Zwang - Bauweisen mit wesentlichen Zwangsbeanspruchungen

Spannbetonbauweise

Allgemeines

Im Unterschied zur Stahlbetonbauweise, bei der „schlaffe“ Bewehrungsstähle ohne Vorspannung eingebaut werden, verwendet man beim Spannbeton Litzen, Drähte oder Stäbe, die für eine bestimmte Kraft vorgespannt werden. Durch diese Vorspannung wird eine Verformung in das Bauteil eingetragen. Bei einer Belastung verformt sich das Spannbetonbauteil in entgegengesetzter Richtung.
Ziel der Vorspannung ist es, die Größe der Zugzone im Beton dauerhaft zu minimieren, sodass die Größe Betondruckzone ansteigt. Dadurch lässt sich die Steifigkeit des Bauteils vergrößern und weitere Verformungen verringern.
Durch die erhöhte Bauteilsteifigkeit im Gegensatz zur Stahlbetonbauweise können mit Spannbeton schlankere Bauteile hergestellt werden. Weitere Vorteile sind geringen Verformungen und Rissbreiten, was die Anwendung bei aggressiven Umgebungsbedingungen und Behältern mit drückendem Wasser ermöglicht.
Nachteilig sind der erhöhte Planungs- und Ausführungsaufwand und die besondere Anfälligkeit der Spannglieder gegenüber Korrosion, Sprödheit und Spannungsrisskorrosion.

Berücksichtigung des Zwangs

Die Berechnung des Spannbetonbauteils kann am Gesamtsystem (Betonquerschnitt und Spannglied) oder am vom Spannglied befreiten Bauteil erfolgen. Zusätzlich dazu muss in statisch bestimmte und in statisch unbestimmte Systeme unterschieden werden.
Betrachtet man das Gesamtsystem erzeugt die Vorspannung einen Eigenspannungszustand, der bei statisch bestimmten Systemen keine Schnittkräfte erzeugen.
Wird das Bauteil, welches vom Spannglied befreit wurde, betrachtet, wirkt die Schnittkraft aus der Vorspannung im Bauteilquerschnitt.

In statisch unbestimmten Systemen hingegen erzeugt der Eigenspannungszustand des Gesamtsystems Verformungen, die nicht mit der Lagerung verträglich sind und Zwangsschnittgrößen hervorrufen. Diese Zwangsschnittgrößen Mps(p), Vps(P) und Nps(P) müssen bei den Nachweisen der Tragfähigkeit als zusätzliche Belastung berücksichtigt werden. Zwangsnormalkräfte entstehen, wenn sich das Bauteil in Längsrichtung nicht verkürzen kann. Dies ist besonders bei den integralen Brücken infolge einer Belastung durch Temperatur zu beachten. Zwangsmomente und Zwangsquerkräfte entstehen durch eine Biegung bei nahezu jeder Belastung. Die Betrachtung am Gesamtsystem wird auch als „Vorspannung auf der Widerstandsseite“ bezeichnet, da sich der Querschnittswiderstand aus dem Gesamtquerschnitt und der Vorspannung zusammensetzt.
Wird das Bauteil ohne das Spannglied betrachtet, wirken Anker-, Umlenk- und Reibungskräfte. Daher kann diese Betrachtung auch als „Vorspannung auf der Lastseite“ bezeichnet werden. Die aus der Verformungsbehinderung entstehenden Zwangsschnittgrößen werden in den Schnittgrößen infolge der Vorspannung berücksichtigt. Diese Schnittgrößen wirken wie bei den statisch bestimmten Systemen im Bauteilquerschnitt.
Beide Betrachtungen führen zu den selben Ergebnissen.

Quellen

Normen

Fachliteratur

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