Materialkennwerte für die Nachrechnung

Transkript

1 Materialkennwerte für die Nachrechnung VSVI-Seminar /2015 Nachrechnung und Ertüchtigung von Brücken Jürgen Schnell / Michael Weber Koblenz, 15. September 2015

2 1. Plandokumente vorhanden 2. Bestandanalyse erforderlich NaReRili Kapitel 11 NaReRili Kapitel 17

3 Ermittlung charakteristischer Werkstoffkennwerte aus vorliegenden Bauwerksdokumenten [Moersch 1933]

4 für Baustoffe insgesamt state of the art

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7 Anwendungsbereich

8 historischer Normenverlauf im Stahlbetonbau in Deutschland Zeitraum Bemessung Festlegung der Materialeigenschaften Materialprüfung (Druckfestigkeit) Preußische Bestimmungen Preußische Bestimmungen Preußische Bestimmungen Preußische Bestimmungen DAfEb DAfEb Anhang DAfEb DIN 1045 September 1925 DIN 1045 September 1925 DIN 1048 September DIN 1045 April 1932 DIN 1045 April 1932 DIN 1048 April DIN 1045 Mai 1937 DIN 1045 Mai 1937 DIN 1048 Oktober DIN 1045 April 1943 DIN 1045 April 1943 DIN x DIN 1045 November 1959 DIN 1045 November 1959 DIN x DIN 1045 Januar 1972 DIN 1045 Januar 1972 DIN 1084 Blatt 1-3 Februar 1972 DIN 1048 Blatt 1 Januar 1972

9 historischer Normenverlauf im Stahlbetonbau in Deutschland Zeitraum Bemessung DIN 1045 Dezember 1978 Festlegung der Materialeigenschaften DIN 1045 Dezember 1978 DIN 1084 Teil 1-3 Dezember 1978 Materialprüfung (Druckfestigkeit) DIN 1048 Teil 1 Dezember DIN 1045 Juli 1988 DIN 1045 Juli 1988 DIN 1084 Teil 1-3 Dezember 1978 DIN 1048 Teil 1 Dezember Juni DIN Juli Berichtigung 2 Juni 2005 DIN EN Juli 2001 DIN Juli 2001 DIN 1048 Teil 5 Juni 1991 DIN EN Februar 2001 DIN EN Juni 2001 DIN EN April DIN August 2008 DIN EN Juli 2001 DIN August 2008 DIN 1048 Teil 5 Juni 1991 DIN EN Februar 2001 DIN EN August 2009 DIN EN Juli 2009

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11 Beton 19-Mar

12 Charakteristische Betondruckfestigkeit fck Zylinderförmige Prüfkörper (150/300) Referenzlagerung nach DIN EN bis zur Prüfung unter Wasser Druckfestigkeitsprüfung nach 28 Tagen

13 Maßgebende Materialeigenschaft des Betons nach Eurocode 2 Charakteristische Druckfestigkeit f ck Density Plots (1 Graphs) - [Plot] 5%-Quantile der Grundgesamtheit (Stichprobenumfang n ) Relativ e Frequency f(f c ) fc Normal (Gauss) = Mittelwert = Standardabweichung Value of X

14 Zeitraum Referenzform der Probekörper zur Ermittlung Betondruckfestigkeiten Definition Druckfestigkeit Würfelform, Kantenlänge = 30 cm Würfelform, Kantenlänge = 20 cm Würfelform, Kantenlänge = 20 cm Definition der Betonfestigkeit mittlere Druckfestigkeit 300er / 200er Würfel 27 Tage trocken gelagert Betongüten ab ab 2001 Würfelform, Kantenlänge = 20 cm Würfelform, Kantenlänge = 20 cm Zylinderform, Durchmesser/Höhe = 15/30 cm Definition der Betonklassen 5%-Quantile der Grundgesamtheit 200er Würfel 27 Tage trocken gelagert (D) Definition der Betonklassen 5%-Quantile der Grundgesamtheit 150er Zylinder 27 Tage nass

15 Umrechnungsfaktoren: Lagerungsfaktor Trockenlagerung : 7 Tage feucht, 21 Tage trocken 150er f c,cube150 f c,dry 0,92 C50 / 60 Referenzlagerung 28 Tage feucht

16 Umrechnungsfaktoren Probekörpergeometrie 300er f c, cube 200 f c, cube 300 = k = 1,11 200/ er 200er f f c, cube 150 c, cube 200 = k =1,05 150/ er

17 Umrechnungsfaktoren Probekörpergeometrie 300er f f c, cube150 c, cube 300 = k = 1, / er 150er f f c,cyl c, cube150 = k = 0,82 cyl/cube 150/300

18 Umrechnung mittlerer Druckfestigkeiten in charakteristische Druckfestigkeiten Betonfestigkeiten von 1916 bis 1943? 1 ck cm,cube200 (0,05) 150 / 200 cube / cyl L f f k k k 1 (0,05) 1,645 Umrechnung Würfelgröße Würfel/Zylinder Lagerung

19 Streuungsverhalten der Betondruckfestigkeit auf Baustellen der 1950er Jahre [kp/cm²] 5 N/mm² f cm (200er Würfel) [kp/cm²] [Rüsch 1969]

20 Güteüberwachte Betone von 1943 bis 1972 Zu erfüllende Güteanforderungen während der Bauausführung: Mittelwert aus einer Serie von drei Würfeln geforderter Mittelwert und jeder Einzelwert 0,85 geforderter Mittelwert. 5 % - Quantilwert entspricht 0,85 x Mittelwert [BAUINGENIEUR 12/2010] fck 0,85 fcm,cube200 k150 / 200 kcube / cyl kl

21 Betonfestigkeiten von 1972 bis 2001 β WN f f ck,cube200 f k k k ck ck,cube / 200 cube / cyl L WN als 5%-Quantile der Grundgesamtheit festgelegt Betonfestigkeiten von 1980 bis 1990 nach TGL :1979 (DDR) fck fck,cube150 kcube / cyl kl

22 Tab 11.1 Eurocode 2 erst ab C12/15 anwendbar

23 DBV-Merkblatt - Beton und Betonstahl

24 Korrelation Druck / Zugfestigkeit [N/mm²]

25 Leitsätze 1904 Nicht magerer als 1 : 3 Gewichtsanteile Portlandzement : Sand Bestimmungen 1907 In der Baubeschreibung war die 28-Tage-Würfeldruckfestigkeit festzulegen Bestimmungen 1916 Erstmals Hochofenzement zugelassen Bestimmungen 1925 Mindestzementgehalt 300 kg/m³ für Außenbauteile Bestimmungen 1932 Maschinelle Mischung wird zum Regelfall Stahlbetonbestimmungen 1943 (DIN 1045) Klasseneinteilung B 50 bis B 300 Erstausgabe DIN 4227 (Spannbeton): 1953

26 Standardabweichung der Betonfestigkeiten ist abgängig von Gleichmäßigkeit der Grundwerkstoffe technischen und betrieblichen Einrichtungen der Betonbereitung Sorgfalt und beruflichen Qualifikation der Belegschaft Dauer der Betonierarbeiten Witterung Grad der Überwachung

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28 Geschichte der Güteüberwachung: DafStb-Sachstandsbericht (2015)

29 Betonstahl 19-Mar

30 Tab 11.3 Charakteristische Streckgrenzen und Duktilitätsklassen von Betonstabstählen verschiedener Zeitperioden - bei bis 1953 errichteten Tragwerken nur zur Vorbemessung - wenn keine eindeutige Zuordnung zu Materialeigenschaften möglich ist, nur zur Vorbemessung - zur abgesicherten Bewertung sind die charakteristischen Kennwerte durch Werkstoffuntersuchungen zu verifizieren Vor 1943 allgemein nur Mindestanforderungen an die Zugfestigkeit (außer St 52)

31 Spannungs-Dehnungs-Linie Betonstahl Für BSt 500 und BSt 420 Anstieg der Arbeitslinie ausnutzbar!

32 Charakteristische Festigkeit f yk historischer Betonstähle Quergerippter Betonformstahl Hinsichtlich der Prüfbedingungen keine Umrechnungsfaktoren notwendig. Zuordnung in Duktilitätsklassen für vor 1972 produzierte, kaltverformte Betonstähle ohne nähere Untersuchungen nicht möglich. Elastizitätsmodul für alle Betonstähle E S = N/mm² Rippen-Torstahl HI-BOND-A-Stahl Quelle: Bindseil

33 Spannstähle Spannstahl / Spannverfahren

34 Rechenwerte für Spannstahl Angaben nur gültig, wenn Spannstähle eindeutig einem Erzeugnis zugeordnet werden können die Zulassung des verwendeten Spannstahls sowie Spannverfahrens muss vorliegen die maßgebenden Materialkennwerte sind den Zulassungen zu entnehmen

35 Tab 11.5 Übersicht Spannstähle

36 Sachstandsbericht Heft 616 DAfStb-Forschungsvorhaben TU Kaiserslautern Zilch + Müller Ingenieure Autoren UA Bauen im Bestand Prof. Schnell, TU Kaiserslautern (Obmann) Dr. Brauer, Dormagen Dr. Fingerloos, DBV Prof. Grünberg, TU Hannover Prof. Marx TU Hannover Prof. Maurer, TU Dortmund Stauder, VBI Prof. Zilch, TU München Sachstandbericht zur Festlegung mechanischer Kennwerte historischer Betone, Betonstähle und Spannstähle für die Nachrechnung von bestehenden Tragwerken

37 Spannstahl DIN EN idealisiert Bemessung

38 Spannstahl DIN EN idealisiert f p0,1k : f pk : ε uk : in Zulassungen Bemessung mit Bezug auf DIN 4227 nicht angegeben! Graphische Ermittlung aus der Spannungs-Dehnungs-Linie entspricht unabhängig vom Zeitraum dem zweiten Wert der Stahlgüte Gesamtdehnung bei Höchstlast (=A gt ); in älteren Zulassungen nicht explizit angegeben! Graphische Ermittlung aus der Spannungs-Dehnungs-Linie

39 Graphische Ermittlung der 0,1 %-Dehngrenze Falls in der Zulassung für den Bereich plastischer Spannstahldehnungen ein Streubereich möglicher Spannungs-Dehnungs-Linien angegeben ist, sind die charakteristischen Werte an der unteren Kurve abzulesen

40 Graphische Ermittlung charakteristischen Bruchdehnung Falls die Spannungs-Dehnungs-Linien in älteren Zulassungen nicht bis zum Erreichen der Zugfestigkeit dargestellt sind, kann die maximal angegebene Dehnung auf der Abszisse als Abschätzung für ε uk verwendet werden

41 Spannstahlzulassungen Im Sachstandbericht sind für ausgewählte Zeitpunkte ab 1958 ca. 400 in der BRD und der DDR zugelassene Spannstähle einschließlich der wichtigsten Materialkennwerte aufgelistet! Quelle: DAfStb-Sachstandbericht

42 Teilübersicht der in der BRD und DDR zugelassenen Spannverfahren In Sachstandbericht ca. 400 bauaufsichtlich/baupolizeilich zugelassene Spannverfahren aufgelistet!

43 Spannungsverluste infolge Relaxation für Spannstähle aus dem Zeitraum vor

44 Spannungsrisskorrosion Korrosionsversuche erstmals 1978 gefordert. Spannungsrisskorrosionsgefährdete Spannstähle Quelle: Lingemann

45 Baustahl Tab 11.9 * * in Längsrichtung

46 Rechenwerte für Baustahl charakteristische Materialkennwerte für vor 2000 errichtete Tragwerke aus Tabelle 11.9 charakteristische Materialkennwerte für danach errichtete Tragwerke aus DIN-Fachbericht 103 Eigenschaften von Schweißeisen (Verwendung von 1850 bis 1895) streuen stark und können in Längs-, Quer- und Dickenrichtung stark voneinander abweichen Tabellenangaben gelten nur für die Längsrichtung.

47 Mauerwerk Tab 11.11

48 1. Plandokumente vorhanden 2. Bestandsanalyse erforderlich

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50 Beton

51 Ermittlung von charakteristischen Werkstoffkenngrößen aus vorliegenden Bauwerksdokumenten tabellierte charakteristische Werte Grundlage für eine erste Vorbemessung Tabellenwerte sind anhand von Bauwerksuntersuchungen zu verifizieren Nacherhärtung des Betons unberücksichtigt tatsächliche charakteristische Werte verwendeter Materialgüten eines Bauwerks (Vorhaltemaße bei Produktion)

52 Ermittlung von Werkstoffkenngrößen durch Untersuchungen am Bauwerk Charakteristische Materialeigenschaft Relativ e Frequency Density Plots (1 Graphs) - [Plot] fc Normal (Gauss) p-quantile der Grundgesamtheit (Stichprobenumfang n ) Value of X Schätzung des p-quantils aus der Stichprobe (Inferenz)