Verstärkung von Betonbauteilen durch duktile Hochleistungswerk-stoffe

Betreuer:

Kurzbeschreibung des Themas:

Durch Zugabe unterschiedlicher Faserwerkstoffe kann das Bruch- und Verformungsverhalten hochfester Betone und Mörtel entscheidend verbessert werden. Hier ergeben sich neue Möglichkeiten bei der Konstruktion, die in bisherigen Untersuchungen aufgezeigt wurden. Ein weiteres Anwendungsgebiet könnte in der Verstärkung bestehender Betonbauteile gefunden werden, da Tragfähigkeitssteigerungen durch eine gezielte Ertüchtigung der Betondruckzone ermöglicht werden könnten. Erste Überlegungen und Vorberechnungen, die sich an den Sachstandsbericht zur Verstärkung von Betonbauteilen (DafStb Heft 467) anlehnen, sollten im Rahmen der Diplomarbeit angestellt werden. Hier könnten neben den Vorberechnungen auch Aussagen zur Technologie getroffen werden, die einen möglichen Nutzen der Verstärkungsmethoden belegen. Unter Umständen sind auch bisher bekannte Verstärkungsmethoden, wie z. B. der Einbau von Kohlefaserlamellen zur Ertüchtigung der Zugzone zu diskutieren.

01. Januar 2000 Ausgabe des Themas:

31. März 2000 Abgabe:

Unterschrift des Betreuers Unterschrift des Diplomanden

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

Thema  der Diplomarbeit  

Inhaltsverzeichnis.....................................................................................................   1

1  Einleitung.  4

2  Beurteilung des Istzustandes  6

2.1  Erfassung und Bestandsaufnahme von vorhandener Bausubstanz.  6

2.1.1  Das Prinzip der Teilsicherheitsfaktoren.  7

2.2  Verfahren zu Beurteilung des Istzustandes.  9

2.2.1  Bewehrungsermittlung  9

2.2.2  Bestimmung der Betongüte.  10

3  Arten der Verstärkung von Betonbauteilen  12

3.1  Grundlegende Aussagen zu Verstärkungen  12

3.2  Die Verstärkung der Biegedruckzone durch Ortbeton.  18

3.2.1  Wirkungsweise eines durch eine Ortbetonschicht verstärkten Bauteils  18

3.2.2  Überblick über den derzeitigen Stand der Forschung  19

3.2.2.1  György Iványi: Anwendung hartkornverzahnter Epoxidbeläge für  

nachtr  ägliche Querschnittsergänzungen von Biegetragwerken im  

Schubbereich  1 8  20

3.2.2.2  Eberhard Michaelis: Experimentelle Untersuchung zur Festigkeit der  

Verbundfuge  Alt-Neubeton bei nachträglicher Verstärkung von  

biegebeanspruchten  Stahlbetonquerschnitten 11  22

3.2.3  Bemessung einfacher Stahlbetonrechteckquerschnitte auf Biegung -  

Ermittlung  des Bruchmomentes  28

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  31

3.2.5  Aufstellung des Berechnungsmodells der Tragfähigkeit  bei

Ber  ücksichtigung der Vordehnung eines nachträglich verstärkten  

Querschnittes.   33

1

Inhaltsverzeichnis

3.2.6  Inkrementelle - Iterative Pfadverfolgungsalgorithmen  34

3.2.7  Berechnungen zur Einschätzung der Tragfähigkeitserhöhung einer  

Druckzonenverst  ärkung  38

3.2.7.1  Einfluss der Betongüte auf den Neubeton.  40

3.2.7.2  Einfluss der Vorbelastung auf den Verstärkungseffekt.  47

3.2.7.3  Einfluss der Höhe der Aufbetonschicht auf den Verstärkungseffekt.  53

3.2.7.4  Einfluss einer größeren zulässigen Stahldehnung auf den  

Verstärkungseffekt......................................................................................   56

3.2.8  Verfahren zum Nachweis und zur Bemessung von abschnittsweise  

hergestellten  Querschnitten nach Johannsen 16  58

3.2.8.1  Hinweise aus 16 zum Gebrauchszustand nachträglich ergänzter  

Querschnitte.   65

3.2.9  Teilzusammenfassung zur Druckzonenverstärkung  67

3.3  Die Verstärkung der Zugzone mit CFK-Lamellen.  69

3.3.1  Herstellung und Eigenschaften von CFK-Lamellen.  69

3.3.2  Anwendung, Einbau und bisherige Anwendungen.  70

3.3.3  Berechnung und Konstruktive Regeln CFK-Lamellen-verstärkter  

Stahlbetonquerschnitte   71

3.3.4  Berechnungen zu CFK-Lamellen verstärkten Querschnitten  73

3.3.4.1  Einfluss der Vorbelastung auf das Bruchmoment.  74

3.3.4.2  Einfluss einer Erhöhung der zulässigen Stahldehnung zulε s  76

3.3.4.3  Einfluss der Lamellenfläche A l auf das Bruchmoment.  78

3.3.4.4  Einfluss des Bewehrungsanteils bei gleichbleibendem  

Lamellenquerschnitt.   81

3.3.4.5  Einfluss des Bewehrungsanteils bei gleichbleibender Aufbetonhöhe.  83

3.3.4.6  Einfluss des Bewehrungsgehaltes ρ sl bei Kombination von Aufbeton und  

CFK  -Lamellen.  85

3.3.5  Teilzusammenfassung zur Zugzonenverstärkung.  92

4  Zusammenfassung und Ausblick  94

Literaturverzeichnis.   98

Abbildungsverzeichnis.   100

Tabellenverzeichnis   103

2

Inhaltsverzeichnis

Selbstst  ändigkeitserklärung.  105

Abk  ürzungsverzeichnis und Variablendeklaration  106

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Einleitung

1 Einleitung

Im Verlauf des letzten Jahrzehnts haben sich auf dem Gebiet des Stahlbetonbaus viele neue Erkenntnisse ergeben. Zurückzuführen ist dies auf weltweite, umfangreiche Forschungen. So ergaben sich Neuentwicklungen auch auf dem Gebiet der Betontechnologie. 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 gegenüber dem normalfesten Beton geringeren zulässigen Betonstauchungen ist eine Auslastung der eigentlich vorhandenen Tragkapazität nicht möglich. Gezielte Untersuchungen 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 Eigenschaften des Betons so beeinflusst werden, dass größere Betonstauchungen zugelassen 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 Betrachtungen auf seine verschiedenen Versagensformen infolge Schub und Druck untersucht. 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 Nachweisen 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.

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Einleitung

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

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Beurteilung des Istzustandes

2 Beurteilung des Istzustandes

2.1 Erfassung und Bestandsaufnahme von vorhandener Bausubstanz

Im Heft 467 des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton - Verstärken von Betonbauteilen [1] - werden von Zilch und Mainz Schwerpunkte genannt, die bei der Verstärkung 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 tatsächlichen 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 bestehender 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 vorhandenen Baustoffs bei der Ermittlung der Tragfähigkeit eine grundsätzlich andere Betrachtungsweise erfolgen muss. Des weiteren muss überprüft werden, ob durch Risse eventuelle Schädigungen im Laufe der Zeit eingetreten sind. Auch ein unterschiedliches 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. Sanierungsmaßnahme an. Er macht allerdings auch auf den möglicherweise sehr hohen Personal- 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 unbedingt mit einbezogen werden müssen. Hier sollen nur einige für eine erfolgreiche Sanierung notwendige Unterlagen genannt werden. In [2] wird darauf sehr ausführlich eingegangen. So wird als großer Aufwand das Auffinden, Kontrollieren, Ergänzen 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 einfach 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

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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 gegebenenfalls die Unterlagen zu ergänzen. Bei unverhältnismäßig großen Abweichungen von den Originalen, sind eventuell neue statische Berechnungen durchzuführen. Bei den zweiteren hingegen ist ein Aufmaß 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 erneuten Standsicherheitsnachweis möglicherweise ein anderes statisches System erfordern. Da hier schon gezeigt werden konnte, welches Ausmaß diese Untersuchungen annehmen können, ist es wichtig, den Projektanten schon in die Bestandsaufnahme mit einzubeziehen, da hierdurch möglicherweise zeit- und lohnintensive Maßnahmen, die aber für die Änderung bzw. erneute Nachweisführung der bestehenden Konstruktion 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 S d noch auf der Seite der Querschnittswiderstände R d ein Grenzzustand erreicht wird. Zum erläuternden Verständnis soll Abbildung 1 dienen. Die charakteristischen Werte der Beanspruchung S k werden dabei mit dem Teilsicherheitsfaktor γ F erhöht, die des Querschnittswider-standes R d werden durch den Faktor γ M verkleinert. Beim Nachweis darf sich dann maximal eine Gleichheit der jeweiligen Quantilwerte ergeben.

Abbildung 1: Darstellung des Konzeptes mit Teilsicherheitsfaktoren

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

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Beurteilung des Istzustandes

Wie soeben schon genannt, liegt bei schon erstellten Bauwerken ein größeres 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 2: Streuung der Materialfestigkeiten ohne und mit versuchsmäßiger 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 Festigkeitswerten. Das heißt, 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:

{ } =

m X x k

mit

X k charakteristischer Wert m x =1/n·ΣX i k n

V x =S x /m x

S

x

Nach Berechnung des charakteristischen Wertes ergibt sich der Bemessungswert X d durch die Division mit dem Sicherheitsbeiwert γ M für die Widerstandsseite und die Multiplikation mit dem Umrechnungsfaktor η d für Kurz- und Dauerbelastung.

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Beurteilung des Istzustandes

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

− ⋅ η = (2) V k m X 1

x n x d d

Im direkten Vergleich mit dem Verfahren unter a) ist zu erkennen, dass hier ein Faktor γ M 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 heißt das, dass Vorberechnungen unter Einbeziehung der zur Bauzeit gültigen Normen Aufschluss über die Bewehrung geben können. Die Erkenntnis, wo Schwachstellen der tragenden Konstruktionsteile liegen, ermöglicht es gezielt, in diesen Bereichen weitergehende Untersuchungen 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 Tragwerksplaner benannt werden.

Bei der nachträglichen Ermittlung von Materialeigenschaften wird zwischen zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren unterschieden. In [1] wird hierfür eine Tabelle angegeben, die die Prüfverfahren entsprechend dieser Kategorien unterscheidet und zu jedem Verfahren den Verwendungszweck angibt. Für die zerstörungsfreie Ermittlung der Bewehrung stehen unter anderem magnetische Messsonden und radiographische Verfahren zur Verfügung. Mittels des magnetischen Verfahrens 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 bestimmt werden. Sofern die Betondeckung bekannt ist, kann auch noch der Bewehrungsdurchmesser 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 durchführbar. Die Radiographie hat ebenfalls ein Anwendungsgebiet in der zerstörungsfreien Bewehrungsermittlung. Dabei wird mittels Gammastrahlen eine Art Foto (Gammagraphie) 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-

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Beurteilung des Istzustandes

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 gekennzeichnet sind, kann nur durch Probenentnahme und Prüfung erfolgen. Dabei ist vom Tragwerksplaner für die Probenentnahme eine Stelle zu nennen, an der die Bewehrung 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. Eventuell 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 3: Bruchmoment in Abhängigkeit der Betongüte und der Bewehrungsmenge

Das Bruchmoment wurde iterativ bestimmt. Die Stahldehnung hat ihre Grenzdehnung 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 Bruchmoment schneller zu bis auch hier die maximal erlaubte Stahldehnung von 5,0‰ er-

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Beurteilung des Istzustandes

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 Kalibrierung stets auch Bohrkernproben entnommen werden müssen. Diese Verfahren dienen der Verdichtung der Messergebnisse in den nicht durch Bohrkernentnahme geprüften 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 größere Zuschlagskörner und das Federn dünner Bauteile verfälscht werden. Pro Messstelle sind mit dem Rückprallhammer zehn Messergebnisse zu ermitteln und gegebenenfalls zu korrigieren, 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 Gleichmäßigkeit des Betons getroffen werden.

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

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Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

3 Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

3.1 Grundlegende Aussagen zu Verstärkungen

Im nun folgenden Abschnitt soll aufgezeigt werden, welche grundlegenden Möglichkeiten bestehen, Stahlbetonbauteile zu verstärken. Dabei wird sich sowohl auf jüngere Literaturquellen als auch auf Literaturquellen aus der Mitte der 80iger Jahre gestützt.

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 Maßnahmen 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 verkürzen,

• Aufhängungen oder Unterspannungen und

• Auflagerverbreiterungen zur Verringerung der Stützweite.

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Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

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 CFK-Lamellen verstärkte Zugzonen beschränkt, sollen hier nur einige kurze Worte zur Verstärkungsmöglichkeit durch Spritzbeton gesagt werden.

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Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

Abbildung 4: Verstärkungsvarianten von Stahlbetonquerschnitten aus [2]

Zur Spritzbetonverstärkung von Plattenbalken wird in [1] ein Berechnungsmodell angegeben, das den Nachweis dieses verstärkten Bauteils gestattet. Dabei wird zuerst unterschieden, ob nur die Biegezugbewehrung verstärkt werden muss und der Querschnitt 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 angebracht 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 Balken, die zusätzliche Bügel benötigen, müssen auch die Seitenflächen des Unterzuges 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 Querschnitte gleich groß sein muss, innere Kräfte im Gleichgewicht stehen und inneres Moment gleich dem äußeren Angriffsmoment sein muss (Abbildung 6). Da diese Art

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Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

der Berechnung für die Praxis sehr aufwendig werden kann, wird in [4] vorgeschlagen, 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 dabei zusätzlich zu den dort gegebenen Erläuterungen auf die Spritzbetonnorm DIN 18551 verwiesen. In [4] werden Versuchsergebnisse u. a. von Unterzügen angeführt, die mit Spritzbeton verstärkt wurden (Abbildung 7). Es hat sich dabei gezeigt, dass bei fachgerechter Ausführung von einer zugfesten Verbindung zwischen Altbeton 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 notwendig waren. Allerdings ist zu bemerken, dass 1,5 Vol.% Fasern bei einer praktischen Ausführung sehr schwer anzuwenden sind.

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

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

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Abbildung 7: Spritzbetonverstärkter Unterzug aus [4]

Bemessungsbeispiele für Stahlbetonplattenbalken, die sowohl mit als auch ohne zusätzliche 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 Bachmann, 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 Spritzbetonschale zurückgeführt. Aufbauend darauf werden von Hegger und Krause Forschungen angestellt, um ein analytisches Verfahren zur Bestimmung der Tragfähigkeitserhöhung nachträglich durch Spritzbeton verstärkter Stützen zu erhalten. In [1] werden dazu Beziehungen aufgeführt, mit denen sich die effektiv umschnürte Querschnittsfläche von Rechteckstützen erfassen lässt (Abbildung 8). In diesem so beschriebenen Querschnittsbereich darf der dreiaxiale Spannungszustand des Betons angesetzt werden, der die Tragfähigkeitserhöhung der Stütze beeinflusst. Ausführlichere Angaben werden in den schon benannten Seminarunterlagen und auch in dem Abschlussbericht - Spritzbetonverstärkte Stahlbetonstützen - Bemessungskonzept [6] gemacht.

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Abbildung 8: Fläche des dreiaxialen Spannungszustandes in unverstärkten und verstärkten Stahlbetonstützen

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 Stöße erfordern. Da die Stahlbänder auch korrosionsanfällig sind, müssen Korrosionsschutzmaßnahmen 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.

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Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

3.2 Die Verstärkung 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 Fußbodenaufbau und nichttragenden Wänden, eine neue Betonschicht aus Ortbeton aufgebracht. Das Verhalten des bereits vorhandenen Bauteils kann wie folgt beschrieben werden. Es werden alle Verkehrs- und Ausbaulasten entfernt, das Bauteil wird entlastet. Nach Behandlung der Bauteiloberseite, auf welche man im Laufe dieses 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 größere Dicke zu einer Erhöhung der Biegesteifigkeit. Das System ist nicht so schwingungsanfällig, das Schalldämmmaß wird erhöht, der Wärmedurchgangswider-stand vergrößert sich.

Der Verstärkungseffekt beruht hauptsächlich auf der Vergrößerung des Hebelarms der inneren Kräfte, das heißt der Betondruckkraft und der Betonzugkraft. In Abbildung 9 ist erkenntlich, dass durch die neue Betondruckkraftkomponente N c,n die resultierende Wirkungslinie der Betondruckkraft aus N c,n und N c,a im Querschnitt weiter oben liegt. Die Größe der Betondruckkomponente des Neubetons N c,n ist vom jeweiligen Dehnungszustand und der Betonfestigkeit des Neubetons abhängig. In dieser Abhängigkeit ändert sich auch die Größe des inneren Hebelarms z. Mit der Erhöhung der Biegetragfähigkeit kommt es auch zu einer höheren Schubtragfähigkeit.

Abbildung 9: Verstärkungseffekt durch Aufbeton

Um diesen Verstärkungseffekt zu erreichen, müssen Alt- und Neubeton zusammen wirken. Andernfalls würden beide Teile, der Altbeton und die Aufbetonschicht, getrennt tragen. Die so erreichte Verstärkung wäre nur äußerst gering. Aus diesem Grunde müssen Alt- und Neubeton schubfest miteinander verbunden sein. Die

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Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

Schubspannungen in der Fuge müssen übertragen werden. Zu den Schubspannungen in der Fuge kommt es entsprechend des Gesetzes von der paarweisen Gleichheit 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 einfach die Statischen Momente der einzelnen Querschnitte addiert, ohne Berücksichtigung der Steiner‘schen Anteile. Zum Zusammenwirken beider Querschnittsteile kommt es nur, wenn wie in Abbildung 10 b) die Schubspannungen in der Fuge übertragen werden. Da bei Beton nichtlineare Materialgesetze und eine gerissene Zugzone das Problem komplizierter gestalten, soll diese Abbildung nur zum Verständnis dienen.

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 abzudecken.

Zuerst soll auf die derzeit gültige Norm DIN 1045, Beton und Stahlbeton - Bemessung und Ausführung, [7] eingegangen werden. Dort heißt es, dass Querschnitte, die nachträglich ergänzt werden, so berechnet werden dürfen, als ob der Gesamtquerschnitt von Anfang an einheitlich hergestellt wurde, wenn durch konstruktive Maß-

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Arten der Verstärkung von Betonbauteilen

nahmen sichergestellt wird, dass alle in der Fuge auftretenden Kräfte aufgenommen werden können. Vergleichbar ist die nachträgliche Ortbetonergänzung mit Fertigteilplatten, 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 stahlbaumäßige Verbindungselemente in Frage. Des weiteren sind in der DIN 1045 die zulässigen Schubspannungen für den Schubbereich 1 τ 01 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 Fußbodenaufbau 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 nachträgliche 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 dieser Stelle soll kurz auf die Vorgehensweise des Verfahrens eingegangen werden. Dabei wird sich auf [9] gestützt:

• Freilegen des Korngerüstes durch Sandstrahlen, Stahlkugelstrahlen oder Hochdruckwasserstrahlen, um eine tragfähige Betonunterlage zu erzielen und lose Teile 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 Wartezeit 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, Ausfallkörnung 3/8 mm, Verbrauch ca. 4 bis 6 kg/m².

• Entfernen der überschüssigen Chromerzschlacke nach einer temperaturabhängigen Wartezeit bis zur Begehbarkeit der Fläche.

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