Die Dehnfugen-Instandsetzung zielte darauf ab eine dauerhafte Dehnfuge zu schaffen, die folgende Anforderungen aus der Nutzung erfüllt:

• Im Winter wird Tausalz gestreut und die Fugenoberfläche durch das Schneeräumschild beansprucht,
• Hohe mechanische Beanspruchung durch Lkw-Verkehr (ca. 1.000 to/d) sowie Überfahrten durch Stapler und Schwerlastanhänger mit Vollgummireifen (Traglast von 20 to)
• 3D-Fugenbewegungen mit großen Temperaturdifferenzen zwischen Sommer und Winter (bis max. 60 K Temperaturunterschied, bei Plattenlängen von 9 bis 18 m ergibt sich eine horizontale Breitenänderung der Fuge von 6,5 bis 13 mm)

Diese Dehnfuge aus Flüssigkunststoff weist gegenüber herkömmlichen überfahrbaren Fugenprofile aus nichtrostenden Materialien den Vorteil auf, dass im Falle einer Abnutzung der Versiegelung oder einer lokalen mechanischen Verletzung z. B. durch das Schneeräumerschild die Stelle mit dem Flüssigkunststoff ausgebessert werden und binnen weniger Stunden wieder überfahren werden kann.

Die kunststoffbasierte Systemfuge besteht aus einem dauerelastischen Fugenmaterial und eignet sich besonders für den Einsatz in Industrieböden und Gewerbebereiche mit Stapler- und Schwerlastverkehr. 

Der verwendete Flüssigkunststoff des Fugensystems erzielt nach einer Untergrundvorbereitung und der Verwendung von Haftvermittlern eine ausgezeichnete Haftung auf zahlreichen Untergründen. Die optimalen Dehnungseigenschaften beruhen auf der Rezeptur der verwendeten Fugenmasse und dem Aufbau der Ulbrichfuge. Die dauerelastische Fugenmasse der Ulbrichfuge weist eine hohe Temperaturbeständigkeit auf und ist für den Einsatz von -30°C bis + 90°C ausgelegt. 

Die Herstellung der Ulbrichfuge (siehe Abbildung) hat nach den Vorgaben (Abmessungen, Rundschnur, Kompressionsblock, Trennlage, Fugendichtstoff usw.) und durch den Hersteller/Patentinhaber WIEGRINK® floor solutions GmbH oder durch ein lizensiertes Unternehmen zu erfolgen. 

Der Einbau gemäß den Angaben des Patentinhabers (siehe Skizze) erforderte folgende Arbeitsschritte:

• Einfräsen der Vertiefung inkl. Absaugung,
• Herstellen der Verankerungsschnitte an den Randbereichen der Einfräsvertiefung,
• Randbereiche beidseitig anschleifen (Fase im 45 Grad Winkel ausbilden),
• Geschlossenzellige Rundschnur in Fugenspalt eindrücken,
• Herstellen des Kompressionsblocks,
• Einbau der Trennlage,
• Primern der Betonoberflächen,
• Einbau der Fugenvergussmasse (Flüssigkunststoff) mit leichtem Überstand zur Oberfläche
• Oberflächenbearbeitung durch bündiges Abschleifen 
• Zweilagige Versiegelung (zur Gewährleistung der Rutschfestigkeit bei Nässe wurde nach die erste Versieglung mit feuergetrocknetem Quarzsand 0,1/0,5 mm abgestreut).

Der mit hochfesten Stahlfasern (3,0 Vol.-%) und PP-Fasern (2 kg/m³) versehene UHPC zeichnet sich durch eine sehr hohe Druckfestigkeit (≥ 160 N/mm²), eine hohe Duktilität und extrem hohe Dauerhaftigkeit aus.

Abmessungen Prototyp im 1:1 Maßstab

Die Querschnittsabmessungen (Höhe 420 mm; Breite 320 mm; Flanschdicken 70 mm) sowie die Lage und Anzahl der Spannlitzen wurden von dem Kooperationspartner TU München vorgegeben. Der Träger wurde auf Grundlage der Tragfähigkeit des HEB 300 Stahlträgers (M_el = 550 kNm; M_pl = 627 kNm) mit einem Eigengewicht von 117 kg/lfm bemessen.

Herstellung des Biegeträgers aus faserbewehrtem UHPC

Ein Kooperationspartner aus der Industrie lieferte die Schalung sowie den für die Vorspannung erforderlichen Rahmen nach Augsburg an. Er führte ebenfalls das Ausrichten der Schalung und Spannen der Litzen vor Ort (auf dem Gelände der Hochschule Augsburg) durch. 

Die Vorspannung erfolgte mit 25 Spannlitzen (A = 140 mm²; D = 15,2 mm) im sofortigen Verbund. Hierfür wurde jede Litze mit einer Spannkraft von rd. 20 to  (Spannstahlspannung von 1413 N/mm²) gegen den Stahlrahmen vorgespannt. Zusätzlich wurden in der Zugzone des Biegeträgers (unterer Flansch) 4 weitere spannungsfreie Litzen eingezogen. 

Im Alter von 5 Tagen wurden die Spannlitzen mittels Schneidbrenner getrennt und die Vorspannkraft auf den faserbewehrten UHPC übertragen. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Spannlitzen wurde der gesamte UHPC-Querschnitt mit 61 N/mm² überdrückt. Die am gesondert hergestellten Würfeln ermittelte Druckfestigkeit betrug zu diesem Zeitpunkt 103 N/mm² (Prüfalter 5 d, vor der Wärmebehandlung). Die mittlere Probekörperdichte lag mit 2514 kg/m³ nur etwas unter der Stoffraumdichte der Ausgangsstoffe von 2554 kg/m³, so dass der rechnerische Porengehalt bei lediglich 1,6 Vol.-% lag.

Beim Ablassen der Vorspannung verkürzte sich der 7 m lange Träger um 9 mm. Daraus lassen sich zu diesem Zeitpunkt eine Dehnung (Stauchung) des Betons infolge Vorspannung von -1,3 ‰ und ein stat. E-Modul des UHPCs von 47.500 N/mm² berechnen.

Nach Ablassen dem Ausschalen des Trägers wurde dieser in einem Wasserbad wärmebehandelt. Die 2tägige Wärmebehandlung bei moderaten Temperaturen (Wasserbadtemp. ca. 70°C) führte zu einer Steigerung der Betondruckfestigkeit auf rd. 160 N/mm². 

Bauteilprüfung

Der Biegeträger wurde bei der Prüfung mit Hilfe zweier Prüfstempel (max. Prüflast je Stempel 450 kN) jeweils in den Drittelspunkten belastet. Die Spannweite betrug 6 m, so dass der Träger (Gesamtlänge 7,00 m) links und rechts 50 cm über das Kipplager hinausragte. 

Mit Hilfe von 6 Wegaufnehmern wurden die Verformungen jeweils auf beiden Seiten des Trägers in der Trägermitte, im Drittelspunkt und am freien Balkenende aufgezeichnet. Zusätzlich wurden 4 weitere externe Wegaufnehmern an den Balkenstirnseiten angeordnet um einen eventuellen Schlupf der Spannglieder während der Beanspruchung des Trägers erfassen zu können.

Die Belastungszyklen und –haltezeiten des Prüfregimes wurden in Absprache mit der TU München festgelegt. Ziel war es den Träger bis nahe an die Tragfähigkeitsgrenze zu belasten, ihn jedoch nicht bis zum Bruch zu beanspruchen, so dass im Anschluss noch einen Einbauversuch möglich war.

Die Steuerung der Prüfmaschine erfolgte kraftgeregelt, so dass das Biegemoment zunächst in 100 kNm-Schritten von 100 auf 400 kNm gesteigert wurde. Anschließend erfolgte die Laststeigerung in 50 kNm-Schritten. Die hohen Belastungsstufen 550 kNm (= Mel des HEB 300 Stahlträgers) und 600 kNm wurden jeweils 5 min lang gehalten um sicher zu stellen, dass Rissbildungen und Verformungen bei der jeweiligen Laststufe vor dem Übergang zur nächsten Laststufe abgeschlossen waren.

Versuchsergebnisse

Der vorgespannte Biegeträger aus UHPC verhielt sich bis zu einer Biegebeanspruchung von 500 kNm sehr steif und wies bei dieser Belastung in Balkenmitte nur eine Verformung von 21,6 mm – entsprechend l/280 – auf. 

Wie erwartet trat bei einer über 500 kNm hinausgehenden Biegebelastung die Dekompression des Querschnittes auf, so dass die Verformungen gegenüber der Belastung überproportional anstiegen. 

Die Auswertung der externen Wegaufnehmer (gemessener Maximalwert 0,01 mm) bestätigte den guten Verbund zwischen Litze und UHPC. Demzufolge trat kein „Einziehen“ der Litzen bei Belastung ein, so dass die Spannlitzen annähernd die gleiche Dehnung erfuhren wie der sie umgebende UHPC.

Der Träger verhielt sich während des gesamten Belastungsversuches außerordentlich duktil. Trotz der sehr großen Durchbiegungen (≥ l/200 entspricht ≥ 30 mm) bei hoher Belastung konnten keine größeren Einzelrisse beobachtet werden. Stattdessen traten über eine große Länge verteilt zahlreiche Mikrorisse (Rissbreite < 0,1 mm) auf. In der Zugzone lag der mittlere Abstand zweier sichtbarer vertikaler Biegerisse unter 1 cm. Das heißt im geschädigten Zugbereich entstanden infolge Biegebelastung über 300 kleine Biegerisse (vertikaler Verlauf). Im Stegbereich konnten trotz sorgfältiger Untersuchung keinerlei Risse festgestellt werden.

Bei der Maximalbelastung von 700 kNm deutete ein Knistern im Obergurt und kleine Abplatzungen im Bereich der Prüfstempel das bevorstehende Versagen der Druckzone an. Deswegen wurde nach dieser Belastungsstufe der Versuch abgebrochen. Infolge der Vorspannung ging bei der Entlastung des Trägers die Durchbiegung in Balkenmitte nahezu vollständig (bis auf 2 - 3 mm) zurück.

Fazit

Der Träger aus UHPC wies mit einem maximalen Biegemoment von 700 kNm eine gegenüber dem HEB 300 Stahlträger (M_el = 550 kNm; M_pl = 627 kNm) etwas höhere Tragfähigkeit auf. Dafür musste jedoch die Trägerhöhe um 40 % erhöht werden (420 mm gegenüber 300 mm). Gleichzeitig fiel das Trägereigengewicht sogar um 70 % höher aus (196 gegenüber 117 kg/lfm). Demgegenüber steht die höhere Dauerhaftigkeit des Trägers aus UHPC bei dem Einsatz in korrosiven Umgebungen wie dem Baugrubenverbau. 

Die Durchbiegung des Trägers fiel bei einem Biegemoment von 600 kNm mit l/210 (entspricht 28 mm bei der Spannweite von 6 m) nicht wesentlich höher aus als die zulässige Durchbiegung des Stahlträgers von l/300.

Durch eine Variation der Querschnittsflächen der Flansche und der Bauteilhöhe könnte der UHPC-Träger optimiert werden und somit ähnliche Effekte wie bei den unterschiedlichen Walzprofilen aus Stahl erzielt werden. Bei den Stahlprofilen steigt ja bekanntlich bei gleicher Querschnittsfläche – folglich identischem Eigengewicht – die Biegetragfähigkeit aufgrund der höheren Bauteilhöhe in folgender Reihenfolge: HEB, HEA und IPE.