RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM Fakultät für Bauingenieurwesen Lehrstuhl und Institut für Stahlbeton- und Spannbetonbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. F. Stangenberg

Baustoffkreislauf im Massivbau

Einfluß von Sekundärzuschlägen auf die bemessungsrelevanten Eigenschaften von Stahlbeton

Zwischenbericht 06/98

Erstattet von:
Dipl.-Ing. Sufang Lü

1. Problemstellung

Die Schubtragfähigkeit eines Stahlbetonbalkens im rechnerischen Bruchzustand ist von der Querkrafttragfähigkeit

• der Rißverzahnung,
• der Betondruckzone und
• der Verdüblungswirkung der Bewehrung

abhängig.

Bevor Recyclingmaterialien als Zuschläge für Konstruktionsbeton verwendet werden, ist im Rahmen dieses Teilprojekts zu prüfen, ob das Schubverhalten des Recyclingbetons eine vergleichbare Größenordnung wie das des konventionellen Betons aufweist. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die einzelnen Beiträge der obengenannten drei Komponenten an der Querkrafttragfähigkeit zu ermitteln. Hierfür sind experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Versuchskörpern erforderlich.

2. Scherversuche

Zur Erfassung der Schubtragfähigkeit eines Stahlbetonbalkens aus Recyclingbeton ist vor allem die Querkrafttragfähigkeit der Rißverzahnung (unten auch als Rißverzahnungskraft bezeichnet) zu untersuchen, hierbei soll zunächst die Rauhigkeit der Rißfläche diskutiert werden.
Bei der Betrachtung der Rißverzahnung kann die Rauhigkeit der Rißfläche in einem globalen und in einem lokalen System beschrieben werden.

Unter globaler Rauhigkeit der Rißfläche wird die Veränderlichkeit des Rißverlaufes infolge Inhomogenität des Betons und der Streuung der Betonzugfestigkeit verstanden. Die lokale Rauhigkeit entsteht durch den Verlauf der Rißfläche. Bei üblichem Beton erfolgt die Rißbildung in der Regel entlang der Grenzschichten zwischen Zementmatrix und Zuschlägen, weil die Haftzugfestigkeit in dieser Kontaktzone die schwächste Stelle des Systems bildet.

Im Recyclingbeton sind zwei solche Kontaktzonen zu beobachten, nämlich die Grenzschichten zwischen den natürlichen Zuschlägen und der an dem natürlichen Zuschlag anhaftenden Zementmatrix sowie die Grenzschichten zwischen der anhaftenden Zementmatrix und der normalen Zementmatrix. Ferner ist durch den Brechvorgang eine Vorschädigung in den Körnern der Recyclingzuschläge entstanden. Es ist daher nicht eindeutig, welche Zone hier die schwächste Stelle des Systems bildet. Die Fragen, wo erfolgt die Rißbildung und wie können die inneren Kräfte im Fugenbereich des gerissenen Stahlbetonbalkens übertragen werden, sind noch durch Versuche zu klären.

Die einzelnen größeren Zuschlagkörner treten im Fugenbereich des Stahlbeton-balkens aus der Rißebene hervor und bilden die Kornverzahnung aus (Bild 2). Eine geringere parallele Verschiebung der Rißufer v kann in diesem Bereich gewisse Verformungs- und Reibungskräfte bewirken. Dadurch werden in der gesamten Rißfläche die Rißnormalspannungen s und Schubspannungen t aktiviert, die von den Rißverformungen abhängig sind. Eine größere Schubspannung t kann von Rißufer zu Rißufer übertragen werden, solange die Rißbreite w durch Bewehrung bzw. durch eine äußere Kraft begrenzt ist.

Um den Zusammenhang zwischen Rißverformungen und Rißspannungen zu ermitteln, wird folgende Versuchseinrichtung gewählt (Bild 3).

Der Versuchskörper hat eine Länge von 100 cm, eine Breite von 33 cm und eine Tiefe von 15 cm. Beide Kerben werden durch geeignete Schalung ausgespart. Die Tiefe der Kerbe ist 16,5 cm, so daß die Scherfläche genau in der Mittelachse des Probekörpers steht. Die Höhe der Scherfläche ist 36 cm. Um einen Scherbruch in der definierten Fläche zu erhalten, wird der Beton außerhalb des Mittelbereichs durch Bewehrung verstärkt.

Der Probekörper wird liegend in konventioneller Holzschalung betoniert, er bleibt bis zum 7. Tage in Plastikfolie und wird anschließend im Hallenkeller bei ca. 20°C und 65% relativer Luftfeuchte bis zum Prüftermin gelagert. Im Alter von 28 Tagen wird die Probe statisch geprüft.

Die Belastung wird kontinuierlich aufgebracht. Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt 0,2 mm/min. Bei einer Schubverschiebung v öffnen sich gleichzeitig die Risse. Damit wird die Rißnormalkraft senkrecht zur Rißfläche aktiviert. Die Rißnormalspannungen s ergeben sich aus den elastischen Verformungen der beiden außerhalb des Probekörpers angebrachten Zugglieder. Mit zunehmender Rißbreite steigen die Rißnormalspannungen und somit auch die Schubspannungen an. Wenn die Rißbreite einen Grenzwert überschreitet, kann die Schubkraft von Rißufer zu Rißufer nicht mehr sicher übertragen werden, dann tritt plötzliches Versagen auf.

Aus den Versuchsergebnissen werden die Schubspannungen des Recyclingbetons bei Erstrißbildung ermittelt. Darüber hinaus kann der Beitrag der Rißverzahnung an der Querkrafttragfähigkeit bestimmt werden. Die Ergebnisse werden mit Schub-versuchen an Balken kontrolliert.

3. Schubversuche an Balken

Die Art des Versagens infolge Querkrafteinwirkung wird wesentlich von der Schubschlankheit l_s bestimmt. Im Fall einer Belastung durch zwei Einzellasten ist die Schubschlankheit durch das Verhältnis zwischen dem Abstand der Einzellast vom Auflager a und der statischen Höhe d definiert.

Bei Schubschlankheiten l_s<3 nimmt die Schubtragfähigkeit mit abnehmendem Verhältnis a/d stark zu, während sie bei Schubschlankheiten a/d > 3 nahezu unabhängig von a/d ist. Bei den gedrungenen Bauteilen (a/d<3) bilden sich bogen- bzw. sprengwerkartige Druckstreben aus, die die Querkraft direkt in die Auflager weiterleiten. Das Versagen des Bauteils wird in der Regel durch ein Druckversagen des Betons im Lasteinleitungsbereich verursacht.

Bei größeren Schubschlankheiten (a/d>3) entwickelt sich der maßgebende Schrägriß aus einem der im Bereich der Längsbewehrung vertikal verlaufenden Biegerisse. Das Versagen tritt ein, wenn sich der Schrägriß nach anfänglich stabilem Wachstum schlagartig in die Betondruckzone fortpflanzt.

Ein Anteil der Querkraft wird von der oberhalb des Schrägrisses verbleibenden, ungerissenen Druckzone übertragen. Aufgrund der parallelen Verschiebungen der beiden Rißufer hat die Kornverzahnung die Querkraft weitergeleitet. Durch eine gegenseitige Vertikalverschiebung der Rißufer wird die Verdüblungswirkung der Bewehrung aktiviert.

Nach den Ergebnissen von Taylor lassen sich die drei Anteile wie folgt abschätzen:

Um die drei Komponenten beim Recyclingbeton zu betrachten und zu quantifizieren, sind Balken mit unterschiedlichen Fugenbildungen zu untersuchen (Bild 4). Der Balken hat eine Stützweite von 1,4 m und wird mit 2 Stäben, Durchmesser 16 mm, bewehrt. Er hat eine Höhe von 20 cm und eine Breite von 15 cm. Die Betondeckung beträgt 2,5 cm und die Schubschlankheit liegt bei 3,3. Zur Vermeidung eines Verankerungsbruchs der Bewehrung wird der Überstand am Auflager zu 25 cm gewählt.

Die Versuche erfolgen in zwei Abschnitten. Als erstes werden die Balken ohne Fugenbildungen getestet. Die Balken werden stehend in konventionellen Holz-schalungen hergestellt. Sie bleiben bis zum 7. Tag unter Plastikfolie und liegen schließlich im Hallenkeller auf Paletten bei ca. 20°C/65 LF. Im Alter von 28 Tagen werden die Balken statisch geprüft. Die Belastungsgeschwindigkeit ist 0,3 mm/min.

Aus den Ergebnissen an Balken ohne Fugenbildungen werden die Stellen der Hauptschrägrisse bestimmt. Danach werden die Balken mit Fugenbildungen betoniert. Hieran orientiert sich die Lage und der Verlauf der Fuge. Die Herstellung der Balken erfolgt in zwei Arbeitsschritten, zunächst werden die Mittelteile, drei Tage später die Außenteile betoniert. Sind die Außenteile 28 Tage alt, werden die Balken geprüft.

Durch Einlage von Trennschichten entlang des Verlaufes der Schrägrisse wird die Wirkung der Kornverzahnung bzw. der Betondruckzone unterbunden. Die Abgrenzung der drei Anteile ist aus den Versuchsergebnissen zu gewinnen.

4. Weitere Vorgehensweise

Der Einfluß der Sekundärzuschläge auf die weiteren Bemessungsgrößen (wie Rißbreiten und -abstand, die erforderliche Verankerungslänge der Bewehrung etc.) ist noch durch experimentelle Untersuchungen an Biegebalken zu ermitteln. Hierfür sind Versuche an Biegebalken mit ca. 4m Stützweite vorgesehen.

Aufgrund der Versuchsergebnisse ist die Modellvorstellung zur Ermittlung des Einflusses der abweichenden Bemessungsgrößen auf die Tragsicherheit des Querschnitts zu entwickeln. Die theoretischen Ergebnisse sind mit den experimentellen Ergebnissen zu überprüfen.