Beuth Hochschule für Technik Berlin. Beton Fundamente, Wände, Stützen, Balken, Decken, Brücken

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1 Baustoffe Baustoffe für Tragwerke Seite 1 Beton Fundamente, Wände, Stützen, Balken, Decken, Brücken Stahl (Baustahl) Stützen, Balken, Brücken Stahl (Bewehrung) Stabstahl, Mattenstahl, Spannstahl Mauerwerk (Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton) Wände, Ausfachungen Holz Balken, Sparren, Stützen, Fassaden, Brücken Sonstige Baustoffe Dämmstoffe aus Fasern oder Schaum Wärmedämmung, Schalldämmung, Brandschutz Bitumen Abdichtung, Dachdeckung Metalle Blei, Zink, Kupfer, Aluminium, Magnesium Bauglas Floatglas, Einscheiben-Sicherheitsglas ESG, Teilvorgespanntes Glas TVG, Verbund-Sicherheitsglas VSG, Tragendes Glas Gips, Anhydrit Stuckgips, Gipsputz, Gipskartonplatten, Anhydritestrich Kunststoffe Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere Keramik Mauerziegel, Dachziegel, Steinzeug (Rohre und Formstücke), Schamotte, Fliesen, Platten (Bodenbelag), Sanitärkeramik (Wachtisch, Toilettenschüssel) Putz Kalkputz, Gipsputz, Innenputz, Außenputz

2 Seite 2 Eigenschaften von Baustoffen Physikalische Eigenschaften Dichte, Frostbeständigkeit, Wärmedehnung, Wärmeleitfähigkeit, Wärmespeicherung, Schwinden, Quellen, Kriechen, Relaxation, akustisches Verhalten, Verhalten gegenüber Wasser Mechanische Eigenschaften Festigkeit, Härte, Verschleißwiderstand, Formänderungen Chemische Eigenschaften Alterung, Temperaturverhalten, Lichtbeständigkeit, Reaktionsvermögen Weitere Eigenschaften Korrosion, Dauerhaftigkeit, Brandverhalten, Feuerwiderstand, Elastizitätsmodul

3 Materialeigenschaften Seite 3 Masse [kg] Kraft = Masse Beschleunigung F = m a N kg m = 2 s Gewicht = Masse Erdbeschleunigung G = m g ; g = 9,81 m/s² Dichte = Masse / Volumen ρ = m / v [kg / dm³ ; t / m³ ] Wasser 1,00 kg / dm³ (bei 4 C) Glas 2,50 kg / dm³ Stahl 7,85 kg / dm³ Poröse Stoffe: Rohdichte = Trockenmasse / Volumen mit Poren ρ R = m T / v R Beton 2,0 2,8 kg / dm³ Holz 0,4 0,8 kg / dm³ Mauerwerk 0,6 2,0 kg / dm³ Lose Stoffe: Schüttdichte = Masse / Schüttvolumen ρ S = m / v S Zement 1,0 1,2 kg / dm³ Sand 1,1 1,5 kg / dm³ Gefüge kristallin amorph geschichtet porig Metalle Glas, Kunststoffe Gesteine, Schiefer Stein, Ziegel, Beton, Holz Porosität Anteil und Größe der Poren Art der Poren geschlossen: Zellporen, Kornporen offen: Kapillarporen, Haufwerkporen kapillares Saugen (Wände aus Mauerwerk, Bodenplatte aus Beton, Zuckerwürfel) Wichtige Eigenschaft für Rohdichte (Wärmeleitvermögen) Festigkeit Transportvorgänge (Dichtigkeit, Frostbeständigkeit)

4 Seite 4 Verhalten gegenüber Wasser Natürlicher Feuchtegehalt Ausgleichsfeuchte, abhängig von Temperatur und Luftfeuchte (Gleichgewichtszustand) Ziegel < 1,5 Vol.% ; stets gering Beton < 2,0 Vol.% Kalksandstein < 5,0 Vol.% Holz Vol.% ; stark schwankend Dampfdiffusion Dampfdruckunterschied aus Temperaturdifferenz Luftfeuchtedifferenz 20 C 17,2 g/m³ Wasser 0 C 4,9 g/m³ Wasser Dampfdruckausgleich bei unterschiedlichen Partialdampfdruck durch Bauteile, z.b. durch Wände und Decken. Behinderung durch Baustoffe, Diffusionswiderstand μ (Faktor zu gleich dicker Luftschicht) Faserdämmstoffe 1 Holzwolleleichtbauplatten 2-5 Mauerwerk 5-10 Mörtel Beton Schaumstoffe Dichtungsbahnen Folie (PE, PU) Metallfolie 1 > Dampfsperre Tauwasser (Schwitzwasser) Abkühlung der Luft im Bauteil bei ungenügender Diffusion Vermeidung durch Wärmedämmung außen Geringer Diffusionswiderstand zur kalten Seite Dampfsperre auf warmer Seite Entlüftung Wasseraufnahme von Baustoffen Eindringen von Wasser in die Poren Sättigungsgrad Anteil des wassergefüllten Porenraums am Gesamtporenraum Geringer Sättigungsgrad: geringe Frostempfindlichkeit Wasseraufsaugen Kapillare Wasseraufnahme Schlagregen: Wand Bodenfeuchte: Bodenplatte Kapillare Saughöhe (bis zu mehrere Meter) Porengröße Oberflächenspannung (Hydrophobierung)

5 Seite 5 Wasserundurchlässigkeit Geringes Eindringen von Wasser in den Baustoff Wasserundurchlässiger Beton (wu-beton) max. 5 cm Flüssigkeitsdichter Beton (fd-beton) max. 3 cm Maßnahmen gegen Eindringen von Wasser Abdichtung unter der Erde Bodenfeuchtigkeit Nichtdrückendes Wasser Drückendes Wasser Abdichtung über der Erde Dachabdichtungen Entwässerung Schutz vor Schlagregen Putz Vormauerschale Vorgehängte Fassade Schutz gegen Tauwasserbildung Bauphysikalische Nachweise

6 Seite 6 Thermische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit Wärmestrom in Watt, der durch einen Baustoff von 1m Dicke auf 1 m² bei einer Temperaturdifferenz von 1 K fließt. Wärmeleitfähigkeit λ (stark abhängig von der Rohdichte, günstig: geschlossene kleine Luftporen) λ W m K Wärmedurchlasskoeffizient Wärmedurchlasskoeffizient Λ, bezogen auf die Dicke des Bauteils s Wärmemenge Wärmemenge, die 1 kg Masse um 1 K erwärmt Spezifische Wärmekapazität Speicherfähigkeit eines Baustoffs, wichtig für den sommerlichen Wärmeschutz λ Λ = s W 2 m K [ J = Ws] J kg K Wärmedehnung Volumenzunahme eines Baustoffs bei Temperaturerhöhung. 1 Temperaturausdehnungskoeffizient α T in 10 K Glas 4 8 Beton 8 12 Stahl Aluminium 24 Kunststoff Holz 3-6 längs quer Längenänderung ΔL = α T Δt L [ m]

7 Seite 7 Mechanische Eigenschaften Festigkeit Versagenszustand unter Spannung F N = A mm σ 2 Bruchverhalten Zäh plastische Verformung vor dem Bruch (duktil) Spröde plötzlicher Bruch ohne Vorankündigung Beanspruchung Schnell - langsam Dynamisch statisch Druck, Zug, Biegung, Abscheren, Torsion Kurzzeitfestigkeit Maximal aufnehmbare Spannung Dauerstandfestigkeit Maximale Spannung, die dauernd ertragen wird Kurzzeitschwingfestigkeit Maximale Spannung unter wenigen Lastwechseln Dauerschwingfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) Spannung, die ertragen wird Druckfestigkeit Maximale Druckspannung, die ein Baustoff aufnehmen kann. Wichtig für mineralische Baustoffe, z.b. Mauerwerk, Beton, Mörtel. max.f f D = A Probekörper Würfel ( cm) und Zylinder (15 30 cm) für Beton, Prisma ( cm) für Mörtel. Festigkeit ist auch abhängig von der Geometrie der Probekörper und der Belastungsgeschwindigkeit. Leichtbeton 2 12 N / mm² Normalbeton Hochfester Beton Granit Kalkstein Vollziegel Klinker Lochziegel 5 10 Kalksandstein Nadelholz Laubholz 40-60

8 Seite 8 Zugfestigkeit Maximale Zugspannung, die ein Baustoff aufnehmen kann. Wichtig für Metalle und Kunststoffe. Mineralische Baustoffe besitzen meist geringe Zugfestigkeit. max.f f Z = A Probekörper ist ein Zugstab, der an den Enden eingespannt wird. Bei spröden Baustoffen kann ersatzweise die Spaltzugfestigkeit ermittelt werden. Biegefestigkeit Maximale Biegespannung, die ein Baustoff aufnehmen kann. Wichtig für alle biegebeanspruchten Baustoffe. Holz, Stahl, Beton max.m f B = W Scherfestigkeit Maximale Scherspannung, die ein Baustoff aufnehmen kann. Wichtig für Schrauben, Dübel, Schweißnähte, Klebstoffe. max.f f S = A Dübel Torsionsfestigkeit Maximale Torsionsspannung, die ein Baustoff aufnehmen kann. Wichtig für torsionsbeanspruchte Baustoffe. Schlagfestigkeit Gibt Auskunft über die Zähigkeit eines Baustoffs. Haftzugfestigkeit Widerstand gegen das Abziehen gleicher oder anderer Stoffe von einem Untergrund. Auch wichtig bei Klebungen und Beschichtungen. f = T max.m W T T

9 Seite 9 Dynamische Festigkeit Festigkeit unter dynamischer Belastung, z.b. Eisenbahnbrücken, Maschinenfundamenten. Prüfung erfolgt unter sinusförmiger Belastung. Oberspannung Spannung σ Schwingbreite2σ a = σ o σ u Mittelspannung Zeit t Unterspannung Spannung σ Zugschwellbereich Zug Druck Wechselbereich Druckschwellbereich Zeit t Auswertung erfolgt z.b. mit Wöhler-Kurve. σ a Spannungsamplitude Lastspiele N Kurzzeitfestigkeit Zeitfestigkeit Dauerfestigkeit Dauerfestigkeit ab Lastspiele

10 Seite 10 Härte Widerstand eines Materials gegen das Eindringen von Gegenständen. Oberflächenbezogene Eigenschaft. Ritzhärte, Prüfskala für Mineralien von 1 bis Talkum 2 Gips 3 Kalkspat 4 Flussspat 5 Apatit 6 Feldspat 7 Quarz 8 Topas 9 Korund 10 Diamant Eindringhärte, Prüfung mit Stahlkugel (Brinell), Diamantpyramide (Vickers) oder Diamandkegel (Rockwell). Rückprallhärte, z.b. Schmidt-Hammer für Beton als zerstörungsfreie Festigkeitsprüfung. Rosiwalhärte, Widerstand gegen schleifende oder rollende Beanspruchung, z.b. Reifen auf Straßenbelag, Räder auf Schienen, auch Kugellager oder Rollenlager.

11 Seite 11 Formänderungen von Baustoffen Unter Spannung Durch Temperaturänderungen Durch Feuchteänderungen Durch chemische Prozesse Elastisch reversibel Plastisch bleibend ΔL L Dehnung ε = [ 0, 0, mm ] 0 00 m Elastizitätsmodul für elastische Formänderungen (Hooke) σ = E ε N E-Modul von Baustoffen in 2 mm Naturstein Holz in Faserrichtung Beton Stahl Aluminium Glas Kunststoff Spannungs-Dehnungs-Beziehungen Diagramm für Glas, Stahl, Beton, Gummi, PE Plastisches Verhalten Bleibende Verformung Elastisch-Plastisch Plastisch Stahl kaltverformbare Kunststoffe, Knete Zeitabhängige Verformung Verformung auch von Belastungsdauer abhängig, z.b. Beton Visko-elastisches Materialverhalten, z.b. Bitumen Kriechen Zeitabhängige Verformung unter konstanter Spannung, z.b. Beton Relaxation Zeitabhängige Spannungsabnahme unter konstanter Dehnung, z.b. Spannstahl Schwinden Volumenverminderung unter Wasserabgabe, z.b. Beton, Holz, Mörtel Quellen Volumenvergrößerung unter Wasseraufnahme, z.b. Beton, Holz, Mörtel

12 Seite 12 Beständigkeit von Baustoffen Widerstand gegen äußere Einwirkungen Chemisch Physikalisch Thermisch Atmosphärisch Raumbeständigkeit Volumenänderungen, z.b. Treiben, Risse, Abplatzungen Beton, Mörtel, Ziegel, Keramik Witterungsbeständigkeit Wasser, Niederschlag, Feuchtigkeit Wasserunlösliche Baustoffe Frost Sprengwirkung beim Gefrieren von Wasser in porösen Baustoffen Ausreichende Festigkeit (5 N/mm²) Genügend wasserfreier Porenraum (Luftporen) Geringe Wasseraufnahme (max. 5 Vol.%) Tausalz Verschärfung der Frostbeanspruchung Erhöhter Eisdruck beim Gefrieren unter niedrigen Temperaturen Chemische Beständigkeit Säuren, Sulfate, Magnesiumverbindungen Beton und Mörtel Alkalische Stoffe Aluminium Alterungsbeständigkeit UV-Strahlen, atmosphärische Einwirkungen Versprödung, Verfärbung, Gefügeänderungen Beständigkeit gegen pflanzliche und tierische Schädlinge Pilze, Insekten, Schwamm Holz und Holzwerkstoffe, Kunststoffe Beständigkeit gegen Korrosion Korrosion ist das Bestreben von Metallen, sich in einen energieärmeren Zustand zurückzuverwandeln. Sie führt zur Zerstörung von Baustoffen durch chemische oder elektrochemische Reaktion mit Bestandteilen der Umgebung. Flächenkorrosion Gleichmäßiger Abtrag der Oberfläche Lochfraßkorrosion Örtlicher Abtrag in die Tiefe Spannungsrisskorrosion Gleichzeitiges Einwirken hohen Zugspannungen und aggressiven Stoffen (Chloride), z.b. bei Spannstahl

13 Seite 13 Kontaktkorrosion, elektrochemische Korrosion Elektrisch leitende Berührung von verschiedenen Metallen. Bildung von anodischen und kathodischen Bereichen, die als galvanische Lokalelemente wirken. Atmosphärische Korrosion Die Atmosphärische Stahlkorrosion entsteht durch das Sauerstoffangebot der Luft und Feuchtigkeit auf der Stahloberfläche. Korrosionsgeschwindigkeit in μm/jahr: Landluft 4 60 Stadtluft Industrieluft Meeresluft Korrosionsschutz Maßnahmen gegen Korrosion zur Verlängerung der Lebensdauer von Baustoffen. Aktiver Korrosionsschutz Konstruktive Gestaltung: Sammeln von Wasser vermeiden durch Gefälle, Löcher für den Wasserablauf. Belüftung zur Vermeidung von Kondenswasser. Wetterfeste Baustähle und nichtrostende Stahlsorten (V4A, Nirosta, Chromargan). Kathodischer Korrosionsschutz: Verbindung von unedlem Metall als Opferanode mit dem zu schützendem Bauteil. Passiver Korrosionsschutz Aufbringen von Schutzschichten, z.b. Anstriche mit Ölfarben, Bleifarben, Zementschlämmen oder Feuerverzinken. Korrosionsschutz von Bewehrungsstahl Bei der chemischen Reaktion zwischen Zement und Wasser beim Erhärtungsvorgang von Beton bildet sich Calciumhydroxid mit einem ph-wert von ca. 12,5 aus. Der hohe ph-wert führt zur Bildung einer passivierenden Deckschicht auf dem Bewehrungsstahl, die einen dauerhaften Korrosionsschutz darstellt. Carbonatisierung In der Luft vorhandenes Gas Kohlensäure CO 2 reagiert mit Calciumhydroxid Ca(OH) 2 und bildet Calciumcarbonat CaCO 3. Durch diese Carbonatisierung sinkt der ph-wert des Betons auf ca. 9 ab. Dadurch wird der Beton neutralisiert und der Stahl kann korrodieren. Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O

14 Seite 14 Beständigkeit gegen Feuer und Hitze Bekämpfung von Bränden und Brandgefahr durch unterschiedliche Maßnahmen: Aktiver Brandschutz durch die Feuerwehr. Vorbeugender Brandschutz durch Anordnung von Flucht- und Rettungswegen. Vorbeugender Brandschutz durch Klassifizierung der Brennbarkeit von Baustoffen. Vorbeugender Brandschutz durch Einstufung von Bauteilen in Feuerwiderstandsklassen. Brennbarkeit von Baustoffen Einteilung von Baustoffen nach ihrer Brennbarkeit in Baustoffklassen: A nicht brennbare Baustoffe A 1 ohne brennbare Bestandteile (Beton, Stahl, Ziegel, Mörtel) A 2 mit brennbaren Bestandteilen (Gipskartonplatten) B brennbare Baustoffe B 1 schwerentflammbare Baustoffe (Mineralfasermatten, Parkett) B 2 normalentflammbare Baustoffe (Holz, Bitumenbahnen) B 3 leichtentflammbare Baustoffe (Papier, Holzwolle) Feuerwiderstandsdauer von Bauteilen Einteilung von Bauteilen in Feuerwiderstandsklassen nach ihrer Feuerwiderstandsdauer in Minuten zum Erhalt der Tragfähigkeit. F 30, F 60 F 90, F120 F 180 feuerhemmend feuerbeständig hochfeuerbeständig Teilweise wird die Baustoffklasse hinzugefügt, z.b. F 90-A (feuerbeständig und vollständig aus nicht brennbaren Baustoffen). Die Festlegung von Feuerwiderstandsklassen für unterschiedliche Bauwerke wird in den Landesbauordnungen festgelegt.

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