Tragfähigkeitssteigerung vorgespannter und schlaffbewehrter Beton-Fertigteile durch hochfesten. Prof. Dr.-Ing. Erhard Gunkler Dipl.-Ing.

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1 Tragfähigkeitssteigerung vorgespannter und schlaffbewehrter Beton-Fertigteile durch hochfesten Beton Prof. Dr.-Ing. Erhard Gunkler Dipl.-Ing. Alice Becke Detmold, August 2000

2 1 Aufgabenstellung Nach E DIN ( ) reichen die Betonfestigkeitsklassen von C12/15 bis C100/115. Sie umfassen damit auch die hochfesten Betone (HSC). Aufgabe durchgeführter rechnerischer Untersuchungen war es, den Einfluss der Betondruckfestigkeit auf die Tragfähigkeit einzelner Bauteile zu prüfen, um vorteilhafte Einsatzgebiete für hochfeste Betone im Beton - Fertigteilbau zu finden. Die Betrachtungen gliederten sich in zwei Teilbereiche: - Bemessung von überwiegend auf Druck beanspruchten Bauteilen (Hallenstütze, Geschossstütze) - Bemessung biegebeanspruchter Bauteile (Π - Platte, Binder) Im Nachfolgenden werden die wesentlichen Ergebnisse dargestellt und erläutert. 2 Untersuchungsergebnisse 2.1 Bemessung von überwiegend auf Druck beanspruchten Bauteilen Untersucht wurden zwei Stützentypen mit folgenden Eigenschaften: Geschossstütze: - Innenstütze eines durch einen Kern ausgesteiften Gebäudes - Systemlänge: l col = 6,20 m Ersatzlänge: l 0 = 5,10 m - Beanspruchung: N sd = ,0 kn, M sd 0 knm Hallenstütze: - Randstütze einer Stb.-Fertigteilhalle mit Kranbahn - Kragstütze (l col = 12,40 m) - Beanspruchung: N sd = -1341,58 kn, H sd = ±187,39 kn - am Stützenfuß: einachsige Biegung mit Längskraft (e 0 = 1,732 m) Für beide Stützen wurde für verschiedene Querschnitte die erforderliche Bewehrung in Abhängigkeit von der Betondruckfestigkeit ermittelt. Seite 2

3 Die beiden folgenden Diagramme zeigen den erforderlichen Bewehrungsgehalt in Abhängigkeit von der Betonfestigkeitsklasse. Die Bewehrungsmenge wurde jeweils zu der einer Stütze aus C 45/55 ins Verhältnis gesetzt. a) Geschossstütze 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 C 45/55 C 70/85 C 80/95 C 100/115 b/d = 55/55 cm b/d = 45/45 cm b/d = 40/40 cm Bild 1: Bewehrungsverhältnisse einer Geschossstütze (C45/55 = 100%) Für die Geschossstütze mit überwiegender Längsdruckbeanspruchung ist eine Verminderung der erforderlichen Bewehrung mit zunehmender Druckfestigkeit feststellbar. Der größte untersuchte Querschnitt (55/55 cm) bietet das geringste Einsparpotential, da hier die Bewehrungsabnahme durch die erforderliche Mindestbewehrung begrenzt wird. Im Falle des 40/40 cm großen Querschnittes reduziert sich die Bewehrung auf fast die Hälfte, bei 45/45 cm sogar auf ein Viertel. Seite 3

4 b) Hallenstütze 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 C 45/55 C 70/85 C 80/95 C 100/115 b/d = 80/120 cm b/d = 60/100 cm b/d = 50/80 cm Bild 2: Bewehrungsverhältnisse einer Hallenstütze (C45/55 = 100 %) Die in Bild 2 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Betonfestigkeit bei der Hallenstütze unter Biegung und Längsdruck keinen erkennbaren Einfluss auf den erforderlichen Bewehrungsgehalt hat. 2.2 Bemessung überwiegend auf Biegung beanspruchter Bauteile Die Untersuchungen der Hallenstütze hatten ergeben, dass sich bei ü- berwiegend biegebeanspruchten Stützen keine Vorteile durch den Einsatz hochfesten Betons ergeben. Um eine Aussage über den Nutzen von HSC für andere typische biegebeanspruchte Bauteile machen zu können, wurden zusätzlich weitere Querschnitte untersucht (Bild 3): - Binderquerschnitt 1 (aus dem Typenprogramm für Fertigteile) - Binderquerschnitt 2 (aus dem Typenprogramm für Fertigteile) - Vollplatte - Π - Platte Seite 4

5 Binder 1 20 Binder Π - Platte 1,25 11 Vollplatte Bild 3: untersuchte Querschnitte Alle Querschnitte wurden mit verschiedenen Spannstahlquerschnitten vorgespannt. Das Verhältnis mit Hilfe des Computerprogramms MAS- QUE (Technische Universität Hamburg Harburg) ermittelter Traglastmomente für einen C 50/60 und einen C 100/115, ist in Bild 4 als Traglaststeigerung dargestellt. Traglaststeigerung [%] 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 Binder 1 Binder 2 Vollplatte PI - Platte 5,0 0,0 0 4,52 6,78 10,17 16,95 Spannstahlquerschnitt [cm²] Bild 4: Traglaststeigerung für verschiedene biegebeanspruchte Bauteile Bild 4 zeigt eine deutliche Querschnittsabhängigkeit des Einflusses der Betondruckfestigkeit auf mögliche Traglaststeigerungen. Seite 5

6 Für den Binder 1 und die Vollplatte lässt sich mit zunehmendem Spannstahlgehalt eine deutliche Traglaststeigerung durch Einsatz hochfesten Betons erkennen. Zum Beispiel steigt das aufnehmbare Moment beim betrachteten Binderquerschnitt 1 (Spannstahlgehalt: ca. 1,9 %) mit der Betongüte C 100/115 um 35 % im Vergleich zum gleichen Binder aus C 50/60; bei einer Π-Platte beträgt die Traglaststeigerung lediglich um 2,5 %). Bei den Ergebnissen ist zu berücksichtigen, dass die Querschnitte mit gleichem Spannstahlquerschnitt untersucht wurden, aber nicht mit gleichem Spannstahlgehalt (A p = 16,95 cm² entspricht 1,9 % der Gesamtfläche von Binder 1, aber nur 0,6 % des Π-Platten-Querschnittes). Gegebenenfalls relativieren sich damit die oben dargestellten Ergebnisse. Es ist jedoch erkennbar, dass für Querschnitte mit profilierter Druckzone (Binder 2, Π-Platte) sich nur geringe Vorteile durch Einsatz hochfesten Betons ergeben. 3 Zusammenfassung, Ausblick Die Untersuchungen sollten einen ersten Einblick in die Möglichkeiten des Einsatzes von hochfesten Beton geben. Sie wurden daher auf die rechnerische Ermittlung von Traglaststeigerungen beschränkt. Besonders bei überwiegender Längsdruckbeanspruchung lassen sich große Vorteile erkennen. Im Falle kombinierter Beanspruchung (Biegung mit Längsdruck) sind Traglaststeigerungen nur bedingt erreichbar. In weiteren rechnerischen Untersuchungen sollten folgende Fragestellungen behandelt werden: Langzeiteinflüsse auf Bauteile aus HSC Kippverhalten Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, vor allem in Hinblick auf den erforderlichen Spannstahlgehalt für biegebeanspruchte Bauteile Optimierung der Querschnittsabmessungen (v. a. Rechteckquerschnitte) HSC für vorgespannter Hallenstützen vorgespannte Vollplatten als Halbfertigteile für weitgespannte Decken Seite 6