SPANNKRAFTEINLEITUNG BEI HOCHFESTEN … bei hochfesten selbstverdichtenden Betonen mit sehr hoher...

Proske, T.; Graubner, C.-A.: Spannkrafteinleitung bei hochfesten selbstverdichtenden Betonen mit sehr hoher Frühfestigkeit, Darmstadt Concrete 20 (2005). http://www.darmstadt-concrete.de/2005/pretensioning.html

SPANNKRAFTEINLEITUNG BEI HOCHFESTEN SELBSTVERDICHTENDEN BETONEN MIT SEHR HOHER FRÜHFESTIGKEIT

PRETENSIONING OF HIGH STRENGTH SELF-COMPACTING CONCRETE IN EARLY AGE

Carl-Alexander Graubner, Tilo Proske

ZUSAMMENFASSUNG

Es wurden Versuche zum Verbundverhalten von Spannstählen im sofortigen Verbund durchgeführt, um die Eignung hochfester selbstverdichtende Betone mit hoher Frühfestigkeit zu verifizieren. Die Prüfungen zum Verbundverhalten umfassten Auszugs- als auch Spannkrafteinleitungsversuche, wobei die Verbundspannungen, die Übertragungslänge, die Rissbildung und das Verbundkriechen Gegenstand der Betrachtung waren. Bei den Spannkrafteinleitungsversuchen zeigte sich, dass die Gefahr der Spaltrissbildung bei SVB insgesamt nicht höher ist als bei Rüttelbetonbauteilen. Weiterhin war festzustellen, dass die Übertragungslängen bei den untersuchten Selbstverdichtenden Betonen bei einer Betondeckung mit 2,5-fachem Spannstahldurchmesser signifikant geringere Werte aufweisen als nach DIN 1045-1 für den jeweiligen Bemessungsfall anzusetzen sind.

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ENGLISCH-ABSTRACT

Investigations concerning the bond behaviour of prestressed strands in early age self-compacting concrete were carried out at the Institute of Concrete Structures and Materials. The investigations were performed within the research project “Development of High-Strength Early Age Self-Compacting Concrete for Prestressed Concrete Structures” supported by AiF. The studies included pull-out and transmission tests on three different self-compacting concretes. Additionally one self-compacting fibber concrete and two normal concretes have been investigated. Subject of interest were the bond stress, the transmission length, the cracking and the time dependent behaviour. Used were 7-wire strands St 1570/1770 (dp = 0,5” =12 mm). The pretensioning force was applied 16 hours, 2 days and 28 days after casting. The transmission length was tested on seven beams with different concrete cover. Firstly it was found that the split cracking risk of SCC is almost equal to normal vibrated concrete. The minimum concrete cover c = 2,5 dp according to DIN 1045-1 was sufficient in any case. Partially no cracks have been observed reducing the concrete cover down to c = 2,0 dp. It was observed that the higher the concrete strength the higher the risk of cracking and the length of the crack because of the overproportionate increasing of the splitting stresses by the Hoyer-Effect.

Having a concrete cover of c = 2,5 . dp it was found that the transmission length directly after the pretensioning is approximately 45 % of the characteristic value according to DIN 1045-1. Because of the time dependent behaviour (creep) the transmission length is increasing on app. 55 % (extrapolated) of the DIN 1045-1 value at the time t = ∞ .

It is assumed that the bond stress is generally underestimated using DIN 1045-1 for the calculation oft the transmission length lbp. Also for normal concrete the normative bond stress seems very low compared to own and published measurements. The bond values according to DIN 1045-1 are save if the pretension is acting advantageous. If the pretensioning force is acting disadvantageous the design value of the transmission length lbpd should be reduced to 50 % of the code value. At the time t = ∞ approximately 55-60 % of the DIN 1045-1 design values of lbpd can be assumed.

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1. EINFÜHRUNG

Die Übertragungs- als auch die Verankerungslänge stellen wichtige Parameter für die Bemessung von Spannbetonbauteilen mit Spanngliedern im sofortigen Verbund dar. Dabei ist zur Vermeidung von Rissen infolge von Spaltzugkräften eine Mindestbetondeckung erforderlich. Spaltzugrisse führen zu einer unerwünschten Vergrößerung der Übertagungs- und Verankerungslänge. Im Rahmen eines von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen “Otto von Guericke“ geförderten Forschungsvorhabens “Anwendungsorientierte Entwicklung von hochfestem Selbstverdichtendem Beton mit hoher Frühfestigkeit zur Herstellung von Bauteilen mit sofortigem Verbund“ wurden am Institut für Massivbau der TU Darmstadt Versuche zum Verbundverhalten von Spannstählen durchgeführt, um die Eignung der entwickelten selbstverdichtenden Betone zu verifizieren.

Bisherige Arbeiten zum Verbundverhalten zwischen Spannstahl und Rüttelbetonen mit hoher Druckfestigkeit liegen von Hegger/Nitsch [1] und Kupfer [2] vor. Das Verbundverhalten zwischen Spannstahl und selbstverdichtendem Beton haben unter Anderem Hegger/Kommer [3] und Serna [4] untersucht. Jedoch waren hierbei keine hochfesten selbstverdichtenden Betone Gegenstand der Betrachtung.

Die einzelnen Anteile der Verbundwirkung bei Spannkrafteinleitung im sofortigen Verbund sind der Haftverbund, der Scherverbund und der Reibungsverbund. Bei Litzen und Drähten überwiegt der Haft und Reibungsverbund, wobei Letzterer erst nach einer Relativverschiebung wirksam wird.

Das Verbundverhalten von vorgespannten Spannstählen mit sofortigem Verbund wird entscheidend beeinflusst durch:

- die Art der Spannstahloberfläche - die Betondeckung - den Hoyer-Effekt (siehe ) - die Rissbildung

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Bei der Krafteinleitung von Spanngliedern sind nach DIN 1045-1 [6] folgende drei charakterisierende Längen zu unterscheiden:

bpl die Übertragungslänge, über die die Spannkraft oP eines Spanngliedes im sofortigen Verbund voll auf den Beton übertragen wird

eff,pl die Eintragungslänge, innerhalb der die Betonspannung in eine lineare Verteilung über den Querschnitt eingeht

bal die Verankerungslänge, innerhalb der die maximale Spanngliedkraft im Grenzzustand der Tragfähigkeit vollständig verankert wird

Bei der Überprüfung der Eignung von Selbstverdichtendem Beton hinsichtlich der Krafteinleitung wurde es als ausreichend angesehen, lediglich den Einfluss auf die Übertragungslänge zu untersuchen. Von der Übertragungslänge kann direkt auf die Eintragungslänge geschlossen werden (DIN 1045-1, Abschnitt 8.7.6(8)). Ebenfalls steht die Übertragungslänge bzw. die wirkende Verbundspannung in direktem Zusammenhang mit der Verankerungslänge. Hierbei ist zu bemerken, dass Selbstverdichtende Betone im Allgemeinen höhere relative Betonzugspannungen aufweisen als Rüttelbeton.

Die Übertragungslänge lbp(DIN 1045-1) nach DIN 1045-1 [6] ist folgendermaßen definiert:

1

0111045 η⋅

σ⋅

⋅π⋅α=−

bp

pm

p

p)DIN(bp fd

Al

(1)

Dabei sind:

pA Nenndurchmesser der Litze oder des Drates

1α 1,0 bei stufenweisem Eintragen der Vorspannkraft 1,25 bei schlagartigem Eintragen der Vorspannkraft

pd der Nenndurchmesser der Litze oder Drahtes

0pmσ die Spannung im Spannstahl nach der Spannkraftübertragung auf den Beton

1η 1,0 für Normalbeton Die als konstant über die Übertragungslänge wirkende Verbundspannung bpf kann für Litzen mit ²mmAp 150≤ aus Tabelle 1 entnommen werden.

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Tatsächliche

Betondruckfestigkeit bei der Spannkraftübertragung cmjf

Verbundspannung

(Mittelwert der Zylinderdruckfestigkeit)

Litzen und profilierte Drähte

Gerippte Drähte

[N/mm²] [N/mm²] [N/mm²] 25 2,9 3,8 30 3,3 4,3 35 3,7 4,8 40 4,0 5,2 45 4,3 5,6 50 4,6 6,0 60 5,0 6,5 70 5,3 6,9 80 5,5 7,2

≥ 90 5,7 7,4 Tabelle 1: Verbundspannung bpf (Mittelwerte) in der Übertragungslänge von Litzen

und Drähten im sofortigen Verbund in Abhängigkeit von der Betondruckfestigkeit zum Zeitpunkt der Spannkraftübertragung nach DIN 1045-1, Tabelle 7

Das Verbundverhalten innerhalb der Übertragungslänge bpl wird insbesondere durch den so genannten Hoyer-Effekt beeinflusst. Durch die Querschnittsvergrößerung des Spannstahls infolge seiner Verkürzung beim Umspannen entstehen Querpressungen an der Spannstahloberfläche (siehe Bild 1). Diese Querpressungen erhöhen die Verbundspannungen. Die in Tabelle 1 angegebenen Werte setzen die volle Wirkung des Hoyer-Effektes voraus. Außerhalb der Übertragungslänge oder bei Rissbildung innerhalb der Übertragungslänge muss nach DIN 1045-1 die Verbundspannung bei Litzen um 50% und bei gerippten Drähten um 30% vermindert werden.

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Bild 1: Schematische Darstellung des Hoyer-Effektes

Der Bemessungswert der Übertragungslänge bei ungünstiger Wirkung der Vorspannkraft, lbpd beträgt nach DIN 1045-1, Abschnitt 8.7.6(6) 0,8 lbp und bei günstiger Wirkung 1,2 lbp.

Die zur Einleitung der Vorspannkraft für Litzen erforderliche Mindestbetondeckung c beträgt nach DIN 1045-1, Abschnitt 6.3(4) c = 2,5 dp, mit dp als Nenndurchmesser der Litze.

Que

rdeh

nung

Endschlupf

σpm0 . Ap

Spannglied

Querpressung

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2. VERSUCHSPROGRAMM

Die Prüfungen zum Verbundverhalten umfassten Auszugs- als auch Spannkrafteinleitungsversuche, wobei die Verbundspannungen, die Übertragungslänge, die Rissbildung und das Verbundkriechen Gegenstand der Betrachtung waren.

Die Spannkrafteinleitungsversuche erfolgten in Anlehnung an [5] und wurden an den in Tabelle 2 dargestellten Betonen bzw. Balken durchgeführt. Um vergleichende Betrachtungen anstellen zu können, fanden die Untersuchungen zunächst an den Standardbetonen SVB-B1, SVB-B2 sowie SVB-C statt. Die Vorspannung wurde hierbei zum angestrebten Vorspannzeitpunkt von 16 h eingeleitet.

An einem weiteren Balken mit der Rezeptur SVB-B1 wurde zusätzlich überprüft, ob zur Spannkrafteinleitung eine reduzierte Betondeckung von lediglich c = 2,0 dp bzw. 1,5 dp

ausreichend ist. Die Überprüfung der Spannkrafteinleitung zum Zeitpunkt von 48h und 28d erfolgte an zwei Balken mit der Rezeptur SVB-B1 bei einer Betondeckung von c = 2,0 dp bzw. 2,0 dp und 2,5 dp.

An einem Balkenende des Bauteils B1b wurde der Beton SVB-B1 unter Einstellung einer „plastischen Konsistenz“ (Variation der Fließmittelmenge) eingebaut und mittels Innenvibratoren verdichtet. Somit ist exemplarisch eine Einschätzung des Einflusses der Rüttelwirkung gegeben. Ebenfalls wurde ein Beton mit reduziertem Leimgehalt, welcher nicht ganz selbstverdichtende Eigenschaften erreichte, untersucht. Die zugehörige Mischungsrezeptur RB-B1* ist in Tabelle 3 dargestellt.

Des Weiteren wurde am Beton FB-B1 exemplarisch der Einfluss von Stahlfasern untersucht. Verwendung fanden, für Hochleistungsbetone geeignete, Fasern der Leistungsklasse 80/35.

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Betondeckung c = 2,5 dp

Beton- deckung c = 2,0 dp

Beton- deckungc = 1,5 dp

Zeitpunkt der Vorspannung (Balkennummer)

Beton (siehe

Tabelle 2)

Eintragung der Vorspannung

16 h 28 d 16 h 40 h 28 d 16 h

SVB-B1 X (B1) X (B1c) X (B1a) X (B1b) X (B1c) X (B1a)

SVB-B2 X (B2) - - - - -

SVB-C X (C) - - - - -

RB-B1 - - - X (B1b) - -

SVB-B1* X (B1*) - - - - -

SVFB-B1

sofortiger Verbund

(Litzen 0,5“)

X (B1d) - - - - -

Tabelle 2: Übersicht der Spannkrafteinleitungsversuche, Zeitpunkt der Lasteinleitung und Betondeckung; (-) Bezeichnung des Balkens

Verwendete Betone und Spannstahl Die Mischungszusammensetzung der verwendeten Betone kann Tabelle 3 entnommen werden. Die Betone SVB-B1, SVB-B2 und SVB-C wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens von Dipl.-Ing. Thomas Adam, Institut für Massivbau der TU Darmstadt, Fachgebiet Baustoffe, Bauphysik und Bauchemie, Prof. Dr.-Ing. P. Grübl, entwickelt.

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[kg/m³] Mischung SVB-B1 SVB-B2 SVB-C RB-B1 SVB-B1* SVFB-B1 Zement CEM II 52,5 A/S R 536 536 546 536 470 536SFA (Flugasche) 60 0 0 60 0 60KSM (Kalksteinmehl) 0 60 0 0 0 0Sand 0/2 883 894 918 883 770 883Kies 2/8 361 366 375,5 361 480 361Kies 8/16 361 366 375,5 361 530 361Wasser 173,6 166,5 169,3 173,6 150,4 173,6Fließmittel FM 20 5,36 5,36 5,46 4,0 6,3 5,36Stahlfasern „Dramix“ 80/35 40 Vleim [l/m³] 367 360 345 367 308 377mMehlkorm [kg/m³] 600 600 550 600 470 596Konsistenzklasse SVB SVB SVB F2 F6-SVB SVB

Tabelle 3: Mischungszusammensetzung

Als Spannstahl fanden Spannlitzen aus 7 glatten Einteldrähten der Firma „nedri Spanstaal bv“ (Coilnummer 28071, Schmelze Nr. 50752) mit einem Nenndurchmesser von 0,5“ (12,5 mm) Verwendung. Der Spannstahl der Festigkeit St 1570/1770 weist sehr niedrige Relaxation auf.

Spannkraft und Balkengeometrie Im Querschnitt erfolgte die Anordnung von jeweils 2 Spanngliedern. Die Betondeckung wurde zunächst entsprechend DIN 1045-1 [6] c = 2,5 dp festgelegt und nachfolgend modifiziert. Die Querschnittsabmessungen ergaben sich in Anlehnung an [5] aus der maximalen Spannstahlspannung im Spannbett nach DIN 1045-1 von max p0 = 1350 N/mm² sowie der maximal zulässigen Betondruckspannung bei großem Einfluss der Kriechverformungen nach DIN 1045-1 von fc,c = 0,45 . fc.

Die Geometrie der Standardbalken B1, B2 und C ist in Bild 2 dargestellt. Eine Übersicht der Querschnitte aller Versuchsbalken gibt Bild 3. Alle Balken haben eine Länge von 1 m.

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Bild 2: Geometrie der hergestellten Standardbalken zur Spannkrafteinleitung

(Balken B1, B2, C)

16

8,5

250

Grundriss Balken

2 Litzen 0,5“ St1570/1770

2 Litzen 0,5“ St 1570/1770

[cm]

7,5

250

Ansicht Balken

7,5

16

Spannstahl (Litzen) dp = 1,25 cm

Querschnitt Balken

8,5 3,75 3,75

Balkenende 1 Balkenende 2

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Bild 3: Querschnittsgeometrie aller Balken

16 7,

5 c 1

c2

c1=c2=2,5dp

dp

Balken B1, B2, C


16

7,5

Balken B1a

16

6,2 c1=c2=2,0dp

16

5,0

16

6,2 c1=c2=2,0dp

Balken B1b

16 6,

2

c1=c2=2,5dp

Balken B1c

14,7

6,2

16

7,5

c1=c2=2,5dp

Balken B1d

16

7,5

(Faserbeton)

SVB-B1* c1=c2=2,5dp

c1=1,5dp c2=2,0dp

c1=c2=2,0dp

RB-B1

c1=c2=2,5dp

16

7,5

SVFB-B1

(Rüttelbeton)

SVB-B1

SVB-B1, B2, C

SVB-B1

SVB-B1 SVB-B1

SVB-B1

SVB-B1, B2, C

c1=c2=2,0d

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Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung In Bild 4 (A und B) ist der Versuchsaufbau der Spannkrafteinleitungsversuche schematisch dargestellt. Zu erkennen ist, dass jedem Spannglied eine Presse (1) zugewiesen ist. Durch die zusätzliche Anordnung je einer Kraftmessdose am Spanngliedende (2) konnte eine gezielte Lasteinleitung in die Spannglieder sichergestellt werden. Der Zeitraum zwischen dem Vorspannen im Spannbett bzw. dem Betonierzeitpunkt bis zur Spannkrafteinleitung betrug zwischen 16 Stunden und 28 Tagen. Da die Pressen und das erforderliche Aggregat nicht darauf ausgelegt sind, in diesem Zeitraum unter Last zu stehen, erfolgte eine zwischenzeitliche Verkeilung der Spannglieder auf der Pressenseite (3). Aufgrund der Spannkraftverluste beim temporären Verkeilen von ca. 10% wurden die Spannlitzen entsprechend überspannt.

Nach dem Einbringen des Betons und dem Erreichen der Zielfestigkeit des Betons nach Tabelle 4 erfolgte das wiederholte Anfahren der Presse bis zum Erreichen der ursprünglichen Spannbettkraft. Danach konnten die Keile (3) gelöst und die Vorspannung aufgebracht werden. Die Vorspannung wurde in 10 Lastschritten im zeitlichen Abstand von ca. 1 min in den Balken eingeleitet.

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Bild 4: Systemskizze des Versuchsaufbaus zur Spannkrafteinleitung

Spannglieder 0,5“

Verkeilung

Verkeilung während des Betonierens und Erhärtens

Schalung und Balken Spannrahmen

Spanngliedlänge je 470 bzw. 540 cm

KMD 12 3

Spannrichtung

B: Zustand während des Betonierens und Erhärtens Pressen

Systemskizze des Versuchsaufbaus A: Phase des Vorspannens im Spannbett bzw. der Lasteinleitung in den Balken

Pressen

Spannglieder 0,5“

Verkeilung

Verkeilung während des Betonierens und Erhärtens

Schalung und Balken Spannrahmen

Spanngliedlänge je 470 bzw. 540 cm

KMD 12 3

Spannrichtung

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Bild 5: Links: gesamter Versuchsaufbau, Schalung und Spannrahmen inklusive eingebauter Spannstähle Rechts: Pressenanordnung und Zwischenverankerungen

Die Betondruckfestigkeit wurde kontinuierlich bis zum Erreichen der Sollfestigkeit überprüft. Zur Kontrolle erfolgte zusätzlich die Bestimmung der 28 Tage Betondruckfestigkeit.

Bauteil Betondruckfestigkeit zum Zeitpunkt der Vorspannung

Zeitpunkt des Vorspannens

fc,cube(150) [N/mm²]

B1 60,4 14h

B2 59,5 14h

C 60,4 14h

B1a 54,5 17h

B1b (RB) 68,8 (63,9) 40h

B1c 90 28d

B1d 65 16h

Tabelle 4: Betondruckfestigkeit bei Einleitung der Vorspannkraft

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Während der Spannkrafteinleitung erfolgte die kontinuierliche Messung der Betondehnungen. Wie aus Bild 6 ersichtlich wurden dazu insgesamt 18 Wegaufnehmer mit einer Basislänge von 10 cm an den Seitenwänden der Bauteile angebracht. Dabei befanden sich 10 Messpunkte am linken Balkenende, 2 in Balkenmitte und 6 Messpunkte am rechten Balkenende. Aus den Messwerten der jeweils sich gegenüber befindlichen Messstellen errechnet sich die mittlere Dehnung. Zusätzlich zu den Betondehnungen wurde der Schlupf zwischen den Spannstahlenden und der Stirnfläche des Balkens bestimmt.

24 Stunden nach Spannkrafteinleitung wurden die Wegaufnehmer entfernt und neue Messpunkte für die Bestimmung der Betondehnungen nach 6 und 27 Tagen (nach Spannkrafteinleitung) gesetzt. Die Lage der Messstellen und die Basislänge entsprach dabei den Messpunkten bei der Spannkrafteinleitung. Die Bestimmung der Längen bzw. der Längenänderung erfolgte mittels Setzungsdehnungsmesser.

Bild 6: Messpunkte (Wegaufnehmer) an Versuchsbalken B1, B2, C

Zur Kontrolle der mittels Wegaufnehmern bestimmten Verformungen erfolgte die Anordnung von zusätzlichen Messstellen (1e bis 6 e) auf der Oberseite des Balkens. Die Messungen mittels Setzungsdehnungsmesser an geklebten Messmarken wurden direkt vor der Lasteinleitung sowie 30 Minuten, 2h, 5 Tage und 28 Tage nach Lasteinleitung durchgeführt.

1a 2a 3a 4a 5a 6a 3c

3b 5b

1c

1b 2b 4b 6b

5c

3d 1d 5d

16

8,5

(9

,7)

15 15 15 65 15 65 30 30 250

Wegaufnehmer Betondehnungen 5 5

Grundriss

Wegaufnehmer Schlupf

10a 10c

[cm]


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Bild 7: links: Balken B1b nach Ausschalen rechts: Anordnung der Wegaufnehmer an Balkenende a/b

Schwindkörper Um den Einfluss des Schwindens auf die Spannkraftübertragung zu ermitteln, wurden zusätzlich zum Spannbetonbalken je zwei unbewehrte Prismen mit gleichen Querschnittsabmessungen und einer Länge von 70 cm betoniert. An ihnen erfolgte an jeweils 2 Messstellen die Bestimmung der Dehnungen infolge Schwinden mittels Setzungsdehnungsmesser.

Berechnung der Übertragungslänge aus der Betondehnungslinie Nach [5] ist die, aus der Betondehnungslinie abgeleitete, Übertragungslänge mit

%e,e 80351 ⋅= definiert. Der Wert %e80 beschreibt die Länge vom Prüfkörperende bis zu dem Querschnitt an dem 80% der Vorspannkraft eingeleitet sind bzw. 80% des mittleren Höchstwertes der Längsdehnung erreicht werden (vgl. Bild 13). Der Wert e kann mit der Übertragungslänge bpl gleichgesetzt werden.

%bp e,el 80351 ⋅== (2)

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3. VERSUCHSERGEBNISSE

Bild 8 zeigt alle planmäßig hergestellten Versuchsbalken. Zu erkennen sind die unterschiedlichen Querschnittsabmessungen.

Bild 8: Hergestellte Balken B1, B2, C, B1a, B1b, B1c, B1d, v.l.n.r.

Ein Überblick über die an den Balkenköpfen aufgetretene Rissbildung infolge Spaltzugbeanspruchung durch die Spannkrafteinleitung geben Tabelle 5 und Bild 9. Dabei sind die Lage und die Breite der aufgetretenen Risse in Bild 9 dargestellt.

Es ist ersichtlich, dass alle, mit den selbstverdichtenden Standardbetonen (SVB-B1, B2, C), hergestellten Bauteile keine sichtbaren Risse an den Balkenköpfen aufwiesen, wenn die Betondeckung c = 2,5dp beträgt (Grenzwert nach DIN 1045-1). Bei der Reduzierung der Betondeckung auf c = 2,0dp waren bei einer Betondruckfestigkeit von ca. 55 N/mm² keine Risse erkennbar. Erst bei einer Betondruckfestigkeit von fc,cube > 65 N/mm² erfolgte eine deutliche Rissbildung. Dieses Verhalten ist damit zu erklären, dass bei einer Erhöhung der Druckfestigkeit die Spaltzugkräfte überproportional zur Zugfestigkeit ansteigen und somit die Gefahr der Rissbildung steigt. Bei einer Reduzierung der Betondeckung auf c = 1,5dp ist stets mit Rissbildung zu rechnen.

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Betondeckung c = 2,5 dp


Beton- deckungc = 1,5 dp

Zeitpunkt der Vorspannung

Beton

Eintragung der Vorspannung

14-18 h 28 d 14-18 h 40 h 28 d 14-18 h

SVB-B1 0 0 0 Riss Riss Riss

SVB-B2 0 - - - - -

SVB-C 0 - - - - -

RB-B1 - - - Riss - -

SVB-B1* Riss - - - - -

SVFB-B1

sofortiger Verbund

(Litzen 0,5“)

0 - - - - -

0 = keine, bzw. keine sichtbaren Risse Riss = deutlich sichtbare Rissbildung am Balkenkopf

Tabelle 5: Rissbildung am Balkenkopf

Das verstärkte Auftreten der Risse mit Zunahme des Betonalters ist mit der Steifigkeitsentwicklung sowie der Zunahme der Verbundspannungen zu erklären. Infolge der Steifigkeitserhöhung erhöht sich der Hoyer-Effekt und somit auch die Spaltzugspannung überproportional.

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Bild 9a: Rissverlauf an den Stirnflächen der Balken B1, B2, C, B1a, B1b

Balkenende 2

16 7,

5 c 1

c2

c1=c2=2,5dp

d

Balken B1, B2, C

Balkenende 1

16

7,5

c1=c2=2,5dp

Balken B1a

16

6,25

c1=c2=2,0dp

16

5,0

c1=1,5dp c2=2,0dp

16

6,25

c1=c2=2,0dp

Balken B1b

16

c1=c2=2,0dp

6,25

fc,cube ca. 60 N/mm² (14h) fc,cube ca. 60 N/mm² (14h)

fc,cube = 54,5 N/mm² (17h) fc,cube = 54,5 N/mm² (17h)


-0,35- (75) -9,0- (93)

-0,05- -7,0- (173)

-0,35- (38)

-0,05-

-0,05-

-0,35- (45)

-0,075- -0,05-

-0,55- (60)

-0,65- (66)

-0,2-

-0,2- -0,05-

Rezeptur SVB-B1, B2, C

Rezeptur SVB-B1 Rezeptur SVB-B1

Rezeptur SVB-B1 Rezeptur RB-B1 (Rüttelbeton)

Legende siehe Bild 3 b

Rezeptur SVB-B1, B2, C

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Bild 10b: Rissverlauf an den Stirnflächen der Balken B1c und B1d

Riss dringt nicht, bzw. nicht erkennbar, bis zur Bauteiloberfläche vor, w < 0,05 mm Riss dringt bis zur Bauteiloberfläche vor w ≤ 1,0 mm

Beschriftung der Risse: -maximal Rissbreite in [mm]- (Risslänge auf Bauteiloberseite in [cm]) Riss dringt bis zur Bauteiloberfläche vor w > 1,0 mm

Legende:

Balken B1d

16

7,5

c1=c2=2,5dp c1=c2=2,5dp

16

7,5


-0,1- (24)

Balken B1c

14,75

6,25

c1=c2=2,0dp

16 7,

5

fc,cube = 92,9 N/mm² (28d) fc,cube = 92,9 N/mm² (28d)

-0,3- (48)

-0,15- (7)

-0,3- (47)

-0,05-

c1=c2=2,5dp

Rezeptur SVB-B1 Rezeptur SVB-B1

Rezeptur SVFB-B1 (Stahlfaserbeton) Rezeptur SVB-B1* (nahezu selbstverdichtend)

Querschnittsabmessungen in [cm]

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In Bild 11 ist der Verlauf der gemessenen Betondehnungen über die Bauteillänge während und nach der Spannkrafteinleitung exemplarisch für den Balken B1 (SVB-B1) dargestellt. Ersichtlich sind die Dehnungen sowohl während des Umspannens als auch einen Tag, sechs und 27 Tagen nach Umspannen. Weiterhin ist zu erkennen, dass bei einer Lasterhöhung immer größere Längen erforderlich werden, um die Vorspannkraft vollständig einzutragen (bzw. konstante Dehnungen zu erreichen).

Bild 11: Verlauf der Betondehnungen über die Bauteillänge während des

Umspannens 1 Tag, 6 Tage und 27 Tage nach dem Umspannen am Balken B1 (abzüglich der Schwinddehnungen)

In Bild 12 ist der Einfluss der Rissbildung auf den Spannungsverlauf im Balken dargestellt. Der erste Riss bildet sich bei einer eingetragenen Vorspannung (je Spannglied) von ca. 97,8 kN, der Riss am zweiten Spannglied bei 111,6 kN. Ersichtlich ist der Dehnungsabfall nach dem Auftreten des ersten Risses, infolge der Verringerung der aufnehmbaren Verbundspannung. Damit erhöht sich folgerichtig die Übertragungslänge.

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Bild 12: Einfluss der Rissbildung auf den Spannungsverlauf im Balken B1b (SVB-

B1)

Zur Ermittlung der Übertragungslänge wurden die Betondehnungen, abzüglich der Schwinddehnungen (sichere Seite), direkt nach Spannkrafteinleitung (t = 0), 27 Tage und ggf. 100 Tage nach Spannkrafteinleitung (t = 27 bzw. 100) zu Grunde gelegt. Die grafische Ermittlung der Übertragungslänge lbp(t=27) veranschaulicht Bild 13. Es ist zu beachten, dass die Dehnungen die Kriechverformungen infolge der Betondruckspannungen beinhalten. Die im Versuch ermittelten Übertragungslängen lbp(t) sind in Bild 14 grafisch aufbereitet. Eine Zusammenfassung, der Ergebnisse sowie ein Vergleich mit den Rechenwerten nach DIN 1045-1 (lbp(DIN1045-1)) auf Grundlage der tatsächlichen Spannstahlspannungen enthält Tabelle 6.

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Bild 13: Ermittlung der Übertragungslänge lbp(t=27) am Balken B2

Bild 14: Im Versuch an SVB ermittelte Übertragungslängen lbp(t) und Vergleich mit

Versuchen von Hegger/Nitsch [1] an Rüttelbeton

lbp(mess) = 1,35 . e80 = 1,35 . 23 cm = 31 cm

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Es ist ersichtlich, dass zwischen den untersuchten Standardbetonen SVB-B1, B2 und C mit einer Betondeckung von c = 2,5 dp keine signifikanten Unterschiede auftraten. Der SVB-B2 weist mit lbp(t=0) = 28 cm lediglich eine etwas geringere Übertragungslänge auf. Bei der Spannkrafteinleitung nach 28 Tagen ergibt sich jedoch eine deutliche Reduzierung von lbp(t=0). Eine Verringerung der Betondeckung auf c = 2,0 dp führte grundsätzlich zu einer Vergrößerung der Übertragungslänge. Zum Vorspannzeitpunkt von ca. 16 h traten noch keine Spaltrisse auf. Im Gegensatz dazu vergrößerten die aufgetretenen Spaltrisse bei einem Vorspannzeitpunkt 40 h und 28 Tagen die Übertragungslänge überproportional. Mit der Zunahme des Vorspannzeitpunktes erhöhten sich sowohl die absolute Übertragungslänge als auch die auf DIN 1045-1 bezogene Übertragungslänge. Bei einer weiteren Reduzierung der Betondeckung auf c = 1,5 dp konnte keine Eintragungslänge ermittelt werden, da der Querschnitt über den gesamten vorgesehenen Balkenabschnitt aufriss.

Bei der Veränderung der Konsistenz und Einsatzes mechanischer Verdichtung anstelle von SVB war festzustellen (bei einer Betondeckung von c = 2,0 dp), dass die Erstrissbildung zu einem früheren Zeitpunkt als bei SVB erfolgt und sich die Eintragungslänge signifikant vergrößerte. Durch den Einsatz von Stahlfasern (SVFB) änderte sich die Übertragungslänge gegenüber dem SVB-B1 nicht signifikant. Da sich die Verarbeitbarkeit als nicht optimal darstellte, sollte für den tatsächlichen Baustelleneinsatz die Mischungszusammensetzung etwas modifiziert bzw. das Leim- und Mörtelvolumen geringfügig erhöht werden. Bei einer Reduzierung des Mehlkorngehaltes (Mischung SVB-B1*) erhöhte sich ebenfalls infolge der Rissbildung die Eintragungslänge gegenüber SVB-B1.

Ein Vergleich der ermittelten Übertragungslängen mit den Versuchsergebnissen von Hegger/Nitsch [1] an Rüttelbetonen zeigt, bei einem relativen Vergleich (Interpolation über die Betondruckfestigkeit), die sehr gute Übereinstimmung der Werte. Dabei ist zu beachten, dass bei Hegger/Nitsch eine günstigere Betondeckung von 3dp vorlag.

Die Übertragungslänge 27 Tage nach Vorspannen lbp(t=27) betrug cirka 110-120 % der Übertragungslänge lbp(t=0) direkt nach Ablassen der Vorspannkraft und erhöhte sich nach 100 Tagen leicht auf cirka 115-125 % (vgl. Tabelle 6). Diese Erhöhung der Übertragungslänge wird durch das in Bild 15 grafisch dargestellte Verbundkriechen hervorgerufen. Es ist dabei jedoch zu beachten, dass der Basiswert e80 zu Ermittlung der

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Übertragungslänge aufgrund der Spannungsumlagerung im System überproportional zur tatsächlich vorhandenen Übertragungslänge lbp ansteigt und daher die Werte lbp(t=27) etwas zu groß sein können.

Bild 15: Vergleich von Verbundspannung, Betondehnung und Spannstahlschlupf zum

Zeitpunkt t = 0 und t = ∞ nach Spannkrafteinleitung

εcm

Bet

onde

hnun

g

0,8

εcm

t = 0

t = ∞

lbp = e80 *1,35 (Definition)

e80 (t=0)

Spannstahl

Spannstahlschlupf s (t = 0)

Beton

e80 (t=∞)

Balkenkopf

τ

Ver

bund

span

nung

Spannstahlschlupf s (t = ∞)

eingeleitete Spannkraft

dxd)x(P pm ⋅Π⋅⋅τ= ∫0

cc

moc EA

P⋅

=ε

Betondehnung

x

εc

s

x

Spa

nnst

ahls

chlu

pf

τ

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Im Versuch nach [5] ermittelte Übertragungslänge sofort, 27 Tage und 100 Tage nach Spannkrafteinleitung lbp(t) [cm]

(lbp(t) / lbp(DIN 1045-1)) Betondeckung

c = 2,5 dp



Zeitpunkt der Vorspannung

Beton

Zeitpunkt nach

Spannkraft-einleitung

14-18 h 28 d 14-18 h 40 h 28 d 14-18 h

SVB-B1 sofort 28 (0,44) 16 (0,30) 45 (0,67) 58 (0,97) 66*(1,24) n.b.*

t = 27 d 33 (0,51) 22 (0,40) 48 (0,72) 66* (1,10) 70* (1,32) n.b.*

t = 100 d 34 (0,53) 24 (0,43) 51 (0,76) 69* (1,15) 73*(1,37) -

SVB-B2 sofort 24 (0,38) - - - - -

t = 27 d 31 (0,48) - - - - -

t = 100 d 32 (0,52) - - - - -

SVB-C sofort 28 (0,44) - - - - -

t = 27 d 32 (0,50) - - - - -

t = 100 d 34 (0,52)

RB-B1 sofort - - - 104* (1,74) - -

t = 27 d - - - 117* (1,97) - -

t = 100 d - - - - - -

SVB-B1* sofort 57*(0,89) - - - - -

t = 27 d 90* (1,43) - - - - -

t = 100 d - - - - - -

SVFB-B1 sofort 28 (0,44) - - - - -

t = 27 d 30 (0,47) - - - - -

t = 100 d 31 (0,49) - - - - -

* An den Balkenköpfen trat Rissbildung infolge der Spaltzugkräfte parallel zum Spanngliedverlauf auf.

n.b. Die Übertragungslänge ist nicht bestimmbar.

Tabelle 6: Ermittelte Übertragungslänge sofort, 27 Tage und 100 Tage nach Vorspannung und Vergleich mit den rechnerischen Mittelwerten nach DIN 1045-1

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Die Auswirkungen des zeitabhängigen Schlupfes nach 100 Tagen bis zum Zeitpunkt t = ∞ wurden mit Hilfe der in Phase 2 gemessenen Kriechverformungen in Verbindung mit den Angaben zum Kriechen in DIN 1045-1 überschlägig berechnet. Danach ergibt sich zum Zeitpunkt t = ∞ eine Übertragungslänge bei Vorspannung nach 16 h von maximal ca. lbp(t =

∞) = lbp(t=100) * 1,1 und bei Vorspannung nach 28 Tagen lbp(t = ∞) = lbp(t=100) * 1,15.

Bild 16 und Bild 17 zeigen einen Vergleich der gemessenen Übertragungslängen lbp sowie der Messwerte nach Hegger/Nitsch [1] und Hegger/Kommer [3] mit den Rechenwerten nach DIN 1045-1 [6] und prEN 1992-1-1 [7] sofort und 100 Tage nach Spannkrafteinleitung. Bei einer Betondeckung von c = 2,5 dp geben die Normen auf Grund der enthaltenen Sicherheitselemente vergleichsweise hohe Übertragungslängen an. Es ist weiterhin ersichtlich, dass die rechnerische Übertragungslänge nach DIN 1045-1 mit zunehmender Betondruckfestigkeit weniger stark abnimmt als nach prEN 1992-1-1.

Bild 16: Vergleich der gemessenen Übertragungslängen lbp mit den Werten nach DIN

1045-1 [6] und prEN 1992-1-1 [7] in Abhängigkeit der Betondruckfestigkeit sofort nach Spannkrafteinleitung

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Bild 17: Vergleich der gemessenen Übertragungslängen lbp mit den Werten nach DIN

1045-1 [6] und prEN 1992-1-1 [7] in Abhängigkeit der Betondruckfestigkeit 100 Tage nach Spannkrafteinleitung

Die bei den Auszugsversuchen (ohne vorherige Vorspannung) festgestellten Verbundspannungen können [8] entnommen werden. Es zeigte sich, dass die gemessen Werte in etwas den Angaben nach DIN 1045-1, Tabelle 7 [6] entsprechen. Es ist jedoch zu beachten, dass bei den Auszugsversuchen die günstige Wirkung des Hoyer-Effektes nicht vorhanden ist.

Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Übertragungslängen bei den untersuchten Selbstverdichtenden Betonen mit einer Betondeckung von 2,5 dp sofort nach Einleitung der Vorspannung lediglich rund 45 % der Mittelwerte nach DIN 1045-1 betragen. Zum Zeitpunkt t = ∞ erreichen die extrapolierten Werte infolge Verbundkriechens noch ca. 55 % des Normwertes. Die Vorspannung wird also auf einer wesentlich kleineren Länge als in DIN 1045-1 angegeben eingeleitet.

Es besteht die Vermutung, dass die Verbundwirkung bei der Berechnung der Übertragungslänge lbp für hochfesten Beton nach DIN 1045-1 generell unterschätzt wird, dies gilt damit auch für Bauteile aus Rüttelbeton. Auch der in [1] vorgebrachte Einwand einer notwendigen Abminderung der Verbundspannungen bei einer Vorspannung zu einem späteren Zeitpunkt als 24 h nach Herstellung erscheint nicht gerechtfertigt.

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Der Bemessungswert der Übertragungslänge lbpd bei ungünstiger Wirkung der Vorspannkraft beträgt nach DIN 1045-1 lediglich 80 % des Mittelwertes mit lbpd = 0,8 lbp. Daher sollte bei Verwendung von SVB kurz nach Einleitung der Vorspannkraft der Bemessungswert der Übertragungslänge nach Gleichung (3) angepasst, d.h. um nochmals 50 % abgemindert werden.

Bei einer günstigen Wirkung der Vorspannkraft liegt man mit der Annahme von lbpd = 1,2 lbp auf der sicheren Seite. Die Annahme einer 50-prozentigen Abminderung nach Gleichung (4) müsste noch einer allgemeinen Überprüfung unterzogen werden. Hierbei ist insbesondere die Streuung der Messergebnisse zu berücksichtigen.

lbpd(SVB) = 0,8 . 0,5lbp = 0,4 lbp (bei ungünstiger Wirkung der Vorspannkraft kurz nach Spannkrafteinleitung)

(3)

lbpd(SVB) = 1,2 . 0,5lbp = 0,6 lbp (bei günstiger Wirkung der Vorspannkraft kurz nach Spannkrafteinleitung) (4)

mit: lbp nach DIN 1045-1, Gleichung 54.

Zum Zeitpunkt t = ∞ beträgt der Mittelwert der Übertragungslänge näherungsweise 55-60 % der Normwerte.

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4. ZUSAMMENFASSUNG

Anhand der Versuche zeigte sich, dass selbstverdichtender Beton mit sehr hoher Frühfestigkeit zur der Spannkrafteinleitung im sofortigen Verbund sehr gut geeignet ist.

Es wurde festgestellt, dass die nach DIBt-Mitteilung (IfBt 6/1980) ermittelte Übertragungslänge lbp bei den untersuchten Selbstverdichtenden Betonen bei einer Betondeckung von c = 2,5 . dp sofort nach Einleitung der Vorspannung lediglich rund 45 % der Rechenwerte nach DIN 1045-1 beträgt. Die Einleitung der Vorspannung erfolgt demnach auf einer wesentlich kleineren Länge als in DIN 1045-1 angegeben.

Es besteht die Vermutung, dass die Verbundwirkung bei der Berechnung der Übertragungslänge lbp in DIN 1045-1 generell unterschätzt wird. Wirkt die Vorspannkraft im Bauteil günstig, liegen die Werte nach DIN 1045-1 daher auf der sicheren Seite. Bei ungünstiger Wirkung der Vorspannung sollte bei Verwendung von SVB der Bemessungswert der Übertragungslänge lbpd nach DIN 1045-1 (kurz nach Einleitung der Vorspannung) jedoch um ca. 50 % abgemindert werden. Zum Zeitpunkt t = ∞ kann für lbpd von 55-60 % der Normwerte ausgegangen werden.

Bei den Spannkrafteinleitungsversuchen zeigte sich, dass die Gefahr der Spaltrissbildung bei SVB insgesamt nicht höher ist als bei Rüttelbetonbauteilen. Die Mindestbetondeckung bei Spannlitzen nach DIN 1045-1 von c = 2,5 . dp stellte sich in jedem Fall als ausreichend dar.

Selbst bei einer Reduzierung auf c = 2,0 . dp traten nicht an allen Bauteilen Spaltrisse auf, wobei bei einer erhöhten Betondruckfestigkeit infolge überproportional großer Spaltzugkräfte die Gefahr der Rissbildung bzw. die Risslänge zunimmt. Daher sind hinsichtlich der erforderlichen Betondeckung zur Einleitung der Vorspannung bei Verwendung von SVB, nach derzeitigem Erkenntnisstand keine von DIN 1045-1 abweichenden Regelungen erforderlich.

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5. DANKSAGUNG

Das Forschungsvorhaben wurde in dankenswerter Weise vom Deutschen Beton- und Bautechnik-Verein E.V. (DBV) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit gefördert.

Bei der Durchführung der Analysen und Versuche erhielten wir von der Firma Dyckerhoff AG sowie der STEAG AG große Unterstützung. Die Zusammenarbeit wurde durch Herrn Dr.-Ing. Hornung und durch Herrn Dr. Lichtmann gewährleistet.

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6. LITERATUR

[1] Heger, J.; Nitsch, A.: Verbundverankerungen in hochfestem Beton. Betonwerk + Fertigeil-Technik, Heft 1, Bauverlag, Wiesbaden, 1999.

[2] Kupfer, H.: Verbund von Spannstahl im Verbund (Vorspannung im sofortigem Verbund). Forschungsbericht, Technische Universität München, 1987.

[3] Hegger, J.; Kommer, B.: Pretensioning in Self-Consolidating Concrete. In: Proceedings of “The Second North American Conference on the Design and Use of Self-Consolidating Concrete and the Fourth International RILEM Symposium on Self – Compacting Concrete, Chicago, USA: 446-452.

[4] Serna, R. P. et al: Bond Characteristics of Prestressed Strands in Self-Compacting Concrete. In: Proceedings of “The Third International Symposium” of Self – Compacting – Concrete, RILEM Publications S.A.R.L, Reykjavik, Iceland, 2003: 684-691.

[5] DIBt: Richtlinie für die Prüfung von Spannstählen auf ihre Eignung zur Verankerung im sofortigen Verbund: Mitteilungen IfBt 6/1980.

[6] DIN 1045-1: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. Teil 1: Bemessung und Konstruktion, Juli, 2001.

[7] prEN 1992-1-1: Design of Concrete Structures, Part 1-1, General Rules and Rules for Buildings. Final Draft, December, 2003.

[8] Graubner, C.-A.; Grübl, P.; Adam, T.; Proske, T.; Rühl, M.: Anwendungsorientierte Entwicklung von hochfestem Selbstverdichtenden Beton mit sehr hoher Frühfestigkeit zur Herstellung von vorgespannten Bauteilen mit sofortigem Verbund; AiF-Nr. 13623 N, DBV-Nr. 253, Abschlussbericht, Darmstadt, 2006.

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E-Mail der Verfasser:

[email protected]

Homepage des Darmstadt Concrete:

http://www.darmstadt-concrete.de

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