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Composites setzen neue Maßstäbe in der Konstruktion und Bauindustrie

by Rosenmaier Armin

Composites, wie Carbon und GFK, eröffnen zahlreiche Möglichkeiten. Sie besitzen eine enorme mechanische Festigkeit bei geringstem Gewicht, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und sind resistent gegen Korrosion und Ermüdung. Zudem bringen die Verarbeitungsverfahren von Faserverbundwerkstoffen eine enorme Designfreiheit mit sich, sodass einzigartige und komplexe Geometrien hergestellt werden können, welche mit anderen Werkstoffen kaum realisierbar wären. Diese Eigenschaften gewährleisten eine äußerst universelle Einsetzbarkeit solcher Materialien. Aufgrund dessen findet beispielsweise der Faserverbundwerkstoff Carbon auch in der Bauindustrie vermehrt Anwendung. Der Bedarf an innovativen Verbundmaterialien in der Bauindustrie steigt demnach kontinuierlich an. Dabei werden unter anderem Rohre, Schalungen, Brückenelemente, Verstärkungen, wie auch Kabel- und Lichtschächte aus Composites hergestellt. Welche Vorteile Composites dabei konkret mit sich bringen, wo sie in der Bauindustrie eingesetzt werden und die Darstellung eines Referenzprojekts, welches die Hintsteiner Group realisieren konnte, ist Inhalt dieses Blogbeitrags.  

CFK_Bauindustrie 

Abbildung 1: Der Einsatz von Composites in der Bauindustrie wird immer bedeutender

Inhaltsverzeichnis:
1. Vorteile von Composites in der Bauindustrie
2. Anwendungen von Composites in der Bauindustrie
3. Ausblick über den Einsatz von Composites in der Bauindustrie
4. Referenzprojekt: Leichtbaubühne aus Composites
5. Fazit

Vorteile von Composites in der Bauindustrie

In der Bauindustrie, sowohl im Hoch-, als auch im Tiefbau, erlangen Composites immer mehr Aufmerksamkeit. Grund dafür sind die hervorragenden Werkstoffeigenschaften von beispielsweise CFK oder GFK, welche diese Werkstoffe für den Einsatz im Bauwesen qualifizieren. Nennenswert sind dabei vor allem das geringe Gewicht, wie auch die hohen Festigkeiten. Aber auch Eigenschaften, wie UV-Stabilität, Langlebigkeit und Witterungsbeständigkeit prädestinieren Composites für den Einsatz in der Bauindustrie. Durch den Einsatz von Carbon ergeben sich demnach folgende Möglichkeiten:

  • Gewährleistung einer Gewichtsreduzierung im Gegensatz zu Stahl um ca. 70-80%.
  • Gewährleistung einer Gewichtsreduzierung im Gegensatz zu Aluminium um ca. 40-50%.
  • Bei gleichem Gewicht hat Carbon (Gewebe) die 5-fache Zugfestigkeit und Steifigkeit von Stahl. Dementsprechend kann 1 kg Carbon in etwa 5 kg Stahl ersetzen.
  • Carbon besitzt eine kaum messbare Wärmeausdehnung, wodurch es weitestgehend unempfindlich gegen Temperaturschwankungen ist.
  • Carbon ist resistent gegen aggressive Chemikalien und Korrosion, was zu einer erhöhten Lebensdauer von Konstruktionen führt.
  • Herstellungsverfahren von Composite-Komponenten sind formfallend, wodurch aufwändige Nacharbeiten vermieden und komplexe Geometrien hergestellt werden können.

Die Einsatzmöglichkeiten, welche sich dadurch ergeben sind äußerst universell und werden in weiterer Folge beschrieben.

Anwendungen von Composites in der Bauindustrie

Bei Betrachtung zuvor beschriebener Vorteile machen vor allem das geringe Gewicht, wie auch die ausgezeichneten mechanischen und chemischen Eigenschaften Verbundwerkstoffe als Konstruktionsmaterial für die Bauindustrie interessant. Dabei kommen Erzeugnisse aus Verbundwerkstoffen zumeist als Bewehrung von Beton-, Stahl-, und Holzkonstruktionen zum Einsatz. So werden bei Sanierungsarbeiten beispielsweise Lamellen aus CFK zur Verstärkung auf die Oberfläche herkömmlicher Baumaterialien geklebt. Gerade Nachverstärkungen mit Carbon bieten beträchtliche Vorzüge in Wirtschaftlichkeit, Verarbeitung und Optik. So liefern diese Erhöhungen in Zug-, Druck- und Biegefestigkeit und haben dabei aber kaum wahrnehmbare Auswirkungen auf das Gewicht und die Maße einer Konstruktion.

CFK BetonsanierungAbbildung 2: Verstärkung eines Betonüberlegers / Sanierung einer Parkgarage

Auch Einleger aus Composites für Betonbauweisen (Strukturmatten) werden stark untersucht. Diese sollten zur Substituierung von Stahlarmierungen dienen. Durch den Einsatz von Carbon könnten dadurch große Mengen an Beton eingespart werden, da durch die Korrosionsfreiheit des Materials die minimal einzuhaltenden Wandstärken zur Vorbeugung des Eindringens von Feuchtigkeit deutlich reduziert werden könnten.

Doch nicht nur Bewehrungen und Armierungen sind effiziente Anwendungen für Composites, sondern auch Strukturprofile, Schächte, Geländer, Abdeckungen und Designelemente für Fassaden werden daraus hergestellt. Dies gewährleistet leichtere, festere und steifere Konstruktionen, welche zudem noch korrosionsfrei und umweltresistent sind. Speziell in der Fertigung von CFK-Profilen kann die Hintsteiner Group enorme Erfahrung aufweisen. Warum das so ist wird im Abschnitt „Referenzprojekt: Leichtbaubühne aus CFK“ näher beschrieben.

CFK_ProfileAbbildung 3: CFK-Profilkonstruktion für innovative Leichtbaulösungen in der Bauindustrie

Ausblick über den Einsatz von Composites in der Bauindustrie

Der Bausektor ist einer der bedeutendsten Einsatzbereiche für Composites. Dies ist im Wesentlichen auf die beträchtliche Anwendungsvielfalt solcher innovativen Werkstoffe zurückzuführen. Ob CFK oder GFK das Potential ist enorm. Aktuell wird in der Bauindustrie noch vorrangig auf Composites auf Glasfaserbasis gesetzt. Dementsprechend wurden laut „Composites-Marktbericht 2018“ 35% der jährlich produzierten GFK-Menge im Baubereich eingesetzt, was ca. 399.000 Tonnen waren - Tendenz steigend. Nachdem Transportsektor ist die Bauindustrie somit der zweitgrößte Abnehmer von glasfaserverstärkten Kunststoffen.

Carbon genoss im Bausektor bis jetzt noch nicht die Aufmerksamkeit, welche GFK bereits zuteilwurde. Rund 7.740 Tonnen von produzierten 154.700 Tonnen wurden 2018 in den Bausektor abgesetzt. Das sind vorerst lediglich 5%, jedoch versprechen die potentiellen Einsatzzwecke einen hohen Massendurchsatz. Demnach würden bereits einzelne Lösungen einen bedeutenden Einfluss auf den Carbon-Markt haben, weshalb Experten über die nächsten Jahre hinweg mit einem stetigen Anstieg der Abnahmemenge für bautechnische Zwecke rechnen. Dahingehend zählt der Baubereich zu den Branchen, von welcher maßgebliche Wachstumsimpulse für die Hersteller und Verarbeiter von Faserverbundwerkstoffen erwartet werden.

Betonsanierung-1

Abbildung 4: CFK-Brückensanierung gegen das Abplatzen von Beton & der Freilegung der Stahlarmierung   

 Referenzprojekt: Leichtbaubühne aus Composites

Wie zuvor beschrieben werden in der Konstruktion und Bauindustrie vermehrt Profile aus Composites eingesetzt. Auf dem Gebiet der Faserverbundprofil-Fertigung konnte die Hintsteiner Group bereits eines der bedeutendsten Projekte der Unternehmensgeschichte realisieren. Das Projekt wurde dabei nicht direkt im Bereich der Bauindustrie umgesetzt, liefert aber eine aussagekräftige Veranschaulichung der Potentiale der Substituierung von Metallbauweisen durch Leichtbaulösungen aus Faserverbundwerkstoffen. Im Zuge dieses Vorhabens entwickelte, produzierte und installierte das Unternehmen im Auftrag der ZETA Biopharma GmbH eine innovative und einzigartige Pharmabühne aus CFK-Profilen mit GFK-Bestandteilen. Dabei galt es die Produktionsanlage für ein renoviertes Bestandsgebäude so zu dimensionieren, dass die maximal zugelassene Deckenlast, die deutlich unter jener eines Neubaus lag, eingehalten werden konnte, ohne dabei Produktionskapazitäten zu reduzieren.

CFK_LeichtbaubühneAbbildung 5: Darstellung der Leichtbaubühne aus Composites

Das Ergebnis war ein patentiertes Stecksystem aus Composite-Profilen und Leichtbauplatten, welches das Gewicht der Reinraum-Bühne im Vergleich zur Ausführung in Edelstahl um 70% reduzieren konnte. Welche Hindernisse mit diesem Projekt verbunden waren und worin die wesentlichen Vorteile einer solchen Leichtbaulösung lagen, erklärte Frau Hönigmann von der ZETA Biopharma GmbH:

„Als Ersatz für Edelstahl, der in der Pharmaindustrie seit langer Zeit etabliert ist, aber in unserem Fall sehr hohes Gewicht bedeutet hätte, kommen also nur wenige Kunststoffe in Frage. Für die Bühnen ist der Glasfaserwerkstoff (GFK) in Kombination mit CFK und Leichtbauplatten mit Edelstahloberflächen nach entsprechender Beurteilung der Materialverträglichkeit mit Reinigungsmitteln bzw. Beständigkeitsuntersuchungen im Labor grundsätzlich möglich. Zudem erwiesen sich standardisierte GFK-Bühnenteile als schlecht adaptier- und manipulierbar. Carbon hatte hinsichtlich Design-Optionen und Belastbarkeit die Nase vorn. Wir haben uns deshalb für eine GFK/CFK-Leichtbaulösung zur Gewichtseinsparung in einem Bereich entschieden, der nie mit den erzeugten Produkten in Berührung kommt: dem Pharma-Bühnenbau.“

Video 1: Leichtbaubühne aus Composites >>> 70% Gewichtseinsparung

Fazit

Aufgrund der universellen Einsetzbarkeit von Faserverbundwerkstoffen eröffnen sich durch deren Anwendung zahlreiche Möglichkeiten. Demnach gibt es kaum Branchen in welchen Composites nicht eingesetzt werden. Diese Vielseitigkeit ist zurückzuführen auf die hervorragenden Eigenschaften jener Werkstoffe. Geringes Gewicht, hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit, wie auch die weitestgehende Resistenz gegen Einflussfaktoren aus Umwelt und chemischen Vorgängen sind solche Vorzüge, welche Composites auszeichnen. Dabei ist vor allem Carbon der Faserverbundwerkstoff schlecht hin, weshalb sich die Bauindustrie über dessen Nutzen mehr und mehr bewusst wird. Im Jahre 2018 wurden rund 5% der weltweit produzierten Menge an kohlenstofffaserbasierenden Verbundwerkstoffen in den Bausektor abgesetzt. Aufgrund der Menge an Anwendungsmöglichkeiten und dem damit verbundenen Absatzmengenpotential wird für den Einsatz von Carbon in der Bauindustrie über die nächsten Jahre hinweg ein starkes Wachstum prognostiziert. Angewendet wird Carbon dabei beispielsweise im Brückenbau, als Bewehrung von Stahl, Holz oder Beton, wie auch zur Herstellung von lasttragenden Profilen. Aber auch Abdeckungen und Schächte werden aus CFK gefertigt. Die Hintsteiner Group konnte speziell bei der Fertigung von hochbelastbaren CFK-Profilen Erfahrung sammeln. Im Auftrag eines Pharmakonzerns entwickelte, produzierte und installierte das Unternehmen eine vollständige Leichtbau-Pharmabühne aus Carbonprofilen. Die Profile wurden dabei durch ein patentiertes Stecksystem miteinander verbunden. Letztendlich konnte durch diese Konstruktion eine Gewichtseinsparung von rund 70% im Vergleich zur Ausführung aus Edelstahl erzielt werden.

carbon carbontechnik Composites

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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