Vortragsveranstaltung. Abschätzung von Rissbreitenänderungen in Stahlbetonbauteilen

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1 Vortragsveranstaltung der Landesgütegemeinschaft für Bauwerks- und Betonerhaltung Rheinland-Pfalz/Saarbrücken am 28. April 2009 in Kaiserslautern Abschätzung von Rissbreitenänderungen in Stahlbetonbauteilen Dr.-Ing. Heinz Meichsner Sachverständiger für Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbau 1

2 März 2009 Sehr geehrter Herr Dr. Meichsner, nach Rücksprache mit der Hausverwaltung bitten wir Sie um Unterbreitung eines Angebotes zur Ausarbeitung eines Sanierungsvorschlages zur Beseitigung der Risse am Gebäude Christianstraße 1 in Leipzig. Auf eine Untersuchung der möglichen Ursachen für die Rissbildungen wird verzichtet. Für Ihre Bemühungen bedanken wir uns bereits im Voraus und verbleiben mit freundlichen Grüßen

3 Inhalt 1 Wozu brauchen wir die Kenntnis über Rissbreitenänderungen 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite 4 Prognose der Rissbreitenänderungen 3

4 Rissbild der Zwischendecke in einer Tiefgarage (Monat August) 4 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

5 Vor der Instandsetzung zu beantworten Wie weit öffnen sich die Risse noch? Ggf. ist auch die kleinste Rissbreite von Interesse Von der Antwort hängt die Art der Instandsetzung ab. 5 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

6 Rissuferverschiebungen Rissuferverschiebungen entstehen durch Bauteildehnungen infolge von Setzungen (kaum zu systematisieren) Temperaturdehnungen (können mitsamt ihrer Wirkungen berechnet werden) Schwindverkürzungen (können mitsamt ihrer Wirkungen berechnet werden) 6 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

7 Stützensenkung durch Unterspülung Die Wirkung ungleichmäßiger Setzungen ist nicht verallgemeinerbar 7 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen? 1

8 Setzungen sind nur im Einzelfall quantifizierbar 8 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

9 Einschränkung im Vortrag Betrachtet werden keine Setzungsrisse, sondern nur Risse aus Bauteildehnungen durch Änderung der Bauteiltemperatur Schwinddehnungen 9 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

10 Rissschäden Tropfspuren von einer monolithischen Zwischendecke Obere Ebene eines Parkhauses als Elementdecke 10 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

11 Rissüberbrückungsvermögen einer Beschichtung? 11 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

12 Wieviel Bewegung verträgt ein injizierter Riss? Vergleich mit einer Vergussfuge: Eine Vergussfuge kann höchstens 10 % ihrer Dehnlänge als Dehnung ertragen Bei verpressten Rissen ist das ähnlich. Ein Anteil von 10 % von z. B. 0,4 mm sind 0,04 mm (Bruchdehnung)! 12 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen? 3

13 Rissbreitenänderungen wofür benötigen wir ihre Kenntnis? Für das Füllen von Rissen bzw. für eine rissüberbrückende Beschichtung Ruhende Risse können dauerbeständig gefüllt werden (Injektion, Tränkung). Risse mit sich bewegenden Rissufern können nur bei kleinen Amplituden dauerbeständig gefüllt werden. Eine Beschichtung kann größere Rissuferverschiebungen kompensieren 13 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

14 Größte Rissuferverschiebung bei dehnfähig injizierten Rissen Zulässige Rissbreitenänderung nach der Erhärtung nach Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton w ] 0,3 mm w [ 0,05 w w ] 0,5 mm w [ 0,10 w 14 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

15 Rissüberbrückungsfähigkeit von Beschichtungen Prüfbedingungen für bewitterte Oberflächenschutzsysteme Prüftemperatur -20 C Klasse I T Klasse II T Klasse II T+V Rissbreite max. 0,15 mm, Bewegung bis 0,05 mm (Temp.) 1000 Zyklen Rissbreite max. 0,30 mm, Bewegung bis 0,2 mm (Temp.) 1000 Zyklen Temperatur + Verkehr, Bewegung ± 0,05 mm Zyklen Häufig werden diese Kriterien für Beschichtungssysteme überboten Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen? 1

16 Sind Rissuferverschiebungen zu erwarten? Fragen, die vor einer Instandsetzung zu beantworten sind: Gibt es auch nach der Instandsetzung noch Dehnungen, in deren Folge sich die Rissufer verschieben wollen? Wie groß ist die zu erwartende Rissuferverschiebung? Welche dauerhafte Art des Füllens der Risse oder ihrer Überbrückung durch Beschichtung oder Verklammerung muss gewählt werden? Gibt es einen optimalen Zeitpunkt der Instandsetzung? 16 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

17 Wie stellt man zeitabhängige Rissuferverschiebungen fest? Lufttemperatur Gipsmarken Rissbreitenänderung Elektronische Messverfahren Rissmonitore 17 1 Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

18 Nachteile von Gipsmarken und Rissmonitoren Die Messung dauert Monate oder Jahre Die Messung sagt nichts über die Rissursachen aus, ob ein ruhender Riss dauerhaft ruht, ist nicht sicher zu bestimmen. In öffentlich zugänglichen Räumen kann die Messung durch Vandalismus vorzeitig beendet werden Wozu Kenntnisse über Rissbreitenänderungen?

19 Inhalt 1 Wozu brauchen wir die Kenntnis über Rissbreitenänderungen 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite 4 Prognose der Rissbreitenänderungen 19

20 Zwang Der Tragwerksplaner unterscheidet Beanspruchungen aus Last dazu gehören alle Eigen- und Nutzlasten, die in der statischen Berechnung zu erfassen sind. Zwang entsteht nur in statisch unbestimmten Tragwerken durch behinderte, lastunabhängige Verformungen Ausgangszustand l Z vollständige Behinderung (100 %) Z Abkühlung um T Kelvin l Z teilweise Behinderung (< 100 %) Z 20 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen?

21 Nicht lineare Temperaturverteilung über den Querschnitt Aufstelltemperatur 31 C 15 C 25 C 25 C -8 C +8 C -2 C -2 C Temperaturverlauf gleichförmiger ungleichförmiger nicht linearer Anteil Anteil Anteil Längenänderung Krümmung Querschnittsverwölbung 21 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen?

22 Mittlere Bauteiltemperaturen sind maßgebend mittlere Bauteiltemperatur 22 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 3

23 Schwindverlauf 23 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen?

24 Dehnungsursachen: behinderte Schwind- und Temperaturverformung ε[mm/m] -0,30-0,20-0,10 0 0,10 Bauteildehnung durch Schwinden Bauteildehnung durch Temperaturänderung Jahr ε[mm/m] -0,40-0,30-0,20-0,10 0 resultierende Bauteildehnung Jahr 24 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 1

25 Mittlere Bauteiltemperaturen und Endschwindmaße (Beispiel Tiefgarage) mittlere Bauteiltemperatur Endschwindmaß Sommer Winter C C mm/m Zwischendecke ,6 Außenwand ,3 Bodenplatte , Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen?

26 Extremwerte der mittleren Bauteiltemperaturen mittlere Bauteiltemperatur + 30 C + 25 C 0,08 mm/m + 20 C Aufstell C temperatur 0 C 0 C + 17 C +5 C 5 K 8 K 0,05 mm/m Decke Wände 26 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 1

27 Endschwindmaße für Zwischendecke und Wand 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6 Endschwindmaß mm/m Decke -0,5 mm/m Wand -0,3 mm/m 0,2 mm/m 27 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 1

28 Verformungsbehinderungen sind selten starr, sondern meist elastisch Der Behinderungsgrad δ ist das Verhältnis δ = tatsächliche Zwangdehnung 100 % Dehnung bei starrer Behinderung Druck Winter Winter Zug 28 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 1

29 Verformungsbehinderungen sind selten starr, sondern meist elastisch Im Sommer kehren sich die Richtungen der Zwangkräfte um. Druckkräfte sind für den Stahlbeton i. d. R. ohne Bedeutung Zug Winter Sommer 29 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 1

30 Inhalt 1 Wozu brauchen wir die Kenntnis über Rissbreitenänderungen 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite 4 Prognose der Rissbreitenänderungen 30

31 Zugkraft-Dehnungs-Diagramm für Stahlbeton Zugkraft F Risslast F cr abgeschlossene Rissbildung Dehnung durch Rissöffnung Phase der Einzelrissbildung: Dehnung durch neue Risse ungerissener Zustand Dehnung durch elastische Verkürzung des Betons mittlere bezogene Bauteildehnung ε 31 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite 3

32 Zugkraft-Dehnungs-Diagramm für Stahlbetonzugglieder Zugkraft F Risslast F cr abgeschlossene Rissbildung Dehnung durch Rissöffnung ε Beispiel mittlere bezogene Bauteildehnung ε 32 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite 4

33 Eintragungslänge l es links und rechts vom Riss Risslast Fcr l es Risslast F cr τ sm = F cr /U s *l es Riss σ s I Stahlspannung σ s σ s II = F cr / A s Verbundspannung τ sm Betonzugspannung σ c 33 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite

34 Rissbreitenänderungen Ein Riss entsteht beim Überschreiten der Risslast bzw. der Zugbruchdehnung ( 0,1 mm/m) (Betonzugfestigkeit x Betonfläche) Risslast, Bewehrungsfläche und -durchmesser bestimmen die Einleitungslänge l es, die Stahlspannung und die Rissbreite Jeder neue Riss hat bei seiner Entstehung seine größte Rissbreite. Nur bei dauernd wirkenden Beanspruchungen kann sie sich später allmählich noch etwas vergrößern. Wegen der Streuung der Verbundfestigkeit streuen die Rissbreiten unter sonst gleichen Bedingungen. Deshalb kann der Größtwert der Rissbreite bei jedem Riss unterschiedlich sein Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite

35 Bei rückläufiger Dehnung wird die Rissbreite kleiner. Steigt die Dehnung über die letzte Rissdehnung hinaus an, entsteht ein neuer Riss mit ebenfalls seiner größten Rissbreite Rissuferverschiebung und Bauteildehnung sind manchmal proportional und manchmal nicht Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite

36 Bauteildehnung und Rissuferbewegung Auch am gleichen Riss gibt es zu unterschiedlichen Zeitpunkten sowohl Proportionalität als auch keine Proportionalität zwischen Rissbreitenänderung und Änderung der Bauteildehnung. Von Interesse sind Extremwerte man muss nicht jeden Risszustand untersuchen Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite

37 Bleibende Verformungen verschieben den Nullpunkt Last Last ε 1 ε 2 Bauteildehnung Bauteildehnung Schwinddehnung 37 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite

38 Bauteildehnung und Rissbild 38 Dehnung verursacht erste Risse Rissbreite hängt ab von Betonzugfestigkeit und Bewehrung Verkleinerung aller Rissbreiten bei Verkürzung (Sommer) Weitere Dehnung verursacht weitere Risse Rissbreite hängt ab von Betonzugfestigkeit und Bewehrung Verkleinerung aller Rissbreiten bei Verkürzung (Sommer) Weitere Dehnung verursacht weitere Risse Rissbreite hängt ab von Betonzugfestigkeit und Bewehrung 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite 4

39 Der Dehnungszuwachs verursacht neue Risse Proportionalität zwischen Rissbreite und Bauteildehnung 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5 s [mm/m] Jahr Dehnungszuwachs vom 4. zum 5. Winter Zeitpunkte mit voller Rissöffnung 39 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite 2

40 Bauteildehnung und zugehöriges Rissbild 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5 ε [mm/m] s Jahr ε 1 ε 2 ε 3 ε4 ε 5 Dehnungszuwachs vom 4. zum 5. Winter 40 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite

41 Rissbreitenänderung eines ausgewählten Risses ε c [mm/m] Jahr -0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6 Bauteildehnung Rissbreite eines Risses 100 % 61 % 63 % 64 % 65 % 65 % Rissbreite des ausgewählten Risses Jahr 41 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite

42 Rissbreitenanteile ändern sich Die Rissbreiten neuer Risse sind unabhängig von der Bauteildehnung Die Schwinddehnung wächst kontinuierlich bis zu einem Endwert. Die Temperaturdehnung ist in jedem Jahr bis auf Streuungen gleich. Der Schwindanteil an der gesamten Bauteildehnung wächst mit der Schwinddehnung 1. Winter 2. Winter 3. Winter Rissbreite Rissbreite Rissbreite Schwinden Temperatur Schwinden Temperatur Schwinden Temperatur 60 % 74 % 80 % Schwindanteil an der Rissbreite 42 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite

43 Inhalt 1 Wozu brauchen wir die Kenntnis über Rissbreitenänderungen 2 Wie entstehen Dehnungen in Stahlbetonbauteilen? 3 Abhängigkeit zwischen Bauteildehnung und Rissbreite 4 Prognose der Rissbreitenänderungen 43

44 4 Schritte zur Prognose der Rissbreitenänderung 1. Aufnahme des Rissbildes und Messung der Rissbreiten, 2. Bestimmung der Rissursachen. Wirken sie noch? 3. Rechnerische Abschätzung der bisherigen Bauteilverformungen bis zum Zeitpunkt der Rissaufnahme (Schwind- und Temperaturverformungen) und der noch zu erwartenden Bauteildehnungen 4. Berechnung der zu erwartenden Rissbreitenänderungen und der Extremwerte (ein Winter nach Erreichen des Endschwindmaßes) Prognose der Rissbreitenänderungen

45 Maßstäbliches Rissbild 1. Maßstäbliche Rissaufnahme zum aktuellen Zeitpunkt Prognose der Rissbreitenänderungen

46 Hinweis auf das DBV-Merkblatt Rissbildung Prognose der Rissbreitenänderungen

47 Rissbreitenmesswert möglichst nah an der Rissuferverschiebung Prognose der Rissbreitenänderungen 1

48 2. Schritt 2. Bestimmung der Rissursachen Schwinden Temperaturänderung Setzungen werden ausgeschlossen, da sie einer Berechnung nicht zugänglich sind Art der Behinderung feststellen, Behinderungsgrad abschätzen Prognose der Rissbreitenänderungen

49 3. Schritt 3. Rechnerische Abschätzung der aktuellen Zwangdehnungen Dazu gehören Aktuelles Schwindmaß Letzte größte Bauteildehnung im letzten Winter Aktuelle Bauteiltemperatur Prognose der Rissbreitenänderungen

50 Aktuelle Dehnungen ε [mm/m] -0,40-0,30-0,20-0,10 letzte größte aktuelle Dehnung -0,28 mm/m größte Dehnung -0,31 mm/m - 0,05 mm/m + 0,08 mm/m aktuelle Dehnung -0,24 mm/m aktuelle Bauteildehnung größte bisher erreichte Dehnung größte zu erwartende Dehnung -0,24 mm/m -0,28 mm/m (im letzten Winter) -0,31 mm/m (nach dem 6. Jahr Prognose der Rissbreitenänderungen

51 4. Schritt 4. Rechnerische Abschätzung der größten zu erwartenden Zwangdehnung Schwinddehnung Temperaturdehnung Gesamt -0,26 mm/m -0,05 mm/m -0,31 mm/m Prognose der Rissbreitenänderungen

52 5. Schritt: Ergebnis 5. Berechnung der zu erwartenden Rissbreitenänderungen und der Extremwerte Verhältnis aktuelle/letzte größte Dehnung = 0,24/0,31 = 77 % Größte Rissbreite = 1/0,77 = 1,3-fache aktuelle Rissbreite Rissbreite in mm aktuelle Messwerte 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 zu erwartende Größtwerte 0,13 0,26 0,39 0,52 0,65 Rissöffnung bei sofortiger Instandsetzung 0,03 0,06 0,09 0,12 0, Prognose der Rissbreitenänderungen

53 Fragst du, brauchst du dich nur einen Augenblick lang zu schämen, fragst du nicht, schämst du dich bis an dein Lebensende (japanisches Sprichwort) Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit und stehe für Ihre Fragen zur Verfügung Prognose der Rissbreitenänderungen 2