Verankerungslänge: Unterschied zwischen den Versionen

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Die Verankerungslänge bezeichnet die Verlängerung von Bewehrungsstäben über ihre rechnerische Notwendigkeit hinaus, um die am Stabende noch vorhandene Randzugkraft in den Beton einzuleiten. Die Bestimmung der Verankerungslänge gehört zu den nötigen Nachweisen eines Bauteils und gliedert sich in die konstruktive Durchteilung ein.
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[[Datei:Verankerungslänge 8.JPG‎|300px|right]]
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Die Verankerungslänge bezeichnet den Abschnitt am Ende eines Bewehrungsstabes, in dem die am Beginn der Verankerungslänge wirkende Zug- oder Druckkraft vollständig über Verbund in den Beton eingeleitet wird. Ziel der Bemessung der Verankerungslänge ist, dass keine Überschreitung der Trägfähigkeit der Betonkonsole und der Zugfestigkeit des Betons in Querrichtung stattfindet.
  
Zu erstellen:
 
  
- Seite Verankerungslänge
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= Allgemeines=
  
- Bsp Endauflager
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Endet ein Stab sind die Zugkräfte am Stabende im beton zu verankern. Die Verankerung kann über Verbund oder mechanische Verbindungsmittel z.B. Ankerplatten erfolgen. Die Verankerung über Verbund ist die einfachste und wirtschaftlichste Methode, Verankerungen mit mechanischen Verbindungsmitteln sind nur in Sonderfällen sinnvoll und sollen nicht Thema dieser Seite sein. Die Sicherstellung einer ausreichenden Verankerungslänge gehört zu den notwendigen Nachweisen eines Bauteils und gliedert sich in den Arbeitsabschnitt "konstruktive Durchbildung der Bewehrung" ein.
  
- Bsp Zwischenauflager
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== Verbund zwischen Beton und Stahl ==
  
- Bsp Außerhalb vom Auflager
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[[Datei:Verankerungslänge 1.JPG‎|300px|thumb|Kraftübertragung zwischen Beton und Stahl|right]]
 
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Die Übertragung von Kräften zwischen Beton und Bewehrungsstahl erfolgt über den Haft-, Reib- und Formverbund, den größten Anteil an der Kraftübertragung hat hierbei der Formverbund. Da bei der Berechnung auch nur der Formverbund berücksichtigt wird, wird auf den Haft- und Reibverbund im folgenden nicht näher eingegangen.
- Bsp Konsole
 
 
 
- Bsp Einzelfundament
 
  
- Bsp Kragarmende
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Bei dem genormten Betonstahl wird der Formverbund durch eine Oberflächenprofilierung in Form von Ripppen sichergestellt. Haupteinflussfaktoren auf den Formverbund sind die Form und Neigung der Rippen, die Rippenhöhe und der Rippenabstand. Bei geringen Relativverschiebungen zwischen Bewehrung und Beton stützen sich die Rippen auf dem Beton ab, eine Art Betonkonsole entsteht.
  
== Allgemeine Informationen ==
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Aufgrund der Anordnung und Form der Rippen findet die Kraftübertragung in Form von ringförmigen schrägen Betondruckstreben statt. Aus Gleichgewichtsgründen bilden sich außerdem Zugspannungsringe senkrecht zur Stabachse.<ref>Vgl. Avak, Ralf: Stahlbetonbau in Beispielen. DIN 1045. Teil 1, Köln 2007 (5. Auflage), S. 53.</ref> Damit sich diese Zugspannungen aufgenommen werden können, muss eine ausreichende Betondeckung vorhanden sein. Eine zu geringe Betondeckung oder ein zu geringer Stababstand können Längsrisse parallel zur Stabachse zur Folge haben und damit die Verbundwirkung beeinträchtigen.<ref>Vgl. Wommelsdorff, Otto; Albert, Andrej; Fischer, Jürgen: Stahlbetonbau. Bemessung und Konstruktion. Teil 1, Köln 2017 (11. Auflage), S. 87.</ref>. Die Tragfähigkeit der Verankerung ist maßgeblich davon abhängig ob die Rissbildung infolge Querzugspannungen im Verankerungsbereich verhindert wird oder nicht <ref Name = "Q2">Zilch,K., Zehetmaier,G., Bemessung im konstruktiven Betonbau, 2. Auflage, Berlin/Heidelberg: Springer Verlag, 2006</ref>.
  
=== Verbund zwischen Beton und Stahl ===
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Wegen der Querzugspannungen ist im Verankerungsbereich grundsätzlich Querbewehrung anzuordnen. Die in der Norm geforderte Querbewehrung ist in der Regel allerdings bereits durch die Mindestquerbewehrung bei Platten oder die Mindestquerkraftbewehrung bei Balken vorhanden,
  
[[Datei:Verankerungslänge 1.JPG‎|300px|thumb|Kraftübertragung zwischen Beton und Stahl|right]]
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== Verbundfestigkeit ==
Die Übertragung von Kräften zwischen Beton und Bewehrungsstahl erfolgt über den Verbund zwischen beiden Materialien. Der gerippte Stahl überträgt durch Form- und Kraftschluss Belastung an den Beton. Von den Rippen strahlen kegelförmig Druckspannungskomponenten in den Beton aus. Aus Gleichgewichtsgründen bilden sich ab einem gewissen Punkt Zugspannungsringe senkrecht zur Stabachse.<ref>Vgl. Avak, Ralf: Stahlbetonbau in Beispielen. DIN 1045. Teil 1, Köln 2007 (5. Auflage), S. 53.</ref> Damit sich diese Zugringe bilden können, muss eine ausreichende Betondeckung vorhanden sein. Zu wenig Betondeckung oder Stababstand würde Längsrisse parallel zur Stabachse zur Folge haben.<ref>Vgl. Wommelsdorff, Otto; Albert, Andrej; Fischer, Jürgen: Stahlbetonbau. Bemessung und Konstruktion. Teil 1, Köln 2017 (11. Auflage), S. 87.</ref>
 
  
Die Stärke des Verbunds wird mit der Verbundspannung <math>f_{bd}</math> bezeichnet. Sie wird berechnet mit
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Die Größe der aufnehmbaren Verbundspannung wird als Verbundfestigkeit bezeichnet. Sie ist abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Bewehrungsstabs und der Betonzugfestigkeit. Die Berechnung der Verbundfestigkeit kann mit folgender Gleichung erfolgen, die Gleichung ist nur für Betonstahl nach DIN EN 10080 <ref Name = "Q1">DIN EN 10080, Stahl für die Bewehrung von Beton - Schweißgeeigneter Betonstahl - Allgemeines, Beuth-Verlag, 2005</ref> anwendbar, eine Anwendung für Stäbe mit anderen Eigenschaften z.B. glatte Bewehrungsstäbe ist nicht zulässig.
  
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:<math>f_{bd} = 2,25 \cdot \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot \frac{f_{ctk;0,05}}{\gamma_c}</math>
<math>f_{bd} = 2,25 \cdot \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot \frac{f_{ctk;0,05}}{\gamma_c}</math>
 
  
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Dabei ist
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wobei:
  
{|
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:{|
 
|-
 
|-
 
| <math>\eta_1</math> || ein Beiwert für die Verbundbedingungen
 
| <math>\eta_1</math> || ein Beiwert für die Verbundbedingungen
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| <math>f_{ctk;0,05}</math> || der 5 %-Quantil-Wert der charakteristischen Betonzugfestigkeit  
 
| <math>f_{ctk;0,05}</math> || der 5 %-Quantil-Wert der charakteristischen Betonzugfestigkeit  
 
|-
 
|-
| <math>\gamma_c</math> || der Materialbeiwert für Beton
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| <math>\gamma_c</math> || der Teilsicherheitsbeiwert für die Betonfestigkeit
 
|}
 
|}
  
 
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[[Datei:Verankerungslänge 11.jpg‎|300px|thumb|Festlegun der Bereiche mit guten und mäßigen Verbundbedingungen nach <ref Name = "Q5"></ref>|right]]
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Mit dem Beiwert <math>\eta_1</math> wird die Lage der Bewehrung im Bauteil berücksichtigt. Abhängig von der Lage wird zwischen guten und mäßigen Verbundbedingungen unterschieden. Mäßige Verbundbedigungen entstehen, wenn während des Verdichtens Luft und Wasser im Beton nach oben transportiert werden und sich unter oben liegenden Stäben ansammeln. Nach der Aushärtung des Betons bilden sich hier Poren oder Ablösungen, so dass der Verbund zwischen Beton und Stahl in diesem Bereich beeinträchtigt ist.
  
Der Beiwert <math>\eta_1</math> beschreibt die Verbundbedingungen der Verankerung. Dabei gilt
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Als Stäbe mit guten Verbundbedigungen gelten Stäbe, welche sich während des Betonierens im unteren Bereich (vgl. Grafik) des Bauteils befinden sowie Stäbe mit einer Neigung >45° bezogen auf die Betonierrichtung. Nähere Informationen zu den Verbundbedingungen können der Grafik entnommen werden. Die Werte für <math>\eta_1</math> werden im EC2 <ref Name = "Q5">DIN EN 1992-1-1, Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau, Beuth-Verlag, 2011</ref> folgendermaßen definiert:
  
{|
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:{|
 
|-
 
|-
 
| <math>\eta_1 = 1,0</math> || für gute Verbundbedingungen
 
| <math>\eta_1 = 1,0</math> || für gute Verbundbedingungen
 
|-
 
|-
 
| <math>\eta_1 = 0,7</math> || für mäßige Verbundbedingungen
 
| <math>\eta_1 = 0,7</math> || für mäßige Verbundbedingungen
 +
|}
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Der Beiwert <math>\eta_2</math> berücksichtigt sehr große Stabdurchmesser. Ab einem Grenzwert von Ø<sub>s</sub> = 32 mm nimmt die Verbundfestigkeit bei sonst gleich bleibenden Bedingungen aufgrund der erhöhten Spaltrissgefahr ab. Der Beiwert wird berechnet mit
 +
 +
:{|
 +
|-
 +
| <math>\eta_2 = 1,0</math> || für Ø<sub>s</sub> ≤ 32 mm
 +
|-
 +
| <math>\eta_2 = (132 - \varnothing_s)/100</math> || für Ø<sub>s</sub> > 32 mm
 
|}
 
|}
  
 
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Vereinfacht betrachtet befinden sich Bewehrungsstäbe in den oberen 30 cm eines Bauteils im mäßigen Verbund, weil während des Rüttelns festere Bestandteile des Betons nach unten sinken und sich unter oben liegenden Stäben Wasserblasen bilden können, sodass der Verbund zwischen Beton und Stahl schwächer wird. Genaue Darstellungen guten und mäßigen Verbunds befinden sich in EC 2, 8.4.2.
+
Die Zugfestigkeit <math>f_{ctk;0,05}</math> ist auf die Betondruckfestigkeit <math>f_{ck}</math> zurückführbar. Am einfachsten ist es daher, Tabellen zu benutzen, aus denen die Zugfestigkeit <math>f_{ctk;0,05}</math> bzw. die Verbundfestigkeit <math>f_{bd}</math> in Abhängigkeit von <math>f_{ck}</math> ablesbar sind.<ref Name = "Schneider">Albert, Andrej (Hg.): Schneider Bautabellen für Ingenieure, Köln 2020 (24. Auflage), S. 5.108.</ref>. Da der Beton mit zunehmender Festigkeit spröder wird, wird die Betonzugfestigkeit für die Ermittlung der Verbundfestigkeit auf den Wert für C60/75 begrenzt.
  
Der Beiwert <math>\eta_2</math> betrachtet große Stabdurchmesser. Ab einem Grenzwert von <math>\O_s = 32 mm</math> nimmt die Verbundfestigkeit bei sonst gleich bleibenden Bedingungen ab. Der Beiwert wird berechnet mit
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==Einflussfaktoren auf die Verankerungslänge==
<math>\eta_2 = 2,25 \cdot \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot \frac{f_{ctk;0,05}}{\gamma_c}</math>
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Im folgenden wird auf Faktoren eingegangen, welche die Verankerungslänge beeinflussen:
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<li>'''Stabdurchmesser:'''
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Mit abnehmendem Stabdurchmesser nimmt die Mantelfläche des Stabs im Verhältnis zur Querschnittsfläche zu. Hierdurch steht eine größere Fläche für die gleiche zu übertragende Zugkraft zur Verfügung, was sich positiv auf die Verankerungslänge auswirkt. Aus Sicht der Verankerungslänge ist es daher sinnvoll mehrere dünnere Stäbe zu verwenden als wenige große.
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</ul>
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<li>'''Stahlspannung:'''
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Der Einfluss der Stahlspannung ist ähnlich zu dem des Stabdurchmessers. Mit abnehmender Stahlspannung müssen bei gleicher zur Verfügung stehenden Mantelfläche weniger Zugkräfte in den Beton übertragen werden. Steuern lässt sich die Stahlspannung bei vorgegebener Belastung durch die gewählte Bewehrungsquerschnittsfläche. Mit zunehmender Bewehrungsquerschnittsfläche nimmt die Stahlspannung ab. Eine Vergrößerung der Bewehrungsquerschnittsfläche muss für die Verringerung der Stahlspannung nicht auf der gesamten Stablänge vergrößert werden, sie kann auch nur im Bereich der Verankerungslänge durch die Anordnung einer Zulagebewehrung vergrößert werden.
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</ul>
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<li>'''Betonfestigkeitsklasse:'''
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Die Betonfestigkeitsklasse hat über die von ihr abhängige Betonzugfestigkeit Einfluss auf die Verankerungslänge, außerdem steigt durch die steigende Druckfestigkeit auch die Tragfähigkeit der Betonkonsole. Mit zunehmender Zugfestigkeit nimmt die erforderliche Verankerungslänge ab.
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</ul>
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<li>'''Querdruck:'''
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Querdruck hat einen positiven Einfluss auf die Verankerungslänge, da hierdurch der Verbund zwischen Beton und Bewehrung erhöht wird. Außerdem können unter Querdruck größere Querzugspannungen durch den Beton aufgenommen werden. Querdruck ist üblicherweise im Auflagerbereich vorhanden.
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</ul>
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<li>'''Querzug:'''
 +
Querzug hat den gegenteiligen Effekt wie Querdruck. Die Verankerungslänge erhöht sich, da sich der Verbund zwischen Bewehrung und Beton verschlechtert und weniger Querzugspannugen infolge der Verankerung aufgenommen werden können.
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</ul>
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<li>'''Lage des Stabs im Bauteil:'''
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Auf den Einfluss der Lage des Stabs im Bauteil wurde bereits früher auf dieser Seite genauer eingegangen. In Bereichen mit mäßigen Verbundbedingungen sind kleinere Verankerungslängen erforderlich als in Bereichen mit mäßigen.
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</ul>
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== Kleine Herleitung der Verankerungslänge ==
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Im Zuge der Bemessung eines Bauteils wird die nötige Bewehrung bereichsweise für die jeweils maximalen auftretenden Schnittgrößen bestimmt. In der anschließenden konstruktiven Durchbildung wird dann zum Beispiel im Rahmen der [[Zugkraftdeckung]] die ermittelte Zugbewehrung dem tatsächlichen Momentenverlauf angepasst und abgestuft. Die so entstehenden Stabenden können nicht direkt an dem Punkt, an dem sie rechnerisch nicht mehr benötigt werden, enden. Vielmehr muss die an diesem Punkt noch im Stab vorhandene Zugkraft im Beton „verankert“ werden, weshalb dieser zusätzliche Stababschnitt als Verankerungslänge <math>l_b</math> bezeichnet wird.
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[[Datei:Verankerungslänge 9.JPG‎|300px|thumb|Verlauf der Verbundspannungen|right]]
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<!--Zur Ermittlung der Verankerungslänge wird die zwischen Stahl und Beton wirkende Verbundspannung vereinfachend als konstant angenommen, eine Gegenüberstellung mit dem tatsächlichen Verlauf ist im Bild rechts dargestellt. Der Unterschied zwischen Gebrauchszustand (Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit) und Bruchzustand (Grenzzustand der Tragfähigkeit) erklärt sich hierbei über das Tragverhalten des Betons.//-->
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Bei niedriger Beanspruchung ist der Beton an der Stelle der Lasteinleitung ungeschädigt und die Verbundspannung dementsprechend hoch. Erhöht sich die Belastung, so wird der Beton zunächst an der Lasteinleitungsstelle geschädigt (plastisch deformiert), wodurch sich die Verbundspannung in die vorher weniger beanspruchten Bereiche umlagert.<ref>Vgl. König, Gert; Tue, Nguyen Viet: Grundlagen des Stahlbetonbaus. Einführung in die Bemessung nach DIN 1045-1, Wiesbaden 2003 (2. Auflage), S. 416.</ref> In der Berechnung wird dieses komplexe Umlagerungsverhalten nicht berücksichtigt und die Verbundspannung wird als über die Verankerungslänge und den Stabumfang konstant angesetzt.
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[[Datei:Verankerungslänge 8.JPG‎|300px|thumb|Grundlage der Verankerungslänge|right]]
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In der dargestellten Skizze muss die Zugkraft <math>F_{sd}</math> vom Stab in den Beton mittels Verbundspannung übertragen werden. Aus Gleichgewichtsgründen gilt nun, dass die zu verankernde Zugkraft <math>F_{sd}</math> kleinergleich der Verbundfestigkeit <math>f_{bd}</math> multipliziert mit der Mantelfläche des Stabes <math>l_b \cdot u</math> sein muss, also:
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:<math>F_{sd} = f_{bd} \cdot l_b \cdot u</math>
  
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Der Umfang des Bewehrungsstabes wird berechnet mit
  
Die Zugfestigkeit <math>f_{ctk;0,05}</math> ist auf die Betondruckfestigkeit <math>f_{ck}</math> zurückführbar. Deshalb existieren Tabellen, aus denen die Verbundfestigkeit <math>f_{bd}</math> in Abhängigkeit von <math>f_{ck}</math> ablesbar ist.<ref>Albert, Andrej (Hg.): Schneider Bautabellen für Ingenieure, Köln 2020 (24. Auflage), S. 5.108.</ref>
+
:<math>u = \pi \cdot \varnothing_s</math>
  
=== Theoretischer Hintergrund der Verankerungslänge ===
+
Die Gleichung für <math>F_{sd}</math> umgestellt nach der benötigten ("required") Verankerungslänge ergibt
  
=== Formen und Beiwerte der Verankerungslänge ===
+
:<math>l_{b,rqd} = \frac{F_{sd}}{\pi \cdot \varnothing_s \cdot f_{bd}}</math>
  
==== Grundwert der Verankerungslänge ====
+
Die bisher unbekannte Zugkraft <math>F_{sd}</math> ist das Produkt von Stahlspannung <math>\sigma_{sd}</math> und Bewehrungsfläche <math>A_s</math>. Die Bewehrungsfläche eines Stabs ist <math>A_s = \frac{\pi}{4} \cdot \varnothing_s^2</math>. Eingesetzt in die Gleichung der Verankerungslänge ergibt sich
  
Der Grundwert der Verankerungslänge <math>l_{b,rqd}</math> ist abhängig von drei Größen: dem Stabdurchmesser <math>\O_s</math>, der Stahlspannung <math>{\sigma}_{sd}</math> und der Verbundfestigkeit <math>f_{bd}</math>. Für eine kurze Verankerungslänge sorgen kleine Stabdurchmesser, eine geringe Stahlspannung und hohe Verbundfestigkeit. Die Formel zur Bestimmung von <math>l_{b,rqd}</math> lautet
+
:<math>l_{b,rqd} = \frac{\frac{\pi}{4} \cdot \varnothing_s^2 \cdot \sigma_{sd}}{\pi \cdot \varnothing_s \cdot f_{bd}} = \frac{\varnothing_s}{4} \cdot \frac{\sigma_{sd}}{f_{bd}}</math>
 +
Diese Gleichung wird auch als Grundwert der Verankerungslänge bezeichnet. Wenn im Verankerungsbereich nicht die volle Stahlspannung ausgenutzt wird, darf die Verankerungslänge proportional zum Verhältnis von vorhandener zu erforderlicher Bewehrung reduziert werden. Diese Abminderung wird i.d.R. im Rahmen der Spannungsermittlung berücksichtigt:
  
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+
:<math>\sigma_{sd} = f_{yd} \cdot \frac{A_{s,erf}}{A_{s,vorh}}</math>
<math>l_{b,rqd} = \frac{\O_s}{4} \cdot \frac{{\sigma}_{sd}}{f_{bd}}</math>
 
  
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== Formen und Beiwerte der Verankerungslänge ==
  
==== Bemessungswert der Verankerungslänge ====
+
=== Bemessungswert der Verankerungslänge ===
 
[[Datei:Verankerungslänge 2.png‎|200px|thumb|right]]
 
[[Datei:Verankerungslänge 2.png‎|200px|thumb|right]]
Der Bemessungswert der Verankerungslänge <math>l_{bd}</math> misst die Länge vom Beginn der Verankerungslänge bis zum Stabende. Die Formel hierfür ist
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Der Bemessungswert der Verankerungslänge <math>l_{bd}</math> wird aus dem Grundwert der Verankerungslänge abgeleitet und misst die Länge vom Beginn der Verankerungslänge bis zum Stabende. Die Formel hierfür ist
  
 
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==== Ersatzverankerungslänge ====
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=== Ersatzverankerungslänge ===
 
[[Datei:Verankerungslänge 3.png‎|200px|thumb|right]]
 
[[Datei:Verankerungslänge 3.png‎|200px|thumb|right]]
Alternativ zur Bestimmung der tatsächlichen, gegebenenfalls gebogenen Verankerungslänge <math>l_{bd}</math> kann vereinfacht die gerade Stablänge <math>l_{b,eq}</math> ermittelt werden. Die Formel hierfür lautet
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Alternativ zur Bestimmung der tatsächlichen, gegebenenfalls gebogenen Verankerungslänge <math>l_{bd}</math> kann vereinfacht die gerade Stablänge <math>l_{b,eq}</math> ermittelt werden; diese misst die Länge vom Ende der Biegeform bis zum Beginn der Verankerungslänge. Die Formel hierfür lautet
  
 
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Die Ermittlung von <math>l_{b,eq}</math> ist üblich für die Mehrzahl der Fälle der Ermittlung der Verankerungslänge. Lediglich dort, wo die Verankerungslänge unmittelbar an der Stelle der Biegung beginnt, wird auf <math>l_{bd}</math> zurückgegriffen.
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Die Ermittlung von <math>l_{b,eq}</math> ist der Regelfall bei der Ermittlung der Verankerungslänge.
  
 
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==== Beiwerte der Verankerungslänge ====
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=== Beiwerte der Verankerungslänge ===
  
 
Bei der Ermittlung des Bemessungswerts der Verankerungslänge <math>l_{bd}</math> oder der Ersatzverankerungslänge <math>l_{b,eq}</math> aus dem Grundwert der Verankerungslänge <math>l_{b,rqd}</math> kommen einige Beiwerte zum Einsatz. Diese sind wie folgt:
 
Bei der Ermittlung des Bemessungswerts der Verankerungslänge <math>l_{bd}</math> oder der Ersatzverankerungslänge <math>l_{b,eq}</math> aus dem Grundwert der Verankerungslänge <math>l_{b,rqd}</math> kommen einige Beiwerte zum Einsatz. Diese sind wie folgt:
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<math>{\alpha_1}</math> - <u>Formgebung</u>:
 
<math>{\alpha_1}</math> - <u>Formgebung</u>:
  
Bei bestimmten Stabenden gilt <math>{\alpha}_1 = 0,7</math>, da die Zugkraft durch das Aufbiegen auf einer kürzeren horizontalen Länge abgetragen werden kann. Die an der Krümmung entstehenden Spaltzugkräfte müssen durch hinreichende Betondeckung und Stababstände kompensiert werden, hier ist <math>c_d > 3 \O_s</math> festgelegt. Alternativ können die Spaltzugkräfte auch durch Querdruck oder enge Verbügelung im Verankerungsbereich (Bügelabstand < 50 mm) aufgenommen werden.
+
Die Verankerungslänge kann durch abgebogene Stabenden z.B. Haken, Winkelhaken oder Schlaufen verkürzt werden, da Teile der Zugkraft durch Umlenk-bzw. Kontaktpressung aufgenommen werden <ref Name = "Q2"></ref>. Voraussetzung hierfür ist, dass die entstehenden Spaltzugkräfte infolge der Umlenkung durch den Beton aufgenommen werden können. Ist dies nicht der Fall kann die positive Wirkung von abgebognen Stabenden dennoch angesetzt werden, wenn eine enge Verbügelung im Bereich der Abbiegung angeordnet wird.  
  
 
Bei der Verwendung von Schlaufen besteht zusätzlich die Möglichkeit, unter Einhalten von <math>c_d > 3 \O_s</math> und eines Biegerollendurchmessers <math>D \geq 15 \O_s</math>, den Beiwert auf <math>{\alpha}_1 = 0,5</math> zu reduzieren.
 
Bei der Verwendung von Schlaufen besteht zusätzlich die Möglichkeit, unter Einhalten von <math>c_d > 3 \O_s</math> und eines Biegerollendurchmessers <math>D \geq 15 \O_s</math>, den Beiwert auf <math>{\alpha}_1 = 0,5</math> zu reduzieren.
  
Druckstäbe sind immer mit geradem Stabende zu verankern.
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Die Verankerung von Druckstäben mit abgebogenem Stabende ist grundsätzlich unzulässig, da die entstehenden Kräfte zu einer Absprengung der Betondeckung führen können. Auch Stäbe mit einem Durchmesser >32mm dürfen nur mit geradem Stabende verankert werden.
  
 
[[Datei:Verankerungslänge 5.png‎|300px|Abstand cd für Balken und Platten|thumb|right]]
 
[[Datei:Verankerungslänge 5.png‎|300px|Abstand cd für Balken und Platten|thumb|right]]
 
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<math>{\alpha_2}</math> - <u>Mindestbetondeckung</u>:
 
<math>{\alpha_2}</math> - <u>Mindestbetondeckung</u>:
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<math>{\alpha}_2 = max\left\{ {\begin{matrix} 1 - \frac{0,15 \cdot (c_d - \O_s)}{\O_s}  \\ 0,7 \end{matrix}} \right\} \leq 1,0</math>
 
<math>{\alpha}_2 = max\left\{ {\begin{matrix} 1 - \frac{0,15 \cdot (c_d - \O_s)}{\O_s}  \\ 0,7 \end{matrix}} \right\} \leq 1,0</math>
  
In Deutschland ist dieser Beiwert aus der Formel zur Ermittlung des Bemessungswerts der Verankerungslänge gestrichen. Der Grund hierfür liegt in den möglichen Versagensfällen bei ungenügender Verankerungslänge. Diese sind das Herausziehen des Stabes und die Bildung von Spaltrissen im Beton. Eine hinreichende Betondeckung und ein genügender Stababstand erhöhen die Sicherheit gegen Spaltrisse, aber nicht gegen das Herausziehen. Somit würde der Beiwert eine Sicherheit vermitteln, die er gar nicht erzeugt.
+
In Deutschland ist dieser Beiwert aus der Formel zur Ermittlung des Bemessungswerts der Verankerungslänge gestrichen. Grund hierfür ist, dass eine größere Betondeckung zwar die Entstehung von Spaltrissen verhindert, die Sicherheit gegen Herausziehen der Bewehrung aber nicht erhöht. Würde die Verankerungslänge mit diesem Beiwert reduziert, würde der Versagensfall Herausziehen nicht ausreichend berücksichtigt bzw. unterschätzt. Die Berücksichtigung dieses Bwiwerts liegt somit auf der unsicheren Seite.
  
 
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[[Datei:Verankerungslänge 7.png‎|300px|Angeschweißter Querstab|thumb|right]]
 
[[Datei:Verankerungslänge 7.png‎|300px|Angeschweißter Querstab|thumb|right]]
  
Unter bestimmten Vorgaben kann einer oder mehrere angeschweißte Querstäbe die benötigte Verankerungslänge reduzieren. Werden die angegebenen Bedingungen eingehalten, so gilt sowohl für Zug- als auch für Druckstäbe <math>\alpha_4 = 0,7</math>.
+
Die Anwesenheit angeschweißter Querstäbe hat aus dem gleichen Grund wie die Stabform einen positiven Effekt auf die Verankerungslänge, da Teile der Zugkraft durch Umlenk-bzw. Kontaktpressung aufgenommen werden<ref Name = "Q2"></ref>. Werden die angegebenen Bedingungen eingehalten, so gilt sowohl für Zug- als auch für Druckstäbe <math>\alpha_4 = 0,7</math>.
 
 
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<math>{\alpha_5}</math> - <u>Querdruck</u>:
 
<math>{\alpha_5}</math> - <u>Querdruck</u>:
  
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==== Mindestverankerungslänge ====
+
=== Mindestverankerungslänge ===
 +
 
 +
Die Mindestverankerungslänge soll sicherstellen, dass trotz Verlegeungenauigkeiten eine ausreichende Verankerungslänge vorhanden ist. Außerdem soll das Maß, um das die Verankerungslänge durch Zulagbewehrung reduziert werden kann, begrenzt werden.
  
 
Für Zugstäbe ist die Mindestverankerungslänge definiert als
 
Für Zugstäbe ist die Mindestverankerungslänge definiert als
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=== Randzugkraft ===
+
= Nachweis-Situationen der Verankerungslänge =
  
== Ansätze der Berechnung der Verankerungslänge ==
 
  
== Situationen der Verankerungslänge ==
+
Die verschiedenen Situationen der Verankerungslänge unterscheiden sich vor allem in der Ermittlung der erforderlichen Bewehrungsmenge an der jeweiligen Stelle. Darüber hinaus gelten gegebenenfalls besondere Regeln für die Bestimmung von <math>l_{bd}</math>, <math>l_{b,eq}</math> und <math>l_{b,min}</math>.
  
  
Die verschiedenen Situationen der Verankerungslänge unterscheiden sich vor allem in der Ermittlung der erforderlichen Bewehrungsmenge an der jeweiligen Stelle. Darüber hinaus gelten gegebenenfalls besondere Regeln für die Bestimmung von <math>l_{bd}</math>, <math>l_{b,eq}</math> und <math>l_{b,min}</math>.
+
== Verankerung am Endauflager ==
  
  
=== Verankerung am Endauflager ===
+
Zunächst muss die Randzugkraft, d.h. die Zugkraft am Endauflager bestimmt werden:
 +
::<math>F_\mathrm{Ed} =V_\mathrm{Ed}\cdot\cfrac{a_\mathrm{l}}{z}+N_\mathrm{Ed}\ge\cfrac{V_\mathrm{Ed}}{2}</math>
 +
:::{|
 +
| V<sub>Ed</sub>... || Bemessungswert der einwirkenden Querkraft
 +
|-
 +
| a<sub>l</sub>... || [[Versatzmaß]] aus Zugkraftdeckung
 +
|-
 +
| z... || Hebelarm der inneren Kräfte
 +
|-
 +
| N<sub>Ed</sub>... || Bemessungswert der einwirkenden Normalkraft
 +
|}
 +
Anschließend kann die erforderliche Bewehrungsmenge und daraus die Stahlspannung ermittelt werden.
 +
::<math>A_\mathrm{s,erf} =\cfrac{F_\mathrm{Ed}}{f_\mathrm{yd}}</math>
 +
:::{|
 +
| f<sub>yd</sub>... || Bemessungswert der Stahlstreckgrenze
 +
|}
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Mithilfe der zuvor bestimmten Stahlspannung lässt sich die Verankerungslänge über die dafür allgemeingültigen Formeln bestimmen.
  
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Am Endauflager wird die zu verankernde Zugkraft maßgeblich durch die einwirkende Querkraft bestimmt. Die Formel zur Berechnung lautet
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== Verankerung am Zwischenauflager ==
  
<math>F_{sd} = V_{Ed} \cdot \frac{a_L}{z} + N_{Ed} \geq \frac{V_{Ed}}{2}</math>
 
  
Am Endauflager kann vereinfachend <math>V_{Ed} = Auflagerkraft</math> angesetzt werden. Aus der Randzugkraft wird die benötigte Bewehrung berechnet werden als
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Die am Zwischenauflager endende Feldbewehrung liegt i.d.R im Druckbereich. Deshalb ist sie in vielen Fällen rechnerisch nicht nötig, es gilt <math>A_{s,erf} = 0</math>, gleiches gilt damit auch für <math>{\sigma}_{sd}</math> und <math>l_{b,rqd}</math>. Aus diesem Grund ist am Zwischenauflager <math>l_{b,min}</math> maßgebend. Die Verankerungslänge am Zwischenauflager beginnt an der Auflagerkante.
  
<math>A_{s,erf} = \frac{F_{sd}}{f_{yd}}</math>
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Da es sich hier meistens um Druckstäbe handelt sind abgebogenen Stabenden nicht zulässig.
  
Die Verankerungslänge am Endauflager beginnt an der Auflagerkante. Die Verankerung muss mindestens bis zur rechnerischen Auflagerlinie des statischen Systems reichen. Außerdem müssen mindestens 25 % der Feldbewehrung bis ins Auflager geführt und dort verankert werden.
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[[Verankerung am Zwischenauflager (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Zwischenauflager]]
  
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== Verankerung außerhalb von Auflagern ==
  
[[Verankerung am Endauflager (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Endauflager]]
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Abseits der Auflager eines Balkens enden Bewehrungsstäbe im Kontext der [[Zugkraftdeckung]]. Ab der Stelle an der sie nicht mehr erforderlich sind, sind Stäbe zu verankern. Hier sind erforderliche und vorhandene Bewehrung unmittelbar bekannt.
  
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Ermittlung der Stahlspannung am rechnerischen Endpunkt E:
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::<math>\sigma_\mathrm{sd} =\cfrac{A_\mathrm{s,erf}}{A_\mathrm{s,vorh}}\cdot f_\mathrm{yd}</math>
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| A<sub>s,erf</sub>... || Gesamtquerschnittsfläche der Stäbe, welche nicht Abgestuft wurden/ bzw. weiter durchlaufen
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=== Verankerung am Zwischenauflager ===
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Mithilfe der zuvor bestimmten Stahlspannung lässt sich die Verankerungslänge über die dafür allgemeingültigen Formeln bestimmen.
  
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An den Stellen, an welchen nach der Abstufung keine Stäbe und somit auch keine zu verankernden Kräfte mehr vorhanden sind (<math>\sigma_\mathrm{sd} =0</math>), ist die Mindestverankerungslänge maßgebend.
  
Die am Zwischenauflager endende Feldbewehrung liegt im Druckbereich. Deshalb ist sie in vielen Fällen rechnerisch nicht nötig, es gilt <math>A_{s,erf} = 0</math>, gleiches gilt damit auch für <math>{\sigma}_{sd}</math> und <math>l_{b,rqd}</math>. Aus diesem Grund ist am Zwischenauflager <math>l_{b,min}</math> maßgeblich, die außerdem auf <math>l_{b,min} = 6 \cdot \O_s</math> reduziert wird. Die Verankerungslänge am Zwischenauflager beginnt an der Auflagerkante.
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Da außerhalb von Auflagern i.d.R. genügend Platz ist, werden die endenden Stäbe i.d.R. mit geradem Stabende verankert.
  
  
[[Verankerung am Zwischenauflager (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Zwischenauflager]]
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[[Verankerung außerhalb von Auflagern (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung außerhalb von Auflagern]]
  
 
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=== Verankerung außerhalb von Auflagern ===
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== Verankerung am Kragarmende ==
 
 
 
 
Abseits der Auflager eines Balkens enden Bewehrungsstäbe im Kontext der Zugkraftdeckung. Bei dieser sind erforderliche und vorhandene Bewehrung an der jeweiligen Stelle unmittelbar bekannt. Damit kann die Bestimmung der Verankerungslänge ohne besondere Regeln durchgeführt werden.
 
  
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[[Verankerung außerhalb von Auflagern (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung außerhalb von Auflagern]]
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Für die Verankerungslänge am Kragarmende gibt es keine expliziten Berechnungsvorschriften. Sie wird in der Regel in der Literatur nicht nachgewiesen. Die Bewehrung wird in der Regel am Kragarmende abgebogen, bei der Länge des Winkelhakenschenkels gehen verschiedene Programme aber unterschiedlich vor. Eine konkrete Möglichkeit der Berechnung ist der Ansatz über das Verschieben der Momentenlinie mithilfe [[Versatzmaß | Versatzmaßes]]. Die Verankerungslänge beginnt am Anfang der Biegung (Hälfte des Mindestbiegerollendurchmessers) im Abstand <math>x_0</math> vom Rand. Das Moment an der Stelle <math>x_0</math> lässt sich mithilfe der folgenden Gleichung ermitteln:
  
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<math>M_{Ed,x_0}=\frac{p_{Ed}\cdot(x_0+a_l)^2}{2}</math>
  
=== Verankerung am Kragarmende ===
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Die zu verankernde Zugkraft resultiert anschließend aus folgender Gleichung:
  
Für die Verankerungslänge am Kragarmende gibt es keine expliziten Berechnungsvorschriften. Sie wird in der Regel in der Literatur nicht nachgewiesen.
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<math>F_{sd}=\frac{M_{Ed,x_0}}{z}</math>.
  
 
[[Verankerung am Kragarmende (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Kragarmende]]
 
[[Verankerung am Kragarmende (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Kragarmende]]
  
=== Verankerung am Rand von Einzelfundamenten ===
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== Verankerung am Rand von Einzelfundamenten ==
  
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Für die Verankerung der Bewehrung am Rand von Einzelfundamenten bietet der EC 2 ein [[Verankerung am Einzelfundament (Modell)|eigenes Berechnungsmodell]]. Dieses Modell findet in der Praxis kaum Anwendung, da es nur für gerade Stabenden benutzbar ist. Im Allgemeinen wird die Bewehrung am Rand von Einzelfundamenten aber als ein Winkelhaken mit konstruktivem Querstab am Ende ausgebildet. Um für diese Konstruktion die Verankerungslänge zu bestimmen, kann wie beim Kragarmende der Ansatz über das Verschieben der Momentenlinie durch das Versatzmaß genutzt werden, auch hier beginnt die Verankerungslänge am Beginn der Biegung.
  
 
[[Verankerung am Einzelfundament (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Rand von Einzelfundamenten]]
 
[[Verankerung am Einzelfundament (Bsp.)|Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Rand von Einzelfundamenten]]
  
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=== Verankerung an Konsolen ===
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== Verankerung an Konsolen ==
  
  
 
Die Zugkräfte in Konsolen werden generell über eine bis drei Schlaufen aufgenommen.
 
Die Zugkräfte in Konsolen werden generell über eine bis drei Schlaufen aufgenommen.
Die Verankerung dieser Zugbewehrung unter der Last in Konsolen gleicht dem Ablauf am Endauflager, da sich die beiden Situationen ähneln. Bei der Bemessung von Konsolen wird die benötigte Bewehrungsmenge unmittelbar an der zu verankernden Stelle bestimmt, damit ist <math>A_{s,erf}</math> bekannt. Zu beachten ist, dass die Verankerungslänge an Konsolen an der der Stütze zugewandten Seite beginnt.
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Die Verankerung der Zugbewehrung in Konsolen gleicht dem Ablauf am Endauflager. Bei der Bemessung von Konsolen wird die benötigte Bewehrungsmenge unmittelbar an der zu verankernden Stelle bestimmt, damit ist <math>A_{s,erf}</math> bekannt. Zu beachten ist, dass die Verankerungslänge an der der Stütze zugewandten Seite der Auflagerplatte beginnt.
  
  
 
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Aktuelle Version vom 26. Mai 2024, 13:41 Uhr

Verankerungslänge 8.JPG

Die Verankerungslänge bezeichnet den Abschnitt am Ende eines Bewehrungsstabes, in dem die am Beginn der Verankerungslänge wirkende Zug- oder Druckkraft vollständig über Verbund in den Beton eingeleitet wird. Ziel der Bemessung der Verankerungslänge ist, dass keine Überschreitung der Trägfähigkeit der Betonkonsole und der Zugfestigkeit des Betons in Querrichtung stattfindet.


Allgemeines

Endet ein Stab sind die Zugkräfte am Stabende im beton zu verankern. Die Verankerung kann über Verbund oder mechanische Verbindungsmittel z.B. Ankerplatten erfolgen. Die Verankerung über Verbund ist die einfachste und wirtschaftlichste Methode, Verankerungen mit mechanischen Verbindungsmitteln sind nur in Sonderfällen sinnvoll und sollen nicht Thema dieser Seite sein. Die Sicherstellung einer ausreichenden Verankerungslänge gehört zu den notwendigen Nachweisen eines Bauteils und gliedert sich in den Arbeitsabschnitt "konstruktive Durchbildung der Bewehrung" ein.

Verbund zwischen Beton und Stahl

Kraftübertragung zwischen Beton und Stahl

Die Übertragung von Kräften zwischen Beton und Bewehrungsstahl erfolgt über den Haft-, Reib- und Formverbund, den größten Anteil an der Kraftübertragung hat hierbei der Formverbund. Da bei der Berechnung auch nur der Formverbund berücksichtigt wird, wird auf den Haft- und Reibverbund im folgenden nicht näher eingegangen.

Bei dem genormten Betonstahl wird der Formverbund durch eine Oberflächenprofilierung in Form von Ripppen sichergestellt. Haupteinflussfaktoren auf den Formverbund sind die Form und Neigung der Rippen, die Rippenhöhe und der Rippenabstand. Bei geringen Relativverschiebungen zwischen Bewehrung und Beton stützen sich die Rippen auf dem Beton ab, eine Art Betonkonsole entsteht.

Aufgrund der Anordnung und Form der Rippen findet die Kraftübertragung in Form von ringförmigen schrägen Betondruckstreben statt. Aus Gleichgewichtsgründen bilden sich außerdem Zugspannungsringe senkrecht zur Stabachse.[1] Damit sich diese Zugspannungen aufgenommen werden können, muss eine ausreichende Betondeckung vorhanden sein. Eine zu geringe Betondeckung oder ein zu geringer Stababstand können Längsrisse parallel zur Stabachse zur Folge haben und damit die Verbundwirkung beeinträchtigen.[2]. Die Tragfähigkeit der Verankerung ist maßgeblich davon abhängig ob die Rissbildung infolge Querzugspannungen im Verankerungsbereich verhindert wird oder nicht [3].

Wegen der Querzugspannungen ist im Verankerungsbereich grundsätzlich Querbewehrung anzuordnen. Die in der Norm geforderte Querbewehrung ist in der Regel allerdings bereits durch die Mindestquerbewehrung bei Platten oder die Mindestquerkraftbewehrung bei Balken vorhanden,

Verbundfestigkeit

Die Größe der aufnehmbaren Verbundspannung wird als Verbundfestigkeit bezeichnet. Sie ist abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Bewehrungsstabs und der Betonzugfestigkeit. Die Berechnung der Verbundfestigkeit kann mit folgender Gleichung erfolgen, die Gleichung ist nur für Betonstahl nach DIN EN 10080 [4] anwendbar, eine Anwendung für Stäbe mit anderen Eigenschaften z.B. glatte Bewehrungsstäbe ist nicht zulässig.


wobei:

ein Beiwert für die Verbundbedingungen
ein Beiwert für große Stabdurchmesser
der 5 %-Quantil-Wert der charakteristischen Betonzugfestigkeit
der Teilsicherheitsbeiwert für die Betonfestigkeit


Festlegun der Bereiche mit guten und mäßigen Verbundbedingungen nach [5]

Mit dem Beiwert wird die Lage der Bewehrung im Bauteil berücksichtigt. Abhängig von der Lage wird zwischen guten und mäßigen Verbundbedingungen unterschieden. Mäßige Verbundbedigungen entstehen, wenn während des Verdichtens Luft und Wasser im Beton nach oben transportiert werden und sich unter oben liegenden Stäben ansammeln. Nach der Aushärtung des Betons bilden sich hier Poren oder Ablösungen, so dass der Verbund zwischen Beton und Stahl in diesem Bereich beeinträchtigt ist.

Als Stäbe mit guten Verbundbedigungen gelten Stäbe, welche sich während des Betonierens im unteren Bereich (vgl. Grafik) des Bauteils befinden sowie Stäbe mit einer Neigung >45° bezogen auf die Betonierrichtung. Nähere Informationen zu den Verbundbedingungen können der Grafik entnommen werden. Die Werte für werden im EC2 [5] folgendermaßen definiert:

für gute Verbundbedingungen
für mäßige Verbundbedingungen

Der Beiwert berücksichtigt sehr große Stabdurchmesser. Ab einem Grenzwert von Øs = 32 mm nimmt die Verbundfestigkeit bei sonst gleich bleibenden Bedingungen aufgrund der erhöhten Spaltrissgefahr ab. Der Beiwert wird berechnet mit

für Øs ≤ 32 mm
für Øs > 32 mm


Die Zugfestigkeit ist auf die Betondruckfestigkeit zurückführbar. Am einfachsten ist es daher, Tabellen zu benutzen, aus denen die Zugfestigkeit bzw. die Verbundfestigkeit in Abhängigkeit von ablesbar sind.[6]. Da der Beton mit zunehmender Festigkeit spröder wird, wird die Betonzugfestigkeit für die Ermittlung der Verbundfestigkeit auf den Wert für C60/75 begrenzt.


Einflussfaktoren auf die Verankerungslänge

Im folgenden wird auf Faktoren eingegangen, welche die Verankerungslänge beeinflussen:

  • Stabdurchmesser: Mit abnehmendem Stabdurchmesser nimmt die Mantelfläche des Stabs im Verhältnis zur Querschnittsfläche zu. Hierdurch steht eine größere Fläche für die gleiche zu übertragende Zugkraft zur Verfügung, was sich positiv auf die Verankerungslänge auswirkt. Aus Sicht der Verankerungslänge ist es daher sinnvoll mehrere dünnere Stäbe zu verwenden als wenige große.


  • Stahlspannung: Der Einfluss der Stahlspannung ist ähnlich zu dem des Stabdurchmessers. Mit abnehmender Stahlspannung müssen bei gleicher zur Verfügung stehenden Mantelfläche weniger Zugkräfte in den Beton übertragen werden. Steuern lässt sich die Stahlspannung bei vorgegebener Belastung durch die gewählte Bewehrungsquerschnittsfläche. Mit zunehmender Bewehrungsquerschnittsfläche nimmt die Stahlspannung ab. Eine Vergrößerung der Bewehrungsquerschnittsfläche muss für die Verringerung der Stahlspannung nicht auf der gesamten Stablänge vergrößert werden, sie kann auch nur im Bereich der Verankerungslänge durch die Anordnung einer Zulagebewehrung vergrößert werden.


  • Betonfestigkeitsklasse: Die Betonfestigkeitsklasse hat über die von ihr abhängige Betonzugfestigkeit Einfluss auf die Verankerungslänge, außerdem steigt durch die steigende Druckfestigkeit auch die Tragfähigkeit der Betonkonsole. Mit zunehmender Zugfestigkeit nimmt die erforderliche Verankerungslänge ab.


  • Querdruck: Querdruck hat einen positiven Einfluss auf die Verankerungslänge, da hierdurch der Verbund zwischen Beton und Bewehrung erhöht wird. Außerdem können unter Querdruck größere Querzugspannungen durch den Beton aufgenommen werden. Querdruck ist üblicherweise im Auflagerbereich vorhanden.


  • Querzug: Querzug hat den gegenteiligen Effekt wie Querdruck. Die Verankerungslänge erhöht sich, da sich der Verbund zwischen Bewehrung und Beton verschlechtert und weniger Querzugspannugen infolge der Verankerung aufgenommen werden können.


  • Lage des Stabs im Bauteil: Auf den Einfluss der Lage des Stabs im Bauteil wurde bereits früher auf dieser Seite genauer eingegangen. In Bereichen mit mäßigen Verbundbedingungen sind kleinere Verankerungslängen erforderlich als in Bereichen mit mäßigen.


    Kleine Herleitung der Verankerungslänge

    Im Zuge der Bemessung eines Bauteils wird die nötige Bewehrung bereichsweise für die jeweils maximalen auftretenden Schnittgrößen bestimmt. In der anschließenden konstruktiven Durchbildung wird dann zum Beispiel im Rahmen der Zugkraftdeckung die ermittelte Zugbewehrung dem tatsächlichen Momentenverlauf angepasst und abgestuft. Die so entstehenden Stabenden können nicht direkt an dem Punkt, an dem sie rechnerisch nicht mehr benötigt werden, enden. Vielmehr muss die an diesem Punkt noch im Stab vorhandene Zugkraft im Beton „verankert“ werden, weshalb dieser zusätzliche Stababschnitt als Verankerungslänge bezeichnet wird.

    Verlauf der Verbundspannungen

    Bei niedriger Beanspruchung ist der Beton an der Stelle der Lasteinleitung ungeschädigt und die Verbundspannung dementsprechend hoch. Erhöht sich die Belastung, so wird der Beton zunächst an der Lasteinleitungsstelle geschädigt (plastisch deformiert), wodurch sich die Verbundspannung in die vorher weniger beanspruchten Bereiche umlagert.[7] In der Berechnung wird dieses komplexe Umlagerungsverhalten nicht berücksichtigt und die Verbundspannung wird als über die Verankerungslänge und den Stabumfang konstant angesetzt.

    Grundlage der Verankerungslänge

    In der dargestellten Skizze muss die Zugkraft vom Stab in den Beton mittels Verbundspannung übertragen werden. Aus Gleichgewichtsgründen gilt nun, dass die zu verankernde Zugkraft kleinergleich der Verbundfestigkeit multipliziert mit der Mantelfläche des Stabes sein muss, also:

    Der Umfang des Bewehrungsstabes wird berechnet mit

    Die Gleichung für umgestellt nach der benötigten ("required") Verankerungslänge ergibt

    Die bisher unbekannte Zugkraft ist das Produkt von Stahlspannung und Bewehrungsfläche . Die Bewehrungsfläche eines Stabs ist . Eingesetzt in die Gleichung der Verankerungslänge ergibt sich

    Diese Gleichung wird auch als Grundwert der Verankerungslänge bezeichnet. Wenn im Verankerungsbereich nicht die volle Stahlspannung ausgenutzt wird, darf die Verankerungslänge proportional zum Verhältnis von vorhandener zu erforderlicher Bewehrung reduziert werden. Diese Abminderung wird i.d.R. im Rahmen der Spannungsermittlung berücksichtigt:

    Formen und Beiwerte der Verankerungslänge

    Bemessungswert der Verankerungslänge

    Verankerungslänge 2.png

    Der Bemessungswert der Verankerungslänge wird aus dem Grundwert der Verankerungslänge abgeleitet und misst die Länge vom Beginn der Verankerungslänge bis zum Stabende. Die Formel hierfür ist



    Ersatzverankerungslänge

    Verankerungslänge 3.png

    Alternativ zur Bestimmung der tatsächlichen, gegebenenfalls gebogenen Verankerungslänge kann vereinfacht die gerade Stablänge ermittelt werden; diese misst die Länge vom Ende der Biegeform bis zum Beginn der Verankerungslänge. Die Formel hierfür lautet



    Die Ermittlung von ist der Regelfall bei der Ermittlung der Verankerungslänge.


    Beiwerte der Verankerungslänge

    Bei der Ermittlung des Bemessungswerts der Verankerungslänge oder der Ersatzverankerungslänge aus dem Grundwert der Verankerungslänge kommen einige Beiwerte zum Einsatz. Diese sind wie folgt:

    Beiwert Bedeutung
    - Beiwert für Formgebung
    - Beiwert für Mindestbetondeckung
    - Beiwert für nicht angeschweißte Querbewehrung
    - Beiwert für angeschweißte Querbewehrung
    - Beiwert für Querdruck


    Übersicht über die Beiwerte

    Beiwert für die Formgebung


    - Formgebung:

    Die Verankerungslänge kann durch abgebogene Stabenden z.B. Haken, Winkelhaken oder Schlaufen verkürzt werden, da Teile der Zugkraft durch Umlenk-bzw. Kontaktpressung aufgenommen werden [3]. Voraussetzung hierfür ist, dass die entstehenden Spaltzugkräfte infolge der Umlenkung durch den Beton aufgenommen werden können. Ist dies nicht der Fall kann die positive Wirkung von abgebognen Stabenden dennoch angesetzt werden, wenn eine enge Verbügelung im Bereich der Abbiegung angeordnet wird.

    Bei der Verwendung von Schlaufen besteht zusätzlich die Möglichkeit, unter Einhalten von und eines Biegerollendurchmessers , den Beiwert auf zu reduzieren.

    Die Verankerung von Druckstäben mit abgebogenem Stabende ist grundsätzlich unzulässig, da die entstehenden Kräfte zu einer Absprengung der Betondeckung führen können. Auch Stäbe mit einem Durchmesser >32mm dürfen nur mit geradem Stabende verankert werden.

    Abstand cd für Balken und Platten

    - Mindestbetondeckung:


    Der Beiwert für die Mindestbetondeckung erlaubt theoretisch eine Reduzierung auf

    In Deutschland ist dieser Beiwert aus der Formel zur Ermittlung des Bemessungswerts der Verankerungslänge gestrichen. Grund hierfür ist, dass eine größere Betondeckung zwar die Entstehung von Spaltrissen verhindert, die Sicherheit gegen Herausziehen der Bewehrung aber nicht erhöht. Würde die Verankerungslänge mit diesem Beiwert reduziert, würde der Versagensfall Herausziehen nicht ausreichend berücksichtigt bzw. unterschätzt. Die Berücksichtigung dieses Bwiwerts liegt somit auf der unsicheren Seite.


    - Nicht angeschweißte Querbewehrung:

    Werte für K für Balken und Platten


    Der Beiwert betrachtet den günstigen Einfluss einer nicht angeschweißten Querbewehrung im Verankerungsbereich. Dieser gilt allerdings nur, wenn die verwendete Querbewehrungsmenge die Mindestquerbewehrungsmenge übersteigt. Bestimmt wird der Beiwert mit



    Dabei ist

    die Querschnittsfläche der Querbewehrung innerhalb der Verankerungslänge
    die Querschnittsfläche der Mindestbewehrung
    die Querschnittsfläche des größten einzelnen verankerten Stabs
    Beiwert entsprechend des Bildes


    Für Druckstäbe gilt generell .


    - Angeschweißte Querstäbe:

    Angeschweißter Querstab

    Die Anwesenheit angeschweißter Querstäbe hat aus dem gleichen Grund wie die Stabform einen positiven Effekt auf die Verankerungslänge, da Teile der Zugkraft durch Umlenk-bzw. Kontaktpressung aufgenommen werden[3]. Werden die angegebenen Bedingungen eingehalten, so gilt sowohl für Zug- als auch für Druckstäbe .
    - Querdruck:

    Der Beiwert betrachtet den Einfluss von Querdruck oder -zug im Verankerungsbereich. Unter Annahme eines Querdrucks senkrecht zur Verankerungsebene berechnet sich der Beiwert als



    Für bestimmte Situationen gibt es festgelegte Werte für :

    - bei Querzug senkrecht zur Verankerungsebene
    - bei direkter Lagerung
    - bei einer allseitig durch Bewehrung gesicherten Betondeckung von mindestens


    Mindestverankerungslänge

    Die Mindestverankerungslänge soll sicherstellen, dass trotz Verlegeungenauigkeiten eine ausreichende Verankerungslänge vorhanden ist. Außerdem soll das Maß, um das die Verankerungslänge durch Zulagbewehrung reduziert werden kann, begrenzt werden.

    Für Zugstäbe ist die Mindestverankerungslänge definiert als



    Für Druckstäbe gilt



    Am Zwischenauflager gilt in Deutschland vereinfachend


    Nachweis-Situationen der Verankerungslänge

    Die verschiedenen Situationen der Verankerungslänge unterscheiden sich vor allem in der Ermittlung der erforderlichen Bewehrungsmenge an der jeweiligen Stelle. Darüber hinaus gelten gegebenenfalls besondere Regeln für die Bestimmung von , und .


    Verankerung am Endauflager

    Zunächst muss die Randzugkraft, d.h. die Zugkraft am Endauflager bestimmt werden:

    VEd... Bemessungswert der einwirkenden Querkraft
    al... Versatzmaß aus Zugkraftdeckung
    z... Hebelarm der inneren Kräfte
    NEd... Bemessungswert der einwirkenden Normalkraft

    Anschließend kann die erforderliche Bewehrungsmenge und daraus die Stahlspannung ermittelt werden.

    fyd... Bemessungswert der Stahlstreckgrenze
    As,vorh... Querschnittsfläche der ins Auflager geführten Bewehrungsstäbe

    Mithilfe der zuvor bestimmten Stahlspannung lässt sich die Verankerungslänge über die dafür allgemeingültigen Formeln bestimmen.

    Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Endauflager

    Verankerung am Zwischenauflager

    Die am Zwischenauflager endende Feldbewehrung liegt i.d.R im Druckbereich. Deshalb ist sie in vielen Fällen rechnerisch nicht nötig, es gilt , gleiches gilt damit auch für und . Aus diesem Grund ist am Zwischenauflager maßgebend. Die Verankerungslänge am Zwischenauflager beginnt an der Auflagerkante.

    Da es sich hier meistens um Druckstäbe handelt sind abgebogenen Stabenden nicht zulässig.

    Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Zwischenauflager

    Verankerung außerhalb von Auflagern

    Abseits der Auflager eines Balkens enden Bewehrungsstäbe im Kontext der Zugkraftdeckung. Ab der Stelle an der sie nicht mehr erforderlich sind, sind Stäbe zu verankern. Hier sind erforderliche und vorhandene Bewehrung unmittelbar bekannt.

    Ermittlung der Stahlspannung am rechnerischen Endpunkt E:

    As,erf... Gesamtquerschnittsfläche der Stäbe, welche nicht Abgestuft wurden/ bzw. weiter durchlaufen
    As,vorh... Gesamtquerschnittsfläche aller vorhandenen Stäbe

    Mithilfe der zuvor bestimmten Stahlspannung lässt sich die Verankerungslänge über die dafür allgemeingültigen Formeln bestimmen.

    An den Stellen, an welchen nach der Abstufung keine Stäbe und somit auch keine zu verankernden Kräfte mehr vorhanden sind (), ist die Mindestverankerungslänge maßgebend.

    Da außerhalb von Auflagern i.d.R. genügend Platz ist, werden die endenden Stäbe i.d.R. mit geradem Stabende verankert.


    Berechnungsbeispiel zur Verankerung außerhalb von Auflagern


    Verankerung am Kragarmende

    Verankerung am Einzelfundament (Bsp.) 2.JPG

    Für die Verankerungslänge am Kragarmende gibt es keine expliziten Berechnungsvorschriften. Sie wird in der Regel in der Literatur nicht nachgewiesen. Die Bewehrung wird in der Regel am Kragarmende abgebogen, bei der Länge des Winkelhakenschenkels gehen verschiedene Programme aber unterschiedlich vor. Eine konkrete Möglichkeit der Berechnung ist der Ansatz über das Verschieben der Momentenlinie mithilfe Versatzmaßes. Die Verankerungslänge beginnt am Anfang der Biegung (Hälfte des Mindestbiegerollendurchmessers) im Abstand vom Rand. Das Moment an der Stelle lässt sich mithilfe der folgenden Gleichung ermitteln:

    Die zu verankernde Zugkraft resultiert anschließend aus folgender Gleichung:

    .

    Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Kragarmende


    Verankerung am Rand von Einzelfundamenten

    Für die Verankerung der Bewehrung am Rand von Einzelfundamenten bietet der EC 2 ein eigenes Berechnungsmodell. Dieses Modell findet in der Praxis kaum Anwendung, da es nur für gerade Stabenden benutzbar ist. Im Allgemeinen wird die Bewehrung am Rand von Einzelfundamenten aber als ein Winkelhaken mit konstruktivem Querstab am Ende ausgebildet. Um für diese Konstruktion die Verankerungslänge zu bestimmen, kann wie beim Kragarmende der Ansatz über das Verschieben der Momentenlinie durch das Versatzmaß genutzt werden, auch hier beginnt die Verankerungslänge am Beginn der Biegung.

    Berechnungsbeispiel zur Verankerung am Rand von Einzelfundamenten


    Verankerung an Konsolen

    Die Zugkräfte in Konsolen werden generell über eine bis drei Schlaufen aufgenommen. Die Verankerung der Zugbewehrung in Konsolen gleicht dem Ablauf am Endauflager. Bei der Bemessung von Konsolen wird die benötigte Bewehrungsmenge unmittelbar an der zu verankernden Stelle bestimmt, damit ist bekannt. Zu beachten ist, dass die Verankerungslänge an der der Stütze zugewandten Seite der Auflagerplatte beginnt.


    Berechnungsbeispiel zur Verankerung an Konsolen

    Quellen

    1. Vgl. Avak, Ralf: Stahlbetonbau in Beispielen. DIN 1045. Teil 1, Köln 2007 (5. Auflage), S. 53.
    2. Vgl. Wommelsdorff, Otto; Albert, Andrej; Fischer, Jürgen: Stahlbetonbau. Bemessung und Konstruktion. Teil 1, Köln 2017 (11. Auflage), S. 87.
    3. 3,0 3,1 3,2 Zilch,K., Zehetmaier,G., Bemessung im konstruktiven Betonbau, 2. Auflage, Berlin/Heidelberg: Springer Verlag, 2006
    4. DIN EN 10080, Stahl für die Bewehrung von Beton - Schweißgeeigneter Betonstahl - Allgemeines, Beuth-Verlag, 2005
    5. 5,0 5,1 DIN EN 1992-1-1, Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau, Beuth-Verlag, 2011
    6. Albert, Andrej (Hg.): Schneider Bautabellen für Ingenieure, Köln 2020 (24. Auflage), S. 5.108.
    7. Vgl. König, Gert; Tue, Nguyen Viet: Grundlagen des Stahlbetonbaus. Einführung in die Bemessung nach DIN 1045-1, Wiesbaden 2003 (2. Auflage), S. 416.


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