Ständig unter Strom

Kathodisch geschützte Bauteile

bauplaner 9/2021
Objekte

Das Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes (KKS) hat sich inzwischen als Alternative zur klassischen Instandsetzung bewährt. In einer zweigeschossigen Tiefgarage sprachen jetzt gute Gründe für beide Methoden. Die Ausführung der Maßnahme erfolgte nach einem neu entwickelten Konzept als ‚kooperative Instandsetzung‘, bei der Planer, Bauherr und das ausführende Unternehmen gemeinsam ein detailliertes Konzept mit Festpreis entwickelt haben.  

Als Baustoff für die Ewigkeit wurde Stahlbeton einst gepriesen. Und - genaugenommen ist Beton ein dauerhafter Baustoff. Allerdings beeinträchtigen Korrosionsschäden die Lebensdauer von Stahlbetonbauwerken erheblich. Eine Ursache kann das Eindringen von Chloriden aus Tausalzen in den Beton sein. Bei der Überschreitung einer kritischen Chloridkonzentration wird die vor Korrosion schützende Oxidschicht um den Stahl aufgebrochen. Dies setzt eine Kettenreaktion in Gang, die zu stark voranschreitender Korrosion des Stahls führt. Das Gefährliche bei chloridinduzierter Korrosion des Stahls ist, dass diese als Lochfraßkorrosion in Erscheinung tritt. Anders als bei flächiger Korrosion (wie man sie auch bei Flugrost kennt) tritt die Lochfraßkorrosion punktuell auf und führt durch das schnelle Voranschreiten zu einem Querschnittsverlust des Stahls. Dies ist deshalb kritisch, da bei Unterschreitung einer Mindestquerschnittsfläche der Bewehrung die Standsicherheit des Bauwerks / Bauteils gefährdet ist.

Aufwendige Instandsetzungsmaßnahmen sind erforderlich, um Betonbauwerke mit Bewehrungskorrosion wieder fit zu machen. Dabei muss nach der konventionellen Instandsetzungsmethode der chloridhaltige Beton ausgetauscht werden. Häufig ist auch ein Teilersatz der Bewehrung nötig. Diese konventionellen Instandsetzungsmaßnahmen stellen in der Regel einen tiefen Eingriff in die Struktur des Bauwerkes dar. Sie sind zudem technisch und statisch sehr aufwendig und entsprechend kostenintensiv.

Als Alternative zur herkömmlichen Betoninstandsetzung rückt derzeit der kathodische Korrosionsschutz (KKS) verstärkt in den Fokus. Dabei ist kein massiver Eingriff in die Struktur des Bauwerks nötig, da der Abtrag des chloridhaltigen Betons nicht zwingend notwendig ist. Es wird nur noch vereinzelt an jenen Stellen der Beton abgetragen, an denen die Bewehrung aufgrund des nicht mehr ausreichenden Restquerschnitts (korrosionsbedingt), ausgetauscht werden muss. Die anodische Teilreaktion (Eisenauflösung) wird durch die dauerhafte Installation eines Kathodischen Korrosionsschutzsystems (KKS) unterbunden. Dabei wird in die betroffene Stahlbewehrung ein Schutzstroms eingeleitet. Dies geschieht über eine am betroffenen Bauteil anzubringende Anode, die mit dem Plus-Pol einer Gleichstromquelle verbunden wird. Der zu schützende Bewehrungsstahl wird mit dem Minus-Pol verbunden. Dabei verhindert die negative „Aufladung“ (da Minuspol) der Bewehrung den anodischen Teilprozess (anodische Eisenauflösung), also die Korrosion. Die im System verbleibende Korrosionsrate wird so auf technisch vernachlässigbare Werte abgesenkt (Abtragsrate i.d.R. < 10 µm/a), ohne dass substanzielle Eingriffe nötig sind. Ein kontinuierliches Monitoring gewährleistet die nachhaltige Dauerhaftigkeit der kathodisch geschützten Bauteile und stellt so eine langfristige Restnutzung sicher. Das Verfahren ist zudem wirtschaftlich und bietet auch in Bezug auf die Lärm- Staub- und Wasserbelastung Vorteile. Hinzu kommen – ein wichtiger Faktor für Parkhaus-Betreiber – kürzere Sperrzeiten mit entsprechend geringeren monetären Ausfällen. Nicht zuletzt handelt es sich dabei um ein umweltfreundliches Verfahren, bei dem weniger Bauschutt anfällt, da der chloridkontaminierte Beton im Bauteil verbleibt.

Innovatives Vergabeverfahren

Bei der Instandsetzung der zweigeschossigen Tiefgarage eines Wohn- und Geschäftshauses in Rotenburg/Wümme wurden jetzt von der Bauschutz GmbH & Co KG Niederlassung Nord, ein Mitglied der Landesgütegemeinschaft Instandsetzung von Betonbauwerken Hamburg, Mecklenburg-Vorpommern e.V., beide Instandsetzungsvarianten ausgeführt. Die Bauschutz GmbH & Co KG ist eines der führenden Unternehmen für den Schutz und die Instandhaltung von Bauwerken und Industrieanlagen in Deutschland und verfügt über eine mehr als 70jährige Erfahrung bei der Entwicklung von innovativen und hochwertigen Lösungen im Bereich der Bauwerksinstandsetzung.

Mit dem bei diesem Projekt entwickelten Prinzip der ‚kooperativen Instandsetzung‘ fand das Unternehmen jetzt neue Wege zur Optimierung der gesamten Prozesskette, von der Bedarfsermittlung bis zur Abnahme. „Bereits in einem sehr frühen Stadium“, beschreibt Michael Notthoff, Leiter und Prokurist der Niederlassung Nord, das maßgeblich von ihm entwickelte Konzept, „haben wir in regelmäßigen, detaillierten Besprechungen das Projekt gemeinsam mit Planer und Bauherrn entwickelt.“ Dabei wurden vor Vertragsabschluss alle relevanten Aspekte zu Budget, baulicher Zielsetzung und optimaler Umsetzung der Bauausführung gemeinsam mit Bauherr, Planer und ausführender Firma auf Augenhöhe projektiert. Vorrangiges Ziel war, alle Aspekte des Bauherrn, die Anforderungen der Planung sowie der technischen Lösungen miteinander auszuloten. „Es war“, so Notthoff, „die zielgerichtete Suche nach Optimierung aller zusammenwirkenden Komponenten, so dass sich schließlich ein sehr klares Bild ergab und finanzielle und terminliche Risiken ausgeräumt werden konnten.“ Im Ergebnis wurde das Projekt auf Basis eines Pauschalauftrages abgewickelt. „Es hat super funktioniert“, betont Michael Notthoff. Weil alles bereits im Vorfeld mit den Partnern besprochen und geklärt wurde, habe es keine unliebsamen Überraschungen, die zu Störungen im Bauablauf führen, gegeben. „Am Ende waren alle zufrieden“, unterstreicht Michael Notthoff.

Ist-Zustand

Die Schädigungen der Stahlbetonkonstruktion des aus dem Anfang der siebziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts stammenden Bauwerks mit einer Gesamtfläche von 1600 m² waren offensichtlich. So wies die Oberseite der Zwischendecke zum 2. Untergeschoss einen flächenmäßig sehr hohen Anteil an Hohllagen auf. Der Oberflächenschutz war stark abgenutzt und teilweise gerissen. Durch jahrelangen Eintrag von Chloriden in die Bausubstanz und die folgenden Bewehrungsschäden war die Tragfähigkeit gefährdet. Abplatzungen in Bereichen früherer Instandsetzungen hatten sich zu Stolperfallen entwickelt. Aussinterungen auf der Unterseite der Decke über dem 1. Untergeschoss gaben Hinweise auf eine nicht funktionstüchtige Abdichtung des Bauwerks. Die Ergebnisse der Chloriduntersuchungen wiesen darauf hin, dass im Sockelbereich der Wände und Stützen ein als kritisch zu bewertender Chloridgehalt angenommen werden musste. Allerdings stellten die Planer der LPI Ingenieurgesellschaft mbH aus Hamburg, die von der Bauschutz mit der IST-Zustandserfassung sowie der Instandsetzungskonzeption beauftragt war, an keiner Stelle eine durch Carbonatisierung der Betonrandzone typische Schädigung mit Rissbildung und entsprechenden Betonabplatzungen fest. 

Ähnlich der Befund im zweiten Untergeschoss: Die Bodenplatte wies Risse auf, die zwar verschmutzt, jedoch geschlossen waren. Die Fläche war trocken, allerdings interpretierten die Planer Salzablagerungen speziell im Bereich der Parkflächen dahingehend, dass es durchaus zu stehender Feuchtigkeit auf der Bodenplatte kommt. Entsprechende Untersuchungen ergaben dann auch für Teilbereiche der Bodenplatte sowie an den Stützen und Wänden eine als kritisch zu bewertende Chloridkonzentration, die bereits die Bewehrungslage erreicht hat. Die vertikale Bewehrung lag im Sockelbereich auf einer Höhe von ca. 20 bis 25 cm frei und war erheblich korrodiert. „Trotz der offensichtlichen Schädigung der Stahlbetonkonstruktion“, so die Planer, „liegen augenscheinlich keine Hinweise auf eine akute Beeinträchtigung der Tragfähigkeit im 2. UG vor.“ Allerdings bestehe, um eine langfristige Verfügbarkeit der Tiefgarage zu gewährleisten, Instandsetzungsbedarf auch für die Bodenplatte, sowie für die Sockelbereiche der Wände und Stützen im 2.UG.

Instandsetzungskonzept

Das dazu von der LPI Ingenieurgesellschaft auf Basis der DAfStb-Richtlinie „Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen“, Ausgabe 2001, entwickelte Instandsetzungskonzept sollte die Wiederherstellung der Dauerhaftigkeit gewährleisten und die Tragfähigkeit der betroffenen Stahlbetonbauteile sicherstellen. Für die Oberseite der Zwischengeschossdecke sowie für die mit Chloriden kontaminierten Wandbereiche im ersten Untergeschoss empfahlen die Planer eine Instandsetzung entsprechend dem Instandsetzungsprinzip 7.2 gem. DIN EN 1504. Entsprechend erfolgte ein Abtrag der kompletten Betonrandzone bis auf eine Tiefe von 8 bis 10 cm.

Für die Instandsetzung des zweiten Untergeschosses der Tiefgarage empfahlen die Planer dagegen für alle instand zu setzenden Bauteile den Kathodischen Korrosionsschutz – unter anderem auch, um so einer Verzögerung der Bauzeit vorzubeugen und die Nutzbarkeit der Tiefgarage möglichst schnell wieder zu gewährleisten. Nach Auffassung der Planer ist die Anwendung der traditionellen Instandsetzungsmethode mit Abtrag des schadhaften Betons durch Höchstdruck-Wasserstrahltechnik (HDW), keine Alternative gewesen, da aufgrund des von unten auf das Bauteil wirkenden Grundwasserstands der Abtrag des Betons aus statischen Aspekten nicht vertretbar gewesen wäre. Demnach hätten die Arbeiten vor Ort immer nur in kleinen Teilbereichen ausgeführt werden können. Die sich daraus ergebenden materialabhängigen Warte- und Trocknungszeiten hätten zwangsläufig eine deutliche Verlängerung der Bauzeit mit entsprechend längeren Sperrzeiten für die Tiefgarage bedeutet.

Instandsetzung 1. UG

Zur Instandsetzung der Zwischengeschossdecke wurde zunächst ein kompletter Abtrag der Betonrandzone bis auf eine Tiefe von ca. 8 bis 10 cm vorgenommen. Nach umfangreicher Bewehrungsergänzung reprofilierten die Mitarbeiter der Bauschutz den Querschitt mit einem hochalkalischen Beton und brachten ein rissüberbrückendes Oberflächenschutzsystem auf.

Im Sockelbereich der Stützen und Wände erfolgte eine lokale Schadstelleninstandsetzung. Dazu wurde an jenen Teilbereichen, die Abplatzungen und/oder einen kritischen Chloridgehalt aufwiesen, der Beton bis auf die Tiefe des „gesunden“ Betons abgetragen und anschließend wieder mit Spritzbeton reprofiliert. Umlaufend wurden gefügedichte Hohlkehlen hergestellt. Die Oberflächen des Sockelbereichs erhielten bis zu einer Höhe von 50 cm einen zusätzlichen Schutz aus Flüssigkunststoff mit Vlieseinlage.

Installation des KKS-Systems

Bei der Installation des Kathodischen Korrosionsschutzes auf der Bodenplatte im zweiten Untergeschoss wurden zunächst bandförmige Titananoden in den im Rahmen der Ausführungsplanung berechneten Abständen auf der entsprechend vorbereiteten Betonoberfläche verlegt und in regelmäßigen Abständen fixiert. Bandanoden bieten Vorteile, wenn es darum geht, eine sehr gleichmäßige Stromverteilung zu erzielen und sind zudem in Bezug auf Verlegeabstand und -richtung sehr flexibel. So konnten durch die Variation der Abstände zwischen den Bändern die wegen der voneinander abweichenden Bewehrungsgehalte in der Sohle und den aufgehenden Bauteilen erforderlichen unterschiedlichen Schutzstromdichten einfach erreicht werden.

Um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden, erfolgte die Befestigung der Bandanoden mit Kunststoffdübeln in einem Mindesabstande zur Bewehrung von 15 mm. Bei Unterschreitung des Wertes wurde die Mindestbetondeckung in den entsprechenden Bereichen vorab durch das Aufbringen einer Mörtelausgleichschicht erhöht.

Ein an jedem Band durch Punktschweißen angebrachter Anschluss zum Stromverteiler verbindet die einzelnen Anodenbänder miteinander. Da sie den Strom jedoch nur zu den Sekundäranoden leiten und noch nicht im Beton verteilen sollen, werden sie ohne elektrolytisch leitfähige Beschichtung ausgeführt. Obwohl sich Drahtanoden im Rahmen der Einbettungsarbeiten besser ummanteln lassen, entschieden sich die Planer wegen des um einen Faktor 10 geringeren Widerstandes sowie der sich daraus ergebenden Vorteile wie etwa weniger Anodenanschlüsse oder ein geringerer Verkabelungsaufwand für den Einsatz von Bandanoden. Die Stromzufuhr erfolgt über isolierte Gleichspannungsleitungen. Die Anschlusspunkte der entsprechenden Leitungen an den Primäranoden wurden vollständig isoliert.

Nachdem die Bewehrung an einzelnen Stellen freigestemmt wurde, konnten die Verarbeiter im nächsten Schritt die Kathodenanschlüsse (Minus-Pol) an die Bewehrung schweißen. Anschließend erfolgte die Installation der zur Überwachung der Leistungs- und Funktionsfähigkeit des Systems notwendigen Überwachungssensoren in den Bereichen mit besonders hoher Korrosionsaktivität. Nach einer abschließenden visuellen Prüfung erfolgte der Auftrag eines kunststoffmodifizierten Einbettungsmörtels. Die durch Fräsen im Kreuzgang vorbereitete Betonoberfläche gewährleistete dabei einen guten Haftverbund des Einbettungsmörtels.

Um das Ziel einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Schutzströme innerhalb der zu schützenden Bewehrungsoberfläche zu erreichen, ist es wichtig, dass das Einbettungsmaterial eine ähnliche oder höhere elektrolytische Leitfähigkeit wie der Altbeton aufweist. Gleichzeitig sollten auch die weiteren Materialeigenschaften des ausgewählten Einbettungsmörtels mit denen des vorhandenen Betons kompatibel sein. Das Einbettungsmaterial wurde mit einer Auftragsdicke von etwa 25 mm verarbeitet. Der Auftrag durfte nicht zu dünnschichtig erfolgen, um eine Behinderung des Stromzuflusses zu vermeiden.

Alle elektronischen Komponenten des Systems wurden in einem Schaltsschrank zusammengeführt, der sich in einem zentral gelegenen, abschließbaren Raum befindet. Auch die Fernwartung des KKS-Systems ist über mobile Daten per separatem Internetzugang möglich. Die fachgerechte Betreibung dieser Variante des Kathodischen Korrosionsschutzes bedeutet für den Parkhausbetreiber eine nahezu durchgängige Aufrechterhaltung der Treibspannung zwischen Kathode und Anode. Dabei ist der jährliche Stromverbrauch des KKS-Systems bei diesem Objekt aufgrund der niedrigen Schutzströme vernachlässigbar.

Zusätzlicher Oberflächenschutz

Bei Einhaltung der Schutzkriterien nach DIN EN ISO 12696, welche unter anderem anhand der aufgezeichneten Daten zur gewählten Treibspannung und des Stromflusses nachgewiesen werden, wird die Lebensdauer des Bauwerks trotz verbliebener Chloride im Beton dauerhaft verlängert. Wegen der hohen mechanischen Beanspruchung und nicht zuletzt auch wegen des optischen Erscheinungsbilds entscheiden sich viele Planer und Tiefgaragenbetreiber für das Aufbringen eines zusätzlichen Oberflächenschutzes. Das hier verwendete OS-8-System ist im Wesentlichen eine starre Epoxidharzbeschichtung. Bei der konventionellen Instandsetzungsmethode wäre ein Beschichtungssystem erforderlich gewesen, welches neben der mechanischen Beanspruchbarkeit auch rissüberbrückende Eigenschaften beinhalten müsste.

Analog zum ersten Untergeschoss erhielten auch die Sockelbereiche der Wände und Stützen im zweiten Untergeschoss eine 50 cm hohe Abdichtung mit Flüssigkunststoff mit Vlieseinlage. Zusätzlich wurde auch hier eine gefügedichte Hohlkehle ausgeführt. Mit abschließenden Markierungsarbeiten auf den Flächen und Malerarbeiten oberhalb der 50 cm hohen Abdichtung wurde die Instandsetzung abgeschlossen.

Da die Maßnahme nach der DAfStb-Richtlinie „Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen“ (RiLi SIB) als standsicherheitsrelevant einzustufen war, wurde die fachgerechte Ausführung der Arbeiten durch Eigen- und Fremdüberwachung sichergestellt. Die bauordnungsrechtlich zwingend notwendige Fremdüberwachung erfolgte dabei durch die dafür anerkannte Prüf- und Überwachungsstelle der Bundesgütegemeinschaft Instandsetzung von Betonbauwerken mit positiver Beurteilung. „Dies gewährleistet die Qualität von Schutz- und Betoninstandsetzungsmaßnahmen“, betont Michael Notthoff, der auch Mitglied im Vorstand der Bundesgütegemeinschaft Instandsetzung von Betonbauwerken e.V. ist, „und dient dazu, Bauwerke langfristig zu erhalten oder zu ertüchtigen.“ 

In der Bundesgütegemeinschaft Instandsetzung von Betonbauwerken e.V. (BGib) haben sich neun Landesgütegemeinschaften und die Bundesgütegemeinschaft Betonflächeninstandsetzung (BFI) zusammengeschlossen. Unterstützt werden sie durch Unternehmen, die dem Verein „Deutsche Bauchemie e.V.“ angehören sowie durch Einzelmitglieder. Ziel der Gemeinschaft ist es, durch RAL-gütegesicherte Maßnahmen nach Vorgaben des Deutschen Instituts für Gütesicherung und Kennzeichnung e.V. (RAL) bei der Betoninstandsetzung für eine langfristige Werthaltigkeit der Bausubstanz zu sorgen und Gefahren für die Allgemeinheit aus Mängeln an der Bausubstanz abzuwehren. Diesem Ziel haben das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) und das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) durch Anerkennung der Bundesgütegemeinschaft Instandsetzung von Betonbauwerken bzw. ihrer Prüfstelle Rechnung getragen.

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