Verstärkung von Holzbalkendecken mit innovativen Betonen

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1 Verstärkung von Holzbalkendecken mit innovativen Betonen Klaus Holschemacher, Frank Dehn 1 Einleitung Als Folge der in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Betontechnologie erreichten Fortschritte hat sich der Baustoff Beton deutlich gewandelt. Während noch bis vor kurzem Beton als 3-Stoff-System - zusammengesetzt aus Zement, Gesteinskörnung und Wasser - konzipiert wurde, ergeben sich durch die konsequente Einbeziehung der derzeitig verfügbaren Zusatzstoffe und Zusatzmittel und den damit verbundenen Übergang zum 5-Stoff-System völlig neue Möglichkeiten. Diese Situation hat dazu geführt, dass es nunmehr eine relativ unproblematisch lösbare Aufgabe ist, den Baustoff Beton ganz gezielt mit solchen Eigenschaften herzustellen, die den sich aus dem konkreten Einsatzzweck ergebenden Anforderungen präzise entsprechen. Das Leistungspotenzial zementgebundener Baustoffe konnte damit beträchtlich erweitert und der Betonbauweise neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. Die Baupraxis beginnt zunehmend die Vorteile zu erkennen, die mit der Verwendung von innovativen Betonen verbunden sind. So werden immer häufiger hochfeste Betone und Leichtbetone eingesetzt, wobei sich die Zugabe von Stahlfasern und Polypropylenfasern zur Verbesserung der Duktilität und des Brandverhaltens bewährt hat. Auch selbstverdichtende Betone gewinnen auf Grund ihrer hervorragenden Verarbeitbarkeit und der hohen erzielbaren Oberflächenqualität an Bedeutung und werden vermehrt verwendet. Erste Baustellenerfahrungen werden gegenwärtig mit den ultrahochfesten Betone gemacht, die sich nicht nur durch eine extrem hohe Druckfestigkeit, sondern auch durch ihre ausgezeichnete Dauerhaftigkeit auszeichnen. Das Tragverhalten von Holz-Beton-Verbunddecken wird durch die Materialeigenschaften der Betonplatte und der Holzbalken sowie die Effizienz des Verbundes zwischen diesen beiden Querschnittsteilen bestimmt. Angesichts der Vielfalt der mittlerweile zur Verfügung stehenden innovativen Betone ist es notwendig, zu prüfen, welche dieser Betone für den Einsatz in Holz-Beton- Verbundkonstruktionen besonders geeignet sind. Dabei sind neben den statischkonstruktiven Aspekten auch wirtschaftliche Gesichtspunkte sowie Fragen der Bauausführung zu berücksichtigen. Prof. Dr.-Ing. Klaus Holschemacher, HTWK Leipzig Dr.-Ing. Frank Dehn, MFPA Leipzig GmbH 133

2 Innovationen im Bauwesen - Holz-Beton-Verbund 2 Anforderungen an die Betonplatte in Holz-Beton- Verbunddecken Bei Holz-Beton-Verbundkonstruktionen hat die Betonplatte innerhalb des Verbundquerschnittes zahlreiche Anforderungen zu erfüllen, die nachfolgend kurz zusammengestellt werden. 2.1 Konstruktive Anforderungen Die Oberfläche der Betonplatte muss so beschaffen sein, dass der gewünschte Fußbodenaufbau problemlos realisierbar ist. Um auf zusätzliche Ausgleichsschichten verzichten zu können, muss die Plattenoberseite in der Regel waagerecht ausgeführt werden; größere Unebenheiten oder eine störende Rauhigkeit sind zu vermeiden. Diese Anforderungen können normalerweise ohne größere Umstände erfüllt werden. Die Platte sollte weiterhin eine möglichst geringe Dicke aufweisen, um die Gesamtdicke und das Eigengewicht der Verbunddecke zu begrenzen. Ansonsten wären vor allem bei der Verstärkung von vorhandenen Holzbalkendecken wesentliche Nachteile zu verzeichnen. Zum einen betrifft dies Probleme wegen möglicherweise unzureichender Raum-, Tür- und Brüstungshöhen, zum anderen führt das Eigengewicht der zusätzlich auf den Holzbalken angeordneten Betonplatte zu einer erhöhten Belastung von im Lastfluss nachfolgenden Bauteilen, wie Wänden, Abfangungen und Gründungen. 2.2 Statische Anforderungen Die Betonplatte hat primär die Aufgabe, die in der Spannrichtung der Holzbalken aus Biegemomenten und Querkräften auftretenden Beanspruchungen anteilig innerhalb des Verbundquerschnittes aufzunehmen. In Einfeldsystemen wird die Betonplatte bei üblicher Schubsteifigkeit der Verbindungsmittel (nachgiebiger Verbund) fast ausschließlich druckbeansprucht, lediglich bei Durchlaufträgern erhält der Betonquerschnitt im Bereich der Stützmomente vorrangig Zugbeanspruchungen (Bild 1). Bild 1: Spannungsverteilung in Holz-Beton-Verbundquerschnitten bei positiven und negativen Biegemomenten (ungerissener Betonquerschnitt vorausgesetzt) 134

3 Verstärkung von Holzbalkendecken mit innovativen Betonen Allgemein kann festgehalten werden, dass sich mit zunehmendem Elastizitätsmodul des Betons und ansteigender Plattendicke die Biegesteifigkeit des Verbundquerschnittes vergrößert (Bild 2). Bild 2: Einfluss des Elastizitätsmoduls des Betons und der Plattendicke auf die Biegesteifigkeit der Verbundkonstruktion Weitere, sekundäre Beanspruchungen entstehen in der Betonplatte aus folgenden Gründen: Die lokal von den Verbindungsmitteln in die Betonplatte eingeleiteten Kräfte breiten sich in die angrenzenden Plattenbereiche aus, was zum Auftreten von Querzugbeanspruchungen führt (Bild 3). Zwischen den Holzbalken auftretende Belastungen erzeugen in der Platte Biegemomente und Querkräfte quer zur Spannrichtung der Holzbalken. Das gilt wegen der größeren Biegesteifigkeit der Betonplatte gegenüber der Holzdielung auch dann, wenn letztere auf den Holzbalken angeordnet wird, bzw. bei der Verstärkung von Holzbalkendecken auf diesen verbleibt (Bild 4). Beim Auftreten von Einzellasten wird durch die Biegetragwirkung der Platte quer zur Balkenspannrichtung erreicht, dass zusätzlich zum unmittelbar belasteten Holzbalken auch die benachbarten Balken an der Lastabtragung beteiligt werden (Bild 5). Zwangbeanspruchungen aus Kriechen und Schwinden von Holz und Beton. Die Betonplatte dient infolge ihrer Scheibentragwirkung als horizontales aussteifendes Element für die Gebäudestabilisierung. 135

4 Innovationen im Bauwesen - Holz-Beton-Verbund Bild 3: Stabwerkmodell zur Beschreibung der Beanspruchungen in der Betonplatte Bild 4: Beanspruchung in der Betonplatte durch zwischen den Holzbalken angreifende Lasten Bild 5: Lastverteilung in Querrichtung 2.3 Bauphysikalische Anforderungen Neben der Erhöhung der Tragfähigkeit stellen die bauphysikalischen Randbedingungen einen wichtigen Aspekt bei der Verstärkung von Holzbalkendecken dar. Aufgrund des nach der Deckenertüchtigung in der Regel höheren Konstruktionseigengewichtes wird im Allgemeinen eine bessere Luftschalldämmung erreicht. Probleme können allerdings entstehen, wenn die zwischen den Holzbalken im Fehlboden befindliche Schüttung ersatzlos entfernt wird (Gitarrenbodeneffekt). 136

5 Verstärkung von Holzbalkendecken mit innovativen Betonen Das Brandverhalten einer Holz-Beton-Verbundkonstruktion ist gegenüber einer reinen Holzbalkendecke wesentlich günstiger. Allein durch die zusätzliche Anordnung einer Betonplatte auf einer vorhandenen Holzbalkendecke ist die Feuerwiderstandsklasse F90 jedoch in de Regel nicht erreichbar, so dass - wenn eine feuerbeständige Bauweise gefordert wird - zusätzliche Maßnahmen auf der Deckenunterseite erforderlich werden. 3 Innovative Betone für Holz-Beton-Verbunddecken 3.1 Zielvorstellung Aus den vorangegangenen Ausführungen ergeben sich die Zielvorstellungen, die von einem für den Einsatz in Holz-Beton-Verbundkonstruktionen vorgesehenen "Idealbeton" erfüllt werden sollten: Gewichtsoptimierung, hohe Duktilität, Fähigkeit zur Aufnahme und Weiterleitung von Zugkräften, geringe zeitabhängige Betonverformungen (Kriechen und Schwinden), gute Verarbeitbarkeit eine möglichst einfache Verdichtungsmöglichkeit muss möglich sein, die Verdichtung einer dünnen, auf einer Holzbalkendecke angeordneten Betonplatte ist ohnehin problematisch, der Frischbeton muss weiterhin über einen ausreichenden Zeitraum pumpbar sein, geringe Feuchtigkeitsabgabe des Frischbetons (Durchnässung der Holzbalkendecke ist unbedingt zu vermeiden), die durch den Wunsch nach besonderen, vorteilhaften Betoneigenschaften verursachten erhöhten Stoffkosten müssen im Einklang mit den dadurch erzielten Vorteilen stehen. Nachfolgend werden einige der für den Einsatz in Holz-Beton-Verbunddecken in Frage kommenden innovativen Betone in diesem Zusammenhang betrachtet. 3.2 Selbstverdichtender Beton Selbstverdichtender Beton (SVB) stellt für die Betontechnologie eine der zukunftsweisendsten Entwicklungen der zurückliegenden Jahre dar. Selbstverdichtende Betone sind Betone, die entmischungsfrei unter dem Einfluss der Schwerkraft nahezu bis zum Niveauausgleich fließen, sich dabei entlüften sowie die Schalung vollständig ausfüllen. Es sind Hochleistungsbetone, deren besonderes Leistungsvermögen sich auf die Frischbetoneigenschaft Selbstverdichtung bezieht. Insbesondere diese spezifische Frischbetoneigenschaft eröffnet dem SVB gerade im Bezug auf den Holz-Beton-Verbundbau ein neues Anwendungsfeld. Die mit unter schwierige Verdichtung eines konventionellen Rüttelbetons auf einer Holzbalkendecke kann durch SVB bei entsprechender rheologischer Projektierung des Frischbetons deutlich vereinfacht werden. Durch den nahezu horizontalen Oberflächenschluss kann 137

6 Innovationen im Bauwesen - Holz-Beton-Verbund die erforderliche Nachbearbeitung der Betonplattenoberseite auf ein Minimum reduziert werden. Jedoch muss bei der Verwendung von SVB die durch die Zusammensetzung des Betons bedingte höhere Festigkeit insbesondere bei der Wahl und Ausbildung der Verbindungsmittel, der Berücksichtigung zeitabhängiger Verformungen, wie Kriechen und Schwinden, sowie für den Brandschutz beachtet werden. Überträgt man die bekannten Vorzüge von konventionellem SVB auf konstruktiven Leichtbeton (siehe Abschnitt 3.4), so ist eine interessante Weiterentwicklung möglich - der selbstverdichtende Leichtbeton (SVLB). Dieser kann unter Verwendung von entsprechend leichten Gesteinskörnungen, wie z. B. Blähton, Blähschiefer oder auch Blähglas hergestellt werden. Je nach Zusammensetzung der Ausgangstoffe, insbesondere der Wahl der leichten Gesteinskörnungen, sind Trockenrohdichten im Bereich von 1,1 bis 2,0 kg/dm³ möglich. In Abhängigkeit der verwendeten leichten Gesteinskörnungen sind Betondruckfestigkeiten von 60 N/mm² und mehr erreichbar [1]. Selbstverdichtender Leichtbeton ist somit eine mögliche Alternative zu SVB üblicher Rohdichte. Im Hinblick auf die Verwendung von SVLB für HBV-Konstruktionen bieten sich Vorteile in der reduzierten Rohdichte des Betons, hinsichtlich des verdichtungsfreien Einbaus und in den verbesserten bauphysikalischen Eigenschaften der HBV- Konstruktion in Bezug auf den Wärmeschutz. Kritisch ist gegenwärtig der Brandschutz zu betrachten, da die leichten Gesteinskörnungen üblicherweise vorgesättigt werden und somit verdampfbares Wasser vorhanden sein kann, das durch die Temperaturbeanspruchung während des Brandes zu Abplatzungen beiträgt. Jedoch kann durch betontechnologische Maßnahmen (Zusatzstoffe) und durch die Anwendung von Fasern dieses Verhalten deutlich entschärft werden. 3.3 Stahlfaserbeton Die in der Platte von Holz-Beton-Verbunddecken auftretenden, in Abschnitt 2.2 näher erläuterten Zugbeanspruchungen müssen durch eine geeignete Bewehrung aufgenommen werden. Dazu wird die Betonplatte üblicherweise mit einer mittig angeordneten Mattenbewehrung versehen. Berücksichtigt man die normalerweise erforderlichen Mattenstöße sowie eine Betondeckung am oberen und unteren Plattenrand von zumindest 2 cm, ist festzustellen, dass die Plattendicke kaum geringer als 7 bis 8 cm ausfallen kann. Dies führt zu einer beträchtlichen Erhöhung des Konstruktionseigengewichtes und der Einschränkung der lichten Raumhöhe. Weiterhin können die Betonstahlmatten auf der Baustelle wegen der beengten Platzverhältnisse nur in kleinen Teilstücken, meist über die Treppenhäuser zum Einbauort transportiert werden, was mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden ist. Eine wesentliche Verbesserung der Situation wird erreicht, wenn an Stelle einer mattenbewehrten Stahlbetonplatte eine Stahlfaserbetonplatte zur Anwendung kommt (Bild 6). Da wegen des Entfallens der Mattenbewehrung keine Betondeckungen mehr 138

7 Verstärkung von Holzbalkendecken mit innovativen Betonen Bild 6: Verstärkungsvarianten für bestehende Holzbalkendecken einzuhalten sind, lässt sich die Plattendicke auf diesem Weg nahezu halbieren, der mit den Bewehrungsarbeiten verbundene Aufwand entfällt komplett. Allen Faserbetonen ist gemein, dass nach oder während der Betonherstellung faserartige Werkstoffe zugegeben werden, die sich in ihrer Geometrie und im Material unterscheiden. Bei Stahlfaserbeton können Drahtfasern, gefräste Stahlfasern und Blechfasern unterschieden werden, deren vordergründige Wirkung darin besteht, die im Beton auftretenden Zugspannungen aufzunehmen und dessen Duktilität zu erhöhen. Aus betontechnologischer Sicht ist es erforderlich, den Zementmatrixanteil auf den Fasergehalt so abzustimmen, dass sich die Komponenten nicht entmischen, insbesondere es aber zu keiner Anhäufung der Fasern kommt. Der Einsatz von Stahlfaserbeton in Holz-Beton-Verbundbauteilen hat sich bereits verschiedentlich bewährt, z. B. [2], [3]. Im Rahmen eines in Leipzig durchgeführten Bauvorhabens, bei dem die Verstärkung von Holzbalkendecken durch die Anordnung einer 48 mm dicken Stahlfaserbetonplatten erfolgte, waren unter anderem Versuche zur Erlangung einer Zustimmung im Einzelfall erforderlich. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Verbindungsmittel hinsichtlich ihrer Eignung für Stahlfaserbeton untersucht. Aus Bild 7 wird deutlich, dass die Verbindungsmittel im Stahlfaserbeton eine höhere Steifigkeit und Tragfähigkeit im Vergleich zum faserfreien Beton erreichen. Bild 7: Last-Verschiebungs- Diagramm für ein Verbindungsmittel in faserfreiem Beton und Stahlfaserbeton [4] 139

8 Innovationen im Bauwesen - Holz-Beton-Verbund Grundsätzlich ist es auch möglich, Stahlfaserleichtbeton als Verstärkungsbaustoff zu wählen. Dabei kommt der Auswahl einer geeigneten Faserart erhöhte Bedeutung zu, da durch die spezifischen Matrixeigenschaften das Tragverhalten der Fasern beeinflusst wird [5], [6]. 3.4 Konstruktiver Leichtbeton Insbesondere unter dem Aspekt der Reduzierung des Eigengewichtes, aber auch bei Berücksichtigung der bauphysikalischen Anforderungen an Holz-Beton-Verbundkonstruktion, stellt der konstruktive Leichtbeton (LB) eine interessante Möglichkeit dar, innovative Betone auch bei Holz-Beton-Verbundkonstruktionen anzuwenden. Durch das zur Verfügung stehende Spektrum unterschiedlicher leichter und feiner Gesteinskörnungen ergibt sich eine große Bandbreite konstruktiver Leichtbetone. Vergleichbar dem selbstverdichtenden Leichtbeton werden zur Herstellung konstruktiver, d. h. gefügedichter Leichtbetone, Gesteinskörnungen verwendet, deren geringe Rohdichten diejenige des Leichtbetons bedingen. Übliche Rohdichten von LB schwanken zwischen 1,0 und 2,0 kg/dm³. Daraus resultieren Festigkeiten im baupraktischen Bereich von 25 bis 45 N/mm², jedoch sind auch schon hochfeste Leichtbetone hergestellt und verarbeitet worden, deren Festigkeit deutlich über 80 N/mm² betragen hat [7]. Ein wesentlicher Aspekt, der bei der Herstellung von konstruktiven Leichtbetonen berücksichtigt werden muss, liegt in der Wasseraufnahme der zumeist porösen Leichtgesteinskörnungen. Trockene oder nur wenig vorgesättigte Leichtgesteinskörnungen saugen einen Teil des Anmachwassers auf, der nicht mehr für die Hydratation des Zementes zur Verfügung steht. Daher muss bei Leichtbeton ein effektiver Wassergehalt als Differenz zwischen der Gesamtwassermenge im Frischbeton und des durch die Leichtgesteinskörnungen bis zum Erstarren des Betons aufgesaugten Wassers festgelegt werden. Zu deren Verwendung im Holz-Beton- Verbundbau bedarf es also vor allem der genauen Kenntnis des sich durch die Herstellung und Verarbeitung des Leichtbetons einstellenden Feuchtehaushaltes, vor allem bei Kontakt mit dem Holz [8]. Bei Berücksichtigung der oben aufgeführten Aspekte kann die Verwendung von Leichtbeton für Holz-Beton-Verbundkonstruktionen wirtschaftlich attraktiv sein, wenn durch die im Vergleich mit Normalbeton erzielte Gewichtsreduzierung dazu führt, dass auf zusätzliche Sanierungsmaßnahmen verzichtet werden kann. Werden die besonderen Eigenschaften des Leichtbetons beachtet, können historische Holzbalkendecken mit konstruktiven Leichtbeton auf dem gleichen Niveau ertüchtigt werden, wie mit Normalbeton möglich [9]. 140

9 Verstärkung von Holzbalkendecken mit innovativen Betonen 3.5 Hochfester/ultrahochfester Beton Hochfeste und ultrahochfeste Betone stellen die letzte Entwicklungsstufe der zementgebundenen Werkstoffe dar. Gekennzeichnet sind diese Betone durch die erreichbaren hohen Festigkeiten, die sich in der Praxis zwischen 65 und 160 N/mm² bewegen. Einhergehend mit diesen hohen Festigkeiten ist ein sehr dichtes Gefüge der Betone, was sich letztlich in den sehr guten Dauerhaftigkeitseigenschaften niederschlägt [10]. Wegen der höheren Festigkeit können die Betonplatten dünner und filigraner hergestellt werden können, was sich positiv auf die Deckenlasten auswirkt. Inwieweit daraus die bauphysikalischen Eigenschaften, insbesondere der Schallschutz, und der bauliche Brandschutz beeinträchtigt werden, ist bislang noch nicht untersucht worden. Über experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von hochfestem Beton in Holz- Beton-Verbundkonstruktionen berichten Meda/Riva in [11]. Praktische Erfahrungen zum Umgang mit hochfesten und ultrahochfesten Betonen im Holz-Beton-Verbundbau liegen derzeit jedoch noch nicht vor. Dennoch stellt die Verwendung dieser Betone in Teilbereichen eine interessante Möglichkeit sowohl für die Sanierung als auch für den Neubau dar. Es gilt jedoch zu bedenken, dass durch die Wahl dieser Betone eine Anpassung der Wirkung der Verbindungsmittel zu erfolgen hat. Auch sind die mit der stofflichen Zusammensetzung dieser Betone einhergehenden höheren Kosten im Vergleich zum Normalbeton zu prüfen, was dazu führen kann, dass hochfeste und ultrahochfeste Betone im HBV nur dann eingesetzt werden, wenn die hohe Festigkeit und Dauerhaftigkeit zwingend erforderlich ist. 4 Zusammenfassung und Ausblick Durch die gezielte Anwendung von innovativen zementgebundenen Werkstoffen im Holz-Beton-Verbundbau eröffnen sich neue Möglichkeiten für diese Bauweise. Neben Aspekten der Gewichtsreduzierung - die gerade für das Bauen im Bestand und für Sanierungsmaßnahmen von Bedeutung sind - können auch Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und den baulichen Brandschutz durch die moderne Betontechnologie unter gleichzeitiger Berücksichtigung konventioneller Konstruktionsweisen erfüllt werden. Die Holz-Beton-Verbundbauweise stellt somit eine effektive und wirtschaftliche Methode dar, die Gebrauchstauglichkeit, Bauphysik und die Anforderungen an Baukonstruktionen an heutige Standards anzupassen. Durch die Verwendung der oben aufgeführten innovativen Betone wird langfristig ein kostenoptimiertes und ressourcenschonendes Bauen ermöglicht. 141

10 Innovationen im Bauwesen - Holz-Beton-Verbund Literatur [1] Dehn, F.: Leichtbeton, In: Dehn, F.; König, G.; Marzahn, G.: Konstruktionswerkstoffe im Bauwesen, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, [2] Hemmy, O.; Droese, S.: Verbunddecke aus Holzbalken und Elementdecken mit Stahlfaserbeton. Bautechnik 77 (2000), H. 4, S [3] Holschemacher, K.; Klotz, S.; Köhler, S.: Verbunddecken aus Stahlfaserbeton und Holz, Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004), H. 1, S [4] Holschemacher, K.; Klotz, S.; Weiße, D.: Application of Steel Fibre Reinforced Concrete for Timber-Concrete Composite Constructions. Leipzig Annual Civil Engineering Report 7 (2002), S [5] Holschemacher, K.; Schneider, H.: Stahlfaserleichtbeton - Grundlagen und Anwendungen. In: Falkner, H.; Teutsch, M. (Hrsg.): Bauforschung und -praxis in schwierigen Zeiten. Braunschweiger Bauseminar Schriftenreihe des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig, H. 169, S [6] Schneider, H.; Weiße, D.; König, G.; Holschemacher, K.: Faserbewehrter Leichtbeton. König, G.; Holschemacher, K.; Dehn, F. (Hrsg.): Innovationen im Bauwesen: Faserbeton, S Bauwerk Verlag Berlin, [7] Faust, T.: Leichtbeton im konstruktiven Ingenieurbau, Bauingenieurpraxis, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, [8] Dehn, F.; Winter, S.: Holz-Beton-Verbund - Stand der Technik und neue Potenziale, Tagungsunterlagen 48. Ulmer Beton- und Fertigteiltage, Betonwerk- und Fertigteiltechnik (BFT), Heft 2, [9] Faust, T.; Selle, R.: Der Einfluss verschiedener Verbindungsmittel auf das Tragverhalten der Verbundfuge in Holz-Leichtbeton-Verbunddecken, Bautechnik (79), Heft 1, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, [10] Dehn, F.: Ultrahochfester Beton, In: Dehn, F.; König, G.; Marzahn, G.: Konstruktionswerkstoffe im Bauwesen, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, [11] Meda, A.; Riva, P.: Strengthening of Wooden Floors with High Performance Concrete Slabs. Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen und Baudenkmalpflege 7 (2001), H. 6, S