Sachstandbericht zum Bauen im Bestand Mechanische Werkstoffkennwerte anhand von Planungsunterlagen

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1 Sachstandbericht zum Bauen im Bestand Mechanische Werkstoffkennwerte anhand von Planungsunterlagen Jürgen Schnell Konrad Zilch Michael Weber 3. Jahrestagung des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton DAfStb, 12. November 2015, Universität Stuttgart

2 Bemessung

3 Bemessung Nachrechnung

4 DafStb-Richtlinie Belastungsversuche an Betonbauwerken In jedem Fall ist eine rechnerische Beurteilung der vorhandenen Tragfähigkeit erforderlich. Probebelastung

5 bisher

6 DAfStb Sachstandsbericht Teil I Teil II durch Untersuchungen am Bauwerk anhand vorliegender Planunterlagen. 6

7 Sachstandsbericht (Heft 616) Heft 616 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 Mechanische Kennwerte historischer Betone, Betonstähle und Spannstähle anhand vorliegender Planunterlagen

8 Beton 19-Mar

9 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

10 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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12 Spannbetonbau: Bemessungsnormen in der BRD ab

13 Spannbetonbau: Bemessungsnormen in der DDR ab

14 Anwendungsbereich

15 Eurocode 2: Charakteristische Betondruckfestigkeit f ck zylinderförmige Prüfkörper (150/300) Referenzlagerung nach DIN EN bis zur Prüfung unter Wasser Druckfestigkeitsprüfung nach 28 Tagen

16 Zeitraum ab 2001 Referenzform der Probekörper zur Ermittlung Betondruckfestigkeiten Würfelform, Kantenlänge = 30 cm Würfelform, Kantenlänge = 20 cm Würfelform, Kantenlänge = 20 cm Würfelform, Kantenlänge = 20 cm Würfelform, Kantenlänge = 20 cm Zylinderform, Durchmesser/Höhe = 15/30 cm Definition Druckfestigkeit Definition der Betonfestigkeit mittlere Druckfestigkeit 300er / 200er Würfel 27 Tage, trocken gelagert Betongüten ab 1943 Definition der Betonklassen 5%-Quantile der Grundgesamtheit 200er Würfel 27 Tage nass (europäisch) 27 Tage trocken gelagert (D) Definition der Betonklassen 5%-Quantile der Grundgesamtheit 150er Zylinder 27 Tage nass

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

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

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20 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

21 Umrechnung mittlerer Druckfestigkeiten in charakteristische Druckfestigkeiten Betonfestigkeiten von 1916 bis 1943 Mittelwert Standardabweichung 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

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

23 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

24 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 fck fck,cube150 kcube / cyl kl

25 Betondruckfestigkeiten ab

26 Korrelation zwischen Betondruck- und Zugfestigkeit historischer Betone Eurocode Trendlinie

27 Betonstahl 19-Mar

28 Betonstahl Streckgrenze und Duktilität Glatter Rundstahl BST 420/500 RU Quelle: Bindseil

29 Betonstahl Streckgrenze und Duktilität Isteg-Stahl Drillwulst-Stahl Nocken-Stahl Torstahl Quelle: Bindseil

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

31 Gitterträger S-Gitterträger mit Obergurt aus profiliertem Stahlband DIN 488-5:2009 Zulassung Gitterträger Filigran Untergurt, Diagonalen und Obergurt können aus verschiedenen Stahlsorten bestehen. Stahlsortenbezeichnung älterer Gitterträger aus Zulassungen (

32 Bezogene Rippenfläche Betonrippenstahl BSt 42/50 RK DIN 488-2:1972 B500B; 2 Reihen Schrägrippen; ohne Längseisen DIN 488-2:2009 Quelle: DAfStb-Heft 609 Bezogene Rippenfläche f r für derzeit verwendete Betonstähle in DIN 488:2009 geregelt. In DIN 488:1972 geregelte Betonstähle, haben eine um ca. 15% höhere bezogene Rippenfläche Beeinflussung der Verbundfestigkeit tabellarische Auflistung im Sachstandbericht

33 Spannstähle Spannstahl / Spannverfahren

34 Spannstahl DIN EN idealisiert Bemessung

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

36 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

37 Spannungsverluste infolge Relaxation für Spannstähle aus dem Zeitraum vor

38 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

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

40 Darf vorhandenen Plandokumenten vertraut werden? Nachrechnungsrichtlinie Brücken: Bei bis 1953 errichteten Tragwerken nur zur überschlägigen Bemessung

41 DAfStb Sachstandsbericht Teil I Teil II durch Untersuchungen am Bauwerk anhand vorliegender Planunterlagen. 41

42 DIN EN Bewertung der Betondruckfestigkeit bei Zweifeln an der nach DIN EN produzierten Betonqualität (nicht bestandene Konformitätsbzw. Annahmeprüfungen) Gezielte Konformitätskontrolle im Rahmen der Produktion von Fertigteilen Ermittlung der charakteristischen Betonfestigkeit zur Nachrechnung von Bestandstragwerken beim Bauen im Bestand Kein Ersatz für die Prüfung des Betons nach EN 206-1

43 Charakteristische Betondruckfestigkeit nach DIN EN 13791: bzw. 9 Ergebnispaare nicht zur Bewertung bestehender Tragwerke!

44 Ermittlung der Betondruckfestigkeit am Bauwerk Vergleich unterschiedlicher Auswerteverfahren Nach DIN EN Ansatz A Ansatz B Minimum maßgebend Allgemeine Statistik Klassische Statistik (DIN ISO ) Bayes sches Verfahren (DIN EN 1990) (1) f ck,is = f m(n),is - k 2 s (2) f ck,is = f is,niedrigst + 4 (1) f ck,is = f m(n),is - k (2) f ck,is = f is,niedrigst + 4

45 Beispiel: Autobahnunterführung Vogelwoog (A6) Baujahr Bohrkerne f ck = 31,28 N/mm² v x = 0,

46 Ergebnisse Einzelwerte der Bohrkernprüfung in [N/mm²] 45,46 49,30 38,52 38,63 33,29 49,57 24,47 49,52 47,18 48,21 38,71 38,60 42,60 51,39 49,53 48,47 47,23 38,83 50,25 52,67 41,70 51,11 41,84 43,60 32,78 42,11 30,96 51,89 56,52 Unter Annahme einer Normalverteilung: Stichprobenumfang n: 29 Mittelwert m: 43,97 N/mm² Standardabweichung : 7,48 N/mm² Variationskoeffizient v: 0,170 5 %-Quantil f ck,is : 31,28 N/mm²

47 Statistische Simulation TU KL Bildung aller möglichen Kombinationen von 3; 5; 8 Bohrkernen aus der Gesamtstichprobe keine Doppelnennung möglich! n = 3 n n! 29! 3654 k k!( n k)! 3!(29 3)! n = 5 n n! 29! k k!( n k)! 5!(29 5)! n = 8 n n! 29! k k!( n k)! 8!(29 8)!

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52 Ermittlung der Betondruckfestigkeit am Bauwerk Vergleich unterschiedlicher Auswerteverfahren Nach DIN EN Ansatz A Ansatz B Minimum maßgebend Allgemeine Statistik Klassische Statistik (DIN ISO ) Bayes sches Verfahren (DIN EN 1990) (1) f ck,is = f m(n),is - k 2 s (2) f ck,is = f is,niedrigst + 4 (1) f ck,is = f m(n),is - k (2) f ck,is = f is,niedrigst + 4

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54 f ck,is,cube,max = 49,81 N/mm² (51,39-52,67-51,89) N/mm² f ck,is,cube,min = -19,79 N/mm² (24,47-30,96-56,52) N/mm²

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56 f ck,is,cube,max = 49,85 N/mm² (51,39-52,67-51,89) N/mm² f ck,is,cube,min = 8,17 N/mm² (24,47-30,96-56,52) N/mm²

57 f ck,is,cube,max = 47,69 N/mm² (49,57-49,52-52,67-51,11-51,89) N/mm² f ck,is,cube,min = 8,48 N/mm² (38,52-33,39-24,47-30,96-56,52) N/mm²

58 f ck,is,cube,max = 45,22 N/mm² (49,52-50,25-49,57 45,46-51,39-48,47-47,23-49,53) N/mm² f ck,is,cube,min = 20,22 N/mm² (24,47-49,52-38,60-33,39-38,71-51,39-51,11-32,78) N/mm²

59 Nachrechnungsrichtlinie Brücken n = 3 n = 5 n =

60 EN 13791:2015 Draft

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62 f ck,is,cube,max = 43,58 N/mm² (52,67-51,89-56,52) N/mm² f ck,is,cube,min = -19,79 N/mm² (24,47-30,96-56,52) N/mm²

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64 f ck,is,cube,max = 45,09 N/mm² (49,57-51,39-50,25-52,67-56,52) N/mm² f ck,is,cube,min = 8,48 N/mm² (38,52-33,39-24,47-30,96-56,52) N/mm²

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66 f ck,is,cube,max = 43,00 N/mm² (49,52-50,25-52,67 49,57-51,39 42,60-47,23 51,11) N/mm² f ck,is,cube,min = 20,22 N/mm² (24,47-49,52-38,60-33,39-38,71-51,39-51,11-32,78) N/mm²

67 n = 3 n = 5 n =

68 aktueller Vorschlag für A20-Änderung DIN EN n = 3 n = 5 n =

69 Weiterentwicklung der Eurocodes CEN/TC 250 Eurocodes WG2 Existing structures SC2 - Betonbau WG1 - EC 2 - Evolution Project Team Assessment and Retrofitting of Existing Structures - General Rules / Actions EC 0 Evolution Mandat 515 TG 1 FRP TG 2 FRC TG 3 Existing structures TG 4 Shear, torsion, punching TG 5 Fire design TG 6 Structural analyses TG 7 Time dependent effects TG 8 Fatique design TG 9 Bridges design TG 10 Durability UA Bauen im Bestand