - Untergrund gegeben. „Anlagen ... müssen dicht, standsicher und gegen die Insbesondere die Beanspruchung aus Witterungs- zu erwartenden mechanischen, thermischen und einflüssen wird detailliert erläutert. chemischen Einflüsse hinreichend widerstandsfähig sein.“ 1.2.3 Einwirkungen In der Richtlinie wird zwischen physikalischen, chemischen und mechanischen Einwirkungen unterschieden. Als physikalische Einwirkung wird das Eindringen des wassergefährdenden Stoffes in den Beton während eines festen Beaufschlagungszeit- Abb. 2: Zerlegung der Temperaturbeanspruchung raumes mit den Kennwerten et = Eindringtiefe im in die verschiedenen Anteile ungerissenen Beton und ewt = Eindringtiefe im gerissenen Beton beschrieben. Zur Festlegung der Die für die einzelnen Temperaturanteile (Abb. 2) chemischen Einwirkung, die die eventuelle Schädi- erforderlichen Werte können aus einem Diagramm, gung des Betons durch angreifende Medien das die verschiedenen Witterungs- und Jahreszeit- umfasst, ist die Kenngröße st = Schädigungstiefe einflüsse integral enthält, direkt abgelesen werden definiert. (Abb. 3).

62 Konstruktive Lösungen für den Umgang mit Risikostoffen

Drei Nachweise werden in der Richtlinie festgelegt, unter denen der Anwender unter Berücksichtigung der Randbedingungen wählen kann (Abb. 6):

. Nachweis ungerissener Bereiche (Spannungs- nachweis) . Nachweis der Druckzonendicke . Nachweis der Rissbreite

Abb. 3: Temperaturverläufe über die Bauteildicke Basierend auf einem EC2-angepassten Sicherheits- konzept müssen die verschiedenen Lastfälle überla- gert werden, jedoch gelten gegenüber Eurocode 2 etwas veränderte Kombinationswerte.

1.3 Nachweise Der Nachweis der Tragfähigkeit ist selbstverständlich auch für Bauwerke beim Umgang mit wassergefähr- denden Stoffen zu führen. Hier sind keine besonde- Abb. 4: Nachweise der Dichtheit ren Regelungen einzuhalten. Lediglich für den Fall, dass die zeitlich begrenzte Beaufschlagung bereits 1.3.1 Nachweis ungerissener Bereiche zu starken Schädigungen des Querschnitts (Beton Sofern es gelingt nachzuweisen, dass die auftreten- oder Stahl) führt, sind diese Schädigungen beim den Betonzugspannungen kleiner als die festgeleg- Tragfähigkeitsnachweis zu berücksichtigen. Da bei ten Bemessungswerte sind, kann die ganze Bauteil- den hier betrachteten Bauwerken und Bauteilen aber dicke zum Nachweis der Dichtheit herangezogen die Dichtheit von besonderer Bedeutung ist, ist werden: 푣표푟ℎ 휎 푣표푟ℎ 휎 zusätzlich ein Nachweis zur Sicherstellung dieser 푐푁 + 푐푀 ≤ 1,0 (2) 푓푐푡푑 푓푐푡푑,푓푙 Anforderung zu führen. Unter Berücksichtigung der eventuellen Konse- und h  e  etk (3) quenzen des Versagens der Barrierefunktion muss mit vorh cN= Betonzugspannung aus Normal- der Dichtheitsnachweis mit Sicherheiten operieren. kraft Die in der Richtlinie angesetzten Sicherheitsbeiwerte vorh cM= Betonrandzugspannung aus wurden durch ein Sicherheitskonzept überprüft, das die gesamte Kette von Primärbarriere bis zum Biegemoment Untergrund auf probabilistischer Grundlage fctd = Bemessungswert der zentrischen beschreibt. Hieraus haben sich die in Tab. 2 aufge- Zugfestigkeit nach EC2 führten Sicherheitsbeiwerte abgeleitet: fctd,fl = Bemessungswert der Biegezug- festigkeit Tab. 2: Sicherheitsbeiwerte normales Über- halbes Überwa- 1.3.2 Nachweis der Druckzonendicke wachungsinter- chungsintervall Für die im Beaufschlagungsfall ungünstigste Last- vall fallkombination ist die minimale Druckzonendicke Eindringtiefe e 1,50 e 1,25 mit der Eindringtiefe zu vergleichen: Betontrag c 1,25 c 1,05 x  e  etk (4) verhalten für Rissbrei- r 1,50 r 1,25 mit x = Druckzonendicke ten von 0,2 Dieser Nachweis darf nur angewendet werden, wenn mm keine wechselnden Momente mit jeweils risserzeu- für Rissbrei- r 2,00 r 1,70 genden Beanspruchungen auftreten. Treten wech- ten < 0,2 selseitig risserzeugende Momente auf ist der Nach- mm weis nach Gleichung 5 zu führen.

63 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

xw  e  ewtk (5) 1.3.3 Nachweis der Rissbreite mit xw = Dicke der vorgerissenen Druck- Auch der Rissbreitennachweis hat zum Ziel den Stoff zone mit Leckrate „0“ über den Beaufschlagungszeitraum ewtk = Eindringtiefe der vorgerissenen sicher zurückzuhalten.

Druckzone nach Teil 2 bestimmen wcal  wcrit / r (6)

oder h  ewt  e (7)

mit wcal = größte rechnerische Rissbreite wcrit = kritische Rissbreite nach Anhang A ewt = charakt. Eindringtiefe nach Anhang A Da Versuche gezeigt haben, dass für viele Stoffe selbst eine Rissbreite von 0.1 mm noch nicht klein genug ist, um die Leckrate „0“ sicherzustellen, die Richtlinie aber wegen der begrenzten Genauigkeit der Rechenverfahren für die Bestimmung von Rissbreiten < 0.1 mm eine rechnerische Rissbreite unterhalb von 0.1 mm nicht zulässt, ist für üblichen Beton dieser Nachweis von theoretischer Bedeu- tung. Bei hochviskosen Stoffen, extrem dicken Bauteilen oder Spezialrezepturen (z.B. Kunststoff- modifikationen) ist die Ausgangslage nicht ganz so Abb. 5: Nachweise der Dichtheit negativ zu beurteilen. Man erkennt aus Abb. 5, dass die Druckspannung im Betonbauteil nicht unter 1 MN/m² liegen sollte, um 2 Anwendung der Richtlinie akzeptierbare Eindringtiefen zu erhalten. 2.1 Allgemeines In Tab. 3 sind als Anhaltswerte die dynamischen Viskositäten  verschiedener Stoffe aufgelistet um Die in der Richtlinie genannten Dichtheitsnachweise ein Gefühl für die Anwendbarkeit dieses Nachweises sollen hier zunächst hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zu haben. und der Anwendungsgrenzen beziehungsweise der daraus resultierenden Forderungen betrachtet Tab. 3: Dynamische Viskositäten verschiedener werden. Dazu werden folgende Randbedingungen Stoffe für die beispielhafte Betrachtung festgelegt: dynamische Viskosität . Bodenplatte, unbeschattet im Freien [mN s/m2] . viskose Gleitschicht Wasser, 20°C 1 . SLW alternativ stationäre Belastung Blut, 37°C 3 ... 25 . Eindringtiefe: e72k = 40 mm Ethanol 1,19 . Schädigungstiefe: s72k = 0 mm Benzol 0,60 Hexan 0,32 2.2 Ermittlung der Schnittgrößen Dichlormethan 0,43 2.2.1 Zwang infolge behinderter Motoröl 100 Temperaturdehnung Olivenöl 100 Bei Auswertung von Abb. 5 erhält man die Tempera- Lacke 100 turspannungen infolge Temperaturgradient TG und Glycerin 1480 kann diese den Bemessungswerten der Betonbiege- Parafinöl 100 ... 1.000.000 zugfestigkeit gegenüber stellen. In Abb. 6 ist dies Honig 10.000 beispielhaft für einen Beton C30/37 durchgeführt.

64 Konstruktive Lösungen für den Umgang mit Risikostoffen

Außerdem von besonderer Bedeutung ist die Art der Belastung. Bei Befahren durch Fahrzeuge (SLW, TKW, Stapler) ist davon auszugehen, dass an jeder Stelle wechselnde Beanspruchungen entstehen, wobei zu prüfen ist, ob diese an der selben Stelle auch jeweils risserzeugend sind (Rand – Ecke). Bei Belastung durch Behälter ändert sich zwar unter Umständen die Beanspruchungshöhe entsprechend dem Füllstand, die maximalen Beanspruchungen an einer Stelle wechseln aber nicht ihr Vorzeichen. 2.2.3 Nachweis des ungerissenen Betons Unter Berücksichtigung des E-Moduls, des Ausdeh- nungskoeffizienten t (1.0  10-5 [1/K]) und der Abb. 6: Auswertung der Temperaturbeanspruchung Relaxation des Tagesgangs erhält man für die anzu- setzende Randzugspannung infolge des Tempera- Man erkennt, dass für eine besonnte Bodenplatte turgradient: bereits bei einer Plattendicke von 18 cm außer Tem- 퐸∙훼 Δ푇 peratur keine weiteren Lasten mehr aufgenommen 휎 = 푡 ∙ ∙ 0,85 (8) 1−휇 2 werden können. mit E = E-Modul Betonspannung TE kann hier vernachlässigt werden, da bei zugehörig TE die Zugspannung reduziert wird und t = Wärmeausdehnungskoeffizient bei max TE kleinere Werte entstehen. µ = Querdehnzahl Beton 0.85 = Relaxation im Tagesgang 2.2.2 Beanspruchung infolge äußerer Belastung Vergleicht man für eine nicht vorgespannte Statt konkreter Zahlen sind hier die folgenden Fest- Konstruktion diese Werte mit den zulässigen Biege- stellung von besonderer Bedeutung: zugspannungen gemäß Richtlinie, ergibt sich Abb. 7: Die Beanspruchungen in der Dichtschicht können durch die Wahl der Konstruktion sehr stark Tab. 5: Randspannungen infolge Temperatur beeinflusst werden. Als mögliche, wesentliche d C20/25 C30/37 C40/50 Konstruktionsmerkmale sind zu nennen: [m] [MN/m²] [MN/m²] [MN/m²] . mehrere Lagen Beton (durch Gleitschichten 0,12 1,5 1,6 1,7 getrennt) 0,20 2,0 2,2 2,4 . Beton auf hydraulisch gebundener Tragschicht 0,50 2,7 2,9 3,1 (HGT) . Beton auf Schotter/Kies Bei einer mehrschichtigen Konstruktion, insbesondere aus mehreren Lagen Stahlbeton oder Stahlbeton auf HGT ist bei geschickter Wahl des Aufbaues eine drastische Reduktion der Beanspruchungen infolge äußerer Belastung in der Stahlbetonplatte zu erreichen. In untenstehender Tab. 4 sind die relativen Momente in der oberen Stahlbetonplatte (Index 1) in Abhängigkeit von der Dicke und dem E-Modul der Tragschicht aufgelistet.

Tab. 4: Beanspruchung der Stahlbetonplatte für verschiedene Tragschichtenverhältnisse Abb. 7: Auswertung der auftretenden Temperatur- d1 [cm] d2 [cm] M1 (E1:E2=3:1) M1 (E1:E2=1:1) spannungen und der zulässigen 20 0 100 % 100 % Spannungen 20 20 75 % 50 % Die schraffierten Bereiche geben an, wo zwischen 20 50 16 % 6 % zulässiger Spannung und Spannung infolge Tempe- 20 70 7 % 2 % ratur bei Bauteilen ohne Vorspannung noch 20 100 2 % 1 % Reserven vorhanden sind. Festzustellen ist, dass die Reserven äußerst klein bzw. bei Bauteildicken über 20 cm überhaupt nicht mehr vorhanden sind.

65 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Daraus lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass 1. Phase (Ende 70er Jahre): der Nachweis des ungerissenen Betons (schlaff Bis zu diesem Zeitpunkt ist keine besondere Planung bewehrt) nur bei folgenden Randbedingungen funk- und Ausführung von Betonbauwerken beim tioniert für frei bewitterte Stahlbetonbauteile: Umgang mit wassergefährdenden Stoffen erkennbar. Alle Bauwerke werden konventionell ausgeführt. . Bauteildicke < 20 cm Auf eine besondere Dichtheit der Konstruktion wird . geringe zusätzliche Beanspruchungen nicht geachtet. In dieser Phase ist der Umwelt- . beschattete Betonflächen schutzaspekt der Nutzung des Bauwerks voll unter- Der Anwendungsbereich dieser Nachweisform kann geordnet. erweitert werden durch Einsatz von Betonen mit 2. Phase (1980 bis 1988): nachgewiesener hoher Zugfestigkeit (z.B. durch Durch zunehmendes Umweltbewusstsein und das Zugabe von Kunststoffzusätzen) oder durch Vor- Auftreten von großen Chemieunfällen (Sandoz, spannung. Bophal, Seveso) tritt eine erste Sensibilisierung für 2.2.4 Nachweis der Druckzone die Problematik der Umweltgefährdung durch Für den angesetzten Fall ist eine Mindestdruckzone Chemikalien auf. Sie hat allerdings noch keine ent- erforderlich von scheidende Auswirkung auf die Planung und Aus- führung der o.g. Betonbauwerke. Die Nutzung ist e  e72k = 1.5  40 = 60 mm (9) allerdings nicht mehr alleiniges Planungskriterium. Unter der Voraussetzung einer normalkraftfreien 3. Phase (1988 bis 1993): Bauweise (viskose Schicht) und Ansatz des Die Dichtheit von Betonbauwerken beim Umgang Anfangsmoduls der parabelförmigen Spannungs- mit wassergefährdenden Stoffen tritt weiter in den Dehnungsbeziehung gemäß EC2 ergeben sich die in Mittelpunkt der Planung und Ausführung. Die Bau- Tab. 6 dokumentierten Mindestbewehrungsmengen. werke werden unter Beachtung einer Rissbreiten- Für Bauteildicken kleiner als 20 cm sind unsinnig beschränkung nach der neuen DIN 1045 geplant große Bewehrungsmengen erforderlich. Außerdem und gebaut. Diese Vorgehensweise wird von den ist zu beachten, dass dieser Nachweis derzeit bei Behörden als Dichtheitsnachweis akzeptiert. vorzeichenwechselnden, hohen Beanspruchungen nicht verwendet werden darf. Auch beim Druck- 4. Phase (seit 1993): zonennachweis wäre Vorspannung ein probates Mit Erscheinen der DAfStb-Richtlinie für Betonbau Mittel, um die Nachweisführung unter Berücksichti- beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen im gung baupraktischer Belange zu erleichtern. September 1992 liegt ein Regelwerk mit Festlegung zur rechnerischen Dichtheit vor. Erste Bauwerke Tab. 6: Mindestbewehrung (cm²/m) für Druck- werden nach der Richtlinie geplant und gebaut. Die zonennachweis Richtlinie und weitere Regelwerke (z.B. TRwS) d/d1 aserf aserf aserf werden zu a.a.R.d.T.. [m/m] C20/25 C30/37 C40/50 [cm²/m] [cm²/m] [cm²/m] 3.2 Dichtflächen 0.20/0.04 12,5 15,5 22 Dichtflächen stellen die Hauptkonstruktionselemen- 0.40/0.04 6 7,5 8,7 te dar. Es handelt sich hier um flächige Konstrukti- onselemente. 3 Erfahrungen bei der Planung und Man kann Dichtflächen in Ableit- und Rückhalte- Prüfung von Betonkonstruktionen flächen unterteilen. Um eine Ableitfläche handelt es beim Umgang mit sich, wenn die Bodenplatte in einem Lager Gefälle wassergefährdenden Risikostoffen hat und in eine Rinne mündet, welche die austre- tende Chemikalie in einen Auffangraum ableitet. 3.1 Allgemeines Wird dagegen die Chemikalie durch eine Aufkan- Die Planung und Ausführung von Betonbauwerken tung auf der Bodenplatte zurückgehalten, so ist die beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen hat Bodenplatte eine Rückhaltefläche. sich im Laufe der letzten 25 Jahre entscheidend Für die unterschiedlichen Arten der Beaufschla- gewandelt. Insgesamt lassen sich 4 Phasen gung der selben Bodenplatte (kurzfristige Beauf- erkennen: schlagung bei Ableitflächen, Beaufschlagung bis zur Entsorgung bei Rückhalteflächen) gelten daher auch

unterschiedliche Planungs- und Konstruktions-

grundsätze.

66 Konstruktive Lösungen für den Umgang mit Risikostoffen

Neben der robustesten Abdichtungsart mit unbe- Die Fugenproblematik ist bei Kastenrinnen beson- schichtetem, flüssigkeitsdichtem Beton sind über ders ausgeprägt, weil der Rinneninnenraum meist das Arbeitsblatt DWA-A 786 weitere Möglichkeiten schlecht kontrolliert werden kann. So sind Fälle der Abdichtung waserrechtlich anerkannt, wie z.B.: bekannt, bei denen aus defekten Rinnen über Jahre . Gussasphalt oder Walzasphaltdeckschicht hinweg Flüssigkeiten ausgetreten sind, was zu gro- . Betonformsteine ßen Verunreinigungen des Erdreichs geführt hat. . Beschichtungen Üblicherweise werden auch bei Kastenrinnen die . Auskleidungen Fugen mit Fugendichtstoffen abgedichtet. Eine . Kunststoffbahnen Abdichtung mit einem Fugenband oder einem Fugenblech wurde bisher häufig als zu aufwendig All diesen Abdichtungsarten gemeinsam ist der angesehen und daher selten ausgeführt. Umstand, dass sie für den Einbau in Anlagen zum Aufgrund dieser Problematik sind Kastenrinnen Umgang mit wassergefährdenden Risikostoffen in der Vergangenheit vor allem für Stoffe der WGK 2 einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung sei- und 3 häufig zusätzlich beschichtet oder ausgeklei- tens des DIBt bedürfen. det worden. Als Auskleidungsmaterialien kamen Ausschließlich die Bauweise mit FD-Beton nach zum einen Kunststoffe, vor allem Polyethylen (PE), o.g. Richtlinie ist über die Bauregelliste bauaufsicht- zum anderen Stahl zum Einsatz. Dabei wurden die lich und wasserrechtlich eingeführt. Bewegungsfugen durch eine Verschweißung mit 3.3 Rinnen Spezialprofilen in die Auskleidung eingebunden. Rinnen können ebenfalls sowohl ableitende als auch 3.4 Pumpensümpfe und Gruben rückhaltende Funktion haben. Pumpensümpfe und Gruben haben vorwiegend Muldenrinnen dienen meist als Einfassung von rückhaltende Funktion. Bodenplatten, auf denen nicht mit großen Flüssig- Pumpensümpfe stellen die kleinste Form eines keitsmengen gerechnet werden muss. Sie werden in Rückhalteraums dar. Die maximalen Abmessungen ihren Abmessungen so dimensioniert, dass die an- betragen etwa 1.0 x 1.0 x 1.0 m. Pumpensümpfe mit fallenden Tropfleckagen und das Regenwasser einem Volumen  0.5 m3 werden möglichst in einem sicher abgeleitet werden können, sie dabei aber Stück mit den angrenzenden Bauteilen (Rinne, noch problemlos ohne Abdeckung überfahrbar Bodenplatte) hergestellt. Können Pumpensumpf und bleiben. Ihr hauptsächliches Einsatzgebiet stellen Bodenplatte nicht in einem Zug hergestellt werden, daher Abfüllplätze und insbesondere Tankstellen wird die dadurch entstehende Fuge oft als über- dar. Sie können dabei sowohl aus Fertigteilen als strömte Bewegungsfuge ausgebildet, was dann der auch aus Ortbeton hergestellt werden. Ausgangspunkt für Undichtigkeiten sein kann. Als problematisch hat sich der Anschluss der Je nach Art der Kontrolle und Entsorgung kön- Rinne zur angrenzenden Bodenplatte und bei Fertig- nen Pumpensümpfe relativ lange mit Chemikalien teilen die Verbindung untereinander herausgestellt. beaufschlagt werden. Sie werden daher vor allem Bestehende Praxis ist im Falle einer Bewegungsfuge beim Auftreten von Chemikalien der WGK 2 und 3 die Abdichtung mit Fugendichtstoffen mit einer häufig beschichtet oder ausgekleidet. allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung seitens des Gruben sind größer als Pumpensümpfe. Ihre DIBt. Größe richtet sich nach der anfallenden Flüssig- Kastenrinnen haben ein wesentlich größeres Fas- keitsmenge, die zurückgehalten werden muss. Dies sungsvermögen als Muldenrinnen. Sie werden dort können ausgetretene Chemikalien, kontaminiertes eingebaut, wo mit größeren Flüssigkeitsmengen zu Regenwasser oder Löschwasser sein. rechnen ist. Kastenrinnen können ebenfalls aus Gruben sollten prinzipiell fugenlos ausgebildet Fertigteilen oder in Ortbeton oder in Mischbauweise werden. Für größere anfallende Flüssigkeitsmengen hergestellt werden. werden häufig zwei getrennte Gruben einer großen Grube vorgezogen. Die maximalen Abmessungen liegen bei ca. 5 m Seitenlänge. Wie Pumpensümpfe werden auch Gruben für Stoffe der WGK 2 und 3 meist beschichtet oder ausgekleidet. Bei Rinnen und Flächen, die in Gruben einmünden, sind die dadurch entstehenden Bewe- gungsfugen zu planen, was häufig nicht geschieht. Als letzte Möglichkeit bietet sich dann auch hier häufig nur eine Abdichtung mit Fugendichtstoffen.

Abb. 8: Kastenrinne aus Fertigteilen (Fugen noch offen)

67 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Die einzige in der Bauregelliste (BRL) geregelte Bauart zur Abdichtung von Arbeits- und Bewe- gungsfugen ist die mit Fugenblechen. Fugenbleche können in den verschiedensten Anschlüssen zur Anwendung kommen. In Abb. 13 ist eine Lösungsmöglichkeit mit Fugenblechen dargestellt.

Abb. 9: Pumpensumpf mit Blechauskleidung 3.5 Bewegungsfugen Am häufigsten werden Bewegungsfugen mit Fugen- dichtstoffen abgedichtet. Dies ist für den Planer die einfachste und den Bauherrn anfänglich die kosten- günstigste Lösung. In Verbindung mit einer abZ besteht für diese Fugenkonstruktionen eine behörd- liche Anerkennung. In Verbindung mit Betonfertig- Abb. 11: Fugenabdichtungen mit Fugenblechen teilherstellern sind so z.B. für Tankstellen „Abdich- tungssysteme“ entwickelt worden, die ohne weitere Nachweise seitens der Behörden als dicht anerkannt 4 Literatur werden. [1] Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts Im Rahmen der Erteilung einer abZ wird zwar (Wasserhaushaltsgesetz – WHG); Juli 2009 geprüft und nachgewiesen, dass die Umläufigkeit einer solchen Fugenabdichtung nicht zu befürchten [2] Rheinland-Pfalz - Landesverordnung über ist, eigene Erfahrungen mit derartigen Fugen lassen Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden jedoch die Frage aufkommen, ob sowohl die Her- Stoffen und über Fachbetriebe (Anlagenverordnung stellungstoleranzen als auch die nicht vorhandene – VAwS) Vom 1. Februar 1996, zuletzt geändert am Redundanz des Systems entsprechend gewürdigt 14. Juli 2015 wurden. [3] DIN EN 1504-5:2013-06: Produkte und Syste- me für den Schutz und die Instandsetzung von Be- tontragwerken – Definitionen, Anforderungen, Qua- litätsüberwachung und Beurteilung der Konformität – Teil 5: Injektion von Betonbauteilen

[4] Richtlinie zur Bemessung von Löschwasser- Rückhalteanlagen beim Lagern wassergefährdender Stoffe (LöRüRl), Fassung August 1992

[5] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Richtlinie für Betonbau beim Umgang mit wasserge- fährdenden Stoffen, Teile 1 und 2, Beuth, September Abb. 10: Abgerissene Fugenflanken 1992

Eine bessere weil sicherere Möglichkeit der Fugen- [6] DAfStB: Richtlinie für Betonbau beim Umgang abdichtung ist die mit Fugenbändern. Aufgrund mit wassergefährdenden Stoffen, Teile 1 bis 3, ihrer einfachen Handhabung und ihrem sicheren Beuth, August 2004 Abdichtungsmechanismus (Labyrinthsystem) hat sich dieses Fugenabdichtungsystem bewährt. [7] DAfStB: Richtlinie Betonbau beim Umgang mit Fugenbänder haben als nicht geregelte Bauprodukte wassergefährdenden Stoffen (BUmwS), Teile 1 bis 3, ebenfalls eine abZ vorzuweisen. Beuth, März 2011

68 Konstruktive Lösungen für den Umgang mit Risikostoffen

[8] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): DAfStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie), Okto- ber 2001, zuletzt geändert Dezember 2005

[9] DWA-Regelwerk: Technische Regel wasserge- fährdender Stoffe (TRwS) – Allgemeine Technische Regelungen. DWA-A 779, April 2006

[10] DWA-Regelwerk: Technische Regel wasserge- fährdender Stoffe (TRwS) – Ausführung von Dichtflä- chen. DWA-A 786, Oktober 2005 [11] DWA-Regelwerk: Technische Regel wasserge- fährdender Stoffe (TRwS) – Abwasseranlagen als Auffangvorrichtungen. DWA-A 787, Juli 2009

[12] DWA-Regelwerk: Technische Regel wasserge- fährdender Stoffe (TRwS) – Flachbodentanks aus metallischen Werkstoffen zur Lagerung wasserge- fährdender Flüssigkeiten. DWA-A 788, Mai 2007 [13] J.-D. Wörner, H.-W. Nordhues: Untersuchungen zur Dimensionierung und Bemessung von Betonbo- denplatten im Tankstellenbereich, DGMK- Forschungsbericht 478, Hamburg 1993

Autor Prof. Dr.-Ing. Hans-Werner Nordhues wörner nordhues engineering GmbH Gräfenhäuser Straße 36 64293 Darmstadt

Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton?

Harald S. Müller und Nico Herrmann

Zusammenfassung Im Zuge der Erstellung eines sicheren und zukunftsfähigen Zwischen- und Endlagerkonzeptes für radioaktive Ab- fälle wurde die seit Jahrzehnten allein favorisierte Lösung einer Endlagerung durch Verbringung in Salzstöcke im Laufe der jüngeren Vergangenheit in Frage gestellt. Die Suche nach dem optimalen Endlager wurde auch für die Verbringung in tonhaltige und kristalline Gesteine sowie für andere Lösungsansätze wieder offen gehalten. Eine zentrale Forderung der aktuellen Konzepte ist die Rückholbarkeit der nuklearen Abfälle aus dem Endlager, um es späteren Generationen zu ermöglichen, ggf. mit Hilfe neuer Technologien ein verbessertes Vorgehen in Angriff nehmen zu können.

In der Frage der Zwischenlagerung radioaktiver Abfälle ergibt sich eine zusätzliche Motivation für neue Herange- hensweisen. Grund hierfür ist die Tatsache, dass teilweise bereits in den 2030er-Jahren Betriebsgenehmigungen für bestehende Zwischenlager auslaufen und damit die Errichtung neuer Zwischenlager an den zu diesem Zeit- punkt noch nicht nutzbaren Endlagerstandorten mit großer Wahrscheinlichkeit erforderlich sein wird. Diese neuen Zwischenlager werden oberirdisch oder zumindest oberflächennah angeordnet sein und müssen alle Anforderun- gen des Umgebungsschutzes insbesondere auch gegen terroristische Anschläge und Naturkatastrophen erfüllen. Die genannten Randbedingungen werfen neue von der Wissenschaft zu beantwortende Fragen auf. Diese umfassen das Baukonzept selbst, die Wechselwirkung zwischen den geologischen Bedingungen und den einzusetzenden Materialien sowie natürlich die mechanische Widerstandsfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Bauwerke. Gerade die nunmehr neu zu berücksichtigenden Gesteinsformationen bedingen die Verwendung modernster Betone sowie neuer Bewehrungsmaterialien und -konzepte. Im vorliegenden Beitrag sollen neue Wege zur Lösung der essentiellen und generationenübergreifenden Aufgabe mit Hilfe von Beton aufgezeigt werden. Es geht vor allem darum, Denkanstöße zu geben und Lösungsperspektiven, die naturgemäß noch keine fertigen und baureifen Konzepte sein können, der Fachwelt zur Diskussion vorzulegen.

1 Allgemeines Da durch die genannten Randbedingungen die End- lagersuche sowie die Ausgestaltung der Lagerstätten Bei der Suche nach einem sicheren und zukunftsfähi- wieder vollkommen offen sind, wird dies sehr wahr- gen Zwischen- und Endlagerkonzept für radioaktive scheinlich auch Auswirkungen auf die Bewertung und Abfälle wurde die seit Jahrzehnten favorisierte Auslegung der Zwischenlager haben. Lösung einer Endlagerung durch Verbringung in Salzstöcke im Laufe der jüngeren Vergangenheit 2 Zwischenlager insofern in Frage gestellt, als dass die Suche nach dem optimalen Endlager auch wieder für andere 2.1 Ausgangssituation Lösungsansätze offen gehalten wurde. Dies ist veran- Durch die Entscheidung der Bundesregierung, den kert im Abschlussbericht der Kommission für die Ausstieg aus der Kernenergie bis Ende 2022 zu voll- Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe „Verantwor- ziehen, ergibt sich der Zeitdruck, die Frage der Lage- tung für die Zukunft – ein faires und transparentes rung von schwach und hoch radioaktiven Abfällen Verfahren für die Auswahl eines nationalen Endlager- sehr schnell zu lösen. Da durch die neuen Optionen standortes“ (Juli 2016) [1]. bei der Endlagerfindung eine Lösung bis zum Auslau- Hierbei wird auch weiterhin den geologischen fen der ersten Betriebsgenehmigungen für beste- Fragestellungen höchste Priorität eingeräumt, jedoch hende Zwischenlager in den 2030er-Jahren eher bietet sich auch die Möglichkeit, über erweiterte oder unwahrscheinlich scheint, müssen entweder diese ganz andere Lösungsperspektiven, z. B. mit Hilfe Genehmigungen verlängert oder neue Zwischenlager moderner Betone und Bausysteme, nachzudenken. errichtet werden.

71 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Das Baukonzept für neue Zwischenlager muss natur- Die Nutzung der Fertigteilbauweise bringt einige gemäß höchsten Anforderungen an die Integrität der erhebliche Vorteile mit sich: Struktur genügen. Hierzu müssen zeitgemäße Last- annahmen hinsichtlich außergewöhnlicher Lasten . Die Vorfertigung verkürzt die Bauzeit erheblich (z. B. im Hinblick auf Anprall, Explosion, Erdbeben, …) und vermeidet lange Standzeiten „halbfertiger“ berücksichtigt werden. Strukturen . Anforderungsgerechte Verwendung verschiede- 2.2 Lösungsansätze für mögliche neue ner Betone; Gradientenbetone sowie „Zonenbe- Zwischenlager wehrung“ leicht und sicher realisierbar Die oben aufgezeigten Anforderungen an Zwischen- . Systembaukonzept erleichtert jegliche Art von lager ließen sich bei Neubauten mit oberirdischen Erweiterung und Rückbau und oberflächennahen Bauweisen realisieren. Die . Qualitätssicherung im Werk sehr viel besser ge- technologischen Grundansätze sind bekannt und las- währleistet als beim Bau mit Ortbeton sen sich wie folgt zusammenfassen: . Nur Bauteile mit Zertifikat kommen auf die Bau- stelle . Nutzung von Fertigteilen  kein Rückbau bei Materialfehlern notwendig  leichte Erweiterung bzw. Rückbaubarkeit der Strukturen Die folgende Abb. 1 zeigt das Prinzip einer möglichen . Einsatz von ultrahochfestem Beton (UHPC) Ausgestaltung eines Zwischenlagermoduls, dessen  höheres Sicherheitsniveau Größe im vorliegenden Beispiel auf eine Einzelkapa- . Verwendung innovative Bewehrungs- und zität von vier CASTOR-Behältern ausgelegt wurde. Verbindungstechnik  hohe Dauerhaftigkeit

a) b)

Abb. 1: Prinzipskizze eines Zwischenlagermoduls: a) Elemente des Moduls (Bauzustände) b) geschlossenes Modul (Endzustand)

Auf die genaue Ausarbeitung und Darstellung von sehr gut carbon- oder glasfaserbasierte Systeme vor- Details wie beispielsweise Öffnungen, externe stellen, die eine exzellente Performance hinsichtlich Anschlagpunkte sowie Fugen- und Verbindungsele- der Dauerhaftigkeit zeigen. mente wurde an dieser Stelle verzichtet. Bei den Fugen- bzw. Dichtsystemen müssen Hinsichtlich der Verbindungen sollten nichtmetal- spezielle Geometrien geplant und der Einsatz innova- lische, korrosionsresistente Systeme eingesetzt wer- tiver, extrem dauerhafter Materialien vorgesehen den. Hierbei kommt der Anwendung neuer Materia- werden. Geeignete Systeme lassen sich ausgehend lien eine große Bedeutung zu. Man könnte sich hier vom Stand der Technik entwickeln.

72 Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton?

Die Fertigteile selbst könnten aus einem UHPC beste- bereits erprobte Materialentwicklungen berücksichti- hen. Durch erfolgreiche Forschungs- und Entwick- gen. So gibt es beispielsweise hervorragende und lungsarbeiten der vergangenen Jahre konnten bei vielversprechende Werkstoffe auf Carbon- und Glas- UHPC große Erfolge hinsichtlich deren Verarbeitbar- faserbasis. Eine Carbonbewehrung neuester Genera- keit im Fertigteilwerk erzielt werden, so dass Festig- tion geht mit Beton einen sehr guten Verbund ein keiten von mehr als 200 MPa zielsicher erreichbar und besitzt Festigkeiten, die etwa das Sechsfache von sind und sogar deutlich übertroffen werden können. Stahl betragen, dabei aber nur ein Viertel an dessen Diese Betone zeigen zudem ein optimiertes Kriech- Masse mitbringen. und Schwindverhalten, was die Auslegung für Lang- Die Einzelmodule für das Zwischenlager gemäß zeitanwendungen vereinfacht. Abb. 1 sind kombinierbar und damit ausbaubar zu ei- Das Dauerhaftigkeitspotenzial gegenüber chemi- nem gesamten Zwischenlager. Hierzu wird eine mas- schen Angriffen ist um ein Vielfaches höher als bei sive Bodenplatte erstellt, auf der die Einzelmodule Normalbetonen. Ein Karbonatisierungsfortschritt ist platziert und verankert werden. Sieht man eine ent- kaum messbar, würde aber letztlich auch keine Rolle sprechend geeignete Verankerung der CASTOR-Be- spielen, da eine nicht-metallische Bewehrung vorge- hälter im Innern der Module vor, so besteht auch die sehen ist. Wissenschaftliche Untersuchungen bele- Möglichkeit, die bestückten Einzelmodule als Ganzes gen auch, dass selbst extreme Frostbeanspruchungen mit entsprechenden Kränen zu bewegen und anzu- die Integrität von UHPC nicht beeinträchtigen. ordnen. Eine mögliche Anordnung von mehreren Ein- Diese vorangehend genannten erhöhten Wider- zelmodulen und deren Zusammenfassung zu einem stände von UHPC gegenüber verschiedenen Einwir- Gesamtzwischenlager zeigt die folgende Abb. 2. kungen liegen vor allem in der geringen Porosität Um einen zusätzlichen Schutz gegen Anpralllas- dieser Betone begründet. Eine Betrachtung der Häu- ten (Flugzeugabsturz) zu gewährleisten, kann das figkeitsverteilung der Poren zeigt, dass diese im Zwischenlager auch oberflächennah ins Erdreich ein- UHPC etwa zehnfach feiner sind als in Normalbeto- gebettet werden. Dies gewährleistet trotz der Über- nen. Auch das Gesamtporenvolumen des UHPC ist deckung eine leichte Zugänglichkeit bei späteren signifikant kleiner als das Porenvolumens von her- Maßnahmen oder nötigen Eingriffen. Das Prinzip der kömmlichen Betonen. Einbettung ist in der Abb. 3 schematisch dargestellt, Hinsichtlich der Bewehrung der einzusetzenden die das Zwischenlager unter dem transparent darge- Fertigteile sollte man ebenfalls neue, durchaus aber stellten Erdhügel zeigt.

Abb. 2: Aus mehreren Modulen bestehendes Zwischenlager auf einer massiven Bodenplatte

Abb. 3: Oberflächennahe Einbettung des Zwischenlagers ins Erdreich

73 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

3 Endlager neuer Technologien eine wie auch immer geartete Ri- sikominimierung herbeizuführen. Diese Randbedin- 3.1 Ausgangssituation gung stellt bei einem unterirdischen Endlager ebenso Durch die Entscheidung der Bundesregierung, den wie die Dauerhaftigkeit und Korrosionsbeständigkeit Ausstieg aus der Kernenergie bis zum Ende des Jah- eine große Herausforderung dar. res 2022 zu vollziehen, ergibt sich Zeitdruck hinsichtlich der langfristigen Lagerung von schwach und 3.2 Varianten für mögliche Endlager hoch aktiven Stoffen. Das neue Endlagersuchkonzept Aus der oben beschriebenen Ausgangssituation priorisiert auch weiterhin eine Tiefenlagerung, eröff- ergeben sich zwei neue mögliche Varianten für das net aber auch Alternativen. Statt nur Salzstöcke wer- Konzept eines Endlagers. Diese beiden neuen Varian- den auch andere Gesteinsarten in die Überlegungen ten bestehen einerseits in einer Tiefenlagerung in den einbezogen, z. B. tonhaltige und kristalline Gesteine. nun auch in Erwägung gezogenen tonhaltigen und Eine zentrale Forderung des neuen Konzeptes ist die kristallinen Gesteinen und andererseits in der Mög- Sicherstellung der Rückholbarkeit der Abfälle, um es lichkeit eines Verzichts auf die Tiefenlagerung (siehe späteren Generationen zu ermöglichen, mit Hilfe Abb. 4), was komplett neue Denkansätze erfordert.

Abb. 4: Mögliche Endlagervarianten entsprechend dem neuen Konzept der Endlagerfindungskommission [1]

3.3 Tiefenlagerung in tonhaltigen Gesteinen was den Einsatz spezieller Zemente erforderlich ma- Bei dieser möglichen Endlagervariante müssen einige chen würde. Damit einhergehen würde die Reduktion grundsätzliche Überlegungen angestellt werden, die des Korrosionsschutzes einer etwaigen Stahlbeweh- zu Fragestellungen führen, die bisher kaum erforscht rung. Dem könnte man nur entweder durch ein auf- sind und deren kritischen Einflüsse dadurch noch wändiges Bauwerksdesign (überwiegend nur druck- nicht abschließend bewertet werden können. belastete Bauteile) oder wiederum durch alternative Da tonhaltige Gesteine nicht über die Stabilität Bewehrungslösungen entgegenwirken. von Salzstöcken verfügen, müssten hier Untertage- 3.4 Oberirdische Endlager bauwerke aus Beton errichtet werden. Dies käme Neue Konzeptionen für Endlager sollten auch die dem Vorhaben eines „tiefen Tunnelbaus“ gleich. Variante eines Verzichts auf die Tiefenlagerung in Dabei wird es naturgemäß Kontaktzonen zwischen Erwägung ziehen. Hierzu sollen im Folgenden einige Beton und Gestein geben, wobei die Langzeit-Wech- Denkansätze skizziert werden, die unter Verwendung selwirkung beider Materialien bisher wenig unter- modernster Betontechnologie und Betonbautechnik sucht wurde und damit schwer einzuschätzen ist. realisierbar wären. Das positive Verhalten der tonhaltigen Gesteine, Mit Hilfe geeigneter Lastannahmen, aktuellem das sich in deren Selbstheilungspotential durch Planungswissen und der Verwendung modernster Quellvorgänge zeigt, kann durch den hohen pH-Wert Materialien können sowohl geologischen Tiefenlager des angrenzenden Betons (>12) abgeschwächt wer- als auch oberirdische Lagerstätten sicher vor mensch- den [2]. Es findet damit eine Auslaugung in den lichen kriegerischen und terroristischen Handlungen Grenzbereichen statt. Man müsste also den pH-Wert sowie vor Flugzeugabstürzen ausgelegt werden. des Betons durch gezielte Maßnahmen verringern,

74 Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton?

Die positiven Aspekte einer solchen oberirdischen ähnlicher Form wie bei den Einzelmodulen eine zu- Lösung sind offensichtlich: sätzliche massive Einhausung aus UHPC-Fertigteilen ergänzt, die für einen sicheren Einschluss sorgt. Hier- . Eine einfache und kostengünstige Erstellung ist bei müssen wiederum entsprechende Technologien an beliebigen Orten möglich (unter Berücksichti- für die Fugen- und Verbindungsausbildungen einge- gung des gesellschaftlichen und politischen Wi- setzt werden, da ggf. die sehr massiven Bauteile aus derstands) Teilelementen bestehen müssen (siehe Abb. 6). . Die Forderung der Rückholbarkeit ist leicht zu Im letzten Arbeitsschritt kann auch hier eine erfüllen künstliche Erdüberdeckung aufgeschüttet werden, . Neue Zwischenlager könnten zu Endlagern aus- die es trotz ihrer Schutzwirkung leicht ermöglicht, die gebaut werden Abfälle zurückzuholen, sofern neue Technologien zur weiteren Behandlung der radioaktiven Restmateria- Sollten Zweifel an der Sicherheit einer oberirdischen lien zur Verfügung stehen (siehe Abb. 7). Lösung bestehen, muss sich die Gesellschaft fragen, Denkbar wäre auch, das Endlager in einer offenen ob man dann jemals kerntechnische Anlagen und Baugrube, zum Beispiel 50-100 m tief, anzulegen und Zwischenlager an der Oberfläche hätte bauen dürfen. nach seiner Fertigstellung einen oberirdischen Gelän- Wenn man bestehende Anlagen als sicher einschätzt, deausgleich vorzunehmen. Für alle Zwischen- und warum sollte dann eine Endlagerung nicht auch ober- Endlager gilt, dass ein geeignetes System des Moni- irdisch erfolgen können? torings sowie der Überwachung und Kontrolle entwi- Als Beispiel für die Ausbaubarkeit eines nach dem ckelt werden muss. oben vorgestellten Konzept errichteten Zwischenla- Die Umsetzung des aufgezeigten Endlagerkon- gers zeigt Abb. 5 die Erweiterung der modularen Zwi- zepts fordert natürlich gezielte Forschungs- und Ent- schenlagerstruktur durch zusätzliche Geschosse, die wicklungsarbeiten, um den heutigen Kenntnisstand auch die Aufnahme schwach aktiver Abfälle ermögli- zu neuen Materialien und Verbundsystemen zu chen. Nach der Bestückung der Zusatzflächen mit erweitern bzw. weiter abzusichern und gänzlich neue den Behältern für die schwach aktiven Abfälle wird in robuste Konzepte zu entwickeln.

Abb. 5: Erweiterung des Zwischenlagers für schwachaktive Abfälle hinsichtlich des Ausbaus zum Endlager

Abb. 6: Zusätzliches Einschlussbauwerk für das Endlager unter Verwendung von Fertigteilen

75 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung

Abb. 7: Oberflächennahe Einbettung des geschlossenen Endlagers ins Erdreich

4 Zusammenfassung schutzes insbesondere auch bei Anpralllasten (Flug- zeugabsturz), terroristischen Anschlägen und Natur- Eine zentrale Forderung des neuen Endlagerkonzep- katastrophen erfüllen. Hierfür kommen nur extrem tes des Abschlussberichtes der Kommission Lagerung widerstandsfähige Strukturen z. B. aus hochduktilem hoch radioaktiver Abfallstoffe „Verantwortung für die UHPC in Frage. Dieser neue, aber inzwischen hinrei- Zukunft – ein faires und transparentes Verfahren für chend gut erforschte Baustoff erfüllt hinsichtlich Fes- die Auswahl eines nationalen Endlagerstandortes“ ist tigkeit, Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit die für die Rückholbarkeit der nuklearen Abfälle aus dem solche Konstruktionen unabdingbaren Anforderun- Endlager, um späteren Generationen das weitere gen. Vorgehen bzw. eine Risikominimierung mit Hilfe Die so erstellten Zwischenlager könnten bei neuer Technologien zu ermöglichen. einem Verzicht auf die unterirdische Endlagerung zu Um diese Forderung zu erfüllen, böte sich die dauerhaften Lagerstätten ausgebaut werden, die den Erstellung von Zwischen- und Endlagerstrukturen in Anforderungen sowohl an die Sicherheit als auch an Fertigteilbauweise als gute Lösung an. Nach der Fest- die Rückholbarkeit genügen würden. Einige baube- legung der zu berücksichtigenden Einwirkungen ent- triebliche Fragestellungen zu diesen speziellen Struk- sprechend neuesten wissenschaftlichen Erkenntnis- turen müssten noch geklärt werden, um in jedem sen könnten die bemessungsrelevanten Kennwerte Bauzustand die erforderliche Sicherheit zu gewähr- ermittelt und die entsprechenden Nachweisformate leisten. hergeleitet werden. Weitere Fragestellungen betref- Für jede Art der Zwischen- oder Endlagerung gilt, fen insbesondere die Optimierung der Verbindungs- dass geeignete Monitoring sowie Kontroll- und Über- technik des Fertigteilsystems sowie die Planung und wachungssysteme entwickelt werden müssen. die baubetriebliche Realisierung dieses erweiterten Endlagerkonzeptes. 5 Literatur Im Bereich der Zwischenlagerung radioaktiver Abfälle ergibt sich ebenfalls eine Motivation für neue [1] Abschlussbericht der Kommission Lagerung Herangehensweisen. Grund hierfür ist die Tatsache, hoch radioaktiver Abfallstoffe „Verantwortung für die dass bereits in den 2030er-Jahren die ersten Geneh- Zukunft – ein faires und transparentes Verfahren für migungen für bestehende Zwischenlager auslaufen die Auswahl eines nationalen Endlagerstandortes“; K- werden und damit die Errichtung neuer Zwischenla- Drs. 268; Juli 2016 ger, möglicherweise an den zu diesem Zeitpunkt noch nicht nutzbaren Endlagerstandorten, erforder- [2] Bradbury, M.H.; Bayens, B.: Project Opalinus lich sein könnte. Clay: Sorption Data BAses for Opalinus Clay Influ- Diese neuen Zwischenlager werden mit großer Si- enced by a High pH Plume; National Cooperative for cherheit oberirdisch oder zumindest oberflächennah, the Disposal of Radioactive Waste, Technical Report das heißt nur wenig tief im Erdreich, angeordnet sein. 03-12, Paul Scherrer Institut; Villigen PSI; Switzerland, Sie müssen alle Anforderungen des Umgebungs- November 2004

76 Atomare Zwischen- und Endlagerung – eine Lösungsperspektive mit Beton?

Autoren Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Gotthard-Franz-Str. 3 76131 Karlsruhe

Dr.-Ing. Nico Herrmann Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Karlsruhe Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Gotthard-Franz-Str. 3 76131 Karlsruhe

Programm des Symposiums 16. März 2017, Großer Hörsaal Bauingenieurwesen, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Begrüßung Brand

9:00 Uhr Anmeldung | Kaffee 13:30 Uhr Betontechnologische Maßnahmen gegen Brandeinwirkungen 9:30 Uhr Begrüßung | Moderation Prof. Dr.-Ing. Frank Dehn Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller Universität Leipzig Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

14:00 Uhr Brandschutz – baupraktische Dipl.-Ing. Eckhard Bohlmann Anwendungen Verband Deutscher Betoningenieure e. V. Dr.-Ing. Hubert Bachmann

Ed. Züblin AG Dipl. Wirtsch.-Ing. Ulrich Nolting InformationsZentrum Beton GmbH 14:30 Uhr Kaffeepause Einführung Risiken Risikostoffe 9:45 Uhr Von Risiko zu Resilienz – Aktuelle Themen der Sicherheitsforschung 15:00 Uhr Betonangriff durch chemische Prof. Dr. Klaus Thoma Risikostoffe Institutsleiter im Ruhestand Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Middendorf Fraunhofer Ernst-Mach-Institut Universität Kassel

10:15 Uhr Schutzmechanismen von Beton – ein Überblick 15:30 Uhr Konstruktive Lösungen für den Dr.-Ing. Diethelm Bosold Umgang mit Risikostoffen InformationsZentrum Beton GmbH Prof. Dr.-Ing. Hans-Werner Nordhues wörner nordhues engineering GmbH 10:45 Uhr Kaffeepause

16:00 Uhr Atomare Zwischen- und Endlagerung – Explosion eine Lösungsperspektive mit Beton? Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller 11:15 Uhr Betoneigenschaften gegen hochdynamische Einwirkungen Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Technische Universität Dresden 16:30 Uhr Zusammenfassung | Schlusswort

Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller 11:45 Uhr Konstruktive Aspekte zur Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Verminderung von Explosionsschäden Prof. Dr.-Ing. Manfred Keuser Dipl. Wirtsch.-Ing. Ulrich Nolting Universität der Bundeswehr München InformationsZentrum Beton GmbH

12:15 Uhr Mittagspause 16:35 Uhr Umtrunk | Imbiss

Autorenverzeichnis 13. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung „Sicherheit durch Beton – Schutz vor Explosion, Brand und Risikostoffen“

Dr.-Ing. Hubert Bachmann Ed. Züblin AG, Albstadweg 3, 70567 Stuttgart

Dr.-Ing. Diethelm Bosold InformationsZentrum Beton, Neustraße 1, 59269 Beckum

M.Sc. Iurie Curosu Institut für Baustoffe, Technische Universität Dresden, Georg-Schumann-Straße 7, 01187 Dresden

Prof. Dr.-Ing. Frank Dehn Institut für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft, Universität Leipzig, Scharnhorststraße 20, 04275 Leipzig

Dipl.-Chem. Martina Götze Institut für Baustoffe, Technische Universität Dresden, Georg-Schumann-Straße 7, 01187 Dresden

Dr.-Ing. Nico Herrmann Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Karlsruhe, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Gotthard-Franz-Str. 3, 76131 Karlsruhe

Prof. Dr.-Ing. Manfred Keuser Institut für Konstruktiver Ingenieurbau, Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenerg-Weg 39, 85577 Neubiberg

Dr. rer. nat. Andreas König Institut für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft, Universität Leipzig, Scharnhorststraße 20, 04275 Leipzig

Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechterine Institut für Baustoffe, Technische Universität Dresden, Georg-Schumann-Straße 7, 01187 Dresden

Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Middendorf Institut für konstruktiven Ingenieurbau, Universität Kassel, Mönchebergstraße 7, 34125 Kassel

Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Gotthard-Franz-Str. 3, 76131 Karlsruhe

Prof. Dr.-Ing. Hans-Werner Nordhues wörner nordhues engineering GmbH, Gräfenhäuser Straße 36, 64293 Darmstadt

M.Sc. Stefanie Thalheim Institut für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft, Universität Leipzig, Scharnhorststraße 20, 04275 Leipzig

Prof. Dr. Klaus Thoma Institutsleiter im Ruhestand, Fraunhofer Ernst-Mach-Institut, Eckerstrasse 4, 79104 Freiburg

M.Sc. Tobias Zircher Institut für Konstruktiver Ingenieurbau, Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenerg-Weg 39, 85577 Neubiberg

Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Themen vergangener Symposien (2004-2016)

1. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Instandsetzung bedeutsamer Betonbauten der Moderne in Deutschland Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Vogel, M. Haist ISBN 978-86644-098-2

2. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Sichtbeton – Planen, Herstellen, Beurteilen Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist ISBN 3-937300-43-0

3. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Innovationen in der Betonbautechnik Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist ISBN 3-86644-008-1

4. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Industrieböden aus Beton Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist ISBN 978-3-86644-120-0

5. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Betonbauwerke im Untergrund – Infrastruktur für die Zukunft Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist ISBN 978-3-86644-214-6

6. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Dauerhafter Beton – Grundlagen, Planung und Ausführung bei Frost- und Frost- Taumittel-Beanspruchung Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist ISBN 978-3-86644-341-9

7. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Beherrschung von Rissen in Beton Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist ISBN 978-3-86644-487-4

bitte wenden

8. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Schutz und Widerstand durch Betonbauwerke bei chemischen Angriff Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist ISBN 978-3-86644-654-0

9. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Nachhaltiger Beton – Werkstoff, Konstruktion und Nutzung Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist, M. Kromer ISBN 978-3-86644-820-9

10. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Gestalteter Beton – Konstruieren in Einklang von Form und Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist, M. Kromer ISBN 978-3- 73150-179-4

11. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Betonverformungen beherrschen – Grundlagen für schadensfreie Bauwerke Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist, M. Kromer ISBN 978-3-7315-0343-9

12. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Bauwerkserhaltung – Instandsetzung im Beton- und Stahlbetonbau Hrsg. H. S. Müller, U. Nolting, M. Haist ISBN 978-3-7315-0474-0

Alle Bände sind kostenfrei als Download bei KIT Scientific Publishing (http://www.ksp.kit.edu) oder für einen Unkostenbeitrag im Buchhandel erhältlich

MB KARLSRUHE

Die gesellschaftlichen Diskussionen sind regelmäßig von den Ansprüchen und den Verlangen nach Sicherheit und Schutz geprägt. Offensichtlichen aber auch nur vermuteten Risiken begegnen wir daher mit Präventivmaßnahmen. Neben erkenn- baren gefahrenabwehrenden Maßnahmen sind bereits viele weniger sichtbare bis unsichtbare Vorkehrungen beispielsweise in der Infrastruktur und im Baubestand integriert. Hierbei werden die Sicherheit des Bauwerks sowie der Schutz der Um- welt durch eine geeignete Baustoffauswahl angestrebt. Der Werkstoff Beton weist vielfältig nutzbare Eigenschaften auf und besitzt folglich eine hohe Einsatzmög- lichkeit als schützender Baustoff. Mit Blick auf die sich verändernden Gefahren gilt es die bestehenden Schutzmechanismen von Beton zu optimieren, anzupassen und weiterzuentwickeln. Der vorliegende Tagungsband wird mit einem weitläufigen Blick über das Thema Risikomanagement eröffnet. Darauf aufbauend werden die Schutzmechanismen des Baustoffs Beton gegen verschiedene Angriffsarten eingehend erläutert. Der erste Themenblock widmet sich dem Szenario Explosion und befasst sich mit den Auswirkungen der dynamischen und hochdynamischen Einwirkungen auf Beton-

bauteile. Die Widerstandsfähigkeit des Betons gegenüber Brandbeanspruchung Sicherheit durch Beton und die baulichen Aspekte des Brandschutzes werden im zweiten Themenblock diskutiert. Das dritte Gefährdungspotenzial stellen chemische Risikostoffe dar. Die Widerstandsmöglichkeiten und die erforderlichen baulichen Ausführungen werden hierzu thematisiert. Die renommierten Referenten stellen neben den geeigneten betontechnologischen Optimierungen auch konstruktive Ausführungen der jeweiligen Gefährdungslagen anhand von praxisnahen Beispielen vor. (Hrsg.)

INK g | L | tin g

www.betoninstitut.de ISBN 978-3-7315-0629-4 www.beton.org Nol | Müller www.betoningenieure.de

ISBN 978-3-7315-0629-4 9 783731 506294 G edruckt auf FSC-zertifiziertem Papier