Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermittlung der erforderlichen Mindestbewehrung in Stahlbetonbauteilen unter Zwangbeanspruchung

In Geschossdecken von Parkhäusern, Bodenplatten und Kellerwänden haben sich in der Vergangenheit häufig Schäden infolge großer Rissbreiten aus Zwangbeanspruchungen eingestellt. Die heutige Betontechnologie führt häufig zu einer schnellen Festigkeitsentwicklung und hat daher die Annahme einer reduzierten Betonzugfestigkeit und eine Unterdimensionierung der Mindestbewehrung zur Folge. Die daraufhin angepasste Formulierung der Regelwerke wird in der Praxis zu deutlich höheren Bewehrungsmengen führen. Über die Lebensdauer der Bauteile können sich rissinduzierende Zwangspannungen früh bei niedriger Betonzugfestigkeit oder spät bei höherer Betonzugfestigkeit einstellen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ableitung eines praxistauglichen Bemessungsansatzes zur Ermittlung der Mindestbewehrung bei realistischer Abschätzung der Zugfestigkeit des Bauteils sowie der Zwangbeanspruchung. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll die wirksame Betonzugfestigkeit und die Abminderung der Zwangbeanspruchungen infolge Kriechen und Rissbildung untersucht werden. Zur Erarbeitung eines verbesserten Bemessungsansatzes für die erforderliche Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreiten werden Daten aus Versuchen und Praxisbeispielen zusammengetragen. Hierauf aufbauend werden Finite Elemente Modellierungen zum zeitlichen Verlauf der Zwangbeanspruchung praxisüblicher Bauteilgeometrien durchgeführt. Anschließend folgen experimentelle Untersuchungen zur Überprüfung und Kalibrierung der FE Simulationen. Aus den Ergebnissen der experimentellen und numerischen Parameterstudien wird im Anschluss ein Vorschlag für die Bemessung der erforderlichen Mindestbewehrung abgeleitet. Eine zutreffend ermittelte Mindestbewehrung begrenzt die Bewehrungskosten und die Rissbreiten gleichermaßen. So stellt sich ein wirtschaftlicher Nutzen für zahlreiche am Bau beteiligte kleine und mittlere Unternehmen (KMU) wie den Bauausführenden, den Tragwerksplanern und auch den Bauherren ein.

Ergebniszusammenfassung:

Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen den großen Einfluss des Behinderungsgrades auf die Zwangspannungsentwicklung und die Rissbildung. Die volle Dehnungsbehinderung sorgt für die maximale Druckkraft im frühen Betonalter, die schnell abgebaut wird, und durch erhebliche Zugspannungen nach ein bis drei Tagen zur Rissen im Bauteil führen. Diese Grenzwertbetrachtung liefert vor allem für weitergehende numerische Untersuchungen eine Kalibrierungsgrundlage. In der Realität sind die Behinderungsgrade, Steifigkeitsverhältnisse, Bauteillänge und Zwangeinwirkungen von den individuellen Randbedingungen abhängig, deren signifikanter Einfluss im Zuge der Forschungsarbeit herausgearbeitet wurde. Zukünftige Nachweisgleichungen gilt es dementsprechend anzupassen, um eine wirtschaftlichere Bemessung unter Berücksichtigung der tatsächlichen Randbedingungen zu ermöglichen.

Die Erhärtungsgeschwindigkeit hat unter voller Verformungsbehinderung keinen signifikanten Einfluss auf den Zeitpunkt der Erstrissbildung. Der langsameren Zwangspannungsentwicklung steht die kleinere Betonzugfestigkeit im jungem Beton entgegen. Die aufzunehmenden Erstrisskräfte des langsam erhärtenden Betons liegen nur geringfügig unter denen der normal und schnell erhärtenden Betone. Die Auswertung der Betonfestigkeiten zeigt gerade für den schnell erhärtenden Beton eine vergleichsweise sehr hohe Frühfestigkeit. Generell ist dies bei der Bemessung der Mindestbewehrung zu berücksichtigen. Eine entsprechende Erhöhung der anzusetzenden Betonzugfestigkeit zu einem frühen Zeitpunkt ist weiterhin notwendig.

Eine getrennte Betrachtung der Rissbildungsprozesse in Abhängigkeit der Bauteildicke ist für eine wirtschaftliche Bemessung zwingend notwendig. Während sich in dünnen Bauteilen zumeist Trennrisse ausbilden, führt der geänderte Spannungsverlauf in dickeren Bauteilen zur Bildung von Sekundärrissen. Diese sorgen für eine Reduzierung der Rissbreiten und ermöglichen die Reduzierung der erforderlichen Mindestbewehrung.