Nachhaltige Fuß- und Radwegbrücken aus vorgespanntem Carbonbeton (CPC)

Einführung

CPC steht für Carbon Prestressed Concrete. Inhaltlich aber steht CPC für ressourcenschonende und klimafreundliche Betonbauteile. Denn statt wie gewöhnlich mit Stahl wird der Beton von CPC-Elementen ausschließlich mit vorgespannten Carbonfasern bewehrt, wodurch sehr schlanke Bauteile realisiert werden können. Seit November 2021 verfügen die CPC-Betonelemente über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ) beim Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt): abZ Nr. Z-71.3-42 [1]. In der Zulassung ist eine komplette statische Bemessung der CPC-Betonplatten enthalten. Damit lassen sich verschiedene Bauteile wie Treppenstufen, Beläge, Balkonplatten und Außenwandbekleidungen individuell produzieren. Vor allem als Brückenbeläge und für ganze CPC-Modulbrücken werden die CPC-Elemente verwendet.

Herstellung und Materialkennwerte der CPC-Elemente

Die CPC-Großplatten werden seit Sommer 2022 in einem dafür umgebauten Betonfertigteilwerk der Holcim (Deutschland) GmbH in Deutschland produziert. Die Elemente können laut Zulassung in Dicken zwischen 20 mm und 70 mm hergestellt werden. Derzeit werden sie in den Stärken 40 mm und 69 mm produziert.

Die Carbonbewehrung besteht aus ca. 1,0 mm dünnen, mit einer Matrix getränkten Carbonrovings. Diese sind vollständig gestreckt und orthogonal über die gesamte Platte mit einem konstanten Bewehrungsgehalt je Richtung angeordnet. Der Achsabstand in einer Lage beträgt im Mittel 15 mm und die Mindestbetondeckung zur Verbundsicherung cmin beträgt 5 mm. Die Fertigungsgröße der CPC-Platten beträgt 17,0 × 3,5 m.

Die wichtigsten Materialkennwerte der Bewehrung sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Der verwendete selbstverdichtende Beton weist ein Größtkorn von 5 mm auf. Die wichtigsten Materialeigenschaften des Betons sind in Tabelle 2 aufgelistet.

Die Bauteile aus den CPC-Elementen dürfen im Innen- und Außenbereich in den Expositionsklassen X0, XC1 bis XC4, XF4, XD3, XS3 sowie XM2 ausgeführt werden. Die Elemente erfüllen die Anforderungen an das Brandverhalten von Baustoffen der Klasse A2 nach DIN 4102-1 [2] (nicht brennbar). Sie garantieren über eine Lebensdauer von 100 Jahren eine hohe Verkehrssicherheit durch die Rutschhemmklasse R 13 und sind sehr dauerhaft durch die hohe Frost-Tausalz- und Verschleißbeständigkeit.

Beispiele aus der Praxis

Brückenbeläge aus CPC-Bohlen

CPC-Elemente als Bohlen werden oft als Brückenbeläge für den Neubau oder für die Sanierung von Fuß- und Radwegbrücken eingesetzt. Sie sind ideal als Nutzbelag geeignet und schützen die Unterkonstruktion vor Witterungseinflüssen. Am wirtschaftlichsten ist allerdings der Einsatz von möglichst großformatigen CPC-Elementen, da diese am leistungsfähigsten sind, weniger Befestigungen benötigen und der Unterbau durch einen geringeren Fugenanteil am besten geschützt wird. Die Beispiele zeigen die variablen Gestaltungsmöglichkeiten mit CPC. Bei der Sanierung der Brücke in Rhauderfehn wurden die Holzbohlen durch ganze CPC-Platten ersetzt (Abb. 2), für die Brücke in Oldenburg kamen großformatige CPC-Bohlen zum Einsatz (Abb. 3).

Modulbrücken aus Carbonbeton

Seit mittlerweile über zwei Jahrzehnten forscht die Fachgruppe Faserverbundkonstruktionen der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) an Komposit-, Carbon- und Naturfaserbaustoffen. Darauf aufbauend hat sie zusammen mit Industriepartnern in den letzten gut zehn Jahren über 170 Projekte mit CPC umgesetzt.

Ergebnis einer Forschungsarbeit der ZHAW ist auch eine patentierte multifunktionale Kappa-Verbindung, die ausschließlich aus CPC-Elementen und hochfestem Mörtel besteht. Diese innovative Keilverbindung gewährleistet nicht nur eine stabile und dauerhafte Verbindung zwischen den Platten, sondern bewahrt auch alle positiven Eigenschaften des CPC-Materials. Durch mehrere Bauteilversuche und den Bau von Prototypen konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass diese Verbindungsmethode erfolgreich ist und die Verbindung stärker ist als das Grundmaterial [3].

Ein herausragendes Beispiel für die Größe und Leistungsfähigkeit der CPC-Elemente ist die eigens für die Swissbau konzipierte Fußgänger- und Radwegbrücke in Modulbauweise nur aus CPC-Elementen. Mit einer Länge von 17,0 m, einer Breite von knapp 3,0 m (mit einer lichten Weite von 2,5 m) und lediglich 7,0 cm Bauteilstärke demonstriert sie eindrucksvoll das enorme Potenzial dieser fortschrittlichen Bauweise.

Zunächst wurde die Brückenplatte, die in einem Stück mit den Maßen 17 × 3 m gefertigt wurde, mittig in eine leichte Überhöhung von 50 mm gebracht. Die Brüstungselemente (vertikale Bauteile) bestehen je Seite aus drei Bauteilen, aus zwei Randelementen und einem mittig angeordneten „Schlussstein“. Diese Brüstungselemente wurden in die entsprechenden Aussparungen der Brückenplatte eingeführt und sorgfältig ausgerichtet.

Die Verbindungselemente spielen eine entscheidende Rolle für die Stabilität und Festigkeit der Brücke. Erst durch die Verbindung zwischen Brückenplatte und Steg entsteht die Wirkung einer sogenannten Trogbrücke, bei der die Brückenplatte die aus dem globalen Moment entstehenden Zugkräfte übernimmt und die Brüstungen die Druckkräfte. Entscheidend ist dabei die sogenannte Kappa-Verbindung, welche die Kräfte zuverlässig übertragen kann [3]. Zusätzlich fungiert die Brüstung als Geländer. Dieses kann bis zu 1,3 m hoch ausgeführt werden und ist ohne Öffnungen ideal als Radwegbrücke geeignet, da sich das Fahrrad nicht im Geländer verhaken kann. Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser Brücke ist, dass sie vollständig ohne den Einsatz von Stahl realisiert wurde. Dies bietet einen erheblichen Vorteil in Bezug auf den Unterhalt des Bauwerks, da Korrosion und Abplatzungen vermieden werden können. Darüber hinaus erfordert die Brückenoberfläche keine zusätzliche Abdichtung oder Rutschhemmung, was zu einer Reduzierung der Wartungskosten führt.

Überzeugende Argumente für diese Brücke sind der geringe Ressourcenverbrauch und der minimale CO₂-Fußabdruck, die im Vergleich zu konventionellen Brücken deutlich niedriger sind. Darüber hinaus benötigt sie lediglich etwa 30 % der Ressourcen einer Stahlbetonbrücke und weist eine fünfmal höhere Lebenserwartung als eine Holzbrücke auf. Der Einsatz des richtigen Bausystems spielt also eine entscheidende Rolle bei der Schonung der Umwelt.

Die Verwendung einer CPC-Brücke trägt somit maßgeblich zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und zum sparsamen Umgang mit natürlichen Ressourcen bei. Durch die Kombination von Langlebigkeit, geringem Wartungsaufwand und einem umweltfreundlichen Herstellungsprozess setzt diese Brücke einen wichtigen Maßstab für nachhaltige Infrastrukturprojekte.

Auch Unterhaltsfahrzeuge von über 6,0 t können die CPC-Trogbrücke befahren. Mit diesen hohen Punktlasten kann die schlanke Brücke problemlos umgehen. Daneben ist die Brücke für Menschenansammlungen mit einer Last von bis zu 400 kg/m² und einer Geländerlast von 160 kg/m² ausgelegt, was den Vorgaben der SIA-Norm 358 entspricht.

Die Brücke, die ein Eigengewicht von unter 14 t aufweist, ist in der Lage, eine Last von über 17 t zu tragen. Im Vergleich dazu ist eine Stahlbetonbrücke mit ca. 47,5 t mehr als dreimal so schwer.

Um die Leistungsfähigkeit der CPC-Modulbrücken zu überprüfen, wurde eine 17 × 3 m messende Brücke mit minimaler Geländerhöhe an der TU Graz auf Querkraft und Biegung in einem Großversuch geprüft. Die Bruchlast von fast 28 t nach diversen Belastungszyklen hat nicht nur die theoretischen Berechnungen bestätigt, sondern zeigt die hohe Tragfähigkeit dieser Bauweise.

Ausblick

Beim Neubau und in der Instandsetzung von Brückenbauwerken aus Beton wird immer häufiger nichtmetallische Bewehrung verwendet. Eine der leistungsfähigsten nichtmetallischen Bewehrungen ist Carbon, das insbesondere vorgespannt seine Vorteile, wie die hohe Zugfestigkeit, ausspielen kann. Mit den CPC-Elementen stehen für solche Brücken seriell gefertigte Fertigteile mit vorgespannter Carbonbewehrung in sehr geringen Materialstärken zur Verfügung. Dadurch können Bauwerke ertüchtigt oder neu errichtet werden, die einen deutlich reduzierten CO₂-Fußabdruck aufweisen und über eine Lebensdauer von 100 Jahren fast keine Wartungsarbeiten benötigen. In der aktuellen Forschung wird die Einsatzmöglichkeit der Elemente für große Verkehrsbrücken untersucht.