Modell zur Bestimmung der Mindestbewehrung

Bei massigen Bauteilen aus Beton treten aufgrund der Spannungsentwicklung während der Erhärtung oft Risse auf. Die Rissentstehung ist mit den vorhandenen Ansätzen nicht ausreichend zu prognostizieren und zu beherrschen. Das liegt zum einen an der großen Unschärfe der verfügbaren Werkstoffmodelle und zum anderen an der unzureichenden Berücksichtigung der Einflüsse der konzentrierten Bewehrungsanordnung in den Randzonen sowie an Besonderheiten bei massigen Bauteilen. Die Materialeigenschaften des erhärtenden Betons werden bisher ohne Berücksichtigung der Spannungsgeschichte beschrieben. Die frühe Beanspruchung schädigt das Material jedoch, insbesondere die Zugfestigkeit. Die Prognose des Risszeitpunkts, des Ortes und der Risskraft ist daher unsicher. Das vorhandene Werkstoffmodell wird unter Berücksichtigung der Viskoelastizität um den Einfluss einer spannungsabhängigen Alterung erweitert. Die Begrenzung der Rissbreiten erfolgt in der Regel durch die Bewehrung. Der heute angewendete Berechnungsansatz beruht auf Untersuchungen am erhärteten Beton. Mit den erweiterten Werkstoffgesetzen werden ein verbessertes Verbundmodell und ein neuer Berechnungsansatz für den jungen Beton erarbeitet. Das Werkstoff- und Verbundmodell fließt in ein FE-Modell ein. Die Besonderheiten von massigen Bauteilen werden erfasst und die Spannungsentwicklung und Rissbildung prognostiziert. Anhand von Bauwerksmessungen wird das Modell validiert. Parameterstudien und Modellrechnungen bilden die Grundlagen eines daraus abgeleiteten Ingenieurmodells zur Bemessung massiger Bauteile.

Beton ist der meistverwendete Baustoff der Welt. Unsere gebaute Umwelt - ob Infrastruktur oder Hochbau - wäre ohne den Baustoff Beton in der heutigen Form nicht denkbar, insbesondere aufgrund der Robustheit dieses Werkstoffs und seine individuelle Anpassungsfähigkeit an die spezifischen Anforderungen unterschiedlicher Bauaufgaben. Betonbauteile erfahren aber im Zuge ihrer Herstellung stets eine Zwangbeanspruchung, maßgeblich hervorgerufen durch die Hydratationswärme der exothermen Betonerhärtung. Mit zunehmender Massigkeit des Bauteils oder aber auch bei sehr großflächigen Abmessungen kann dies zur Rissbildung führen, sodass zur Sicherstellung der Gebrauchstauglichkeit eine Mindestbewehrung im Bauteil angeordnet wird, welche die Breite der Risse auf ein tolerierbares Maß begrenzt. Trotz intensiver Bemühungen bietet die heutige Normengeneration der EUROCODES allerdings noch immer kein mechanisch konsistentes Bemessungsmodell für die Festlegung dieser Mindestbewehrung. Die Ursache hierfür liegt in der Komplexität des Problems, da das Erhärtungsverhalten des Betons stark zeitabhängig ist und eine rechnerische Erfassung der maßgeblichen Zusammenhänge aufwendige multiphysikalische Betrachtungen erfordert. Zur Vereinfachung wird in den meisten Massivbaunormen die Risskraft des Querschnitts als Bemessungsschnittgröße zugrunde gelegt. Diese Vorgehensweise liegt auf der sicheren Seite, ist aber genau für jene Bauteile, bei denen die Mindestbewehrung oft maßgebend ist, aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht brauchbar. Abhilfe sollten empirische Modifikation schaffen, die aber aufgrund der fehlenden mechanischen Absicherung zu Ergebnissen auf der unsicheren Seite führen können. Schäden, insbesondere in Form von Undichtigkeiten bei WU-Konstruktionen, sind deshalb keine Seltenheit. Im Rahmen dieses Projekts wurden zunächst die verfügbaren Werkstoffmodelle für erhärtenden Beton verbessert, insbesondere hinsichtlich des Einflusses einer möglichen Vorschädigung durch die Spannungsgeschichte selbst und dem viskoelastischen Verhalten unter Zugbeanspruchung. Parallel wurde das Erhärtungsverhalten auf Bauteilebene mit umfassenden numerischen Parameterstudien untersucht, sodass auf Grundlage all dieser Erkenntnisse letztendlich ein praxistaugliches Ingenieurmodell zur Festlegung der Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite unter Berücksichtigung des tatsächlichen Bauteilverhaltens entwickelt werden konnte.