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Glasfaserbewehrung in Fundamenten von Hochspannungs-Leistungselektronik

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Peine_Traeger
Fundament Bewehrung
Leistungselektronische Bauteile wie Kompensationsdrosselspulen, Spannungs-Umrichter und Sammelschienen sind elementare Bestandteile der modernen Infrastruktur zur Erzeugung, Übertragung und Endnutzung von Elektrizität.

Leistungselektronische Bauteile wie Kompensationsdrosselspulen, Spannungs-Umrichter und Sammelschienen sind elementare Bestandteile der modernen Infrastruktur zur Erzeugung, Übertragung und Endnutzung von Elektrizität. Sie alle haben die Eigenschaft gemeinsam, unter hoher Spannung starke Magnetfelder um sich herum zu erzeugen. Diese Magnetfelder wiederum generieren Streuströme in der Stahlbewehrung der Betonfundamente der Anlagen und erhitzen diese massiv. Der Verbund zwischen Stahl und Beton wird dadurch gravierend beschädigt und die Tragfähigkeit des Fundaments nachhaltig beeinträchtigt. Bisher werden die Stahlstäbe einzeln isoliert, dies hat hohe Kosten und einen enormen Zeitaufwand zur Folge. Eine einbaufreundliche Alternative ist der Einsatz einer Glasfaserbewehrung. Bei gleichen bauphysikalischen Eigenschaften wie Stahl sind Glasfaserstäbe weder elektrisch leitend noch magnetisierbar und damit für den Einsatz in elektromagnetischer Umgebung prädestiniert.

Verursacht wird das Problem der Streuströme durch den physikalischen Effekt der Induktion. Dieser bewirkt, dass jeder in einem elektrischen Leiter fließende Strom ein konzentrisches Magnetfeld um diesen Leiter herum verursacht. Gleichstrom erzeugt dabei ein Gleichmagnetfeld, Wechselstrom ein Wechselmagnetfeld. Zwei Aspekte verstärken diesen Effekt um ein Vielfaches: Zum einen hohe Spannungen und Stromstärken des fließenden Stroms, zum anderen die Tatsache, dass der elektrische Leiter in den genannten Bauteilen zu einer Spule mit zahlreichen Windungen geformt ist. Problematisch wird es nun, wenn sich weitere leitfähige Materialien in diesem Magnetfeld befinden. Die Elektronen in diesen Materialien werden durch das Magnetfeld zur Bewegung angeregt, d.h. es fließen auch hier Ströme.

Induktionsströme schädigen das Betonfundament

In Anlagen der Hochspannungs-Leistungselektronik ist vor allem die Stahlbewehrung von Betonfundamenten vom Effekt der Induktion betroffen. Die leistungselektronischen Bauteile werden direkt auf den Fundamenten platziert, somit liegen letztere im unmittelbaren Einflussbereich des Magnetfelds. Hier kommen zwei entscheidende Effekte zusammen, die den Stromfluss in der Stahlbewehrung begünstigen: Zum Einen die physikalischen Eigenschaften von Beton- und Edelstahl, die diesen zu einem hervorragenden elektrischen Leiter mit niedrigem elektrischen Widerstand machen. Zum Anderen die übliche Verlegung der Stahlstäbe in Gitter-Anordnung, welche durch die Berührung der längs und quer verlegten Stäbe zur Entstehung von elektrischen Leiterschleifen führt.

Die vom Magnetfeld induzierten Ströme können in diesen Schleifen mit geringem Widerstand fließen und erhitzen dabei den Bewehrungsstahl. Bei extrem hohen Spannungen und Stromstärken, wie sie beispielsweise in Umspannwerken oder Metall-Schmelzöfen verwendet werden, kann die Temperatur der Stahlstäbe durchaus bis zu 400°C erreichen. Die daraus resultierende Ausdehnung des Stabvolumens schwächt den Verbund zwischen Stahl und Beton und sprengt die Betondeckung auf. Durch die so entstehenden Risse im Beton kann Wasser eindringen, was zur Korrosion des Bewehrungsstahls führt. Als Resultat ist die erforderliche Tragfähigkeit des Fundaments signifikant beeinträchtigt.

Induktionsströme in Stahlbewehrung vermeiden

Um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, geben Hersteller von induktiven Starkstrom-Komponenten verschiedene Richtlinien zur räumlichen Anordnung der Bauteile vor. Diese Vorgaben beinhalten u.A., dass sich im Umkreis von der Größe des einfachen Spulendurchmessers keine leitenden Materialien befinden dürfen. Zusätzlich sollten im Radius von der Größe des zweifachen Spulendurchmessers keine Schleifen aus leitenden Materialien vorhanden sein. Wenn dem Bauprojekt allerdings durch technische oder planerische Umstände räumliche Grenzen gesetzt sind, sind diese Vorgaben nicht umsetzbar.
Die bisherige bauliche Maßnahme zur Lösung des Induktions-Problems zielt auf die Unterbrechung der Leiterschlaufen durch Isolierung der Kontaktpunkte zwischen Längs- und Querbewehrung mit Gartenschläuchen aus Gummi.

Hierzu werden handelsübliche Gartenschläuche halbiert, zwischen die zu isolierenden Stäbe gelegt und mit Kabelbindern befestigt. Diese Maßnahme muss händisch durchgeführt werden und ist daher je nach Land, Region und Größe des Bauvorhabens mit hohem Zeitaufwand und hohen Lohnkosten verbunden. Weiterhin muss die fehlerfreie Verarbeitung der Isolierung kontrolliert werden, um ein Verrutschen der Schläuche beim Betonrütteln zu vermeiden.

Glasfaserbewehrung hat sich in der Praxis bewiesen

Eine zeitsparende Lösung ist der Ersatz der üblichen Stahlbewehrung durch eine Glasfaserbewehrung. Der Bauteilehersteller Schöck aus Baden-Baden hat bereits zahlreiche Projekte im Hochspannungsbereich mit der Glasfaserbewehrung Schöck ComBAR erfolgreich realisiert. Dabei kam das Material sowohl in vergleichweise kleinen Fundamenten für Kompensationsdrosselspulen und Gleichrichteranlagen in deutschen Stahlwerken, als auch in großen Fundamenten von 1000m² und mehr in großen Aluminium-Schmelzen in Island, Saudi Arabien und Katar zum Einsatz. Das Problem der Induktionsströme in der Fundamentbewehrung konnte so dauerhaft eliminiert werden. Die Glasfaserstäbe unterscheiden sich in Handhabung, Verbundeigenschaften und Tragfähigkeit nicht von Betonstahl, sie sind dabei sogar leistungsfähiger in punkto Festigkeit und Dauerhaftigkeit. Mangels ferromagnetischer Bestandteile sind Glasfaserstäbe weder elektrisch leitend noch magnetisierbar. Die Induktion von Streuströmen durch starke Magnetfelder ist somit ausgeschlossen. Außerdem ist das Material unempfindlich gegen Korrosion und chemische Einflüsse. Aufgrund des geringeren E-Moduls und der linearen Elastizität des Materials bestehen bei der Bemessung der notwendigen Bewehrung allerdings Unterschiede zu herkömmlichem Betonstahl, deshalb stehen Ingenieure von Schöck Planern unterstützend zur Seite oder bemessen die Bewehrung auf Wunsch auch selbst. Auch auf der Baustelle weisen sie das verarbeitende Personal im Umgang mit der Glasfaserbewehrung ein. Schöck ComBAR ist in den gängigen Durchmessern als gerader Stab, Bügel, Einzel- und Doppelkopfbolzen erhältlich. Als einziger Glasfaserstab in Deutschland, hat der ComBAR-Stab mit Durchmesser 16 mm die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) erhalten.

Interessierte können sich die Technische Information und das ComBAR-Bemessungsprogramm (nach DIN 1045-1 und EC 2) auf der Homepage www.schoeck.de/download kostenfrei herunterladen.

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