Zwangsarten
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Allgemeines
Innere Zwänge entstehen durch eine Verformungsbehinderung aus dem Bauteil heraus. Diese Verformungsbehinderungen können zentrische Zugspannungen und Eigenspannungen im Bauteil erzeugen.
Zentrische Zugspannungen entstehen durch das Abkühlen des Bauteils beim Abfließen der Hydratationswärme und das Schwinden des Betongefüges während der Hydratation oder treten auch bei äußeren Zwängen auf.
Eigenspannungen existieren nicht nur bei den Zwangsbeanspruchungen, sondern werden z.B. auch durch eine Vorspannung hervorgerufen. Charakteristisch für diese Art der Spannungen ist, dass sich ihre Summe über den Querschnitt immer zu Null ergibt. Dadurch werden weder Schnittkräfte erzeugt noch Auflagerreaktionen angrenzender Bauteile hervorgerufen. Außerdem entwickeln sich Eigenspannungen unabhängig vom statischen System und der Bauteillagerung.
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Entstehen von Eigenspannungen
Bei der Betrachtung des inneren Zwangs setzen Eigenspannungen eine Temperaturverteilung, z.B. durch das Abfließen der Hydratationswärme, oder eine Feuchtigkeitsverteilung, z.B. durch Schwindvorgänge, über den Querschnitt voraus. Wie aus den Bildern 1 und 2 zu erkennen ist, ähneln sich beide Verteilungen, nur zeitlich liegen diese auseinander.[2]
a) Temperaturverteilung im Bauteilquerschnitt
b) Verteilung der Eigenspannungen im Bauteil
Die Temperaturverteilung infolge der Wärmeentwicklung im jungen Beton entsteht innerhalb des ersten Tages nach dem Betonieren. Aufgrund der höheren Temperatur des Bauteilkernes möchte dieser sich ausdehnen, wird aber vom kühleren Rand an seiner Verformung gehindert. Die hieraus resultierenden Eigenspannungen, Druckspannungen im Kern und Zugspannungen am Rand, steigen bis zum Erreichen des Temperaturmaximums an. Wird das Bauteil innerhalb dieses Zeitraumes ausgeschalt, kühlt sich die Bauteiloberfläche weiter ab und die Zugspannungen am Bauteilrand erhöhen sich. Bei einer Temperaturdifferenz zwischen dem Kern und dem Rand des Bauteils von ΔT ≥15K kann es an der Bauteiloberfläche zu Rissen kommen.[1] [2]
Die Feuchtigkeitsverteilung entsteht durch das Austrocknen des Querschnittes. Aufgrund der Feuchtigkeitsabgabe an die Umgebungsluft zieht sich der Beton am Bauteilrand zusammen. Diese Volumenverringerung infolge des Schwindens wird durch den feuchteren Bauteilkern behindert. Am Bauteilrand entstehen somit Zug- und im Bauteilkern Druckspannungen.[2]
Sowohl aus der Temperatur- als auch aus der Feuchtigkeitsverteilung lassen sich unter dem Grundsatz des Ebenbleibens der Querschnitte Dehnungsprofile ableiten. Bei Bauteilen größerer Dicke sind diese Dehnungsprofile stärker ausgebildet als bei Bauteilen geringerer Dicke und daher nicht zu vernachlässigen. Eine Einschränkung der auftretenden Dehnungen erfolgt durch die gegenseitige Behinderung der Bauteilfasern oder durch die Behinderung des Schwindens des Betons am Bewehrungsstahl.[2]
Die Größe der Eigenspannungen ist abhängig von der Größe der Dehnungsdifferenz zwischen Bauteilkern und -rand. Übersteigen die Eigenspannungen am Bauteilrand die zu diesem Zeitpunkt wirksame Zugfestigkeit des Betons, entstehen in der Bauteiloberfläche Schalen- bzw. Oberflächenrisse mit geringer Tiefe, welche die Wasserundurchlässigkeit des Bauteils nicht beeinträchtigen. Dies ist z.B. bei einer Temperaturdifferenz zwischen Bauteilkern und Bauteilrand von ΔT≥15K der Fall. Beim Abkühlen des Bauteils entstehen am Bauteilrand Druckspannungen, welche die Risse verschließen. Eine Schädigung des Betonquerschnittes bleibt jedoch bestehen und kann Ausgangspunkt weiterer Risse sein.[1] [2] [3]
Rissbreitenbegrenzung durch Bewehrung
Nach Lohmeyer [3] lassen sich Oberflächen- bzw. Schalenrisse nicht durch Bewehrung beeinflussen, nur durch rechtzeitige und ausreichend lange Nachbehandlung, die schnelles Abkühlen und Austrocknen der Bauteiloberfläche verhindert, kann die Rissbildung beeinflusst werden. Röhling [2] gibt jedoch ein Vorschlag für eine zusätzliche Mindestbewehrung zur Begrenzung der Oberflächen- und Schalenrisse. Es wird eine Unterscheidung in Mindestbewehrung zur Rissbreitenbegrenzung infolge Eigenspannungen und infolge äußeren Zwangs getroffen. Werden die Zugspannungen am Bauteilrand infolge der Eigenspannungen im Bauteil nicht durch die Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite infolge äußeren Zwangs abgedeckt, muss laut Röhling [2] eine zusätzliche Bewehrung oberflächennah angeordnet werden.
Maßnahmen zur Verringerung der Eigenspannungen
Durch eine Verringerung der Bauteiltemperatur kann die Dehnungsdifferenz zwischen Bauteilkern und Bauteilrand verringert werden, sodass die Eigenspannungen eine geringere Größe annehmen. Außerdem kann durch entsprechende Maßnahmen der Zeitraum bis zum Erreichen der Maximaltemperatur im Bauteilquerschnitt verlängert werden, sodass sich am Bauteilrand eine größere Zugfestigkeit entwickeln kann. [2]
Durch eine Dämmung des Bauteils nach dem Betonieren, kann zum Beispiel die Temperaturdifferenz im Bauteilquerschnitt verringert werden, sodass geringere Eigenspannungen entstehen. Es ist jedoch darauf zu achten, dass hierbei die Bauteiltemperatur im Gesamten angehoben wird und dadurch beim Abfließen der Hydratationswärme größere Zugspannungen entstehen. [2]
Um die durch eine Feuchtigkeitsverteilung im Bauteilquerschnitt entstehenden Eigenspannungen zu verringern kann im Zuge der Nachbehandlung die Betonoberfläche befeuchtet werden. [2]
Quellen
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Lohmeyer, G.; Ebeling, K.: Weiße Wannen - einfach und sicher. Konstruktion und Ausführung wasserundurchlässiger Bauwerke aus Beton. 9. überarbeitete und erweiterte Auflage. Düsseldorf 2009
- ↑ 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 Röhling, S.; Meichsner, H.: Rissbildung im Stahlbetonbau. Ursachen - Auswirkung - Maßnahmen. Stuttgart 2018
- ↑ 3,0 3,1 3,2 Lohmeyer, G.; Ebeling, K.: Weiße Wannen - einfach und sicher. Konstruktion und Ausführung wasserundurchlässiger Bauwerke aus Beton. 11. überarbeitete Auflage. Düsseldorf 2018
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