Transferprojekt T3

Verstärkung von Balken und Plattenbalken mit textilbewehrtem Beton

Leitung

Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach
Institut für Massivbau

Mitarbeiter

M.Sc. Frank Schladitz
Dipl.-Ing. Annett Brückner

Ziele

Im Teilprojekt T3 sollten die Erkenntnisse der Grundlagenforschung (Teilprojekt D1) auf Bauteile mit praxisrelevanten Abmessungen übertragen werden. Der Herstellungsprozess der textilbewehrten Verstärkungsschichten war unter baupraktischen Bedingungen hinsichtlich Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit zu überprüfen.

Für die textile Bewehrung waren Musterstrukturen zu entwickeln, die möglichst optimal an die Anforderungen einer Querkraftverstärkung angepasst sind. Gegensätzliche Anforderungen wie z. B. eine hohe Zugfestigkeit bei kurzen Verankerungslängen mussten gewichtet und in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt A1 auf die textile Herstellungstechnologie abgestimmt werden.

Entscheidend für die Tragfähigkeit einer Querkraftverstärkung ist deren Verankerung am Stahlbetonbauteil. Anhand von theoretischen Modellen und experimentellen Untersuchungen sollten die Tragmechanismen der Verankerung ergründet werden. In Abhängigkeit von der Tragfähigkeit der Verbundfuge von Steg und Verstärkungsschicht waren zusätzliche konstruktive Lösungen der Verankerung zu erarbeiten.

Die entwickelten Berechnungsansätze aus der Grundlagenforschung waren hinsichtlich ihrer Gültigkeit für großformatige Bauteile zu überprüfen. Durch experimentelle Untersuchungen sollte gezeigt werden, ob Maßstabeffekte die Querkrafttragfähigkeit der Bauteile beeinflussen.

Ergebnisse

Mustergelege zur Querkraftverstärkung

In der baupraktischen Anwendung hat sich gezeigt, dass bei Gelegen mit 45° geneigten Rovings zusätzliche Stützfäden in 0°-Richtung für eine ausreichende Formstabilität notwendig sind. Allein durch das Vernähen und Beschichten der Rovings ist der Verschiebewiderstand des Geleges zu gering. Die Stützfäden verhindern das flächige Verdrehen der Struktur, eine wesentliche Voraussetzung für den maßhaltigen Zuschnitt des Geleges.

Bei der Verarbeitung haben sich Gelege mit einer Maschenweite von 7,2 mm bei einer Rovingfeinheit von 1200 tex als zu dicht erwiesen. Nur mit hohem Zeitaufwand konnte das Gelege in den Feinbeton eingestrichen und ein ausreichendes Durchdringen des Geleges sichergestellt werden. Gelege mit gleicher Rovingfeinheit aber größeren Abständen von 10,8 mm konnten in deutlich kürzeren Zeiten verarbeitet werden.

Die Beschichtung eines Geleges hat maßgeblichen Einfluss auf das Biegeverhalten, die Verankerungslänge und die Zugfestigkeit einer Struktur. Für Querkraftverstärkungen sollten Gelege mit einer geringen Biegesteifigkeit verwendet werden, um an Querschnittsecken Aufbiegungen mit kleinen Ausrundungsradien realisieren zu können. Im Widerspruch dazu stehen die gleichzeitig gewünschten hohen Zugfestigkeiten, die wirtschaftliche Verstärkungen mit geringen Lagenanzahlen ermöglichen.

Mit einem Beschichtungsanteil von 15 % wurde in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt A1 ein akzeptabler Kompromiss für die gegensätzlichen baupraktischen Anforderungen gefunden. Das entwickelte Mustergelege ist in Abb. 1 dargestellt.

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Einfluss der Verstärkung auf den Hauptspannungszustand

Der Hauptspannungszustand, der sich infolge einer äußeren Belastung im Steg eines Bauteiles einstellt, ist vom Verhältnis der Dehnsteifigkeit in Hauptzug- und -druckrichtung abhängig. Je nach Belastung ändern sich die Steifigkeiten aufgrund des nichtlinearen Materialverhaltens des Stahlbetons. Vor allem in Richtung der Zugspannungen reduziert eine steigende Belas­tung durch Rissbildung und Fließen der Stahlbügelbewehrung die Steifigkeit. Die Folge ist ein zunehmend flacher geneigter Druckspannungswinkel.

Im Versuch können Änderungen des Druckspannungswinkels durch Verformungsmessungen auf der Oberfläche des Bauteils nachgewiesen werden (z. B. durch Photogrammmetrie). Der Verformungszustand ist zwar nicht identisch mit dem Spannungszustand aufgrund des nicht­linearen Materialverhaltens und der Anisotropie des Verbundwerkstoffes Stahlbeton, aber er ist vom Spannungszustand abhängig. Damit sind alle Änderungen im Verformungszustand gleichgerichtet auch auf den Spannungszustand zu erwarten.

Die geprüften Probekörper zeigen alle den beschriebenen flacher werdenden Neigungswinkel bis zum Bruchzustand (Abb. 2). Entscheidend für die Bemessung ist jedoch, dass der Neigungswinkel bei den verstärkten Balken sowohl auf gleichem Lastniveau als auch im Bruchzustand steiler ist als bei der unverstärkten Referenz.

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Verankerung der Verstärkung durch den Verbund

Textilbewehrte Querkraftverstärkungen können allein durch den Verbund von Alt- und Neubeton am Stahlbetonbauteil verankert werden, wie die Traglaststeigerungen im Versuch belegen. Die Tragfähigkeit der Verbundfuge begrenzt jedoch die mögliche Verstärkungswirkung. Das Versagen der Verbundfuge ist durch ein sukzessiv fortschreitendes Ablösen der Verstärkungsschicht gekennzeichnet.

Die Grenztragfähigkeit der Verbundfuge sollte durch Messung der Relativverschiebungen zwischen Stahlbetonbauteil und Verstärkungsschicht ermittelt werden. Am oberen Rand der Verstärkung waren in regelmäßigem Abstand induktive Wegaufnehmer zur Verschiebungsmessung in horizontaler und vertikaler Richtung angeordnet.

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Bei allen Versuchen ist ein überproportionaler Anstieg der Relativverschiebungen zuerst an der Messstelle 15 unmittelbar neben der Einzellast zu erkennen (Abb. 3). Danach folgen bei einer etwas höheren Belastung die beiden Messstellen 13 und 11. Am geringsten waren in allen Fällen die Relativverschiebungen an den beiden äußeren Messstellen 9 und 7. Daraus ist zu schließen, dass sich das Ablösen der Verstärkungsschicht ausgehend von der Trägermitte zu den Auflagern hin fortsetzt. Auftretende Schubrisse unterbrechen ein weiteres Fortschreiten des Ablösens.

Der Vergleich der einzelnen Versuche zeigt, dass das Ablösen der Verstärkungsschicht auf sehr unterschiedlichem Lastniveau beginnt, so dass eine Grenztragfähigkeit bisher nicht ermittelt werden konnte. Als Ursache für den unterschiedlichen Beginn des Ablösens werden streuende Haftzugfestigkeiten sowie qualitative Unterschiede in der Ausführung der Verbundfuge vermutet.

Verankerung der Verstärkung durch konstruktive Maßnahmen

Die konstruktiven Lösungen zur Verankerung der Verstärkung wurden an kleinen separaten Schubversuchen hinsichtlich ihrer Ausführbarkeit und Tragfähigkeit beurteilt. Der Versuchsaufbau sowie die verwendeten Schubprobekörper wurden im Teilprojekt C1 (Curbach) entwickelt (Abb. 4).

Die Funktion der konstruktiven Verbindungsmittel besteht darin, die senkrecht zur Verbund­fuge wirkenden Haftzugbeanspruchungen auf den Steg des Stahlbetonbalkens zu übertragen. Die besten Ergebnisse im Schubversuch wurden mit durchgängigen, vorgespannten Ankern erreicht. Durch den Querdruck infolge der Vorspannung konnte ein Verbundversagen im Altbeton wie bei den Referenzversuchen ohne Verankerungsmittel verhindert werden.

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Mit der Höhe der Vorspannung steigt die Tragfähigkeit der Verankerung, sie bleibt aber geringer als die der Referenzversuche. Ursache ist der reduzierte Bewehrungsquerschnitt der Textilbetonlasche im Bereich der Anker aufgrund der notwendigen Bohrung. Ein Ausgleich durch Zulagebewehrung im Verankerungsbereich wurde bisher noch nicht experimentell untersucht.

Verankerungslösungen mit eingeschossenen Nägeln bzw. eingeschraubten Dübeln haben sich als ungeeignet erwiesen. In beiden Fällen konnte kein ausreichender Querdruck aufgebracht werden, um die Tragfähigkeit der Verbundfuge zu steigern. Zusätzlich haben die Nägel den Nachteil, dass deren Einschuss den Altbeton und damit den Verbund nachhaltig schädigt.

Berechnungsansätze

Die Querkrafttragfähigkeit eines Bauteiles resultiert nicht allein aus der Tragfähigkeit der Stegbewehrung, wie die experimentellen Untersuchungen gezeigt haben. Die geprüften Balken und Plattenbalken haben nach dem Fachwerkmodell die gleiche Tragfähigkeit der Stahlbügelbewehrung, die Prüflast der unverstärkten Probekörper war aber bei den Platten­balken deutlich größer als bei den Balken. Der Traglastunterschied verdeutlicht, dass trotz der Schubschlankheit von 3,3 ein nicht unerheblicher Teil der Belastung über einen Druckbogen abgetragen wurde.

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Die Verteilung der Belastung zwischen Stegbewehrung und Druckbogen ist anhand der experimentellen Untersuchungen nicht eindeutig zu ermitteln. Es ist aber davon auszugehen, dass die Schubschlankheit und der Dehnungszustand der Stegbewehrung die Verteilung beeinflussen.

Bei den verstärkten Bauteilen setzt sich die Tragfähigkeit der Stegbewehrung aus den Anteilen der Stahlbügelbewehrung und der textilen Bewehrung zusammen. Auch diese beiden Anteile können experimentell nicht eindeutig bestimmt werden, da wesentliche Parameter wie der Druckstrebenwinkel und die Grenzdehnung der Druck- bzw. Zugstreben messtechnisch nicht zu erfassen sind.

Das klassische Fachwerkmodell der Stahlbügelbewehrung ist für die Bemessung der textilen Bewehrung ungeeignet, da die Zugstreben der textilen Bewehrung oftmals außerhalb der Biegedruckzone enden. Aus diesem Grund wurde zur Bemessung der Querkraftverstärkung ein neues Stabwerkmodell entwickelt.

Stabwerkmodell der textilen Bewehrung

Nach dem allgemein anerkannten Fachwerkmodell (z. B. DIN 1045-1) müssen alle Zug­streben in der Biegedruckzone eines Bauteiles verankert werden. Die experimentellen Unter­suchungen belegen jedoch, dass auch mit Verstärkungen, die außerhalb der Druckzone enden, deutliche Traglaststeigerungen erreicht werden.

Die Verankerung außerhalb der Druckzone lässt sich mit einem Stabwerkmodell mit doppelt geneigten Druckstreben erklären (Abb. 5). Im Unterschied zum herkömmlichen Fachwerk­modell gibt es bei diesem Stabwerk keinen horizontalen Druckgurt, da angenommen wird, dass die Verstärkung vollständig im Bereich der Biegezugzone liegt. Alle Druckstreben treffen sich unterhalb der Einzellast und idealisieren einen druckbogenförmigen Lastabtrag mit Zugband. Aufgrund der vorhandenen Zugstreben können mehrere Druckbögen miteinander gekoppelt werden. Diese sind im Vergleich zum einfachen Druckbogen steiler geneigt, so dass bei gleicher Auslastung aller Druckstreben die Querkrafttragfähigkeit der gekoppelten Druckbögen höher ist.

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Der Neigungswechsel innerhalb der Druckstrebe ermöglicht den Anschluss der schrägen Zugstreben. Im Querschnitt werden die Zugstreben der textilen Bewehrung über einen Druckbogen mit Zugband (Abb. 5b) am Steg verankert. Das Zugband im Querschnitt wird entweder durch die Haftzugfestigkeit des Alt- und Feinbetons oder durch Verankerungs­elemente realisiert, die durch den Steg hindurch die beiden Seitenflächen der Verstärkung gegeneinander verspannen. Eine Verankerung der Verstärkung innerhalb der Druckzone ist nach diesem Modell nicht notwendig.

Rechnerische Beanspruchungen der Verbundfuge

Nachträglich verstärkte Stahlbetonbauteile wirken als Verbundquerschnitt von zwei zusammengesetzten Teilquerschnitten. In ihrer Berührungsfuge sind die Teilquerschnitte starr miteinander gekoppelt. Die Beanspruchungen in der Verbundfuge sind für die Bemessung einer Querkraftverstärkung von entscheidender Bedeutung, denn versagt der Verbund, ist die gesamte Verstärkungsschicht ohne konstruktive Verankerungselemente nicht mehr tragfähig.

Rechnerisch müssen in der Verbundfuge sowohl Scher- als auch Haftzugspannungen über­tragen werden. Die Scherzugspannungen resultieren aus der Behinderung der Relativver­schiebungen zwischen den Teilquerschnitten (Abb. 6). Unter einer Biegebeanspruchung erzwingt der Verbund einen Dehnungsverlauf am Gesamtquerschnitt, dessen Nulldurchgang im Schwerpunkt des Gesamtquerschnittes nicht aber im Schwerpunkt der einzelnen Teilquerschnitte liegt. Das bedeutet, dass beide Teilquerschnitte durch entgegengesetzt gerichtete Normalkräfte beansprucht werden, die über Scherzugspannungen in der Verbundfuge im Gleichgewicht stehen.

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Die Haftzugspannungen in der Verbundfuge werden durch die Verankerung der textilen Bewehrung verursacht. Analog zum herkömmlichen Bewehrungsstahl müssen auch bei der textilen Bewehrung die Zugkräfte im Bereich von Endverankerungen sowie in der Umgebung von Biege- und Schubrissen auf den umgebenden Beton übertragen werden. Die resultie­renden Zugkräfte wirken senkrecht zur Verbundfuge und beanspruchen den Haftverbund zwischen dem Stahlbetonbauteil und der Verstärkungsschicht (Abb. 5b).

Veröffentlichungen

2011

• Curbach, M.; Ortlepp, R.: Leichtes Bauen mit ultrahochfesten und Textilbetonen. In: Bauforschung und Baupraxis, Heft 10: “Wie wollen wir in Zukunft bauen?” – Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Jäger, Dresden, 19.04.2011. S.17-22 - ISBN 978-3-86780-216-1

2010

• Ortlepp, R.; Brückner, A.; Curbach, M.: Influence of Textile Reinforcement on the Principle Stress Condition of Strengthened RC Beams. 3rd International fib Congress, Washington, D.C., May 29 - June 2 2010. Paper 147 – DVD-Rom

2009

• Ortlepp, R.; Brückner, A.; Lorenz, E.: Verbundversagensmechanismen im Verankerungs­be­reich von textilbewehrten Feinbetonverstärkungsschichten. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textile Reinforced Structures : Proceedings of the 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, D–01062 Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 433-446 – ISBN 978-3-86780-122-5 URN: urn:nbn:de:bsz:14-ds-1244049139702-05245
• Jesse, F.; Curbach, M.: Verstärken mit Textilbeton. In: Bergmeister, K.; Fingerloos, F.; Wörner, J.-D. (Hrsg.): Beton-Kalender 2010. Teil I, Berlin : Ernst & Sohn, 2009, S. 457-565
• Curbach, M.; Jesse, F.: Eigenschaften und Anwendung von Textilbeton. In: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009) 1, S. 9-16 – doi:10.1002/best.200800653
• Curbach, M.; Jesse, F.; Ortlepp, R.; Brückner, A.; Weiland, S.: Textile Bewehrung im Betonbau. In: Baradiy, S. et al.: Tagungsband zum 8. Bautechnikforum am 20. März 2009. TU Chemnitz : Selbstverlag, 2009
• Schladitz, F.; Strobelt, J.: Verstärkung eines Tonnendaches – Ein Erfahrungsbericht. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textile Reinforced Structures : Proceedings of the 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, D–01062 Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 586-587 – ISBN 978-3-86780-122-5
• Strobelt, J.; Schladitz, F.; Lorenz, E.: Textilbeton in der Praxis: Verstärkung eines Tonnendaches. Beratende Ingenieure 39 (2009) 9/10, S. 41-45
• Curbach, M.; Hauptenbuchner, B.; Ortlepp, R.; Weiland, S.: Sanierung von Stahlbetonschalen mit textiler Bewehrung. In: Beton im Denkmal. Ästhetik, Funktion, Technologie. Tagungsband 28. Mitteldeutsches Bau-Reko-Kolloquium am 29. April 2009 in Freiberg. Weimar : Verlag der Bauhaus Universität, 2009 – ISBN 978-3-86068-381-1
• Weiland, S.; Curbach, M.: Interaktion gemischter Bewehrungen bei der Verstärkung von Stahlbeton mit textilbewehrtem Beton. In: Curbach, M. (Hrsg.), Jesse, F. (Hrsg.): Textile Reinforced Structures : Proceedings of the 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4) und zur 1. Anwendertagung, Dresden, 3.-5.6.2009. SFB 528, Technische Universität Dresden, D–01062 Dresden : Eigenverlag, 2009, S. 553-564 – ISBN 978-3-86780-122-5 RN: urn:nbn:de:bsz:14-ds-1244051366655-25294

2008

• Curbach, M.; Michler, H.; Weiland, S.; Jesse, D. Textilbewehrter Beton – Innovativ! Leicht! Formbar! In: BetonWerk International 11 (2008) 5, S. 62-72
• Schladitz, F.: Torsion strengthening of reinforced concrete components using Textile Reinforced Concrete (TRC). In: 7th International PhD Symposium in Civil Engineering, Stuttgart, 11.-13.09.2008. – Book of Abstracts, pp. 171-172 and CD-ROM
• Schladitz, F.; Curbach, M.: Increase in the torsional resistance of reinforced concrete members using Textile Reinforced Concrete (TRC). In: 2nd International Conference on Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting (ICCRRR), Cape Town, 24.-26.11.2008. – Book of Abstracts pp. 391-392and CD-ROM – ISBN 978-0-415-46850-3

2007

• Köckritz, U.; Weiland, S.; Curbach, M.; Cherif, Ch.: Gut bedacht mit beschichteten Bewehrungs-textilien Beschichtete gitterartige Bewehrungstextilien und deren Einsatz zur Verstärkung einer Hyparschale in Schweinfurt. Kettenwirkpraxis 41 (2007) 2, S. 20-23
• Brückner, A.; Ortlepp, R.; Curbach, M. Anchoring of TRC Shear Strengthening for T-Beams. In: Proceedings of the 8th International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures (FRPRCS-8), Patras, 16.–18.07.2007. Book of Abstracts and CD-ROM, S. 640–641 – Paper-ID 17-8
• Curbach, M.; Brückner, A.; Ortlepp, R.; Weiland, S.: Textilbewehrter Beton – Anwendung für Verstärkungen. In: DAFSTB (Hrsg.): Neue Entwicklungen im Betonbau: Tagungsband der Fachtagung 2007 des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin, 8.–9.3.2007.
• Diederichs, U.; Hauptenbuchner, B.; Müther, U.; Weiland, S.: Obnova hyperparabolické skořepi-nové střechy nad auditorium maximum university aplikovaných věd ve Schweinfurtu, německo (Restauration of the hyper parabolic shell roof over the auditorium maximum of the university of applied science in Schweinfurt, Germany). In: SANACE 2007, 17th International Symposium REPAIR 2007, Brno, 16.-18. May 2007
• Rustler, G.; Schmidt, F.; Weiland, S.: Stahlbeton-Schalentragwerk der Fachhochschule Schweinfurt – Neuartige Verstärkung mit textilbewehrtem Beton. In: bau intern. Zeitschrift der Bayrischen Staatsbauverwaltung für Hochbau, Städtebau, Woh-nungsbau, Straßen- und Brückenbau (2007), September/Oktober, Nr. 5, S. 16-18

2006

• Curbach, M.; Ortlepp, R.; Triantafillou, T. C.: TRC for rehabilitation. In: Brameshuber, W. (Hrsg.): Textile Reinforced Concrete : State-of-the-Art Report of RILEM Technical Committee 201 – TRC: Textile Reinforced Concrete. Bagneux : RILEM, Report 36, 2006, S. 221–236 – ISBN 2-912143-99-3
• Brückner, A.; Ortlepp, R.; Curbach, M.: Textile Reinforced Concrete for Strengthening in Bending and Shear. In: Materials and Structures. 39 (2006) 8, S. 741–748 – doi: 10.1617/s11527-005-9027-2

2005

• Brückner, A.; Ortlepp, R.; Curbach, M.: Neueste Forschungsergebnisse zur Querkraftverstärkung mit textilbewehrtem Beton. (Newest Research Findings of Shear Strengthening with Textile Reinforced Concrete). In: Techtextil Symposium, Frankfurt, 07.–09.06.2005. – CD-ROM
• Brückner, A.; Ortlepp, R.; Weiland S.; Curbach, M.: Shear Strengthening with Textile Reinforced Concrete. In: 3rd International Conference Composites in Construction, Lyon, 11.-13.07.2005. Lyon : Université Lyon / Laboratoire Mécanique Matériaux et Structures, 2005, S. 1307-1314
• Brückner, A.; Ortlepp, R.; Weiland, S.; Curbach, M.: Textile Structures for Shear Strengthening. In: Alexander, M. (Edt.); Beushausen, H.-D. (Edt.); Dehn, F. (Edt.); Moyo, P. (Edt.): International Conference on Concrete Repair, Rehabilitation and Retro- fitting, Cape Town, 21.-23.11.2005. London : Taylor & Francis Group, 2005, p. 456-457 – Book of abstracts and CD-Rom

2004

• Möller, B.; Brückner, A.; Ortlepp, R.; Steinigen, F.: Verstärken mit textilbewehrtem Beton - Experimente und numerische Simulation. In: Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004) 6, S. 466-471 – doi:10.1002/best.200490118