Verstärkung von Betonbauteilen durch duktile Hochleistungswerkstoffe

Tesis , 2000 , 108 Páginas , Calificación: 1,0

Ingeniería - Ingeniería civil

Durch Zugabe unterschiedlicher Faserwerkstoffe kann das Bruch- und Verformungsverhalten hochfester Betone und Mörtel entscheidend verbessert werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einsatz von duktilem Hochleistungsbeton bei der Verstärkung bestehender Betonbauteile untersucht.
Es sind detaillierte Berechnungen geführt worden, die den Einfluss der Betondruckfestigkeit auf mögliche Tragfähigkeitssteigerungen von Biegebauteilen bewerten.
Dabei fanden u. a. der Grad der Vorbelastung und der vorhandene Bewehrungsgehalt Berücksichtigung.
Überlegungen und Vorberechnungen lehnen sich an den Sachstandsbericht zur Verstärkung von Betonbauteilen (DafStb Heft 467) an.
Ein weiteres Kapitel befasst sich mit der Ertüchtigung der Biegezugzone durch den Einbau von Kohlefaserlamellen. Es konnte festgestellt werden, dass die Kombination von applizierten CFK-Lamellen und Hochleistungsbeton in der Druckzone enorme Tragfähigkeitssteigerungen zulässt.

Inhaltsverzeichnis

Thema der Diplomarbeit

1 Einleitung

2 Beurteilung des Istzustandes
2.1 Erfassung und Bestandsaufnahme von vorhandener Bausubstanz
2.1.1 Das Prinzip der Teilsicherheitsfaktoren
2.2 Verfahren zu Beurteilung des Istzustandes
2.2.1 Bewehrungsermittlung
2.2.2 Bestimmung der Betongüte

3 Arten der Verstärkung von Betonbauteilen
3.1 Grundlegende Aussagen zu Verstärkungen
3.2 Die Verstärkung der Biegedruckzone durch Ortbeton
3.2.1 Wirkungsweise eines durch eine Ortbetonschicht verstärkten Bauteils
3.2.2 Überblick über den derzeitigen Stand der Forschung
3.2.2.1 György Iványi: Anwendung hartkornverzahnter Epoxidbeläge für nachträgliche Querschnittsergänzungen von Biegetragwerken im Schubbereich 1 [8]
3.2.2.2 Eberhard Michaelis: Experimentelle Untersuchung zur Festigkeit der Verbundfuge Alt-Neubeton bei nachträglicher Verstärkung von biegebeanspruchten Stahlbetonquerschnitten [11]
3.2.3 Bemessung einfacher Stahlbetonrechteckquerschnitte auf Biegung - Ermittlung des Bruchmomentes
3.2.3.1 Vorgehensweise bei den in dieser Arbeit durchgeführten Berechnungen 30 3.2.4 Bemessung von mit einer Aufbetonschicht verstärkten Stahlbetonrechteckquerschnitten als monolithischen Querschnitt
3.2.5 Aufstellung des Berechnungsmodells der Tragfähigkeit bei Berücksichtigung der Vordehnung eines nachträglich verstärkten Querschnittes
3.2.6 Inkrementelle - Iterative Pfadverfolgungsalgorithmen
3.2.7 Berechnungen zur Einschätzung der Tragfähigkeitserhöhung einer Druckzonenverstärkung
3.2.7.1 Einfluss der Betongüte auf den Neubeton
3.2.7.2 Einfluss der Vorbelastung auf den Verstärkungseffekt
3.2.7.3 Einfluss der Höhe der Aufbetonschicht auf den Verstärkungseffekt
3.2.7.4 Einfluss einer größeren zulässigen Stahldehnung auf den Verstärkungseffekt
3.2.8 Verfahren zum Nachweis und zur Bemessung von abschnittsweise hergestellten Querschnitten nach Johannsen [16]
3.2.8.1 Hinweise aus [16] zum Gebrauchszustand nachträglich ergänzter Querschnitte
3.2.9 Teilzusammenfassung zur Druckzonenverstärkung
3.3 Die Verstärkung der Zugzone mit CFK-Lamellen
3.3.1 Herstellung und Eigenschaften von CFK-Lamellen
3.3.2 Anwendung, Einbau und bisherige Anwendungen
3.3.3 Berechnung und Konstruktive Regeln CFK-Lamellen-verstärkter Stahlbetonquerschnitte
3.3.4 Berechnungen zu CFK-Lamellen verstärkten Querschnitten
3.3.4.1 Einfluss der Vorbelastung auf das Bruchmoment
3.3.4.2 Einfluss einer Erhöhung der zulässigen Stahldehnung zulεs
3.3.4.3 Einfluss der Lamellenfläche Al auf das Bruchmoment
3.3.4.4 Einfluss des Bewehrungsanteils bei gleichbleibendem Lamellenquerschnitt
3.3.4.5 Einfluss des Bewehrungsanteils bei gleichbleibender Aufbetonhöhe
3.3.4.6 Einfluss des Bewehrungsgehaltes ρsl bei Kombination von Aufbeton undLCFK-Lamellen
3.3.5 Teilzusammenfassung zur Zugzonenverstärkung

4 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Selbstständigkeitserklärung

Abkürzungsverzeichnis und Variablendeklaration

1 Einleitung

Im Verlauf des letzten Jahrzehnts haben sich auf dem Gebiet des Stahlbetonbaus viele neue Erkenntnisse ergeben. Zurückzuführen ist dies auf weltweite, umfangrei- che Forschungen. So ergaben sich Neuentwicklungen auch auf dem Gebiet der Be- tontechnologie. Durch gezielte Betonprojektierungen unter Verwendung spezieller Zusatzmittel ist es heute möglich, Betone herzustellen, deren Druckfestigkeiten schon 200 MPa überschreiten. Zunehmenden Einsatz findet Beton mit Festigkeiten bis zu 85-95 MPa. Bei der Bemessung hochfester Betone müssen die veränderten Materialeigenschaften beachtet werden. Um nicht in den Bereich des möglicherweise schlagartigen Versagens hochfester Betone zu gelangen, werden die zulässigen Stauchungen von Betonen dieser Festigkeitsklassen herabgesetzt. Durch die gegen- über dem normalfesten Beton geringeren zulässigen Betonstauchungen ist eine Aus- lastung der eigentlich vorhandenen Tragkapazität nicht möglich. Gezielte Untersu- chungen auf diesem Gebiet sollten zur weiteren Verbesserung und vor allem auch zur Etablierung des hochfesten Betons in der Industrie führen.

Ergebnisse im Rahmen einer vorgelegten Forschungsarbeit [20] unterstützen den Wandel der Bezeichnung „hochfester Beton“ zu „Hochleistungsbeton“. Dort wurde ein Beton vorgestellt, der die bisher vorhandenen unerwünschten Eigenschaften des hochfesten Betons minimiert. Mit Hilfe eines sogenannten Fasercocktails bestehend aus Stahl- und Polypropylenfasern, der dem Beton zugemischt wird, können die Ei- genschaften des Betons so beeinflusst werden, dass größere Betonstauchungen zu- gelassen werden können. Dieser Hochleistungsbeton, dessen Vorteile in der sehr duktilen Versagensform und auch in seinem positiven Brandverhalten liegen, wurde durch umfangreiche Versuche [28], Auswertungen und auch bruchmechanische Be- trachtungen auf seine verschiedenen Versagensformen infolge Schub und Druck un- tersucht. Ausführliche Untersuchungen zum Druckversagen sind in [21] aufgeführt. Sich stützend auf Versuchsergebnisse, kann man je nach Fasergehalt eine zulässige Betonstauchung berechnen, die den weiteren statischen Bemessungen und Nach- weisen zu Grunde gelegt werden kann.

Angeregt durch die in [20] vorgelegten Ergebnisse sollen auch neue Einsatzgebiete für den Hochleistungsbeton erschlossen werden. Die hier vorgelegte Arbeit soll dazu dienen, den möglichen Nutzen hochfester Betone im Bereich der nachträglichen Verstärkung von biegebeanspruchten Bauteilen wie Deckenplatten und Balken zu erörtern. So werden zu einem überwiegenden Teil Berechnungen durchgeführt, die den Einfluss der Betonfestigkeit unter Berücksichtigung veränderlicher Grenzdehnungen und -stauchungen auf die Biegetragfähigkeit analysieren. Dabei wird von den Hinweisen des „Sachstandsberichts zur Verstärkung von Betonbauteilen“ des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton [1] ausgegangen.

Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird eine Kombination neuartiger Zugzonen- verstärkungen, sogenannter kohlenstofffaserverstärkter Kunststofflamellen, mit beto- nierten Druckzonenergänzungen untersucht. Diese auch als CFK-Lamellen bekann- ten Zugzonenverstärkungen werden schon erfolgreich in der Schweiz verwendet. Eingesetzt werden sie vor allem bei Querschnitten, deren Druckzonen noch Reser- ven in der Tragfähigkeit aufweisen. Eine gemeinsame Verwendung von Druckzonen- ergänzung und Zugzonenverstärkung könnte, die Vorteile beider Verstärkungsme- thoden kombinieren. Eine gezielte Untersuchung dieser Möglichkeit soll Aufschluss darüber bieten.

2 Beurteilung des Istzustandes

2.1 Erfassung und Bestandsaufnahme von vorhandener Bausubstanz

Im Heft 467 des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton - Verstärken von Betonbau- teilen [1] - werden von Zilch und Mainz Schwerpunkte genannt, die bei der Verstär- kung von Stahlbetonkonstruktionen zu beachten sind. Dabei ist es wichtig, dass sich ein Eindruck über die schon vorhandene, zu verstärkende Bausubstanz geschaffen wird. Als Begründung wird auf der einen Seite das Bestimmen von Schäden bzw. Schadensursachen genannt, auf der anderen Seite ist auch die Ermittlung der tat- sächlichen Eigenschaften der verwendeten Materialien möglich. Diese Möglichkeit zeigt den gravierendsten Unterschied zwischen der Planung eines Neubaus und der Nachrechnung einer bestehenden Konstruktion. Bei der Dimensionierung von erst herzustellenden Bauteilen wird im speziellen bei der Betonfestigkeit eine bestimmte Größe angestrebt. Bei der Nachrechnung oder auch bei der Verstärkung schon be- stehender Querschnitte hingegen kann die dort durch Prüfung festgestellte Festigkeit verwendet werden, welche in der Regel höher ist, als die angestrebte. Das heißt, dass durch das vorhandene Wissen über die Materialeigenschaften des vorhande- nen Baustoffs bei der Ermittlung der Tragfähigkeit eine grundsätzlich andere Betrach- tungsweise erfolgen muss. Des weiteren muss überprüft werden, ob durch Risse e- ventuelle Schädigungen im Laufe der Zeit eingetreten sind. Auch ein unterschiedli- ches Tragverhalten von Alt- und Neubeton auf Grund von Kriechen und Schwinden kann eine Beachtung erfordern.

Auch Sahlmann [2] sieht die Erfassung der Bausubstanz und auch der Schäden an den Bauteilen als unbedingte Grundlage für jegliche Verstärkungs- bzw. Sanierungs- maßnahme an. Er macht allerdings auch auf den möglicherweise sehr hohen Perso- nal- und Zeitaufwand aufmerksam, der für eine Bestandserfassung erforderlich ist. Obwohl die von Sahlmann vorgelegte Arbeit aus dem Jahre 1986 stammt, ist dieser Aspekt unter den heutigen Bedingungen immer noch sehr aktuell, da Lohnkosten, die auch bei der Bestandsaufnahme anfallen, bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung un- bedingt mit einbezogen werden müssen. Hier sollen nur einige für eine erfolgreiche Sanierung notwendige Unterlagen genannt werden. In [2] wird darauf sehr ausführ- lich eingegangen. So wird als großer Aufwand das Auffinden, Kontrollieren, Ergän- zen oder sogar die totale Neuanfertigung von Bauwerksakten genannt. Nicht selten ist es bei alten Gebäuden der Fall, dass durchgeführte Änderungen nicht konsequent in die vorhandenen Pläne übertragen wurden. Möglicherweise weil der ausführende Betrieb nicht die Priorität auf die Aktualisierung der Planungsunterlagen legte, da ein- fach nicht oder in zu geringer Zahl genügend qualifiziertes Personal vorhanden war. Je weniger Unterlagen vorhanden sind, um so größer wird der Aufwand für die Be- standserfassung. In [2] zeigt Tabelle 3 ein Maximalprogramm, welches zur Erfassung Beurteilung des Istzustandes der Bestandsunterlagen und zur Ermittlung des Bauzustandes durchgeführt werden kann. Darin wird unterschieden zwischen Bauwerken, für die es Bauunterlagen gibt und für die sie fehlen. Bei den ersteren ist es aus den genannten Gründen wichtig eine Überprüfung auf Übereinstimmung mit dem Bauwerk durchzuführen und gege- benenfalls die Unterlagen zu ergänzen. Bei unverhältnismäûig groûen Abweichun- gen von den Originalen, sind eventuell neue statische Berechnungen durchzuführen. Bei den zweiteren hingegen ist ein Aufmaû erforderlich, das dem Planenden die Möglichkeit gibt, Dimensionen der tragenden Bauteile zu entnehmen. Dabei ist auch auf vorhandene Schäden wie Risse oder klaffende Fugen zu achten, die beim erneu- ten Standsicherheitsnachweis möglicherweise ein anderes statisches System erfor- dern. Da hier schon gezeigt werden konnte, welches Ausmaû diese Untersuchungen annehmen können, ist es wichtig, den Projektanten schon in die Bestandsaufnahme mit einzubeziehen, da hierdurch möglicherweise zeit- und lohnintensive Maûnahmen, die aber für die Änderung bzw. erneute Nachweisführung der bestehenden Konstruk- tion gar nicht erforderlich sind, vermieden werden können.

2.1.1 Das Prinzip der Teilsicherheitsfaktoren

Aus den in [1] genannten Gründen, des unterschiedlichen Wissensstandes über die Eigenschaften von Alt- und Neubeton sollte eine Bestimmung der Tragfähigkeit eines verstärkten Querschnittes das Teilsicherheitskonzept als Grundlage haben. Hiermit wird garantiert, dass weder auf der Seite der Einwirkungen Sd noch auf der Seite der Querschnittswiderstände Rd ein Grenzzustand erreicht wird. Zum erläuternden Ver- ständnis soll Abbildung 1 dienen. Die charakteristischen Werte der Beanspruchung Sk werden dabei mit dem Teilsicherheitsfaktor γF erhöht, die des Querschnittswiderstandes Rd werden durch den Faktor γM verkleinert. Beim Nachweis darf sich dann maximal eine Gleichheit der jeweiligen Quantilwerte ergeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Darstellung des Konzeptes mit Teilsicherheitsfaktoren

In [1] wird detailliert auf die Gröûe und die Berechnung der Teilsicherheitsfaktoren eingegangen. Dies soll im folgenden Absatz kurz dargestellt werden.

Wie soeben schon genannt, liegt bei schon erstellten Bauwerken ein gröûeres Wissen über die vorhandenen Materialeigenschaften vor, als das bei zu noch erstellenden Elementen der Fall ist. Abbildung 2 zeigt, dass bei der Verwendung durch Proben ermittelter Materialparameter eine geringere Standardabweichung vorliegt, als bei Materialeigenschaften, die aufgrund der Neuplanung bei der Bemessung erst angenommen werden müssen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Streuung der Materialfestigkeiten ohne und mit versuchsmäûiger Überprüfung aus [1]

In [1] werden zwei Möglichkeiten genannt, wie die Entwurfswerte für die Festigkeit aus den Versuchen ermittelt werden können.

a) Die Versuchsergebnisse dienen zur Ermittlung von charakteristischen Festig-

keitswerten. Das heiût, dass diese Werte wie es in der Theorie der Teilsicherheitskonzepte üblich ist, noch durch einen Faktor zu teilen sind. In [1] wird dafür folgende Beziehung vorgeschlagen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach Berechnung des charakteristischen Wertes ergibt sich der Bemessungswert Xd durch die Division mit dem Sicherheitsbeiwert γM für die Widerstandsseite und die Multiplikation mit dem Umrechnungsfaktor ηd für Kurz- und Dauerbelastung.

(b) Die Bemessungswerte werden direkt aus den Messwerten ermittelt. In [1] wird dafür folgende Gleichung angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im direkten Vergleich mit dem Verfahren unter a) ist zu erkennen, dass hier ein Faktor γM für Systemunsicherheiten noch nicht enthalten ist. In [1] wird erläutert, wie das weitere Vorgehen zu erfolgen hat. Aufgrund dessen wird hier auf eine fortführende Darstellung verzichtet.

2.2 Verfahren zu Beurteilung des Istzustandes

2.2.1 Bewehrungsermittlung

Bei der Ermittlung der Position, Bewehrungsmenge/ Stabanzahl und Stahlgüte sollte eine durchdachte Herangehensweise erfolgen. Konkret heiût das, dass Vorberech- nungen unter Einbeziehung der zur Bauzeit gültigen Normen Aufschluss über die Bewehrung geben können. Die Erkenntnis, wo Schwachstellen der tragenden Kon- struktionsteile liegen, ermöglicht es gezielt, in diesen Bereichen weitergehende Un- tersuchungen zu veranlassen. In [2] wird dies dahingehend noch erweitert, dass bei offensichtlichen Normverletzungen ebenfalls Untersuchungen in diesen Bereichen angebracht sind. Deshalb ist es notwendig, dass die zu prüfenden Stellen vom Trag- werksplaner benannt werden.

Bei der nachträglichen Ermittlung von Materialeigenschaften wird zwischen zerstö- renden und zerstörungsfreien Prüfverfahren unterschieden. In [1] wird hierfür eine Tabelle angegeben, die die Prüfverfahren entsprechend dieser Kategorien unter- scheidet und zu jedem Verfahren den Verwendungszweck angibt. Für die zerstö- rungsfreie Ermittlung der Bewehrung stehen unter anderem magnetische Messson- den und radiographische Verfahren zur Verfügung. Mittels des magnetischen Verfah- rens kann die Lage und Anzahl von Bewehrungsstäben bestimmt werden. So ist z. B. die Bestimmung von Deckenhaupt- und querbewehrung möglich. Dabei kann die Bewehrungsrichtung und der Abstand zwischen den Bewehrungselementen be- stimmt werden. Sofern die Betondeckung bekannt ist, kann auch noch der Beweh- rungsdurchmesser ermittelt werden. Nachteilig an der magnetischen Messsonde ist, dass sie eine nur geringe Tiefenwirkung hat, d. h. dass sie bei Balken kaum zweite Lagen bestimmen kann. Hingegen ist die Bestimmung der Bügelabstände bei Balken und die Bestimmung des Stababstandes bei Decken mit dieser Sonde gut durchführ- bar. Die Radiographie hat ebenfalls ein Anwendungsgebiet in der zerstörungsfreien Bewehrungsermittlung. Dabei wird mittels Gammastrahlen eine Art Foto (Gamma- graphie) erzeugt, durch das Stabdurchmesser mit bis zu 1 mm Genauigkeit bestimmt werden können. In [2] wird die Grenze der Durchleuchtbarkeit auf ca. 300 mm bezif- fert. Da es sich bei diesem Verfahren aber um den Einsatz radioaktiver Strahlen handelt, sind stets die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Die Ermittlung der Stahlgüte bei Bewehrungen, die nicht durch Walzzeichen gekenn- zeichnet sind, kann nur durch Probenentnahme und Prüfung erfolgen. Dabei ist vom Tragwerksplaner für die Probenentnahme eine Stelle zu nennen, an der die Beweh- rung nicht voll ausgenutzt wird. Für das Bauwerk wird es allerdings immer günstiger sein, eine vergleichbare Stahlgüte zu prüfen, die in einem in der selben Zeit und vom selben ausführenden Unternehmen hergestellten Gebäude verwendet wurde. Even- tuell sind dort noch alte Lieferscheine vorhanden, die einen Rückschluss auf die Güte zulassen. In [1] ist eine Tabelle enthalten, in der Stähle, die in der Zeit von 1937 bis 1972 verwendet wurden mit ihren Merkmalen benannt sind.

2.2.2 Bestimmung der Betongüte

Laut Sahlmann [2] hat der Rechenwert der Betonfestigkeit einen geringeren Einfluss auf den Biegewiderstand als die Querschnittsfläche des Betons, des Stahls und die Stahlgüte. In einem Diagramm in [2] wird gezeigt, dass die Erhöhung der Betongüte um eine Kategorie nur eine Tragfähigkeitserhöhung von ca. 1% zur Folge hat. In der hier dargestellten Abbildung 3 wird von einer einachsig gespannten Deckenplatte mit einer Dicke von 20 cm und einer statischen Nutzhöhe von 17 cm ausgegangen. Der dargestellte Betonfestigkeitsbereich umfasst die Betonklassen C12/15 bis C50/60.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Bruchmoment in Abhängigkeit der Betongüte und der Bewehrungsmenge

Das Bruchmoment wurde iterativ bestimmt. Die Stahldehnung hat ihre Grenzdeh- nung nach DIN 1045 von 5,0‰ erreicht. Wie zu sehen, steigt das Bruchmoment nur noch gering mit der Betonfestigkeit an. Erst wenn es sich um einen stark bewehrten Querschnitt handelt, so wie er i. d. R. bei Decken nicht üblich ist, nimmt das Bruch- moment schneller zu bis auch hier die maximal erlaubte Stahldehnung von 5,0‰ er- reicht ist. In dem Bereich des starken Anstieges kommt es aber nicht zum Stahlsondern zum Betondruckversagen ohne Vorankündigung. Es ist also zu erkennen, dass die Betongüte bei normalbewehrten, biegebeanspruchten Bauwerken nur einen untergeordneten Einfluss auf die maximale Tragfähigkeit ausübt. Verfahren, die zur nachträglichen Prüfung der Betonfestigkeit genutzt werden können, können ebenfalls in zerstörend und zerstörungsfrei unterteilt werden. Dabei ist die Bohrkernentnahme das bekannteste zerstörende Verfahren. Beim Festlegen der Bohrstellen ist darauf zu achten, dass einerseits möglichst keine Bewehrungsstäbe beim Bohren zerschnitten werden, andererseits der Beton an der Stelle der Entnahme nicht voll ausgenutzt ist. Dabei können auch magnetische Verfahren zum Bestimmen von bewehrungsfreien Stellen genutzt werden.

Bei der Verwendung zerstörungsfreier Verfahren ist zu beachten, dass zur Kalibrie- rung stets auch Bohrkernproben entnommen werden müssen. Diese Verfahren die- nen der Verdichtung der Messergebnisse in den nicht durch Bohrkernentnahme ge- prüften Bereichen. Sie messen allerdings die Oberflächenfestigkeit, die i. d. R. durch die stattgefundene Karbonatisierung höher ist. Solche Verfahren sind beispielsweise das Rückprallhammer- und auch das Ultraschallverfahren. Diese Verfahren werden detailliert in der DIN 1048-Prüfverfahren für Beton-[3] beschrieben. Deswegen soll an dieser Stelle nur kurz das Prinzip dieser Verfahren aufgezeigt werden.

Beim Rückprallhammerverfahren müssen die Prüfstellen von Putzen, Anstrichen oder ähnlichem befreit sein. Dabei ist zu beachten, dass die Prüfstellen geglättet sind und die Messergebnisse nicht durch direkt darunter liegende gröûere Zuschlagskör- ner und das Federn dünner Bauteile verfälscht werden. Pro Messstelle sind mit dem Rückprallhammer zehn Messergebnisse zu ermitteln und gegebenenfalls zu korrigie- ren, wenn sie nicht lotrecht zur Betonfläche ermittelt wurden. Aus diesen Werten wird ein Mittelwert gebildet, mit dem dem Beton eine Festigkeitsklasse zugeordnet werden kann.

Beim Ultraschallverfahren werden Impulslaufzeiten verteilt über das Bauteil gemessen. Dabei werden Bereiche mit hoher, mittlerer und niedriger Schallgeschwindigkeit bestimmt. Durch Vergleichen mit schon entnommenen Bohrkernen in diesen Bereichen kann auch an anderen Stellen des Bauteils die Festigkeit durch Aufstellen einer Regressionsgeraden bestimmt werden. Somit kann eine Aussage zur Gleichmäûigkeit des Betons getroffen werden.

Ausführlichere Angaben, wie z. B. die Herangehensweise bei der Ermittlung der Regressionsgeraden, sind in [1] angegeben.

3 Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

3.1 Grundlegende Aussagen zu Verst ä rkungen

Im nun folgenden Abschnitt soll aufgezeigt werden, welche grundlegenden Möglich- keiten bestehen, Stahlbetonbauteile zu verstärken. Dabei wird sich sowohl auf jünge- re Literaturquellen als auch auf Literaturquellen aus der Mitte der 80iger Jahre ge- stützt.

Im Sachstandsbericht des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton, Heft 467, [1] wird von Iványi zuerst auf die Aufgaben bzw. die Ziele einer Stahlbetonverstärkung eingegangen. Demnach sollen

- die Tragfähigkeit,
- die Gebrauchstauglichkeit und
- das Ermüdungsverhalten

wiederhergestellt oder positiv beeinflusst werden. Dies kann mit folgenden grundsätzlichen Varianten erreicht werden:

- Querschnittsergänzungen in Zug- und/oder Druckzone,
- Vorspannung,
- Änderung des statischen Systems,
- Injektionen zum Füllen von Rissen und Hohlräumen.

In der hier vorliegenden Arbeit wird in den folgenden Abschnitten auf die Möglichkeit der Querschnittsergänzungen im speziellen in der Druckzone eingegangen. Nichtsdestotrotz soll kurz aufgezeigt werden, welche Maûnahmen bei den drei anderen Varianten durchgeführt werden.

Bei Verwendung des Vorspannungsprinzips soll dem Bauteil ein günstiger Eigen- spannungszustand eingeprägt werden. Bei nachträglichen Verstärkungen wird aus Gründen der Durchführbarkeit meist eine externe Vorspannung angewendet. So sind die Spannglieder auswechselbar, und die Montage ist einfacher vorzunehmen. Mit der Verstärkung durch Änderung des statischen Systems sind gemeint:

- Zwischenunterstützungen (Wände, Stützen, Unterzüge), die die Spannweite ver- kürzen,
- Aufhängungen oder Unterspannungen und
- Auflagerverbreiterungen zur Verringerung der Stützweite.

Durch Injektionen werden Risse und Hohlräume geschlossen. Damit kann ein weiterer Angriff der atmosphärischen Bedingungen an die Bewehrung gemindert werden. Das Gefüge wird verfestigt und dichter.

Die hier aufgeführten Verstärkungsmöglichkeiten führt man an tragenden Bauteilen aus. In [2] wurden diese systematisiert. Danach werden häufig

- Voll- und Rippenplatten,
- Balken und Plattenbalken,
- Stützen und Wände,
- Einzel- und Streifenfundamente

verstärkt. Speziell zur Verstärkung von Platten, Stützen, Balken und Plattenbalken existieren viele Veröffentlichungen, die neueren Ursprungs sind. Einzelne werden im Laufe dieses Abschnittes noch erwähnt.

Seltener werden Verstärkungen an

- Wand- und Bogenscheiben,
- Bögen,
- Fachwerk und Rahmenträgern,
- Faltwerken,
- eben und doppelt gekrümmten Schalen,
- Pilzdecken

vorgenommen. In Abbildung 4 sind die prinzipiellen Verstärkungsmöglichkeiten noch einmal graphisch dargestellt.

Wie schon erwähnt, wird in dieser Arbeit detaillierter auf die Verstärkungsmöglichkeit durch Querschnittsergänzungen eingegangen. In [1] wird hierbei noch folgende Unterteilung vorgenommen:

- Spritzbeton bzw. Stahlfaserspritzbetonverstärkungen mit oder ohne zusätzliche Bewehrung
- Ortbeton mit oder ohne zusätzliche Bewehrung
- geklebte Bewehrungen (Stahllaschen, CFK-Lamellen)
- Bewehrungen in durch Hochdruckwasserstrahl gefrästen Schlitzen und Nuten.

Da die Aufgabenstellung diese Arbeit auf Ortbeton verstärkte Druckzonen und CFKLamellen verstärkte Zugzonen beschränkt, sollen hier nur einige kurze Worte zur Verstärkungsmöglichkeit durch Spritzbeton gesagt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Verstärkungsvarianten von Stahlbetonquerschnitten aus [2]

Zur Spritzbetonverstärkung von Plattenbalken wird in [1] ein Berechnungsmodell an- gegeben, das den Nachweis dieses verstärkten Bauteils gestattet. Dabei wird zuerst unterschieden, ob nur die Biegezugbewehrung verstärkt werden muss und der Quer- schnitt ohne eine zusätzliche Bügelbewehrung auskommt oder ob auch zusätzliche Bügel notwendig sind. Bei Querschnitten, bei denen keine Zusatzbügel erforderlich sind, kann im allgemeinen die Bewehrung an die Unterseite des Unterzuges ange- bracht und durch Spritzbeton umschlossen werden. Wie das Fachwerkmodell in Abbildung 5 zeigt, ist es erforderlich, die zusätzliche Biegezugbewehrung nach oben zu verankern, da sich ein Teil der Druckstrebenkraft auf ihr abstützen wird. Bei Bal- ken, die zusätzliche Bügel benötigen, müssen auch die Seitenflächen des Unterzu- ges mit Spritzbeton versehen werden, um die Bügel einzubetten. Der so aus einem T und einem U zusammengesetzte Querschnitt gilt als innerlich statisch unbestimmt. Als Bedingung für die Berechnung wird gesagt, dass die Durchbiegung beider Quer- schnitte gleich groû sein muss, innere Kräfte im Gleichgewicht stehen und inneres Moment gleich dem äuûeren Angriffsmoment sein muss (Abbildung 6). Da diese Art der Berechnung für die Praxis sehr aufwendig werden kann, wird in [4] vorgeschla- gen, die Bewehrung für den Gesamtquerschnitt zu bestimmen und die erforderliche Zulagebewehrung aus der Differenz mit der schon vorhandenen zu bilden. Dabei sind jedoch die Grenzdehnungen von Alt- und Neubeton zu beachten. In [1] wird da- bei zusätzlich zu den dort gegebenen Erläuterungen auf die Spritzbetonnorm DIN 18551 verwiesen. In [4] werden Versuchsergebnisse u. a. von Unterzügen ange- führt, die mit Spritzbeton verstärkt wurden (Abbildung 7). Es hat sich dabei gezeigt, dass bei fachgerechter Ausführung von einer zugfesten Verbindung zwischen Altbe- ton und Verstärkungsschale ausgegangen werden kann. Es wurde ebenfalls ein Tastversuch mit Stahlfaserspritzbeton durchgeführt. Hierbei zeigte sich interessanter Weise, dass bei einer Konzentration von 1,5 Vol.% Fasern keine Bügel mehr not- wendig waren. Allerdings ist zu bemerken, dass 1,5 Vol.% Fasern bei einer prakti- schen Ausführung sehr schwer anzuwenden sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Fachwerkmodell eines in der Zugzone verstärkten Stahlbetonbauteils aus [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Zusammenwirken von T- und U- Querschnitt eines verstärkten Plattenbalkens aus [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Spritzbetonverstärkter Unterzug aus [4]

Bemessungsbeispiele für Stahlbetonplattenbalken, die sowohl mit als auch ohne zu- sätzliche Schubbewehrung ausgeführt sind, werden in [5] gegeben. Des weiteren werden in [1] durch Hegger und Krause grundlegende Aussagen zur Bemessung und konstruktiven Ausbildung spritzbetonverstärkter Stahlbetonstützen geliefert. Ausgehend von den in [4] durchgeführten Versuchen durch Eibl und Bach- mann, die auch mit Grundlage für das in DIN 18551 angegebene Bemessungsmodell sind, werden in [1] weitergehende Überlegungen angestellt. In der eben genannten Norm wird die Tragfähigkeitssteigerung auf die Umschnürungswirkung der Spritzbe- tonschale zurückgeführt. Aufbauend darauf werden von Hegger und Krause For- schungen angestellt, um ein analytisches Verfahren zur Bestimmung der Tragfähig- keitserhöhung nachträglich durch Spritzbeton verstärkter Stützen zu erhalten. In [1] werden dazu Beziehungen aufgeführt, mit denen sich die effektiv umschnürte Quer- schnittsfläche von Rechteckstützen erfassen lässt (Abbildung 8). In diesem so be- schriebenen Querschnittsbereich darf der dreiaxiale Spannungszustand des Betons angesetzt werden, der die Tragfähigkeitserhöhung der Stütze beeinflusst. Ausführli- chere Angaben werden in den schon benannten Seminarunterlagen und auch in dem Abschlussbericht - Spritzbetonverstärkte Stahlbetonstützen - Bemessungskonzept [6] gemacht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Fläche des dreiaxialen Spannungszustandes in unverstärkten und verstärkten Stahlbe- tonstützen

Eine weitere Verstärkungsmöglichkeit der Zugzone ist das Ankleben von Stahllaschen. Dies sind Flachstähle, die vollflächig aufgeklebt werden. Nachteilig ist hier, dass die Flachstähle in ihrer Lieferlänge begrenzt sind und Stöûe erfordern. Da die Stahlbänder auch korrosionsanfällig sind, müssen Korrosionsschutzmaûnahmen ergriffen werden. Ein weiterer Nachteil sind das hohe Gewicht und auch die notwendig werdenden konstruktiven Lösungen an Kreuzungspunkten. So können doppelt so dicke Laschen erforderlich sein, die im Kreuzungspunkt mit einer Aussparung versehen sind, um Umlenkkräfte gering zu halten.

3.2 Die Verst ä rkung der Biegedruckzone durch Ortbeton

3.2.1 Wirkungsweise eines durch eine Ortbetonschicht verstärkten Bauteils

Bei einem schon vorhandenen Bauteil wird nach Abbau der Aufbauten, wie z. B. dem Fuûbodenaufbau und nichttragenden Wänden, eine neue Betonschicht aus Ortbeton aufgebracht. Das Verhalten des bereits vorhandenen Bauteils kann wie folgt be- schrieben werden. Es werden alle Verkehrs- und Ausbaulasten entfernt, das Bauteil wird entlastet. Nach Behandlung der Bauteiloberseite, auf welche man im Laufe die- ses Abschnittes noch eingeht, wird eine neue Ortbetonschicht mit einer bestimmten Dicke und Betonfestigkeit aufgebracht. Das alte Bauteil wird wieder stärker durch den hydrostatischen Druck der noch nicht erhärteten Betonschicht belastet. Erst nach Erhärten der neuen Aufbetonschicht kann sich diese bei Aufbringen neuer Lasten am Lastabtrag beteiligen.

Bei durch Druckzonenergänzungen verstärkten Bauteilen treten bauphysikalische Vorteile auf, die bei anderen Verstärkungsarten nicht entstehen. So kommt es durch die gröûere Dicke zu einer Erhöhung der Biegesteifigkeit. Das System ist nicht so schwingungsanfällig, das Schalldämmmaû wird erhöht, der Wärmedurchgangswider- stand vergröûert sich.

Der Verstärkungseffekt beruht hauptsächlich auf der Vergröûerung des Hebelarms der inneren Kräfte, das heiût der Betondruckkraft und der Betonzugkraft. In Abbildung 9 ist erkenntlich, dass durch die neue Betondruckkraftkomponente Nc,n die resultierende Wirkungslinie der Betondruckkraft aus Nc,n und Nc,a im Querschnitt wei- ter oben liegt. Die Gröûe der Betondruckkomponente des Neubetons Nc,n ist vom jeweiligen Dehnungszustand und der Betonfestigkeit des Neubetons abhängig. In dieser Abhängigkeit ändert sich auch die Gröûe des inneren Hebelarms z. Mit der Erhöhung der Biegetragfähigkeit kommt es auch zu einer höheren Schubtragfähig- keit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um diesen Verstärkungseffekt zu erreichen, müssen Alt- und Neubeton zusammen wirken. Andernfalls würden beide Teile, der Altbeton und die Aufbetonschicht, ge- trennt tragen. Die so erreichte Verstärkung wäre nur äuûerst gering. Aus diesem Grunde müssen Alt- und Neubeton schubfest miteinander verbunden sein. Die Schubspannungen in der Fuge müssen übertragen werden. Zu den Schubspannun- gen in der Fuge kommt es entsprechend des Gesetzes von der paarweisen Gleich- heit der Schubspannungen. Zum Verständnis soll der in Abbildung 10 dargestellte zusammengesetzte T-Querschnitt dienen. In Abbildung 10 a) ist ein Steg und ein Gurt zu sehen, welche nicht miteinander verbunden sind. Die Schubspannungen in der Fuge sind null. Um das Statische Moment 2. Grades zu bestimmen, werden ein- fach die Statischen Momente der einzelnen Querschnitte addiert, ohne Berücksichti- gung der Steiner‘schen Anteile. Zum Zusammenwirken beider Querschnittsteile kommt es nur, wenn wie in Abbildung 10 b) die Schubspannungen in der Fuge über- tragen werden. Da bei Beton nichtlineare Materialgesetze und eine gerissene Zugzone das Problem komplizierter gestalten, soll diese Abbildung nur zum Ver- ständnis dienen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: a) Schubspannungsverlauf bei Querschnitt ohne Verbund

b) Schubspannungsverlauf bei Querschnitt mit Verbund

3.2.2 Überblick über den derzeitigen Stand der Forschung

Wie aus den oben genannten Gründen folgt, ist es notwendig den Verbund zwischen Alt- und Neubeton zu gewährleisten und die auftretenden Verbundspannungen ab- zudecken.

Zuerst soll auf die derzeit gültige Norm DIN 1045, Beton und Stahlbeton ± Bemes- sung und Ausführung, [7] eingegangen werden. Dort heiût es, dass Querschnitte, die nachträglich ergänzt werden, so berechnet werden dürfen, als ob der Gesamtquer- schnitt von Anfang an einheitlich hergestellt wurde, wenn durch konstruktive Maû- nahmen sichergestellt wird, dass alle in der Fuge auftretenden Kräfte aufgenommen werden können. Vergleichbar ist die nachträgliche Ortbetonergänzung mit Fertigteil- platten, welche noch einen Aufbeton erhalten. Laut DIN 1045 muss hier eine Ver- bundbewehrung in der Fuge verankert sein. Bei Fertigteilplatten besteht diese meist aus Gitterträgern. Es kommen aber auch Dübel und andere stahlbaumäûige Verbin- dungselemente in Frage. Des weiteren sind in der DIN 1045 die zulässigen Schub- spannungen für den Schubbereich 1 τ01 auf 70% zu reduzieren. Ebenfalls muss eine raue Oberfläche gewährleistet sein. Dies wird bei Fertigteilplatten erreicht, indem die Betonoberfläche nicht abgezogen wird.

Bei schon in Nutzung gestandenen Bauteilen ist auf den Deckenplatten in der Regel ein Fuûbodenaufbau vorhanden. Durch den Zementfilm wird die Betonoberfläche sehr glatt. Ende der 80iger und in den 90iger Jahren führten deshalb zahlreiche Wissenschaftler Versuche zur Schubsicherung von ortbetonverstärkten Bauteilen durch. Hier sollen einige der Wissenschaftler genannt und jeweils kurze Angaben zum Inhalt ihrer Forschungsarbeiten geführt werden.

3.2.2.1 György Iványi: Anwendung hartkornverzahnter Epoxidbeläge für nachträgli- che Querschnittsergänzungen von Biegetragwerken im Schubbereich 1 [8]

Im Heft 467 des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton [1] wird von Kehle und Seiler eine Anregung gegeben, wie eine in der DIN 1045 geforderte Aufrauung erfolgen kann. Dazu sollen die von Iványi durchgeführten Versuche dienen. Bei ihnen wurde nachträglich die Plattendruckzone mit Ortbeton verstärkt. Die Fuge zwischen Alt- und Neubeton behandelte er mit Epoxidharz, nachdem sie sandgestrahlt wurde. An die- ser Stelle soll kurz auf die Vorgehensweise des Verfahrens eingegangen werden. Dabei wird sich auf [9] gestützt:

- Freilegen des Korngerüstes durch Sandstrahlen, Stahlkugelstrahlen oder Hoch- druckwasserstrahlen, um eine tragfähige Betonunterlage zu erzielen und lose Tei- le zu entfernen.
- Grundieren mit lösungsmittelfreiem Epoxidharz (Injektionsqualität), Verbrauch je nach Saugfähigkeit der Betonunterlage zwischen 350 bis 500 g/m².
- Absanden der Grundierung mit feuergetrocknetem Quarzsand 0,3 / 0,8 mm, Verbrauch ca. 1,5 kg/m².
- Entfernen des überschüssigen Sandes nach einer temperaturabhängigen Warte- zeit bis zur Begehbarkeit der Fläche.
- Herstellen eines Epoxidbelags aus einem mit Quarzsand 1:1 gefüllten
Verlaufmörtel, Verbrauch je nach Unebenheit der Fläche 2,5 bis 3,5 kg/m².
- Abdecken des frischen Epoxidbelags mit gebrochener Chromerzschlacke, Aus- fallkörnung 3/8 mm, Verbrauch ca. 4 bis 6 kg/m².
- Entfernen der überschüssigen Chromerzschlacke nach einer temperaturabhängi- gen Wartezeit bis zur Begehbarkeit der Fläche.
Der so hergestellte Epoxidharzbelag (Abbildung 11) ist laut [9] nach 1-3 Tagen voll erhärtet und begehbar, ohne dass die Gefahr eines Herausbrechens der Zuschlags- körner besteht. In [9] werden dann noch folgende Vorzüge dieses Verfahrens aufge- führt.
- Einfache Ausführbarkeit, Robustheit, Fehlerunempfindlichkeit
- ¹Trockenbauweiseª, d. h. Herstellung der Verbindung vor einer gegebenenfalls
erforderlichen Bewehrungsmontage, Unabhängigkeit von den Betonierarbeiten
- Gewährleistung der vollen Schubtragfähigkeit einer vergleichbaren, monolithisch, ohne Arbeitsfuge hergestellten Stahlbetondecke

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Kontaktfuge; hartkornverzahnter Epoxidharzbelag (Hartkorn 4 kg/m²) aus [8]

Nun soll noch kurz das in [8] von Iványi und Buschmeyer erläuterte Versuchspro- gramm dargestellt und auf die Versuchsergebnisse eingegangen werden. Geprüft wurden elf einfeldrige Plattenstreifen. Dabei waren ein monolithischer, zwei sandgestrahlte Plattenstreifen (davon einer mit PCC-Haftschlämme, der andere oh- ne), weiter zwei Platten ohne jegliche Behandlung und bei den restlichen sechs Plat- tenstreifen wurde der Hartkornanteil im Epoxidharzbelag variiert. Bei den Testergeb- nissen ergab sich, dass alle Versuchskörper eine globale Sicherheit von gröûer 2,1 bei Versagen gegenüber der Gebrauchslast aufwiesen. Ausnahme bildeten die Plat- tenstreifen, die ohne Vorbehandlung verstärkt wurden. Sie versagten kurz über dem Gebrauchslastniveau.

Es konnten also auch keine signifikanten Unterschiede zwischen nur sandgestrahlten und mit Epoxidharz behandelten Versuchskörpern festgestellt werden. Trotzdem wird empfohlen, die Schubtragfähigkeit bei nur sandgestrahlten Platten um 50% zu redu- zieren, da bei groûen Flächen eine groûe Streuung der Rauigkeit erwartet werden muss.

Um den durch die DIN 1045 geprägten Begriff einer ausreichenden Rauigkeit exakter zu definieren, werden in [1] zwei mögliche Messverfahren genannt, die eine quantita- tive Determinierung der Rauigkeit erlauben. Als erstes wird das Sandflächenverfah- ren nach Kaufmann genannt. Bei diesem wird eine vorgegebene Menge Sand auf einer Betonfläche kegelförmig aufgeschüttet und mit einem Brett kreisförmig verteilt. Aus dem sich ergebenden Kreisdurchmesser und dem bekannten Sandvolumen ergibt sich die Rautiefe R.

Das zweite in [1] vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung der Rautiefe arbeitet mit einem Infrarot-Lasermesskopf. Mit diesem Gerät ist eine elektronische Oberflächen- erfassung möglich. Abbildung 12 soll zur Erklärung der Rauigkeitsdefinitionen die- nen.

In [1] wird empfohlen, die volle Schubtragfähigkeit zum Ansatz zu bringen, wenn es messtechnisch belegt ist, dass die Oberfläche des Altbetons eine mittlere Profilkuppenhöhe Rpm von mehr als 2,5 mm hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Rauigkeitsdefinition nach Kaufmann und der DIN 4762 aus [1]

Bezugnehmend auf [10] werden die Aussagen zur Ausbildung der Verbundfuge - speziell deren Ansetzbarkeit bei der Bemessung sanierungsbedürftiger Bauteile - nochmals zusammengefasst. Wie bereits erwähnt, schlägt die DIN eine Reduzierung der Schubtragfähigkeit auf 70% des nicht schubbewehrten, monolithisch hergestell- ten Betons (Schubbereich 1) vor. Vergleichend mit ausländischen Normen fällt auf, dass dort in der Regel 50% angesetzt werden müssen. Versuchsergebnisse unter- stützen diese Forderungen. Dabei ist zu gewährleisten, dass die Oberfläche des Alt- betons aufgeraut ist und mindestens eine Rautiefe von mehr als 2 mm hat. Ebenfalls ist eine Ausbildung von Betonzähnen oder wie in [11] erwähnten Betondübeln mög- lich. Obwohl bei Iványis Versuchen mit sandgestrahlten Oberflächen keine signifikan- ten Unterschiede zu mit Epoxidharz behandelten Oberflächen zu verzeichnen waren, empfiehlt er dennoch, bei nur sandgestrahlten Fugen nur 50% der Schubtragfähigkeit anzusetzen. Bei den mit Epoxidharz behandelten Bauteilen kann hingegen die volle Schubtragfähigkeit angesetzt werden, wenn eine sogenannte Makrorauigkeit von vier bis fünf Millimetern vorhanden ist. Allgemein gilt noch, dass die Schubtragfähigkeit stets auf den Beton mit der geringeren Festigkeit zu beziehen ist, das heiût in der Regel auf den Altbeton.

3.2.2.2 Eberhard Michaelis: Experimentelle Untersuchung zur Festigkeit der Ver- bundfuge Alt-Neubeton bei nachträglicher Verstärkung von biegebean- spruchten Stahlbetonquerschnitten [11]

Auch Michaelis stellte in seiner Dissertation Überlegungen an, die die Haftfestigkeit der Verbundfuge untersuchten. Dabei ging er davon aus, ¹dass ein nachträglich er- gänzter Querschnitt im Grenzzustand der Tragfähigkeit nur wie ein monolithischer Querschnitt betrachtet werden kann, wenn nachweisbar ist, dass die Verbundfestigkeit, mit der entsprechenden Sicherheit gegen Sprödbruch, gröûer als die auf ihn einwirkende Beanspruchung ist.ª

Zunächst unterscheidet Michaelis drei Typen von Verbundfugen:

- Arbeitsfugen in weniger ausgelasteten Bereichen des Bauteils, die technologisch geplant werden,
- Verbundfugen Fertigteil-Ortbeton mit günstiger Verbundfläche und eventueller Verbundbewehrung,
- Verbundfugen bei der Verstärkung von Stahlbetonquerschnitten, die verschmutzt, korrodiert, beschädigt, durchfeuchtet und von geringer Festigkeit sind.

Um auf Aufbereitungsmöglichkeiten der Verbundfuge zu kommen, geht Michaelis zuerst auf die Betonoberflächenbeschaffenheit ein. In Abbildung 13 ist zu sehen, dass durch Abziehen oder Schalung glatte Oberflächen von meist geringerer Festig- keit vorliegen. Diese ein bis fünf Millimeter dicke Betonrandschicht wird auch als Schlämmschicht oder Kreideschicht bezeichnet. Zwischen dieser Betonrandschicht und dem Kernbeton kommt es bevorzugt zum Versagen, weil der Verbund zwischen Zementstein und Zuschlagskörnern im Kernbeton geringer ist als der Zusammenhalt der Zementteilchen selbst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Betonrandzonen nach [11]

Um die Verbundspannungen quantitativ definieren zu können, wird in [11] auf die Reibungshypothese nach Coulomb zurückgegriffen (3). Wobei c die Kohäsion, σ die Normalspannung senkrecht zur Verbundfuge und tan α der Reibungskoeffizient sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14 verdeutlicht das Beanspruchungsprinzip der Verbundfuge. Dabei ist erkennbar, dass die maximale Verbundspannung τ von der Normalspannung σ und vom Winkel α abhängig ist. Je flacher die Druckspannungstrajektorien verlaufen, um so geringer muss die Verbundspannung τ werden.

Man sieht, dass die Kohäsion oder auch Verklammerung c entscheidend die Verbundfestigkeit beeinflusst. Dabei haben die Fugenrauigkeit bzw. Fugenausbildung den Haupteinfluss. Michaelis hat in seinem Versuchsprogramm daher Versuchskörper verwendet, die einen Winkel α nahezu ausschlieûen, so dass die Normalspannungen σx gegen null gehen. Die Versuchskörperform und der prinzipielle Versuchsaufbau sind in Abbildung 15 gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Beanspruchung in der Verbundfuge eines Stahlbetonbalkens [11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 15: Prinzipieller Versuchsaufbau der Verbundfugenversuche von Michaelis [11]

Es wurden 150 Probekörper getestet, die sich durch ihre Fugenbehandlung unterschieden. Dabei wurden folgende Hauptbehandlungsmethoden verwendet:

- nur Annässen, keine weitere Fugenbehandlung,
- die Schlämm- bzw. Kreideschicht wird vollständig durch Druckwasser, Sandstrah- len, Stahlkugelstrahlen oder ähnliches entfernt, frischer Zementmörtel wird einge- bürstet und Neubeton aufgebracht,
- die Fuge wird stark aufgeraut, und es werden Stahldübel in Bohrlöchern vergos- sen,
- die Fuge wird stark aufgeraut, und es werden Nuten in bestimmten Abständen in die Verbundfläche gefräst,
- die Fuge wird stark aufgeraut, und es werden Löcher in den Altbeton gebohrt und mit Neubeton vergossen, es entsteht eine Dübelwirkung
- die Fuge wird nach dem Aufrauen mit Epoxidharz als Haftbrücke behandelt.
Zur Schilderung der Versuchsergebnisse sollen die aus [11] entnommenen Fotos dienen. Michaelis unterteilt seine Bruchkörper in vier Kategorien.
- Kategorie 1: Der Bruch erfolgt im Kernbeton. Zementstein und Zuschlagstoffkorn sind gebrochen. Die Ausbruchtiefe beträgt mehr als 3 mm. Die Bruchrauigkeit ist groû. (Abbildung 16)
- Kategorie 2: Die Ausbruchtiefe ist geringer als 3 mm. Die Betonrandschicht des schwächeren Betons hängt an der des festeren. (Abbildung 17)
- Kategorie 3: Die Verbundflächen lösen sich, ohne dass mit bloûem Auge erkenn- bar Zementstein herausgerissen wurde. Die Bruchrauigkeit ist gleich der Anfangs- rauigkeit. (Abbildung 17 und Abbildung 18)
- Kategorie 4: Aus der Bruchfläche lässt sich erkennen, dass kein Verbund vorlag. (Abbildung 17, linke untere Ecke)

Da auch an den Fotos erkenntlich ist, dass der Übergang zwischen den von Michaelis vorgeschlagenen Kategorien flieûend ist, wurden die Bruchflächen der einzelnen Körper flächenmäûig ausgewertet, so dass die Bruchflächen in Teilbruchflächen der unterschiedlichen Kategorien eingeordnet werden konnten. Diese Kategorien werden im weiteren in [11] als Bruchrauigkeitsgruppen bezeichnet.

Beruhend auf der Auswertung dieser Flächenanteile wurde eine Gleichung formuliert, die die Berechnung der Haftfestigkeit der Verbundfuge bzw. der Bruchscherkraft er- laubt.

Abbildung 19 zeigt das Bruchbild eines Probekörpers, bei dem die Verbundfuge mit Betondübeln versetzt war. Dazu wurden 10 bis 20 mm tiefe Löcher mit groûem Durchmesser in den Altbeton gebohrt, die dann beim Betonieren mit Neubeton gefüllt wurden. Dadurch wird erreicht, dass der Bruch im Kernbeton des Altbetons erfolgt und nicht in der weniger festen Betonrandschicht. Bei den von Michaelis durchge- führten Versuchen wurden die Betondübel stets abgeschert und nicht herausgeris- sen.

Das Bruchbild eines Probekörpers, dessen Fuge mit Epoxidharz behandelt wurde, zeigt Abbildung 16. Auch Michaelis konnte feststellen, dass bei Verwendung von Epoxidharz als Haftbrücke die Bruchscherkraft der des monolithischen Probekörpers entsprach. Unterschiedlich zu Iványi beurteilt er allerdings die Verarbeitungsweise. Die guten Verbundeigenschaften der Fuge wurden von Michaelis nur erreicht, wenn der Neubeton noch vor dem Aushärten des Epoxidharzes aufgetragen wurde. Bei einer Betonierpause von 24 Stunden fiel die Bruchfestigkeit der Fuge gegenüber dem monolithisch hergestellten Versuchskörper auf 27% ab. Auch in [2] wird eine sofortige Betonage vorgeschlagen. Zusätzlich wird aber auch gesagt, dass bei einer Unterbrechung zwischen Auftragen des Epoxidharzes und Betonieren im Epoxidharz Splittkörner eingestreut werden müssen, damit eine ausreichende Fugenrauigkeit gewährleistet werden kann. Bei Iványis Verfahren wird dies durch den aufgebrachten Quarzsand und die Chromerzschlacke erreicht.

An den Versuchskörpern, welche die Stahlstifte in der Fuge enthielten, konnte das gleiche Versagensprinzip wie bei Kopfbolzendübeln im Stahlverbundbau festgestellt werden. Es gibt zwei Beanspruchungsphasen. Den starren Verbund, bei dem die Haftung durch den Beton übertragen wird, und den verschieblichen Verbund bei dem der Bolzen auf Zug und Biegung beansprucht wird, entsprechend der Zugspan- nungstrajektorien (siehe Abbildung 14). Hier muss es erst zu gröûeren Verschiebun- gen kommen, bevor die Stahlstifte sich am Lastabtrag beteiligen. Geschlussfolgert heiût dies, dass durch die Bewehrung die Erstrisslast kaum erhöht wird. Eine weitere Erhöhung der Verbundfestigkeit im Bereich des verschieblichen Verbundes ist vom Bewehrungsgrad abhängig.

In [11] wird des weiteren durch die Versuchsergebnisse bestätigt, ¹dass das Säubern der Verbundfläche von karbonisierten bzw. korrodierten Schichten, von losen beschädigten Betonteilen, von organischen Verschmutzungen, brandgeschädigten Schichten und Ruû die Grundvoraussetzung für den kraftschlüssigen Verbund ist. Besondere Sorgfalt ist auf eine staubfreie Verbundfläche zu verwenden, selbst geringe Staubschichten verhindern den Verbund.ª

Abschlieûend zu Michaelis‘ Forschungen sei noch bemerkt, dass Zahlenwerte und Formeln aus [11] in die TGL 33452 [12] - Verstärkung und Auswechslung von Betonbauteilen, Berechnung und bauliche Durchbildung - eingearbeitet wurden.

Abbildung 16: Kontaktfläche stark aufgeraut und mit Epoxidharz behandelt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 17: Fuge schalungsrau belassen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 18: Fuge schalungsrau mit einer Bohrung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 19: Fuge mit fünf Bohrungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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• Universidad: University of Leipzig (Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät)
• Calificación: 1,0
• Autor: Torsten Römer (Autor)
• Año de publicación: 2000
• Páginas: 108
• No. de catálogo: V3312
• ISBN (Ebook): 9783638120203
• ISBN (Libro): 9783638796514
• Idioma: Alemán
• Etiqueta: Verstärkung, Stahlbeton, Hochfest, CFK