Grand Paris Express: Stahlfaserbeton-Tübbinge für die Metrolinie 16
Die Olympischen Spiele 2024 in Paris haben die Aufmerksamkeit der Welt auch auf Saint Denis und Le Bourget gelenkt wo das Olympische Dorf und das Pressedorf eingerichtet waren. Saint Denis und Le Bourget gehören beide zum Gemeindeverbund „Métropole du Grand Paris“, und beide haben eine Station für die Metro Linie 16 des Grand Paris Express. Das Baulos 1 der Linie 16 beinhaltet eine Frankreich-Premiere: Auf einer Streckenlänge von 12 km kamen hier erstmals Tübbinge aus stahlfaserverstärktem Beton (SFB) zum Einsatz. Dies wird sich zweifellos europaweit auf den Einsatz der SFB-Technologie für Tübbinge auswirken. Angesichts zahlreicher sich abzeichnender Projekte ist das möglicherweise bereits der Fall.
Beim Baulos 1 der Grand-Paris-Express-Linie 16 kamen erstmals bei einem französischen Metroprojekt Stahlfaserbeton-Tübbinge zum Einsatz Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil
Einleitung
Dieses ehrgeizige Projekt sah ursprünglich die Installation von 10 000 SFB-Tübbingringen auf einer 19,8 km langen Strecke in drei verschiedenen Durchmessern vor (6700/7400, 7750/8550 und 8700/9500 mm). Drei große Herausforderungen mussten dabei von Beginn an bewältigt werden.
Die Projekteigner mussten höheren Kosten zustimmen, wodurch die ursprünglichen Erwartungen, die ihr Interesse begründet hatten, nicht erfüllt wurden.
Die Situation in Frankreich unterscheidet sich vom angelsächsischen oder internationalen Ausland, wo es eine starke Hebelwirkung zwischen dem Preis der Faser und dem der Bewehrung gibt. In Frankreich ist das Verhältnis zwischen den beiden Rohstoffen eins zu eins, und der Wertverlust ergibt sich allein aus den unterschiedlichen Relationen.
Diese Situation hat uns dazu veranlasst, den Schwerpunkt unserer Überlegungen auf die Nachhaltigkeit und die geringen Kohlenstoffemissionen zu legen. Diese sind mittlerweile zum attraktivsten Aspekt des Einsatzes von SFB im Tunnelbau geworden und stehen im Mittelpunkt unserer Kommunikationsarbeit.
Unser Konzept geht über die reine finanzielle Logik hinaus: SFB im Tunnelbau ist sowohl gut für die Umwelt als auch sicher für die Menschen, die tagtäglich in den Tunneln unterwegs sind. Der Einsatz von Technologie und Ingenieurwissenschaft im Dienste der Allgemeinheit bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit ist eine Win-Win-Situation.
Besonders stark war der Widerstand der Industrie, insbesondere der Bauherren und Projektleiter, aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Arbeitsphasen, der Ausschalung, der Handhabung der Tübbinge und des Verhaltens des Rings gegenüber der Schubkraft der TBM-Zylinder.
Diese Hemmnisse resultierten in einer Vervielfachung der Sicherheitskoeffizienten und der Sicherheitskonzepte, von der Modellierung und den Berechnungen bis hin zur Umsetzung in der Vorfertigung und der Überwachung des Inspektionsplans.
In der Werkstatt muss allgemeines Personal geschult werden, was sowohl ein Risiko als auch eine Chance für die Qualität der Vorfertigung darstellt. Die Montage erfolgt mit Personal, das ebenfalls häufig geschult werden muss und den Einbau von SFB-Tübbingen im Vergleich zur Handhabung von Stahlbetontübbingen zunächst als schwierig empfinden könnte.
Die Produktion in Fertigteilwerken stellte einen Fortschritt für SFB dar, der Einbau in Tunneln, bot jedoch auf den ersten Blick keine vergleichbaren Vorteile. Hinzu kamen die Zwänge strenger Normen, ein eher skeptisch eingestellter Berufsstand und ein Bauherr, der sich zunächst vor allem an ökonomischen Aspekten orientierte. Die Überwindung dieser Hürden erlaubt, die Konzentration auf die Entwicklung von stahlfaserbewehrtem Beton in Europa zu lenken und Zukunftsperspektiven zu verfolgen, die über das Marktsegment der Tübbinge hinausgehen.
Insgesamt wurden 6000 SFB-Tübbing-Ringe auf einer Streckenlänge von 12 km installiert
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil
Im Fall des Bauloses 16-1 konnten wir den Umstand nutzen, dass wir einen Rahmenvertrag für Stahlbetontübbinge hatten. Wir konnten den Hauptauftragnehmer in die Rolle eines Partners einbinden, der sich nicht allein mit der Überwachung des SFB befasst, indem wir eine vertrauensvolle Beziehung aufbauten. Dies ermöglichte es allen Beteiligten, unsere Ergebnisse und die Fortschritte zu verfolgen, die wir bei der Verwendung von SFB-Tübbingen erzielen konnten. Am Ende wurden 6000 Ringe mit einem Durchmesser von 8700/9500 mm auf über 12 km Tunnelstrecke eingebaut.
In diesem Artikel werden wir uns auf Aspekte konzentrieren, von denen wir hoffen, dass sie dem Leser ein besseres Verständnis für die Herausforderungen vermitteln, die mit dem Einsatz von SFB-Tübbingen im Tunnelbau einhergehen.
1 Regulierungsprozess
In diesem Abschnitt sind vier wichtige Aspekte hervorzuheben:
1. Eine Durchführbarkeits- und Validierungskampagne dauert mindestens acht Monate, wobei allein die Brandversuche drei Monate in Anspruch nehmen. Wir haben ein Jahr benötigt, um die ersten SFB-Tübbinge aus der Produktionswerkstatt zu liefern.
2. Die Kosten für die Berechnung entsprechen in etwa denen für die Berechnung und Erstellung von Planungen mit Stahlbeton. Voraussetzung dafür ist, dass man keinen 3D-Ansatz wählen muss, der die Vorlaufzeit um 3 Monate verlängert.
3. Die Validierung der Formel, einschließlich Formeldefinition, Bemessungstests, Eignungstests, Brandtests und SFB-spezifischen Tests (darunter insbesondere Tests der Stufe 1, bei denen vor allem der Homogenitätskoeffizient K bestimmt wird, mit dem Ziel K=1), kann die Umsetzung dieser SFB-Lösungen beeinflussen. Die Kosten sind offenbar in den einzelnen europäischen Ländern vergleichbar.
4. Auf die technischen Aspekte und insbesondere auf die Hemmnisse für die Entwicklung von faserverstärkten Lösungen, die durch die Einhaltung des Orientierungskoeffizienten K entstehen, werden wir später zurückkommen, vor allem auf das Akzeptanzkriterium K=1, da das FIB (Fédération internationale du béton) unlängst bestätigt hat, dass K=1 für stahlfaserverstärkten Beton aufgrund seiner Isotropie grundsätzlich gilt.
2 Qualitätsplan
Die Prüfung von Betonprismen erforderte die Investition in eine Presse und acht Stunden Arbeitszeit für eine Serie von zehn Prüfkörpern
Credit/Quelle: Bekaert
Herstellung und Einbau von SFB-Tübbingen sind Teile einer funktionierenden Prozesskette, bei der die Regeln des Handwerks eingehalten werden
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil
Der Qualitätsplan ist oft übermäßig ehrgeizig. Die Prüfung von Prismen mit den Maßen 15*15*60 cm erfordert die Investition in eine Presse und acht Stunden Arbeitszeit für eine Serie von zehn Prüfkörpern, obwohl diese Prüfung nicht repräsentativ für die Größe einer 60-mm-Faser ist (5*60-mm-Proben = 300 mm Querschnitt*4 = 1200 mm) und eine schwer zu analysierende Streuung erzeugt.
Zur Überprüfung der Isotropie der Faserausrichtung werden Proben aus einem Segment entnommen, die angesichts der mangelnden Repräsentativität der entnommenen Proben keine aussagekräftigen Ergebnisse liefern können. Diese Tests sind in der Eignungsprüfung enthalten, obwohl sie Bestandteil der Tests der Stufe 1 sind.
Angesichts der fehlenden Ergebnisse haben wir diesen Test genutzt, um die Fasern auf Bildern zu zählen, die durch Fotografieren der vier Seiten eines Prismas entstanden sind.
Dieser fotografische Ansatz zeigte, dass sich eine große Anzahl von Fasern an der richtigen Stelle und in der richtigen Ausrichtung befand, die Verteilung also sehr ausgeprägt war (bevorzugter Faserdurchmesser: 0,75 mm). Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz konnten wir diesen Test systematischer angehen. Allerdings ist er aufgrund der Kosten für das Schneiden des Segments auch entsprechend teuer.
Dieser letzte Punkt führt zu der zusätzlichen Beobachtung, dass die Ergebnisse der Charakterisierungs- und Studientests mit einem Labormischer (der laut Vorschrift erforderlich ist) schlechter sind als mit einem Werksmischer (der nur für den Eignungstest verwendet wird). Ein herkömmlicher 60-Liter- oder 8-Liter-Labormischer wird keine zuverlässigen Ergebnisse liefern.
Dies ist einer der Gründe, warum wir CERIB für die Identifizierungs- und Studienphase gewählt haben, da sie über einen 200-Liter-Labormischer verfügen (der dennoch nicht mit einem 1200-Liter-Werksmischer verglichen werden kann).
Neben der teuren tomographischen oder röntgenologischen Untersuchung der Segmente garantiert die perfekte Konsistenz der Faser- und Wasserdosierung und -mischung in Verbindung mit dem richtigen Fasertyp konsistente Ergebnisse.
3 Fabrikproduktion
Verlässlichkeit garantiert gute Resultate, und die sorgfältige Installation der Beton-Dosieranlage und des Faserdosiersystems gewährleisten diese Verlässlichkeit:
Dosieranlage und Puffer
Dreifaches Wiegesystem mit Wägezellen
Präzise Wasserdosierung mit angepassten Sonden und Robotik
Vertikale Mischwelle mit Rührwerk und Ertalonbehälter
Die Verlässlichkeit der Faserdosierung sichert die Qualität der Produktion, was durch die regelmäßige Durchführung der Stufe-1-Prüfungen belegt wird, die für uns das einzig relevante Maß darstellen.
4 Tunnel
Die Fachleute im Tunnelbau befassen sich vor allem mit mechanischen und geotechnischen Aspekten. In dieser Hinsicht war die Bedeutung der Tübbinge lange Zeit zweitrangig und stand im Schatten der bewährten Stahlbetontechniken, die jedoch auch ihre Nachteile haben. Die Verwendung von Stahlfaserbeton hat die Tübbinge wieder stärker ins Rampenlicht gerückt, da sie einen Beitrag zur Nachhaltigkeit und zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen leisten.
Die TBM ist ein Werkzeug für geotechnische Aufgaben, und die Tatsache, dass sie nur vorübergehend eingesetzt wird, ändert nichts an den Qualitäten, die sie aufweisen muss, zumal immer eine TBM erforderlich sein wird, um eine finale Auskleidung aus Tübbingen herzustellen.
Allerdings muss die Rolle der Tunnelsegmente, die als endgültige Auskleidung die Sicherheit der Fahrgäste des öffentlichen Verkehrs oder des Straßenverkehrs gewährleisten, stärker ins Bewusstsein gerückt werden.
Die Faserherstellung selbst ist eine Hightech-Industrie, wobei das Produkt in seiner Form letztlich sehr einfach bleibt. Stahlfaserbeton ist ein Verbundwerkstoff aus zwei Komponenten – Fasern und Beton. Dessen Qualität ergibt sich aus der Qualität beider Komponenten und vor allem aus deren enger Verflechtung. Wie das Beispiel Grand Paris Express Linie 16-1 zeigt, kann ein qualitativ hochwertiger Stahlfaserbeton mit Zuschlagstoffen von durchschnittlicher oder sogar mittelmäßiger Qualität hergestellt werden, solange die Fasern und der Zement hochwertig sind und die beiden Komponenten richtig kombiniert werden. Natürlich kommt der Nutzen einer Qualitätsfaser erst dann voll zum Tragen, wenn auch die Betonmatrix hochwertig ist.
Häufig wird der Beton jedoch aus lokalen und verfügbaren Materialien hergestellt, und die Tübbinge werden von Fertigteilherstellern gefertigt, die aus einem anderen Arbeitsumfeld stammen als diejenigen, die sie im Tunnel installieren. Lange Zeit – und das mag auch heute noch der Fall sein – wurde die Zugabe von Fasern in die Betonmatrix vom Berufsstand als wenig wichtig angesehen, und letztlich zählte nur der Preis.
In Bezug auf den Tunnelbau lassen sich Unterschiede im Umgang mit Stahlbeton- und SFRC-Tübbingen feststellen. Die Stahlbetontechnologie erlaubt es, gelegentlich von den Regeln des Handwerks abzuweichen, oft aus Gründen der Produktionsrate, während bei der Verwendung von SFB die Regeln des Handwerks eingehalten werden müssen.
Daher dachte man lange Zeit, dass SFB-Segmente vergleichsweise „fragil“ seien und Risse aufweisen. Dabei „reparieren“ sich gerade diese SFB-Bauteile viel leichter als Stahlbeton, und die Mikrorisse in SFB sind nicht so ausgedehnt wie die Risse in Stahlbeton, die langfristig zu größeren Schäden führen.
Letztendlich ist der Kreislauf der Herstellung und des Einbaus von SFB-Segmenten Teil einer funktionierenden Prozesskette, bei der die Regeln des Handwerks eingehalten werden. Dies sollte Bauherren und Projektleiter bestärken, da das Endergebnis in jedem Fall eine wasserdichte Verkleidung ist, die haltbarer und langlebiger ist als die Lösung aus Stahlbeton. Dies ist wichtig angesichts der Garantiezeit, die bei dieser Art von Auskleidung bis zu 100 Jahre betragen kann.
5 Zusammenfassung
Resultate und Erkenntnisse aus dem Projekt Grand Paris Express, Line 16, Baulos 1:
Die perfekte Übertragung eines Stahlbetonentwurfs auf eine SFB-Konstruktion wurde erreicht; dabei wurden große Fortschritte bei der Nutzung von SFB bezüglich Größe, Anzahl und Länge der Tübbinge erzielt. Es waren allerdings bereits Maßnahmen ergriffen worden, die den Einbau von Stahlfaserbeton-Tübbingen begünstigten (Verbinder, Führungsschienen, Verzicht auf Zugschrauben, verankerte Verbindungen).
Höhere Produktivität in der Vorfertigungswerkstatt und konsequentere Ausführung
Verbesserung der Einbauqualität
Das Bewusstsein für die Vorteile dieses Ansatzes als Teil eines kohlenstoffarmen und vor allem nachhaltigen Ansatzes, kombiniert mit wirtschaftlichen Vorteilen und verbesserten Herstellungs- und Einbauqualitäten
Hochwertiger SFB kann mit durchschnittlichen oder sogar minderwertigen Gesteinskörnungen hergestellt werden, vorausgesetzt, die Fasern und der Zement sind von hoher Qualität und die beiden Komponenten – Fasern und Beton – wurden richtig kombiniert.
Die Qualität einer Faser wird durch die Untersuchung der Betonmatrix und der Art und Weise, wie die Faser verteilt ist, auch bei Materialien durchschnittlicher Qualität, im Vergleich zu anderen Fasern bestätigt.
Wir setzen uns auch dafür ein, dass die Faserlieferanten diese Erfahrung nutzen, indem sie sich mit Fachwissen bei der Wahl des Fasertyps (insbesondere bei Diskussionen über 0,75-mm-Fasern) von der einfachen Rolle des Lieferanten lösen, der nur die Preise zusammenstellt.
Bekaert-Stahlfaser Dramix 3D 80/30BGP
Credit/Quelle: Bekaert
Bekaert-Stahlfaser Dramix 4D 80/60BGP
Credit/Quelle: Bekaert
Das Werk Petrovice in der Tschechischen Republik hatte den Zuschlag für die Herstellung der Stahlfasern für dieses Projekt erhalten. Nach allen im Vorfeld durchgeführten Tests fiel die endgültige Wahl auf eine Dramix 3D 80/60 BGP-Faser.
Zunächst einmal liegt der Schwerpunkt auf der Zugfestigkeit der Faser. Dramix 3D-Fasern haben im Allgemeinen Werte zwischen 1100 und 1300 N/mm2. Um die Fr3-Werte der zu erreichenden Leistungsstufen zu verbessern, wird eine höhere Festigkeit von 1800 N/mm2 gewählt. Die Zugfestigkeit einer Stahlfaser sollte mit der Festigkeit ihrer Verankerung (Hakenform, Betonmatrix) zunehmen. Nur so kann die Faser den auf sie ausgeübten Kräften widerstehen. Ein hohes L/D-Verhältnis (Länge/Durchmesser), in diesem Fall 80, ist ebenfalls ein ausschlaggebender Faktor für die getroffene Wahl.
Die Fasern sind lang (60 mm), was eine perfekte Einbindung der Zuschlagstoffe ermöglicht (maximaler Durchmesser 20 mm),
und sie sind relativ fein (Faserdurchmesser 0,75 mm), wodurch ein Netz von 11,6 km Fasern/m3 Beton entsteht.
Mit 4584 Fasereinheiten/kg ist gewährleistet, dass der Beton in der gesamten Matrix und insbesondere an den traditionell schwachen Stellen des Tübbings, wie Ecken und Kanten, Fasern enthält.
Schließlich war auch die Tatsache, dass die Fasern geklebt werden, eine wichtige Entscheidung, um die Bildung von Knäueln in der industriellen Produktionsphase zu vermeiden. Diese Knäuel bergen die Gefahr von Steinchennestern und Entmischungen sowie von Unterschieden in den Faserverhältnissen im Tübbing, die sich nachteilig auf die Homogenität der Matrix und damit auf die Gesamtfestigkeit auswirken. Die Fasern der Mitbewerber (allesamt lose Fasern mit einem höheren Durchmesser) haben Eiffage Génie Civil und Bonna Sabla dabei nicht überzeugt.
Auch wenn das technische Datenblatt für dieses Produkt den Anforderungen des Lastenheftes entspricht, wird auf die Qualitätskontrolle während des gesamten Herstellungsprozesses Wert gelegt.
Für den Entwurf und die Berechnungen wird technischer Input benötigt, insbesondere wenn ursprünglich Stahlbeton in Betracht gezogen wurde. Die gleiche Unterstützung ist für Validierungstests, Eignungsstudien oder Inspektionspläne zu leisten.
Was den SFB-Verbundwerkstoff betrifft, besteht das Ziel nicht darin, die Betonexperten zu ersetzen, sondern sie über die inhärenten Eigenschaften der vorgeschlagenen Faser zu informieren, um eine optimale Kombination zu ermöglichen, und sich dafür einzusetzen, dass die Faser in der Betonmatrix getestet wird.
6 Ausblick
Das „Smart C Device“ bietet eine zerstörungsfreie induktive Methode zur Faserzählung und Ermittlung der Ausrichtung
Credit/Quelle: Bekaert
Die Verwendung von stahlfaserbewehren Tübbingen beim Metro-Projekt Grand Paris Express, Linie 16-1 hat eine Barriere für den Einsatz von SFB durchbrochen. Der SFB-Ansatz wird neue Perspektiven im Tief- und Hochbau eröffnen, begünstigt durch einen verstärkten Einsatz der Vorfertigung. Dabei sind noch nicht die Entwicklungen berücksichtigt, die der 3D-Druck zweifelsohne mit sich bringen wird.
Folgende Faktoren werden zur weiteren Entwicklung und Verbreitung der SFB-Methode beitragen:
der Einsatz von Vorfertigungsverfahren, die den
Entwicklungen des 3D-Drucks vorausgehen.
Vollautomatische und robotisierte Vorfertigungswerkstätten
Zerstörungsfreie induktive Methode zur Faserzählung und -ausrichtung
Entwicklungen im Bereich Tomographie und
Röntgenstrahlen
Fortgesetzte Forschung im Bereich der Nachhaltigkeit und der geringen CO2-Emissionen dieser Technologie (Arbeiten an der Faser- und Betonmatrix in Verbindung mit Fortschritten beim Zement).
Überlegungen darüber, was wir im Zusammenhang mit der Forschung zur Verbesserung der Nachhaltigkeit und des kohlenstoffarmen Betriebs wirklich als Optimierung betrachten wollen (ist eine Verringerung der Segmentdicke oder der Faserdosierung wirklich sinnvoll?)
