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Bau und Konstruktion

Bauwesen bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für Verbundwerkstoffe

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Ob GFK oder CFK – die Bauindustrie ist eines der bedeutendsten Anwendungsfelder für Composites. Ein Grund liegt in der Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten. Ob Profile und Rohre, Kabel- und Lichtschächte, Schalungen oder Brückenelemente – Verbundwerkstoffe werden in zahlreichen Bauteilen verwendet. Wie sie hier eingesetzt werden können, zeigt die COMOPOSITES EUROPE, die vom 6. bis 8. November in Stuttgart stattfindet. Das Angebot der Aussteller ergänzt ein breites Programm inklusive Guided Tours zu den passenden Ausstellern und verschiedenen Vorträgen.

Composites weisen hohe mechanische Festigkeiten bei niedrigem Gewicht auf, sind beständig gegen Korrosion und Ermüdung, haben eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und bieten eine große Designfreiheit. Hinzu kommt, dass der Materialaufwand fast immer groß ist, zum einen wegen der Menge und zum anderen wegen der Größe bzw. des Volumens der Komponenten. Welche Faktoren bei der Verwendung von Composites in der Bauindustrie beachtet werden müssen, mit welchen aktuellen Fragen und Anforderungen sich die Branche beschäftigt und welche Anbieter bereits erfolgreich im Bauwesen aktiv sind, zeigt die COMPOSITES EUROPE am Messe-Mittwoch. Am 7. November widmen sich Experten in Vorträgen im Composites Forum sowie im Lightweight Technologies Forum diesen und weiteren Themen. Eine Guided Tour führt interessierte Messebesucher zusätzlich zu den Ständen verschiedener Aussteller aus dem Bereich.

Ein Drittel der gesamten GFK-Produktion geht ins Bauwesen

Ein Drittel der in Europa produzierten GFK-Menge ist im vergangenen Jahr für das Bauwesen hergestellt worden. Das geht aus dem „Composites-Marktbericht 2017“ hervor. Demnach nahm die Branche rund 380.000 Tonnen von insgesamt 1,118 Mio. Tonnen ab. Im Jahr zuvor waren es knapp 373.000 Tonnen. Damit bleibt der Marktanteil der Anwenderindustrie stabil und auf dem Niveau der Vorjahre. Laut Studie ist die hohe gesamtwirtschaftliche Bedeutung ein Grund dafür, dass die Herstellung von GFK in der langfristigen Betrachtung tendenziell der Entwicklung des BIP folgt. Ein Boom im Baubereich wirkt sich unmittelbar auf die Zulieferer und damit die Industrie aus. Zusätzlich sind GFK-Bauteile teilweise bereits fest als Konstruktionsmaterial etabliert.

Bei Faserverbundwerkstoffen auf CFK-Basis ist die Bedeutung für den Bausektor deutlich geringer, jedoch sind die Wachstumsperspektiven erheblich besser. Von der globalen jährlichen Produktionsmenge von knapp 127.000 Tonnen nahm die Bauindustrie 2017 rund 6.000 Tonnen und damit fünf Prozent ab. Allerdings rechnen die Fachleute – sehr zurückhaltend – bis 2022 mit einer Verdopplung des Bedarfs auf 12.000 Tonnen. So sind vor allem im Bauwesen sehr große Anwendungspotenziale mit vergleichsweise sehr großen Stückzahlen und Bedarfsmengen vorhanden. Doch schon durch den vorrangigen Einsatz in einzelnen Feldern, wird die hier gezeigte konservative Bewertung deutlich übertroffen werden.

Leichtbau bekommt immer größere Bedeutung

Die guten Zukunftsperspektiven betont auch die Studie „Leichtbau – Trends und Zukunftsmärkte“[1] der Leichtbau BW GmbH unter Koordination des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI. Untersucht wurden Publikationen und Patentanmeldungen auf ihre Relevanz für den Leichtbau. Dabei wird das Bauwesen aufgrund seiner Relevanz als weiterer Anwendermarkt betrachtet. Langfristige Entwicklungen und Trends zeichnen sich besonders für faserverstärkte Kunststoffe und verstärkte Betone sowie unterschiedliche Hybridwerkstoffe ab.

Bei langfristigen Trends stehen Themen wie Dauerfestigkeit, mechanische Eigenschaften wie Druck-, Schlag-, Trag- und Bindefestigkeit, Dichte, Wirtschaftlichkeit und Wärmeleitfähigkeit neben der Gewichtsreduzierung in Zusammenhang mit Leichtbau. Dabei werden neben der Wärmeleitfähigkeit (Isolation) insbesondere Verbundwerkstoffe genannt. Auch bei marktnahen mittelfristig relevanten Entwicklungen wie Patenten zeigt eine inhaltliche Analyse, dass erstaunlich viel zu Kunststoffen und Verbundwerkstoffen im Vergleich zu Metall-Leichtbaumaterialien entwickelt wird. „Insbesondere auf lange Sicht wird Leichtbau im Baubereich zukünftig eine noch größere Bedeutung zukommen“, schlussfolgern die Experten.

Diese Einschätzung teilen auch die Verfasser Berichts „Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland“[2] vom VDI-Zentrum für Ressourceneffizienz. Demnach spielt Leichtbau im Baugewerbe eine wichtige Rolle. In den nächsten Jahren sei von einer Zunahme der Nutzung entsprechender Materialien auszugehen. Eingesetzt werden Leichtbauprinzipien etwa bei neuen Designs, wie etwa von Fassadenkonstruktionen. Außerdem zeichnet sich ab, dass FVK, insbesondere GFK verstärkt genutzt werden.

Rechtlichen Rahmenbedingungen verhindern GFK-Brücken

Oftmals scheitern neue Einsatzmöglichkeiten für Composites im Bauwesen an rechtlichen Rahmenbedingungen. Etwa im Brückenbau verhindern je nach Land unterschiedliche, amtliche Zulassungen oder fehlende Normierungen einen „Serieneinsatz“ von Verbundwerkstoffen. Vor allem in den USA, Japan, der Schweiz und den Niederlanden wird derzeit intensiv an der Entwicklung von GFK-Brücken gearbeitet. Während Brücken aus GFK in den Niederlanden mittlerweile zum Standard gehören, sind sie in Deutschland noch die Ausnahme, so der „Composites-Marktbericht 2017“.

Die Verwendung von GFK für Brücken und Fahrbahnen bietet nach Ansicht von Experten zahlreiche Vorteile. Denn der Werkstoff ist sowohl gegen Frostschäden als auch gegen Tausalze immun. Ein weiteres Plus ist das bedeutend geringere Gewicht. Laut Carbon Composites e.V. wiegt eine Kunststoffbrücke etwa 40 Prozent einer Stahlverbund- und weniger als 30 Prozent einer Spannbetonbrücke und kann in deutlich größeren Dimensionen vorgefertigt und mit dem Kran eingehoben werden. Immerhin hat das hessische Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen 2008 damit begonnen, GFK in einem Pilotprojekt zu erproben. Bei Friedberg überspannt eine einspurige Straßenbrücke mit 22 Metern die Bundesstraße B 455.

Bauwesen hat 20 Prozent Marktanteil bei kontinuierlichen Verfahren

Doch nicht nur Brücken sind spannende Anwendungsfelder für GFK-Strukturen. So werden aus dem Material beispielsweise auch Licht- und Kabelschächte sowie Schachtabdeckungen im Press- (SMC) oder Spritzgießverfahren (BMC) hergestellt. Offene Verfahren werden für die Fertigung von Fassaden-Elementen genutzt. Auch bei kontinuierlichen Verfahren ist mit rund 20 Prozent Marktanteil das Bauwesen ein wichtiger Abnehmer, beispielsweise für pultrudierte GFK-Profile, die derzeit laut „Composites-Marktbericht 2017“ ein starkes Wachstum von 6 Prozent in Europa verzeichnen. Interessante Anwendungen hier sind Fensterprofile, Bewehrungsstäbe, Träger- oder Kabelschachtsysteme sowie Geländer und Stufen. Im Schleuder- oder dem Wickelverfahren hergestellte GFK-Rohre und -Tanks sind darüber hinaus für den Anlagen- und Rohrleitungsbau sowie die Öl-/Gas- und Chemie-Industrie relevant.

Auch für CFK bietet die Baubranche vielversprechende Einsatzgebiete. So werden zur Verstärkung von Gebäuden auf die Oberfläche des Betons Lamellen aus CFK geklebt. Mit dieser korrosionsbeständigen Bewehrung wurden nach Angaben von Carbon Composites e.V. weltweit bereits tausende von Objekten saniert oder für neue Aufgaben wieder ertüchtigt. Diese Nachverstärkung mit CFK-Lamellen bietet demnach beträchtliche Vorteile in Wirtschaftlichkeit, Verarbeitung und Optik. Sie erhöhen die Zug-, Druck- und Biegezug-Festigkeit tragender Bauteile, wobei Konstruktionsmaße und Gewicht nur unwesentlich verändert werden. Inzwischen wird das Verfahren nicht nur bei Stahlbeton sondern auch bei Holz eingesetzt.

[1] „Leichtbau – Trends und Zukunftsmärkte“ im Auftrag der Leichtbau BW GmbH (2014 erschienen)

[2] „Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland“ - Kurzstudie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (2015 erschienen)