Stahlbeton

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Stahlbeton
Stahlbetonbr√ľckenpfeiler mit Bewehrung und fertig betoniert

Stahlbeton, ein k√ľnstlicher Baustoff im Stahlbetonbau, ist ein Verbundwerkstoff aus den beiden Komponenten Beton und Bewehrungsstahl. Ein Verbund beider Komponenten entsteht durch die Verklebung mit dem Bindemittel Zement und die Rippung des Bewehrungsstahls. Beton hat im Vergleich zur Druckfestigkeit nur eine Zugfestigkeit von etwa 10 %. Stahl besitzt dagegen eine hohe Zugfestigkeit. Das Tragprinzip beim Baustoff Stahlbeton ist es daher, auf Zug beanspruchte Stellen eines Bauteils mit Stahl zu verst√§rken, also zu bewehren, und in den √ľbrigen Bereichen die Druckfestigkeit des Betons auszunutzen (in haupts√§chlich biegebeanspruchten Bauteilen z. B. Balken). Bei haupts√§chlich auf Druck beanspruchten Bauteilen (z. B. St√ľtzen) wird der Stahl (Bewehrung) auch zur Erh√∂hung der Druckfestigkeit herangezogen, also auf Druck beansprucht.

Inhaltsverzeichnis

Bedeutung, Anwendung und Bauteile

Stahlbeton ist mit √ľber 100 Millionen verbauten Kubikmetern im Jahr der wichtigste Baustoff Deutschlands, w√§hrend der Anteil des Betonstahls an der Stahlproduktion in Deutschland zirka 12 % beziehungsweise ungef√§hr 6 Millionen Tonnen betr√§gt. Der Einsatz von Stahlbeton statt des unbewehrten Betons ist immer dann notwendig, wenn in einem Bauteil Zugspannungen auftreten, die zu einem schlagartigen Versagen der Gesamttragf√§higkeit f√ľhren k√∂nnten. Im Vergleich zu anderen Baustoffen, wie Stahl, Holz oder Kunststoff, ist seine Anwendung immer dann sinnvoll, wenn keine filigranen und leichten Tragstrukturen notwendig sind. Wie der Einsatz beim Bau von Bunkern zeigt, ist Stahlbeton bei ausreichenden Abmessungen auch f√ľr extreme Einwirkungen geeignet. Vorteilhaft sind insbesondere die Nichtbrennbarkeit und der hohe Feuerwiderstand. Grenzen bei der Benutzung des Baustoffes ergeben sich aus dem hohen Eigengewicht des Betons, was als tote Last die erforderliche Betonstahlmenge vergr√∂√üert und bei schlanken Konstruktionen infolge der Rissbildung zu gro√üen Verformungen f√ľhrt. In diesen F√§llen ist der Einsatz einer Verbundkonstruktion oder von Spannbeton geeigneter. Der Spannbeton unterscheidet sich vom Stahlbeton durch eine planm√§√üige Vorspannung (=Vordehnung) der Stahleinlagen, der so genannten Spannglieder. Damit wird eine zus√§tzlichen √§u√üere Druckl√§ngskraft aufgebracht, wodurch die Zugspannungen √ľberdr√ľckt werden und eine Rissbildung, somit die Bauteilverformung, stark reduziert wird.

Typische Stahlbetonbauteile sind unter anderem biegebeanspruchte fl√§chige Bauteile, wie Decken oder Bodenplatten. Aber auch massige Bauteile wie Br√ľckenpfeiler oder St√ľtzw√§nde werden im Regelfall mit diesem Material hergestellt.

Geschichte

Kragbalken mit Spannungsverteilung nach Bernoulli.

Im 17. Jahrhundert entwickelte der Mathematiker Jakob I. Bernoulli das Prinzip der Balkentheorie. Er schuf damit die Voraussetzung f√ľr das Verst√§ndnis von Kraftverl√§ufen in auf Biegung beanspruchten Bauteilen.

Grundlage der Entwicklung waren die Erfindung des Romanzement im Jahre 1798 durch den Engl√§nder J. Parker und des Portlandzement durch den Engl√§nder J. Aspdin im Jahre 1824.

In der Mitte des 19. Jahrhunderts wurden erstmals in Frankreich Betonbauteile durch Stahleinlagen verst√§rkt. 1848 baute Joseph-Louis Lambot ein Boot aus eisenverst√§rktem Zementm√∂rtel, das er 1855 patentieren lie√ü. Seit 1861 stellte der G√§rtner Joseph Monier Pflanzk√ľbel aus Zementm√∂rtel her, die er mit einem Eisengeflecht verst√§rkte, damit sie nicht so leicht zerbrachen. 1867 erhielt er darauf ein Patent. Der Begriff Moniereisen wird auch heute noch verschiedentlich verwendet. √Ąltere Bezeichnungen f√ľr Stahlbeton sind Eisenbeton (heute auch noch im Russischen und Bulgarischen √ľblich) und Monierbeton. Bereits 1861 ver√∂ffentlichte Fran√ßois Coignet Grunds√§tze f√ľr die Verwendung von bewehrtem Beton und stellte 1867 auf der Weltausstellung in Paris Tr√§ger und R√∂hren aus bewehrtem Beton aus. Schon 1852 hatte Coignet in Saint-Denis ein Geb√§ude mit Beton und Eisenprofilen gebaut. Der Gutsp√§chter Joseph-Louis Lambot meldete 1855 ein Patent f√ľr einen neuen "Holzbauwerkstoff" an, den er "Ferciment" nannte. Seiner Patentschrift kann folgendes entnommen werden: "Meine Erfindung hat ein neues Erzeugnis zum Gegenstand, das dazu dient, das Holz im Schiffbau und √ľberall dort zu ersetzen, wo es feuchtigkeitsgef√§hrdet ist, .. Ich gebe diesem Netz (aus Draht und St√§ben) eine Form, die im bestm√∂glichen Ma√üe dem Gegenstand angepasst ist, den ich herstellen will und bette es anschlie√üend in hydraulischen Cement oder √§hnliches wie Bitumen, Teer oder ihren Gemischen ..." Dieses Patent wurde dann von Coignet erweitert.

Parallel zu den franz√∂sischen Ingenieuren f√ľhrte der amerikanische Rechtsanwalt Thaddeus Hyatt seit 1855 Versuche √ľber die Verwendung von Stahleinlagen in Beton durch. In seinem Grundpatent von 1878 schrieb er: " ... Hydraulic cements and concretes are combined with metal bars and rods, so as to form slabs, beams and arches. The tensible strength of the metal is only utilized by the position, in which it is placed in slabs, beams etc. ...". Hyatt hatte die Tragwirkung erkannt. Auch der englische Bauunternehmer William Boutland Wilkinson erhielt schon 1854 ein Patent auf Eisenbeton und verwendete es um 1860 f√ľr Decken in H√§usern.

In Deutschland erwarben 1885 G. Wayss und A. Freytag die Monierpatente. Im gleichen Jahr traf Wayss den Regierungsbaumeister Matthias Koenen, dem die Leitung des damals im Bau befindlichen Reichstagsgeb√§udes unterlag. Nach dem Ausr√§umen von Bedenken wegen der Korrosionsgefahr, Haftfestigkeit und unterschiedlicher Temperaturdehnungen sowie aufgrund von Versuchen, entschloss sich Koenen das neue System anzuwenden. Seine Erkenntnisse veranlassten ihn eine Brosch√ľre zu verfassen, die Wayss 1887 unter den Titel "Das System Monier in seiner Anwendung auf das gesamte Bauwesen" herausgab. Wenig sp√§ter brachte Emil M√∂rsch eine erste wissenschaftlich begr√ľndete Darstellung der Wirkungsweise des Eisenbetons. Die wurde 1902 ver√∂ffentlicht. Dazu f√ľhrte Emil M√∂rsch als einer der Ersten umfangreiche Versuchsreihen durch. Er war schlie√ülich von 1916 bis 1948 Professor f√ľr Statik der massiven Tragwerke, gew√∂lbten Br√ľcken und Eisenbetonbau an der Technischen Hochschule Stuttgart und hat dort die Bemessungsverfahren f√ľr Stahlbeton entscheidend mitgepr√§gt. 1920 kam es zur Einf√ľhrung des Begriffes Stahlbeton[1]. 1942 folgte die Umbenennung des Deutschen Ausschusses f√ľr Eisenbeton in Deutscher Ausschuss f√ľr Stahlbeton und dem entsprechend der Ersatz der DIN 1045 von 1937 Bestimmungen des Deutschen Ausschusses f√ľr Eisenbeton im Jahr 1943 durch die Bestimmungen des Deutschen Ausschusses f√ľr Stahlbeton.[2]

Zu den ersten Stahlbetonhochbauten in Deutschland z√§hlt das Geb√§ude der ‚ÄěK√∂niglichen Anatomie‚Äú in M√ľnchen, erbaut von 1905 bis 1907 nach Pl√§nen des Architekten Max Littmann. In den USA entstand 1902 mit dem 16-st√∂ckigen Ingalls Building in Cincinnati das erste Hochhaus [3] und 1903‚Äď1904 mit dem Packard-Automobilwerk der erster Fabrikbau in Eisenbeton.[4]

Komponenten

Beton

‚Üí Hauptartikel: Beton

Beton ist ein k√ľnstliches Gestein aus Zement, Betonzuschlag (Sand und Kies oder Splitt), gegebenenfalls Zusatzmitteln und Wasser. Dieser Baustoff ist preiswerter als metallische Baustoffe (beispielsweise Stahl) herzustellen, je nach Konsistenz relativ einfach formbar und besonders geeignet f√ľr massige Bauteile. Seine mechanischen Eigenschaften sind gekennzeichnet durch eine relativ hohe Druckfestigkeit sowie eine niedrige Zugfestigkeit (ungef√§hr 10% der Druckfestigkeit).

Betonstahl

‚Üí Hauptartikel: Bewehrungsstahl

Betonstahl, auch als Bewehrungsstahl bezeichnet, ist ein spezieller, heutzutage gerippter oder profilierter Rundstahl mit einer hohen Zugfestigkeit (fyk = 500 N/mm2). Dieser wird in die Schalung des Bauteils eingebaut und anschlie√üend einbetoniert. Damit die Bewehrungsst√§be sich im fertigen Betonteil an der planm√§√üigen Stelle befinden und w√§hrend des Betonierens nicht verschieben, werden sie mit Hilfe von Bindedraht untereinander zu einem Korb fixiert (zusammenger√∂delt). Beim Einf√ľllen des Betons, dem Betonieren, wird der Betonstahl durch den Beton komplett umh√ľllt, was den Verbund zwischen den beiden Baustoffen bewirkt. Um eine Mindestdicke an Beton zwischen der Stahlbewehrung und der Au√üenfl√§che des Betonteiles sicherzustellen, werden zwischen der Bewehrung und der unteren oder seitlichen Schalung Abstandshalter aus geeignetem Material (Kunststoff, Beton) eingebaut und mit einbetoniert.

Tragverhalten

Tragverhalten des Stahlbetons
Beton und Betonstahl im Verbund

Der Verbund zwischen dem Beton und dem Betonstahl entsteht durch die Haftung des Bindemittels Zement (Haftverbund), durch die Reibung zwischen Stahl und Beton (Reibungsverbund) und durch den infolge der Rippung des Betonstahls erzeugten Formschluss (Scherverbund). In ungerissenem Stahlbeton sind die Dehnungen der beiden Baustoffe gleich groß. Dieser Zustand, ohne Relativverschiebungen zwischen Beton und Stahl, wird auch als vollkommener Verbund bezeichnet.

Unbewehrter Beton versagt bei Zugbeanspruchung (z. B. Biegezug) aufgrund seiner Spr√∂digkeit ohne ank√ľndigende Rissbildung schlagartig. Dies geschieht im Vergleich zur Druckbeanspruchung schon bei geringer Belastung, weil die Zugfestigkeit klein ist. Aus diesem Grund werden die zugbeanspruchten Bereiche des Betons mit Bewehrungsstahl versehen, der einbetoniert ist. Da der Beton auf Zug den gro√üen Dehnungen des Stahls nicht folgen kann, rei√üt er im Zugbereich. Im Bereich eines Risses ist dann nur noch der Bewehrungsstahl wirksam. Zug- bzw. biegezugbeanspruchte Bauteile k√∂nnen daher so bemessen und hergestellt werden, dass sich das Bauteilversagen durch eine intensive Rissbildung und signifikante Verformungen vorank√ľndigt. Zur wirklichkeitsnahen Berechnung der Verformungen werden die Berechnungsverfahren der Baustatik erweitert, wie beispielsweise mit der nichtlinearen Stabstatik. Bei Bauteilen, die auf Druck beansprucht werden, k√∂nnen Stahleinlagen die Tragf√§higkeit auf Druck erh√∂hen.

Stahl und Beton haben einen gleich großen Wärmeausdehnungskoeffizienten (10-5 nach den Stahlbetonnormen), was bei Temperaturänderungen in etwa gleich große Wärmedehnungen der beiden Materialien zur Folge hat und somit keine nennenswerten Eigenspannungen im Verbundwerkstoff Stahlbeton bewirkt.

Dauerhaftigkeit von Stahlbeton

Karbonatisierung

‚Üí Hauptartikel: Carbonatisierung_(Beton)

Eine Voraussetzung f√ľr die Dauerhaftigkeit des Verbundwerkstoffs ist das alkalische Milieu mit einem pH-Wert von 12-14. Dieses entsteht durch die Umwandlung von Kalkstein in Calciumhydroxid w√§hrend der Hydratation des Betons und stellt bei ausreichender Beton√ľberdeckung einen langfristigen Schutz des Betonstahls vor Korrosion sicher (siehe auch Betonkorrosion). Mit einem pH-Wert von weniger als 10 ist dieser Schutz, die sogenannte Passivierung, nicht mehr vorhanden. Ausgehend von der Betonoberfl√§che wird durch Feuchtigkeit und Kohlens√§ure die Alkalit√§t des Betons und somit die Dicke der Passivierungsschicht um den Betonstahl mit der Zeit reduziert, wobei die sogenannte Karbonatisierungsgeschwindigkeit abnimmt. Risse im Stahlbetonbauteil k√∂nnen diesen Prozess f√∂rdern. Sobald Bewehrungsstahl korrodiert, vergr√∂√üert sich sein Volumen und ein Druck wird auf den umgebenden Beton aufgebaut. Dies kann etwaige Risse verbreitern, was den Korrosionsproze√ü wiederum beschleunigt und schlie√ülich ein Abplatzen des Betons zur Folge hat.

F√ľr einen verbesserten Korrosionsschutz kann Betonstahl feuerverzinkt oder mit Epoxid beschichtet werden. Auch die Verwendung von Edelstahl und GFK-Bewehrung ist m√∂glich. Die genannten Bewehrungselemente unterliegen in Deutschland der bauaufsichtlichen Zulassung. Eine Liste bauaufsichtlich zugelassener Bewehrungselemente f√ľhrt das Deutsche Institut f√ľr Bautechnik.[5] Edelstahl kostet je nach Qualit√§t etwa das 10-fache von normalem BSt 500 Bewehrungsstahl.

Zum Schutz gegen Korrosion des Bewehrungsstahles in Folge Karbonatisierung oder Chlorideindringung kann auch ein Kathodischer Korrosionsschutz mit einer Fremdstromanode, die √ľber Gleichrichter mit einem Schutzstrom (eigentlich nur eine Polarisierung) gesteuert werden, angewendet werden. Dies kann beispielsweise im Br√ľckenbau zur Anwendung kommen.

Der Nachweis der Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauteilen beruht auf einem Zeitraum von 50 Jahren[6].

Risse

Durchgehende Schwindrisse in einer Stahlbetonst√ľtzmauer (Alter etwa 4 Jahre), korrodierter Bewehrungsstahl wird durch eindringendes Wasser an die Oberfl√§che gef√∂rdert.

Risse in Stahlbetonbauteilen sind Bestandteil des Tragverhaltens und daher meist kein Mangel, sofern die Rissbreiten die in den Normen als zul√§ssig definierten Werte nicht √ľberschreiten oder keine rissfreie Fl√§che vereinbart wurde. Risse k√∂nnen prinzipiell drei Ursachen haben:

  1. Direkte Einwirkungen, wie das Eigengewicht: Um den Bewehrungsstahl in den Zugzonen zu aktivieren, muss der Beton dort aufreißen, damit die notwendigen Verformungen eintreten.
  2. Indirekte Einwirkungen, wie das behinderte Kriechen und/oder Schwinden: Behinderte Verformungen f√ľhren zu Zwangschnittgr√∂√üen, die den Bewehrungsstahl in den Zugzonen aktivieren, wie die direkte Einwirkung.
  3. Eigenspannungen: Beim Schwinden des Betons ergibt sich aufgrund des W√§rmeaustausches an der Betonoberfl√§che eine ungleichm√§√üige Temperaturverteilung √ľber den Querschnitt, die zu Zugspannungen an der Oberfl√§che und bei √úberschreiten der Zugfestigkeit des Betons zu Rissen f√ľhrt.

Risse sind im Verbundwerkstoff Stahlbeton im Regelfall (zwangsl√§ufig) zul√§ssig, in Abh√§ngigkeit von Umweltbedingungen und Nutzung des Bauteils sieht der Eurocode 2 beispielsweise eine Begrenzung der Breite auf 0,1 bis 0,4 mm vor. Die Schweizer Norm SIA 262 begrenzt die Spannungen im Bewehrungsstahl auf bis zu 50 % der Streckgrenze.

Eine konstruktive Ma√ünahme gegen zu gro√üe Rissbreiten ist das Einlegen einer ausreichenden, feinverteilten (viele d√ľnne anstatt wenige dicke St√§hle) Bewehrung, die die Risse zwar nicht verhindert, aber daf√ľr sorgt, dass statt einiger weniger, breiter Risse entsprechend mehr aber schmale und somit unbedenklichere Risse entstehen. Diese Ma√ünahme steigert die Dauerhaftigkeit des Bauteils und verbessert den optischen Eindruck.

Bei Sonderbauteilen, wie Bodenplatten von Tankstellen, die rissfrei ausgef√ľhrt werden m√ľssen, wird dies durch entsprechende Bauteilgeometrien und Dehnfugen oder durch Vorspannen sichergestellt. Der Einfluss der Bewehrung zur Sicherstellung einer Rissfreiheit ist von untergeordneter Bedeutung.

Von den unvermeidbaren konstruktiven Rissen sind Oberfl√§chenrisse zu unterscheiden, die grunds√§tzlich unerw√ľnscht sind und h√§ufig betontechnologische Gr√ľnde haben, wie eine ung√ľnstige Frischbetonzusammensetzung (mit z. B. zu hoher Hydrationssw√§rmeentwicklung), einen nicht ordnungsgem√§√üen Betoneinbau und eine ungen√ľgende Nachbehandlung der Frischbetonoberfl√§che.

Einbauteile

Neben dem Betonstahl werden planm√§√üig auch andere Bauelemente einbetoniert. Diese werden als Einbauteile bezeichnet. Sie dienen meist der Befestigung von Bauelementen am Stahlbetonbauteil, wie zum Beispiel Stahlkonstruktionen. Dazu z√§hlen unter anderem Ankerplatten und Ankerschienen. Weitere Einbauteile, wie D√ľbelleisten oder Seilschlaufen, ersetzen eine geometrisch schwierige und aufw√§ndige Betonstahlbewehrung durch eine f√ľr die Beanspruchung des Betons spezielle entwickelte "Stahlkonstruktion" .

Siehe auch

Literatur

  • K. Bergmeister und J.-D. W√∂rner: Betonkalender 2005. Ernst & Sohn 2004, ISBN 3-433-01670-4
  • F. Leonhardt und E. M√∂nnig: Vorlesungen √ľber Massivbau. Dritter Teil: Grundlagen zum Bewehren im Stahlbetonbau. Springer-Verlag Berlin, ISBN 3-540-08121-6
  • S. Scheerer und D. Proske: Stahlbeton for Beginners: Grundlagen f√ľr die Bemessung und Konstruktion. Springer-Verlag Berlin, ISBN 3-540-76976-5

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Stahlbeton ‚Äď Bedeutungserkl√§rungen, Wortherkunft, Synonyme, √úbersetzungen

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Fritz Leonhardt, Eduard M√∂nnig:Vorlesungen Uber Massivbau: Teil 1: Grundlagen Zur Bemessung im Stahlbetonbau. Springer, 1977, S.1
  2. ‚ÜĎ Konrad Bergmeister,Johann-Dietrich W√∂rner,Frank Fingerloos:Beton Kalender 2009: Konstruktiver Hochbau : Aktuelle Massivbaunormen,S.45
  3. ‚ÜĎ Betonmarketing Deutschland GmbH: Geschichte des Betons
  4. ‚ÜĎ "Packard, a history of the motor car and the company - General edition - Beverly Rae Kimes, Editor - 1978 Automobile Quarterly", ISBN 0-915038-11-0
  5. ‚ÜĎ http://www.dibt.de/de/zv/NAT/zv_referat_I1/SVA_1.pdf Liste der Zulassungen f√ľr Bewehrungsmaterialien
  6. ‚ÜĎ DIN EN 206-1:2000 Anhang F

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