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03/1993 Dipl.-Ing. Norbert Glantschnigg
Über
den Schubspannungsnachweis für die Verbundzone zwischen "Altbeton"
und "Aufbeton" bei konstruktiver Verstärkung und
Instandsetzung von Stahlbetonbauteilen
Ein
Verfahren zum Nachweis des kraftschlüssigen Verbundes zwischen
"Altbeton" und statisch mitwirkendem "Verstärkungsbeton",
insbesondere der ausreichenden Schubspannungsübertragung in
der Verbundzone.
Die
Verstärkung bestehender Stahlbetonbauteile, z.B. Geschoßdecken,
Bodenplatten und Brückentragwerke, mit einem statisch mitwirkendem
Aufbeton kann aus folgenden Gründen erforderlich werden:
-
Auftreten
anderer Belastungszustände durch andere Nutzung.
-
Kombination
von Fertigteil-Deckenelementen mit statisch mitwirkendem
Aufbeton.
-
Instandsetzung
nach Frost-Tausalz-Schäden.
-
Nichterreichen
der geforderten Betondruckfestigkeit.
Für
den Tragsicherheitsnachweis von Bauteilen mit statisch mitwirkendem
Aufbeton ist die "Verbundfestigkeit" zwischen Verstärkungsbeton
und Altbeton von entscheidender Bedeutung. Dazu ist der Nachweis
einer Haftzugfestigkeit zwischen Verstärkungsbeton und Altbeton
von grösser/gleich 1,5 N/mm² alleine nicht ausreichend, da
für den "Verbundquerschnitt" auch der Nachweis der
Aufnahme der Schubspannungen aus statischer Belastung für
die Verbundzone, gemäß ÖNORM B 4200, Teil 8 [6] zu erbringen
ist.
Bei
statisch nicht beanspruchten Bauteilergänzungen ist gemäß
ÖNORM B 4200, Teil 6 [5] der Nachweis einer Haftzugfestigkeit
zwischen Verstärkungsbeton und Aufbeton von $ 1,5 N/mm² ausreichend.
Damit wird ein dauerhafter Verbund zwischen den verschiedenen
Betonen in der Verbundzone aus unterschiedlichen Längenänderungen
(z.B. aus Schwinden und Temperaturänderung) nachgewiesen.
Aus
den bekannten Gleichgewichtsbedingungen für einen Balkenabschnitt
mit veränderlichem Biegemoment gemäß Abb. 1 ergibt sich die
rechnerische Schubspannung (tau), die zwischen der Null-Linie
des gerissenen Querschnittes und der Zugbewehrung übertragen
werden muß, mit tau0 = Q/(b0 x z).
Dieser
Kennwert für die Betonbeanspruchung wird mit der zulässigen
Schubspannung J1 nach ÖNORM B 4200, Teil 8 gemäß Abb. 3 (oder
deren Vielfachem) für die jeweilige Betonfestigkeitsklasse
verglichen.
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Abb.
2: Ermittlung der "Fiktiven Betondruckfestigkeit"
in der Verbundzone zwischen Altbeton und Verstärkungsbeton
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Für
den Nachweis der zulässigen Schubspannungsbeanspruchung von
nachträglich mit statisch mitwirkendem Aufbeton verstärkten
Stahlbetonbauteilen ist eine "fiktive Betonfestigkeitsklasse"
für die Verbundzone zwischen Aufbeton und Altbeton zu ermitteln.
Dazu sind vergleichende Prüfungen der Druckfestigkeit und
der Punktlastfestigkeit des Aufbetons und der Verbundzone
gemäß Abb. 2 durchzuführen.
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Abb.
3: Vergleichswerte der Schubspannung für den Nachweis
der Schubsicherheit nach ÖNORM B 4200, Teil 8
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Der Nachweis der Schubsicherung erfolgt analog zum Nachweis
für "homogene" Querschnitte, das heißt durch Vergleich
des Kennwertes tau0 mit der zulässigen Schubspannung tau1
(oder deren Vielfachem) für die "fiktive" Betonfestigkeitsklasse
der Verbundzone.
Das
Verfahren zum Nachweis der ausreichenden Schubspannungsübertragung
in Verbundzonen zwischen Verstärkungsbeton und Altbeton kann,
beispielsweise, bei folgenden konstruktiven Verstärkungen
und Instandsetzungen von Stahlbetonbauteilen angewandt werden:
Die
Erhöhung der Tragfähigkeit von Geschoßdecken aus Stahlbetonplatten
ist meist erforderlich bei Aufstockung von Gebäuden, wenn
die "letzte" Geschoßdecke nur für die Belastungen
aus der Dachkonstruktion und den Schnee- und Windlasten bemessen
war und künftig größere Nutzlasten aufzunehmen sind (Abb.
4) oder, wenn die geforderte Betondruckfestigkeit im Bauteil
nicht erreicht wurde.
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Abb.
4: Aufstockung eines Verwaltungsgebäudes erfordert die
Erhöhung der Tragfähigkeit der letzten Geschoßdecke
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Für die Erhöhung der Tragfähigkeit wird an der Oberseite
der Geschoßdecke ein Verstärkungsbeton aufgebracht und
werden damit die Druckzone und die statische Nutzhöhe
der Decke vergrößert (Abb. 5). |
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Zur Sicherstellung des Erreichens der erforderlichen "Verbundfestigkeit"
zwischen statisch mitwirkendem Aufbeton und Altbeton ist die
Oberfläche der Geschoß-decke mit einem geeigneten Verfahren,
beispielsweise durch Kugelstrahlen, vorzubereiten (Abb. 6).
Die so vorbereitete Altbetonoberfläche muß gemäß ÖNORM B 4200,
Teil 6 [5] eine Abreißfestigkeit von größer/gleich 1,5 N/mm²
aufweisen, was durch Prüfungen nachzuweisen ist.
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Abb.
6: Vorbereitung der zu verstärkenden Geschoßdecke duch
Kugelstrahlen
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Auch
bei Ausführung von Geschoßdecken mit Fertigteil-Elementen
in Verbindung mit statisch mitwirkendem Aufbeton gemäß Abb.
7 ist die Verbundfestigkeit zwischen dem Aufbeton und den
Deckenelementen von entscheidender Bedeutung und kann das
Nachweisverfahren gemäß Punkt 4. angewandt werden.
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Abb.
7: Herstellung der Druckzone von Geschoßdecken aus Fertigteil-Deckenelementen
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Bei
der Instandsetzung von Brückentragwerken mit Frost-Tausalz-Schäden
müssen die geschädigten "lockeren" Betonzonen entfernt
und die verbleibende Altbetonoberfläche des Brückentragwerkes,
z.B. durch Fräsen, vorbereitet werden (Abb. 8).
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Abb.
8: Instandsetzung von Brückentragwerken mit Frost-Tausalzschäden
unter undichter Isolierung
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| Der
Einbau des Instandsetzungsbetons an der Tragwerksoberseite
sollte in fließfähiger Konsistenz erfolgen. Zur Minimierung
des Schwindens des Verstärkungsbetons werden W/Z-Wert
und Zementgehalt minimiert und wird die Fließfähigkeit
des Verstärkungsbetons durch die Beigabe eines Fließmittels
hergestellt. (Abb. 9). |
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| Abb.
9: Einbau des Instandsetzungsbetons an einem Brückentragwerk |
Der
Nachweis des kraftschlüssigen Verbundes zwischen statisch
mitwirkendem Verstärkungsbeton und Altbeton ist zunächst an
einer Musterfläche auf der entsprechend vorbereiteten Altbetonoberfläche
zu erbringen (Abb. 6). Dazu muß die den Anforderungen entsprechende
Betonzusammensetzung in einer Eignungsprüfung entwickelt werden,
in der auch das Schwinden des Verstärkungsbetons geprüft wird.
(Abb. 10).
An
Bohrkernen aus der Musterfläche wird die Druckfestigkeit des
Aufbetons im Alter von 28 Tagen nach ÖNORM B 3303 [4] ermittelt.
Zusätzlich werden "Punktlastfestigkeiten", als besondere
Art von Spaltzugfestigkeiten, am ungestörten Aufbeton und
in der Verbundzone zwischen Verstärkungsbeton und Aufbeton
nach Abb. 11 geprüft.
| An
Bohrkernen aus der Musterfläche wird die Druckfestigkeit
des Aufbetons im Alter von 28 Tagen nach ÖNORM B 3303
[4] ermittelt. Zusätzlich werden "Punktlastfestigkeiten",
als besondere Art von Spaltzugfestigkeiten, am ungestörten
Aufbeton und in der Verbundzone zwischen Verstärkungsbeton
und Aufbeton nach Abb. 11 geprüft. |
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Abb.
11: Prüfung der Punktlastfestigkeit in der Verbundzone
zwischen Alt- und Aufbeton
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Die
Prüfung der Punktlastfestigkeit erfolgt in Anlehnung an die
Empfehlung des Arbeitskreises "Versuchstechnik Fels"
der Deutschen Gesellschaft für Erd- und Grundbau [2]. Sie
eignet sich auch für die Prüfung des Verbundes in gekrümmten
Flächen, wie beispielsweise zum Gütenachweis der kraftschlüssigen
Verpressung von Rissen.
Die
Art und Anordnung der Probekörper für die vergleichenden Güteprüfungen
zeigt Abb. 12.
Die
Ergebnisse der Anwendung dieses Verfahrens zur Ermittlung
einer "fiktiven Betonfestigkeitsklasse" der Verbundzone
und der Vergleichs-Schubspannung tau1 für die Verbundzone
für das Beispiel einer Geschoßdeckenverstärkung sind in Abb.
13 ausgewiesen.
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Aufbeton
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mittlere
Betondruckfestigkeit in [N/mm²]
„DF-A"
|
32,3
|
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mittlerer
Festigkeitsindex IS(50) in [N/mm²]
„IS(50)-A"
|
2,98
|
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Verbundzone
|
mittlerer
Festigkeitsindex IS(50) in [N/mm²]
„IS(50)-V"
|
2,51
|
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„DF-A"
/ „IS(50)-A"
|
10,8
|
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„fiktive
Betondruckfestigkeit" in der Verbundzone in [N/mm²]
(„DF-A" / „IS(50)-A")*„IS(50)-V"
|
27,1
|
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„Fiktive
Festigkeitsklasse" nach ÖNORM B 4200, Teil10
|
B
225
|
|
tau1
in [N/mm²] für die Festigkeitsklasse B 225 gemäß ÖNORM
B 4200, Teil8
|
0,3
|
Abb13: Beispiel für Ergebnisse des Gütenachweises
Bei
diesem Beispiel wurden die Betondruckfestigkeit und die Punktlastfestigkeit
des ungestörten Aufbetons sowie die Punktlastfestigkeit der
Verbundzone, in Abb. 13 ausgewertet als mittlerer Festigkeitsindex
im Sinne der vorerwähnten Richtlinie [2], geprüft.
Das
Verhältnis der beiden Festigkeitswerte des Aufbetons wurde
für die Ermittlung der fiktiven Betondruckfestigkeit der Verbundzone
herangezogen. Diese "fiktive Betondruckfestigkeit"
errechnet sich nach Abb. 13 mit 10,8 x 2,51 = 27,1 N/mm² womit
sich eine "fiktive Betonfestigkeitsklasse" von "B
225" sinngemäß zu ÖNORM B 4200, Teil 10 [7] für die Verbundzone
ergibt.
Aus
ÖNORM B 4200, Teil 8 nach Abb. 3 kann die Vergleichs-Schubspannung
tau1 für die Verbundzone, für die "fiktive Betonfestigkeitsklasse"
B 225, mit 0,3 N/mm² entnommen werden. Der Nachweis der Schubsicherung
erfolgt gemäß den Bestimmungen der ÖNORM B 4200, Teil 8 [6]
durch Vergleich der rechnerischen Schubspannung aus Belastung
tau0 mit der zulässigen Schubspannung tau1 (oder deren Vielfachem)
für die Verbundzone.
Mit
dem Verfahren nach Punkt 4. ist es möglich, die ausreichende
Schubspannungsübertragung in der Verbundzone zwischen statisch
mitwirkendem Verstärkungsbeton und Altbeton nach den Regelwerken
des Stahlbetonbaues und damit den kraftschlüssigen Verbund
zwischen Verstärkungsbeton und Altbeton nachzuweisen.
Der
Nachweis ist vor Bauausführung an einer Musterfläche und nach
Fertigstellung am "verstärkten" Bauteil durch vergleichende
Festigkeitsprüfungen an Bohrkernen zu erbringen.
[1]
Zeugnisse der staatlich autorisierten Bautechnischen Versuchs-
und Forschungsanstalt Salzburg.
[2]
Empfehlung Nr. 5 des Arbeitskreises 19 - Versuchstechnik Fels
der Deutschen Gesellschaft für Erd- und Grundbau e.V., Punktlastversuche
an Gesteinsproben, veröffentlicht in "Die Bautechnik"
59 (1982).
[3]
H.Kaltenböck: Kraftschlüssiges Verpressen von Rissen, Zement
+ Beton, 28. Jahrgang, Heft 1 (1983).
[4]
ÖNORM B 3303 "Betonprüfung", März 1983.
[5]
ÖNORM B 4200, Teil 6 "Betonbau; Instandsetzung, Umbau
und Verstärkung", August 1988.
[6]
ÖNORM B 4200, Teil 8 "Stahlbetontragwerke; Berechnung
und Ausführung", August 1979.
[7]
ÖNORM B 4200, Teil 10 "Beton; Herstellung und Überwachung",
Jänner 1983.
Dipl.-Ing.
Norbert Glantschnigg
Zivilingenieur für Bauwesen
Allgemein beeideter und gerichtlich zertifizierter Sachverständiger
Bautechnische Versuchs- und Forschungsanstalt Salzburg
(bvfs)
Alpenstraße 157
A-5020 Salzburg
Tel.Nr.:
+43 (0)662 621758-0
Fax : +43 (0)662 621758-199
e-mail : glantschnigg@bvfs.at
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