Fachbeiträge & Interviews
Donnerstag, 26. Mai 2022
Ausgabe 7584 | Nr. 146 | 21. Jahrgang
Autor: Manfred Curbach, Jürgen Stritzke, Anna Martius
Herausgeber: Technische Universität Dresden - Lehrstuhl für Massivbau email-weiterempfehlendruckansicht

Erhöhung der Bruchlast von Platten durch textile Verstärkung - Teil 1/2

# 07.10.2002

Bei Platten kann durch die Aufbringung einer textilen Verstärkung sowohl die Bruchlast gesteigert als auch das Verhalten unter Gebrauchslast deutlich verbessert werden. Solche Platten sind bis zum Erreichen der Maximallast wesentlich steifer, haben deutlich geringere Durchbiegungen und kleinere Rißweiten als unverstärkte Platten. Im Gebrauchslastniveau kann die Durchbiegung einer verstärkten Platte – abhängig vom Verstärkungsgrad – um bis zu 45 % gegenüber einer unverstärkten Platte reduziert werden. Die Grundlagen für ein Bemessungsmodell sind gelegt und werden mit den Ergebnissen der weiteren Versuche abgesichert.

Ziel des Projektes D1

Abb. 1: Aufbau der Vorversuche. Foto: TU Dresden Abb. 1: Aufbau der Vorversuche. Foto: TU Dresden

Für die Verstärkung von Bauteilen mit textilbewehrtem Beton sollen Grundlagen für die Bemessung und Konstruktion geschaffen werden.

Durch Versuche innerhalb des Teilprojekts, aber auch mit Hilfe der Ergebnisse aus den Teilprojekten B1 und C1, die sich mit einaxialen Zugversuchen und dem Verbundverhalten zwischen Verstärkungsschicht und Altbeton beschäftigen, sollen die Grundlagen für die Verstärkung von Bauteilen erstellt werden.

Es soll untersucht werden, wie sich die Verstärkung von Bauteilen auf deren Gebrauchstauglichkeit auswirkt und ob bei Platten die Anordnung des Endes der Verstärkungsschicht vor dem Auflager Einfluß auf das Tragverhalten hat.

Es sei darauf hingewiesen, daß die zu verstärkenden Platten im Rahmen dieser Versuche keine Vorbelastung aufweisen. Die Untersuchung von verstärkten Platten mit Vorbelastung sind in Phase 2 des SFB vorgesehen.

Prinzipielle Vorgehensweise

Begonnen wurde mit der Verstärkung der Biegetragfähigkeit von einaxial gespannten Platten. Im nächsten Schritt werden Balken mit Rechteckquerschnitt verstärkt, wobei eine Verstärkung für Biegemoment und Querkraft erreicht werden soll.

Im Anschluß an diese Versuchsreihen sollen dann Plattenbalkenquerschnitte verstärkt werden, wobei besonderes Augenmerk auf die Verankerung der Querkraftbewehrung in der Druckzone des Biegeträgers gelegt wird.

Bemessung der Stahlbetonplatte

Eine in einem Gebäude bereits vorhandene, aber z. B. durch Umnutzung unterbemessene Deckenplatte war in einem sinnvollen Maßstab nachzuempfinden und für den Fall der ursprünglichen Nutzung zu bemessen. Für eine Platte mit 1,60 m Stützweite, 0,60 m Breite und 0,1 m Dicke /1/ wurden Belastungen von 1,5 kN/m² infolge Verkehrslast und 3,5 kN/m² infolge Eigengewicht der Platte einschließlich Fußbodenaufbau angenommen und die Platte entsprechend bemessen.

Für diese Lastfälle ist eine Bewehrung mit Mattenstahl R 513 erforderlich, was auf 0,6 m Breite einer Stahlfläche von 3,1 cm² entspricht. Durch eine spätere Umnutzung des Gebäudes erhöht sich die Verkehrslast auf 2,5 kN/m², wobei die zusätzlichen Lasten durch eine Verstärkung mit textilbewehrtem Beton aufgenommen werden sollen.

Vorversuche und Herstellung

Zu Beginn wurde die Betonrezeptur zur Herstellung des sogenannten Altbetons B 25 entwickelt. Er besteht aus Zement CEM I 32,5 R, Zuschlägen mit einem Größtkorn von 8 mm und Wasser (w/z < 0,7 lt. Walz-Kurve).

Ein wichtiges Kriterium war, daß die Serienfestigkeit der Betonprobewürfel nach 28 Tagen annähernd 30 N/mm² betragen sollte. Zum Testen der Rezeptur, der Technologie der Beschichtung und der Versuchseinrichtung wurden Platten hergestellt, die mit Mattenstahl R 513 bewehrt waren.

Die Platten wurden auf der Unterseite mit einem Sand mit 1 mm Größtkorn sandgestrahlt und vor dem Beschichten angenäßt. Auf das Aufbringen einer Haftbrücke wurde vorerst verzichtet. Für die Aufbringung der Verstärkungsschicht wurden drei verschiedene Verfahren untersucht. Bei den beiden erstgenannten Verfahren wurden die Platten gewendet, so daß zum Beschichten die spätere Zugzone oben war.

Beschichten ohne Schalung

Es lag die Idee zugrunde, daß sich das Textil dadurch besser der Plattenoberfläche anpaßt und parallel dazu verläuft. Nach dem Aufbringen einer Ausgleichsschicht aus einem Mörtel mit Größtkorn 1 mm auf die Oberfläche der Platte wurde die erste Textillage von Hand eingebracht, leicht in die Mörtelschicht – nachfolgend auch Matrix genannt – gedrückt und die nächste Lage Mörtel ca. 2 mm dünn aufgetragen.

Danach wurde mit einer breiten Stahlschiene abgezogen und die Arbeitsschritte beginnend mit dem Einbringen der textilen Lage so lange wiederholt, bis die letzte Gelegeschicht eingebracht war. Die Dauer der Verstärkungsarbeiten war im Vergleich zu den nachfolgend beschriebenen Varianten um bis zu 1/3 kürzer, was bei Beschichtung mit mehreren Lagen eine zunehmende Rolle spielt.

Beschichten mit Schalung

Diese bestand aus quadratischen Stahlhohlprofilen und war mit Hilfe von Meßuhren höhenverstellbar. Die Verwendung einer Schalung wurde als vorteilhaft angesehen, weil man gleichmäßige Schichtdicken von 2 mm pro Verstärkungsschicht einhalten kann und ein sauberes, glattes Abziehen des Mörtels sehr einfach möglich ist.

Die Vorbereitung zur Beschichtung war jedoch aufwendig und erfüllte nicht die Erwartungen an Anwenderfreundlichkeit und Zeitersparnis. Deshalb wurde von einer weiteren Anwendung der Schalung Abstand genommen.

Beschichten mit Anpreßschalung

Für eine spätere Praxisanwendung der Verstärkung von Bauteilen mit textilbewehrtem Beton gab es die Überlegung, die textilen Verstärkungslagen im Mörtel in eine bewegliche Schalung einzubringen und von unten an das zu verstärkende Bauteil anzupressen. In mehreren Versuchen wurde die gewünschte Lagenanzahl Textil in Mörtel in eine Schalung eingebracht und die Platte in die Schalung abgesetzt.

Die Untersicht der verstärkten Platte war sehr glatt und eben, die Zeitdauer bei diesem Verfahren jedoch noch höher als beim zweiten Verfahren. Bei drei gestarteten Versuchen fiel die Verstärkungsschicht als dünne Platte nach unterschiedlich langen Zeiträumen ab, so wurde auch die Anwendung dieser Variante verworfen.

Versuchsaufbau und Durchführung

Die Platten wurden in einem Vierpunkt-Biegeversuch auf ihre Biegetragfähigkeit geprüft. In den Drittelspunkten der gelenkig gelagerten Platte standen Doppel-T-Profile auf einer Ausgleichsschicht aus Sand. Die Profile waren durch eine Traverse verbunden, auf die die Last aufgebracht und zu gleichen Teilen auf die Doppel-T-Profile verteilt wurde (vgl. Abb. 1).

Für die Vorversuche wurden lediglich ein Dehnmeßstreifen zur Verformungsmessung der Biegedruckzone und zwei induktive Wegaufnehmer zur Durchbiegungsmessung in Plattenmitte verwendet.

Die Vorversuche wurden mit einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,1 mm/s weggesteuert gefahren, um ein eindeutiges Last-Verformungs-Diagramm zu erhalten und um die Rißbildung gut beobachten zu können. Es wurden zwei Ent- und Belastungen durchgeführt, bei denen jeweils bis zu einem bestimmten Anteil der errechneten Bruchlast gefahren werden sollte (bis 30% und 60%).

Ergebnisse

Abb. 2: Ergebnis der verstärkten Platte der Vorversuche (5 Lagen). Grafik: TU Dresden Abb. 2: Ergebnis der verstärkten Platte der Vorversuche (5 Lagen). Grafik: TU Dresden

Es werden exemplarisch drei unverstärkte und eine verstärkte Platte vorgestellt. Da in den Vorversuchen unter anderem auch die Betonrezeptur getestet wurde, kam es dazu, daß die Platten nur Festigkeiten zwischen einem Beton B 10 und einem Beton B 15 erreichten.

Die tatsächlichen Bruchlasten der drei unverstärkt geprüften Platten (ca. B 15) betrugen 49,3 kN, 43,9 kN und 44,1 kN (Mittel: 45,8 kN) gegenüber der – mit den in Versuchen bestimmten Werkstoffkennwerten von Stahl und Beton – errechneten Bruchlast von 44,3 kN.

Das entspricht einer Abweichung von im Mittel 3 %. Die Mittendurchbiegungen betrugen bei Maximallast im Mittel 36 mm und die Stauchungen auf der Oberseite in Plattenmitte 2,37 o/oo. Für die Verstärkung der ersten Platten wurde eine quattroaxiale Struktur gewählt: 0°/2*45°/90°, 620 tex, Maschenweite 14,28 mm. Die aufnehmbare Zugkraft dieser Struktur wurde in Zugversuchen innerhalb des Teilprojekts B1 zu 11,1 kN je Meter Breite der Verstärkungsschicht ermittelt.

Darauf basierend wurde die Anzahl der textilen Lagen so gewählt, daß das Biegemoment infolge der Erhöhung der Verkehrslast durch die Verstärkungsschicht aufgenommen werden sollte. Die zu verstärkende Platte (ca. B 10) hätte unverstärkt eine rechnerische Bruchlast von 43,6 kN aufnehmen können. Sie wurde mit 5 Lagen des quattroaxialen Textils 620 tex beschichtet und sollte –überschlägig gerechnet – 52,1 kN tragen.

Tatsächlich konnte diese Platte maximal mit 52,3 kN bei einer Durchbiegung von 18 mm belastet werden, die Abweichung der Rechnung vom Versuch beträgt nur 0,4 %. Die Traglast konnte um 20 % gesteigert werden (vgl. Abb. 2). Ein Verbundversagen zwischen den einzelnen Schichten trat nicht auf.

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