Wir möchten Ihnen von einer besonderen Bauweise berichten, die zeigt, dass Betonbauwerke nicht immer massiv und schwer sein müssen. In Zusammenarbeit mit unserem langjährigen Forschungspartner, der CPC AG, konnten wir für die Swissbau in Basel (16.–19. Januar 2024) etwas Aussergewöhnliches realisieren: Eine 17 Meter lange und 2,5 Meter Breite Fussgänger- und Radwegbrücke, bestehend aus sieben untereinander vermörtelten CPC-Platten mit einer Stärke von nur sieben Zentimetern, bilden die robuste und sehr nachhaltige Brücke.

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Im aufstrebenden Stadtteil Neuhegi-Grüze entsteht ein wegweisendes Gebäude aus wiederverwendbaren Bauteilen: Das sogenannte Innovationslabor begeht mit seinem Sharing-Modell in Kombination mit der Technologie «Carbon Prestressed Concrete» (CPC) nicht nur neue Wege im Hochbau, sondern erzielt auch signifikante CO₂- und Materialeinsparungen. Das Projekt ist das Resultat einer engen Zusammenarbeit zwischen der Stadt Winterthur, der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) und Holcim, mit dem Ziel, Neues voranzutreiben.

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Die Bogenbank ist ein noch nicht ganz perfekter Prototyp und dient der Veranschaulichung welche enorme Leistungsfähigkeit in den CPC-Platten (carbon prestressed concrete) steckt. CPC-Patten sind sehr dünn, anstatt mit Stahl, mit Carbon bewehrt und stark vorgespannt. Mit diesem Projekt ist es dem FVK-Team der ZHAW gelungen, die flachen, 24mm starken Betonplatten CPC 24-2-2 maximal zu biegen. Durch einen langsamen Biegeprozess der Platten entstehen an der Oberfläche geplante, kontrollierte, sehr feine Risse. Aufgrund dieser Haarrisse wird die Platte weicher und der Biegeradius kann schrittweise verkleinert werden. Dank der nichtrostenden Carbonbewehrung führt dies im Gegensatz zu stahlbewehrten Bauteilen zu keinerlei Einschränkungen bezüglich Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit. Durch die Vorspannung in der Platte möchte sich der Bogen wieder strecken. Dies wird mittels zwei CPC-Keilen verhindert. Dadurch wird das gesamte Bauwerk in Form gehalten und stabilisiert.

Alle Verbindungen wurden komplett mit rein mechanischen Steckverbindungen ausgeführt. Auf Stahl, Mörtel oder Kleber wurde gänzlich verzichtet, was einen Rückbau in die ebenen Einzelteile einfach ermöglicht. Die einzelnen Bauteile können nach dem Rückbau der Bank für andere Zwecke wieder-verwendet werden. CPC-Platten sind extrem flexibel, stecken voller zukunftsträchtiger Vorteile, schonen die Umwelt und sind wiederverwend- oder rezyklierbar.

Standort Bogenbank: Tössfeldstrasse 21, 8401 Winterthur

Videolink YouTube: CPC Bogenbank

Zur Anwendung kommt die CPC-Bauweise beim Projekt «Bridge to the Future», einer Plattform für die Annahme von Aushubmaterial im Holcim-Werk Hüntwangen. Holcim entwickelte dafür einen massgeschneiderten Beton, bei dem erstmals ein klinkerfreier Zement eingesetzt wurde, der im Vergleich zu einem herkömmlichen Zement 63% weniger CO₂-Emissionen aufweist. Aus diesem hochfesten Beton wurden mithilfe der CPC-Technologie sehr filigrane Platten hergestellt, die gerade mal 6 cm dick, aber dennoch hoch belastbar sind. Die Platten sind mit dünnen vorgespannten Carbondrähten bewehrt. Da Carbon eine sehr hohe Zugfestigkeit aufweist und nicht korrodiert, kann gänzlich auf Korrosionsschutz verzichtet werden, wie er im klassischen Stahlbetonbau erforderlich ist. Die Fachgruppe FVK erarbeitete mittels Machbarkeits- und Traglastversuchen die ingenieurtechnischen Randbedingungen für die Herstellung der Platten, die materialtechnischen Grundlagendaten für die statische Dimensionierung und den gestalterischen Entwurf der Brücke.

Weitere Informationen unter www.holcim.ch

Videolink YouTube: Bridge to the Future

Zum Jahreswechsel 2020 konnte der Studiengang Bauingenieurwesen im Neubaugebäude 142, welches direkt neben dem Gebäude G189/191 (Studiengang Architektur) auf dem ehemaligen Sulzer-Areal erstellt wurde, einziehen. Um den angehenden Bauingenieur:innen eine direkte Verbindung zur Cafeteria im G189 zu ermöglichen, wurde auf ca. 12m Höhe ein Verbindungssteg geplant und ausgeführt.

Die Passerelle wurde als CPC-Bauwerk der neusten Generation ausgeführt. Für das Tragwerk wurde auf jegliche metallische Komponenten verzichtet. Das Haupttragwerk wird mit zwei stehenden 60mm dicken CPC-Scheiben gebildet. Die stehenden Scheiben weisen Ausfräsungen für die dreiteilige Brückenplatte und die unter der Brückenplatte quer verlaufenden Aussteifungsstege auf.

Der Höhenunterschied von 50cm zwischen den Geschossniveaus der beiden Gebäude wird mit der mittleren Brückenplatte ausgeglichen. Die Aussteifungsstege und Brückenplatten sind jeweils 40mm dick und vertikal im Abstand von 10mm zueinander gehalten. Im Verbindungsbereich entsteht dadurch zwischen allen drei Elementen eine durchgängige Fuge von 10mm. Durch geschicktes Anordnen von Anfasungen der CPC-Platten im Verbindungsbereich und das Auffüllen des Spaltes mit einem hydraulischen Mörtel kann eine kraftschlüssige Verbindung erzielt werden. Mittels Kleinversuchen wurde ein geeigneter Mörtel eruiert. Die Mörtelfuge wird mit der entwickelten Verbindung nur auf Druck belastet, die anfallenden Zugkräfte werden über die Carbon-Bewehrung in den CPC-Platten aufgenommen.

Da die Brücke in der Gasse eingeschwenkt werden musste, ist die Passerelle etwas kürzer als die lichte Breite der Gasse. In den Anschlussbereichen wurde die Brückenplatte wegen der einspringenden Fassade beidseitig nachträglich verlängert. Um die Querkräfte und Momente der Anschlussplatte in die Brückenplatte einzuleiten, wurden längliche Verbindungselemente aus CPC-Platten in den Spalt zwischen Brücken- und Anschlussplatte eingesetzt und mit einem hydraulischen Mörtel vergossen.

Als Auflager für die Passerelle konnte beim Gebäude 189/191 die ehemalige Kranbahn genutzt werden. Beim Gebäude 142 wurden bereits beim Bau Anschlusspunkte in die Tragkonstruktion integriert, an welche das in Stahl ausgeführte Auflager vor dem Versetzen der Passerelle mit Schrauben montiert werden konnte. Um ein Verschieben der Brücke in Längs- und Querrichtung zu verhindern, wurden die stehenden CPC-Scheiben und das Stahlauflager eingeschlitzt und ineinandergesteckt. Ein Verdrehen der Brücke wird über einen Anschlagpunkt auf Seite des Gebäudes G191 verhindert, Quer- und Längsausdehnungen infolge Temperatur sind jedoch möglich.

Ein modulares Brückensystem, dessen Fahrbahn aus einer CPC-Betonplatte mit fest verbundenen Carbonunterzügen besteht, wurde entwickelt.

Das System ist für Fussgänger- und Fahrradbrücken mit Unterhaltsfahrzeugen konzipiert. Es ist für eine Serienproduktion ausgelegt und passt sich verschiedenen Brückenmassen und Ausführungswünschen an. Die Betonfahrbahn schützt zudem die Carbonträger vor Umwelteinflüssen sowie mechanischer Beschädigung.

Die U-förmigen Carbonträger werden im Vacuum-Assisted-Resin-Infusion-Verfahren hergestellt. Die Breite ist vorgegeben, Lagenaufbau und Trägerhöhe werden auf das Bauvorhaben angepasst. Die Träger werden sorgfältig zugeschnitten und die Rechteckverzahnung der Kanten für die Verbindung mit der CPC-Platte erstellt.

Auf der Fahrbahnunterseite werden feine konturierte Schlitze eingefräst. Die Verzahnungen der Carbonträger werden in den Schlitzen positioniert und Freiräume mit einem hochfesten Vergussmörtel aufgefüllt. Der Lastabtrag erfolgt durch eine mechanische Verzahnung über die Kontaktflächen der Zähne.

Die Leichtigkeit des Brückensystems ist auch für die Fundation vorteilhaft: Ersatzbrücken können die Originalfundamente weiterverwenden, Neubaubrücken benötigen nur eine einfache CPC-Betonplatte zur Lastverteilung, auf die die Brücke bei der Auslieferung abgesetzt wird.

Anfang des Jahres 2016 musste die bestehende Fussgänger- und Fahrradbrücke über die Eulach zwischen dem ZHAW-Campus Technikum und der Kantonschule Büelrain gesperrt werden. Wasser, das zwischen den einzelnen Betonbohlen des Brückendecks hinunterlief, hatte zu grossen Korrosionsschäden an den Stahlhauptträgern geführt, so dass die Brücke die erforderliche Tragsicherheit nicht mehr aufwies.

Für die neue Brücke wurde ein etwas aussergewöhnlicher Sanierungsvorschlag der Bauingenieure der ZHAW-Forschungsgruppe Faserverbundkunststoff umgesetzt: Das alte Brückendeck aus 120mm dicken Betonbohlen wurde entfernt. Die Stahlhauptträger wurden etwas eingekürzt und dienen weiterhin als Traggerüst für die verschiedenen Werkleitungen, die unter der Brücke die Eulach queren.

Über die alten Stahlträger wurde ein Tisch aus einer 40mm dicken Betonbrückenplatte mit einem darunter liegenden 32cm hohen Rahmen gesetzt. Die Längs- und Querstege des Rahmens wurden ebenfalls aus 40mm dicken Betonplatten ausgeschnitten und bestehen jeweils aus zwei miteinander verklebten Betonbrettern. Zwischen die Längsstege wurde zusätzlich noch je eine Carbonlamelle eingeklebt.

Die Brückenplatte ist mit den Stegen über speziell angefertigte Senkkopfmuttern aus Edelstahl verschraubt und über die gesamte Länge verklebt. Die Verbindungstechnik wurde von der Fachgruppe FVK zusammen mit der Firma Silidur AG entwickelt.

Zur Anwendung kommt eine CPC-Platte. Diese sehr dünne, mit Carbon vorgespannte Betonplatte kommt ohne Stahlarmierung aus. Dadurch ist die neue Brücke nicht korrosionsanfällig, schützt die Stahlträger und Werkleitungen zuverlässig vor direkter Bewitterung und sorgt für eine lange Lebensdauer des gesamten Bauwerkes. Blickfang ist das Brückengeländer aus Chromstahlstaketen mit einem darüber liegendem CPC-Handlauf. Im Zuge der Sanierung konnte die Geländerhöhe auch den gültigen Normen entsprechend auf eine Höhe von 1.10m angepasst werden.

Videolink YouTube: Die leichteste Betonbrücke der Welt

Gemeinsam mit der Silidur AG und mit finanzieller Unterstützung durch die schweizerische Agentur für Innovationsförderung Innosuisse (ehem. KTI) entwickelte die Fachgruppe dünne vorgespannte Platten aus carbonbewehrtem Beton. Bei der Neugestaltung der Uferpromenade der Gemeinde Unterägeri wurden die Platten erstmals eingesetzt und dienen als Belag für einen Steg und eine historische Bogenbrücke.

Der Architekt Shigeru Ban hat für das Rietbergmuseum in Zürich einen Sommerpavillon entworfen. Eine Membran überspannt die Fachwerkträger aus Carbon, die auf Säulen aus Karton ruhen.

Dieser ungewöhnliche Pavillon stand zwischen 2013 und 2019 jeden Sommer im Park vor der Villa Wesendonck und bot den Besuchern des Cafés mit seiner offenen Tragstruktur einen eindrücklichen Raum.

Die Fachgruppe FVK konnte die Entwicklungsarbeiten für die speziellen, aus Carbon-Halbschalen zusammengesetzten Fachwerkträger unterstützen und führte Versuche zu den tragenden Klebeverbindungen durch.

Das Architektur Atelier Bow-Wow (Tokyo) hat für die Solomon R. Guggenheim Foundation (New York) ein temporäres LAB entworfen. Ein Fachwerk aus Carbonträgern wird fast schwebend in eine Baulücke in New York eingeschoben und dient als Zwischennutzung während eines Sommers für verschiedene Veranstaltungen.

Dieser temporäre LAB stand im Sommer 2011 für einige Monate in New York und wurde für verschiedene Events rund um das Guggenheim Museum eingesetzt. Im Sommer 2012 stand das LAB für verschiedene Veranstaltungen in einem Innenhof in Berlin.

Die Fachgruppe FVK konnte die Entwicklungsarbeiten für die Fachwerkträger unterstützen und führte Versuche am Grossbauteil für die Zulassung im Einzelfall in Berlin durch.

Die Pfosten von Lärmschutzwänden sind aggressiven Medien wie Tausalzen und Abgasen im Strassenverkehr oder Kriechströmen im Bahnverkehr ausgesetzt. Beim Einsatz von Stahlprofilen ist trotz hohem Korrosionsschutz mit mittelfristigem Unterhalt aber auch Ersatz zu rechnen.

Mit den Partnern swissfiber und F. Preisig AG entwickelte die Fachgruppe einen Pfosten aus einem pultrudierten, glasfaserverstärkten Kunststoff GFK.

Durch optimale Wahl des Trägerquerschnitts und den genau berechneten Laminataufbau, konnte ein Profil entwickelt werden, das die strengen Vorgaben der SBB erfüllt und wirtschaftlich attraktiv ist.

Die Pfosten zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Alkalibeständigkeit aus und sind nicht elektrisch leitend. Die deutlich leichteren Pfosten können daher sicher von Hand neben dem Bahntrassee eingebaut werden. Vorteilhaft ist auch die schnelle Montage, da die Träger direkt einbetoniert werden können.

Zusammen mit der swissfiber AG entwickelte die Fachgruppe FVK das multifunktionale Konstruktionsprofil deck 04. Dieses Mehrkammerprofil besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff und wird durch Pultrusion hergestellt.

Wegen der Korrosionsbeständigkeit und Rutschfestigkeit wird es vornehmlich als Belagsprofil für Stege und Fussgängerbrücken oder für Abdeckungen eingesetzt. Insbesondere bei kurzen Spannweiten bis 8m kann das Profil jedoch auch allein als Träger eingesetzt werden. Die Fachgruppe FVK untersucht auch das Langzeitverhalten der Profile in Dauerlastversuchen.

Bei der Schecobrücke Winterthur wurde das Platten-Scheiben-Modul PSM erstmals mit Plattentragwirkung eingesetzt.

Die 18m lange und 3m breite Brücke wird von einem leicht gebogenen Parallelfachwerk gebildet. Das Plattenmodul übernimmt nicht nur die Funktion der Fahrbahnplatte, sondern dient gleichzeitig als Untergurt für das Haupttragwerk. Der Obergurt und die Streben der Fachwerke sind in Stahl ausgeführt.

Die Brücke wurde komplett im Werk gefertigt und auf der Baustelle mit einem mobilen Kran auf die Widerlager gehoben.

Als erste Anwendung mit Scheibentragwirkung wurde das Platten-Scheiben-Modul PSM bei einer kleinen Fussgängerbrücke am Grand Hotel Magglingen eingesetzt.

Das Dach der Hotelvorfahrt und die anschliessende Brücke bestehen aus transluzenten grünen Glasfaser Composite Elementen. Dach und Brücke wirken wie ein räumlich gefaltetes Band, sind jedoch statisch unabhängig.

Die Fussgängerbrücke ist als einfacher Balken über zwei Stützen gespannt. Die Seitenwände bestehen aus jeweils einem PSM-Modul, das durch die statische Höhe von 1.60 m als Scheibe wirkt.

An der Schweizerischen Landesausstellung EXPO.02 in Yverdon konnte die Fachgruppe FVK die Entwicklung von drei Bauwerken wissenschaftlich begleiten: ein Dach, eine begehbare tragende Struktur und zwei Brücken aus Faserverbundkunststoff.

Alle drei innovativen Strukturen wurden in transluzenter Bauweise ausgeführt. Es wurden Konzepte erarbeitet und Versuche durchgeführt. Noch heute wird mittels Messungen an einer Versuchsbrücke und an Versuchskörpern das Verhalten der Bauteile unter Langzeiteinflüssen untersucht.

Das Forum Soft überspannt eine Fläche von ca. 40m x 300m und verschiedene Ausstellungen. Das Dach ist aus über 24‘000 4m bis 12m langen Elementen zusammengesetzt. Dabei wurden rund 200‘000kg Glasfaserkunststoff verarbeitet.