14. September 2021

Kurzberichte über Forschungsvorhaben von bauaufsichtlichem Interesse

Das DIBt initiiert, vergibt, begutachtet und betreut im Auftrag der Bauministerkonferenz bautechnische Untersuchungen von allgemeinem bauaufsichtlichem Interesse. In den letzten Monaten wurden Forschungsvorhaben abgeschlossen. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse können Sie in diesem Artikel nachlesen.

Verifizierung der Extrapolationsregeln in DIN EN 15254 Teil 5 für den Feuerwiderstand von Wänden aus selbsttragenden Sandwichelementen

Forschende Stellen:
Karlsruher Institut für Technologie – KIT Stahl- und Leichtbau
Dipl.-Ing. Jürgen Schmied
Otto-Ammann-Platz 1
76131 Karlsruhe

Materialprüfanstalt für Bauwesen – Fachbereich Brandschutz
Dipl.-Ing. Lina Holtmann / Nikolaus Bott, M. Sc.
Beethovenstraße 52
38106 Braunschweig

Lfd. Nr.: 4.204

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Verifizierung der Extrapolationsregeln in DIN EN 15254-5:2018-06 für den Feuerwiderstand von Wänden aus selbsttragenden Sandwichelementen“ wurden zur Überprüfung der Extrapolationsregeln in DIN EN 15254-5:2018-06 für nichttragende Wände aus Sandwichelementen mit einem Kern aus Mineralwolle und Deckschichten aus Stahl zehn Feuerwiderstandsversuche nach DIN EN 1364-1:2015-09, in Verbindung mit DIN EN 1363-1:2012-10, mit unterschiedlichen Stützweiten und Elementdicken durchgeführt. Die Parameter der Feuerwiderstandsversuche wurden so gewählt, dass die Grenzen der Extrapolationsregeln überprüft werden konnten.

Durch die Versuche wurde gezeigt, dass aus geeigneten Sandwichelementen feuerbeständige Wände bis zu Stützweiten von 9,70 m realisiert werden können. Vorwiegend „versagten“ die Sandwichwände durch ein Überschreiten der zulässigen Temperatursteigerung von 180 K an einer Messstelle. Diese unzulässige Temperatursteigerung ging meistens mit einer Fugenöffnung einher. In einem Fall wurde die Beflammung nach 181 min bei einer Erhöhung der Deckschichttemperaturen auf der feuerabgewandten Seite von maximal 95 K beendet, um den Prüfofen nicht zu beschädigen. Bei drei Wandaufbauten mit vertikaler Verlegung der Sandwichelemente entzündeten sich die austretenden Rauchgase an einer Fuge auf der Außenseite des Prüfofens (feuerabgewandte Seite) für mehr als 10 Sekunden, wodurch eine Temperatursteigerung der jeweils benachbarten Messstelle über 180 K entstand und sich in einem Fall eine wesentliche Öffnung der Fuge einstellte.

Im Vergleich der durch die Versuche bestimmten Feuerwiderstandsklassen mit den durch die Extrapolation nach DIN EN 15254-5:2018-06 bestimmten Feuerwiderstandsklassen wird deutlich, dass die gemäß den Extrapolationsregeln in DIN EN 15254-5:2018-06 ermittelten Feuerwiderstandsdauern bei größeren Stützweiten teilweise höher sind als die Versuchswerte und somit auf der unsicheren Seite liegen. Zudem wurde festgestellt, dass die durch die Versuche bestimmten Feuerwiderstandszeiten bei Wänden aus vertikal verlegten Sandwichelementen deutlich niedriger sind als die Feuerwiderstandszeiten bei Wänden aus horizontal verlegten Sandwichelementen.

Untersuchungen von Kurzzeit-Performance-Eigenschaften zur Abschätzung des Langzeitverhaltens von Porenbeton

Forschende Stelle:
Leibniz Universität Hannover
Institut für Baustoffe
Prof. Dr.-lng. Lohaus
Appelstraße 9A
30167 Hannover

Lfd. Nr.: 15.102

Im Rahmen vorangegangener Forschungsvorhaben wurde von allen seinerzeit in Deutschland produzierenden Porenbetonherstellern ein Hersteller identifiziert, dessen Porenbetonsteine extreme Druckfestigkeitsverluste nach 18-monatiger Lagerung unter „normaler“ Außenluft aufwiesen. Ziel war es daher, die Ergebnisse aus den vorangegangen Forschungsvorhaben auf aktuelle Produkte aus Deutschland und aus dem Ausland zu überprüfen. 

Zur Identifizierung risikobehafteter Porenbetonsteine ist in den deutschen Anwendungsregeln DIN 20000-404:2018-04 für die Verwendung von Porenbeton nach DIN EN 771-4:2015-11 ein Grenzwert des Gesamtmaßes des Trocknungsschwindens εcs,tot mit 0,4 mm/m eingeführt worden. Als weiteres Ziel galt es, diesen Grenzwert und die Praktikabilität des Nachweisverfahrens im Rahmen eines Ringversuchs zu überprüfen. Dabei wurden weitere Kurzzeit-Performance-Größen überprüft und dem Gesamtmaß des Trocknungsschwindens gegenübergestellt.

Die Porenbetonsorten des in den Vorgängerprojekten als kritisch identifizierten Herstellers zeigten bei den Auslagerungs- und Schwinduntersuchungen erhebliche Carbonatisierungsfortschritte von teilweise über 50 % im Randbereich. Bereits zu Beginn der Auslagerung waren einige Festigkeitswerte deutlich zu gering. Sie nahmen mit zunehmender Carbonatisierung durch Auslagerung weiter ab.

Die Untersuchungen an jeweils zwei Sorten eines weiteren deutschen Herstellers und eines englischen Herstellers (mit Flugasche) zeigten hinsichtlich möglicher Druckfestigkeitsverluste bei den Eingangsprüfungen keine Auffälligkeiten. Jedoch zeigte auch eine Sorte des deutschen Herstellers in den Wandversuchen nach 18-monatiger Außenluftlagerung eine Festigkeitsreduktion unter den charakteristischen Wert, die mit 6,6% noch relativ gering ausfiel. Dabei wiesen beide Sorten dieses Herstellers Carbonatisierungsgrade im Bereich von 10 % auf. Die Sorten des englischen Herstellers erreichten während ihrer Auslagerung teilweise Carbonatisierungsgrade von knapp über 20 %. Literaturergebnisse und eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass signifikante Festigkeitsverluste meist erst bei Carbonatisierungsgraden von deutlich über 20 % auftreten. Daher kann derzeit nicht ausgeschlossen werden, dass es auch bei den flugaschehaltigen Porenbetonen trotz ihres hier beobachteten unauffälligen Verhaltens bei längerer Auslagerung und weiter zunehmender Carbonatisierung ebenfalls zu Druckfestigkeitsverlusten kommen könnte.

Der normative Grenzwert für das Gesamtschwindmaß von 0,4 mm/m wurde beim Ringversuch bei den als kritisch identifizierten Sorten in allen Prüflaboren deutlich überschritten. Die anderen Sorten blieben allesamt unter dem normativen Grenzwert von 0,4 mm/m. Insgesamt erscheint die Bestimmung des Gesamtschwindmaßes εcs,tot nach DIN EN 680:2006-03 das am ehesten geeignete Verfahren zu sein, um mit überschaubarem Aufwand Porenbetonsteine zu identifizieren, die ein erhöhtes carbonatisierungsbedingtes Risiko aufweisen. Der in DIN 20000-404:2018-04 festgelegte Grenzwert von 0,4 mm/m erscheint ebenfalls zielführend.

Dauerhaftigkeit von Stahlbetonkonstruktionen zur Lagerung von Gärsubstraten aus der Landwirtschaft

Zusammenführung und Validierung von Ergebnissen aus den Forschungsvorhaben P 52-3-19.75-1450/14 und P 52-5-19.75.1-2007/17, Geschäftszeichen P 52-5-19.75.2 – 2040/19

Forschende Stelle:
Materialforschungs- und Prüfungsanstalt Leipzig
Dr.-lng. Habil Schmidt
Hans-Weigel-Straße 2b
04319 Leipzig

Lfd. Nr.: 19.75.2

Stahlbetonkonstruktionen im Kontakt mit Gärsubstraten und Gärresten landwirtschaftlicher Herkunft werden in der Regel auf Basis der DIN 11622-2:2015-09 [1] bemessen und errichtet. Die Konstruktionen müssen so beschaffen sein, dass die gemäß AwSV [2] als allgemein wassergefährdend eingestuften Flüssigkeiten nicht austreten können. Das erfordert eine flüssigkeitsundurchlässige Konstruktion, die gegen die zu erwartenden mechanischen, thermischen und chemischen Einflüsse ausreichend widerstandsfähig sein muss.

Das Forschungsvorhaben fasst die in mehreren Forschungsarbeiten gewonnenen Erkenntnisse zum Durchflussverhalten von Trennrissen in Stahlbetonbehältern mit ausgewählten Flüssigkeiten (Gülle, Gärsubstrate, Gärreste, Silagesickersaft) zusammen und bewertet sie. Unabhängig von der sehr großen Varianz möglicher realer Flüssigkeiten und ihrer das Durchflussverhalten beeinflussenden Eigenschaften hat sich gezeigt, dass die an Lagerbehältern bei Umsetzung der Begrenzung der rechnerischen Rissbreite auf 0,2 mm auftretenden Trennrisse nicht zu einem dauerhaften Austreten von wassergefährdenden Flüssigkeiten führen. Das gilt unabhängig von der Flüssigkeitsdruckhöhe für alle mit Feststoff angereicherten Lagerflüssigkeiten. Temporäre oder permanente Durchfeuchtungen mit Aussinterungen sind allerdings nicht auszuschließen und betreffen in der Realität auch Trennrisse in vertikal orientierten Bauteilen (Wandbereiche). Die bei stichprobenartig begutachteten Behältern in landwirtschaftlichen Anlagen festgestellten Durchfeuchtungen und Sinterspuren traten auch bei optisch gemessenen Rissbreiten auf, die kleiner als 0,2 mm waren. Sie stellen im Sinne des Gewässerschutzes keine Gefährdung dar, haben allerdings Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit der Bauwerke.

Die Dauerhaftigkeit von landwirtschaftlich genutzten Stahlbetonkonstruktionen bestimmt sich im Wesentlichen über den Widerstand des Betons gegen die Einwirkung von Flüssigkeiten, die den Beton chemisch angreifen oder korrosionsfördernd auf den Bewehrungsstahl wirken. Neben der Zusammenstellung und Bewertung von Untersuchungsergebnissen aus früheren Forschungsvorhaben wurden Tastversuche durchgeführt, bei denen ausgewählte Referenzmedien über eine Dauer von 180 Tagen auf einen die Bewehrung kreuzenden Riss einwirkten. Einige der festgestellten Effekte bedürfen einer längerfristigen Betrachtung. Die Untersuchungen belegen, dass zum Abschluss der Beaufschlagung gerade das Ende der Einleitungsphase und die Depassivierung des Bewehrungsstahls erreicht waren. Die anschließend zu erwartenden Schäden konnten im Beobachtungszeitraum noch nicht nachgewiesen werden. Daraus ist jedoch nicht zu schließen, dass längerfristig keine Schäden auftreten.

Neben der Beanspruchung durch organische Säuren wird auch die Einwirkung von betonschädigenden Salzen, die in der Regel in landwirtschaftlichen Flüssigkeiten enthalten sind, und ihr Einfluss auf die Dauerhaftigkeit der Stahlbetonkonstruktionen diskutiert.

[1] DIN 11622-2:2015-09; Gärfuttersilos, Güllebehälter, Behälter in Biogasanlagen, Fahrsilos – Teil 2: Gärfuttersilos, Güllebehälter und Behälter in Biogasanlagen aus Beton

[2] AwSV Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen vom 18. April 2017

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