Table Of ContentForschung fUr die Praxis
Universitat Leipzig
Institut fUr Massivbau und Baustofftechnologie
M.Zink
Zum Biegeschubversagen
schlanker Bauteile aus
Hochleistungsbeton
mit und ohne Vorspannung
Forschung fur die Praxis
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. e.h. Gert Konig
Universitat Leipzig
Institut fOr Massivbau und Baustofftechnologie
Die Reihe "Forschung fOr die Praxis" stellt Beitrage und Arbeiten der
Bauingenieure und Architekten an der Universitat Leipzig vor. Diese
Forschungsarbeiten und Dissertationen liefern Bausteine fOr ein vertief
tes Grundlagenwissen aus allen Bereichen des aktuellen Baugesche
hens, und sie stellen aussichtsreiche Neuentwicklungen vor.
Die Reihe wendet sich an interessierte Ingenieure aus Forschung und
Baupraxis, fOr die das Hintergrundwissen zu Vorschriften, Richtlinien
und Neuentwicklungen zum Handwerkszeug gehort.
Zum Biegeschubversagen
schlanker Bauteile aus
Hochleistungsbeton
mit und ohne Vorspannung
Van Dr.-Ing. Martin Zink
Universitat Leipzig
EB
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Dr.-Ing. Martin Zink
Geboren 1966 in Aschaffenburg. Von 1987 bis 1992 Studium des Konstruktiven
Ingenieurbaus an der Technischen Hochschule Darmstadt. Förderpreis Bau
betrieb der Bilfinger + Berger Bauaktiengesellschaft und Stipendium der Stu
dienstiftung des deutschen Volkes. Diplomhauptprüfung mit Auszeichnung
durch den Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft. Seit 1992 Mitarbeiter
im Ingenieurbüro König und Heunisch, Frankfurt am Main, Berlin und Leipzig.
Externe Mitarbeit bei Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. e.h. Gert König von 1992 bis 1995
am Institut für Massivbau der Technischen Hochschule Darmstadt und von 1995
bis 1998 am Institut für Massivbau und Baustofftechnologie der Universität
Leipzig.
Die Arbeit "Zum Biegeschubversagen schlanker Bauteile aus Hochleistungs
beton mit und ohne Vorspannung" ist eine von der Wirtschaftswissenschaft
lichen Fakultät der Universität Leipzig genehmigte Dissertation zur Erlangung
des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.). Die Gutachten wurden
vorgelegt von Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing e.h. Gert König, Prof. Dr.-Ing. Rolf Thiele
und Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger. Die Verteidigung fand am 30. 07. 1999 statt.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titelsatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich
ISBN 978-3-519-00322-9 ISBN 978-3-663-05914-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05914-1
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung
außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages
unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfil
mungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© 2000 Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei B.G.Teubner Stuttgart . Leipzig 2000
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner externen Tatigkeit fur das lnstitut
fur Massivbau der Teehnisehen Universitat Darmstadt und das lnstitut fur
Massivbau und Baustoffieehnologie der Universitat Leipzig.
Eigene Versuehe wurden im Rahmen des dureh die Biltinger + Berger Bauaktien
gesellsehaft und die Biltinger + Berger Vorspannteehnik tinanzierten Forsehungs
vorhabens "Einflu/3 von Vorspannung auf das Verhalten von Bauteilen aus
hoehfestem Beton" in den Engelsdorfer Versuehshallen der MFP A Leipzig dureh
gefuhrt. Den Abteilungen Massivbau und Baustoffe der MFP A Leipzig gilt mein
Dank fur die fruehtbare Zusammenarbeit.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. e. h. Gert Konig, der es
an Herausforderungen und Anregungen nieht fehlen lie/3 und mir die Forsehungs
tatigkeit parallel zur Mitarbeit an der K yll-Talbrueke ermogliehte.
Den Professoren Rolf Thiele und Josef Hegger danke ich fur die Ubernahme der
Korreferate und die kritisehe Durehsieht meiner Arbeit.
Mein herzlieher Dank gilt Herrn Dr.-Ing. Gerd Remmel. Die Mitarbeit an der
Auswertung seiner Darmstadter Sehubversuche an Stahlbetonbalken aus Hoeh
leistungsbeton bildeten Anregung und Grundlage fur die vorliegende Arbeit. Herrn
Dr.-Ing. habil. Nguyen Tue danke ich fur seine stete Diskussionsbereitschaft und
die hilfreiche Ruckendeckung bei der Verteidigung meiner Thesen.
Herrn Dr.-Ing. Rainer Grimm, der mit seinen Arbeiten an die Versuche von
Dr.-Ing. Gerd Remmel anknupfte, verdanke ich nieht nur die grundlegende Aus
bildung fur die Planung und Durchfuhrung von Versuchen. Seinem personlichen
Engagement in Leipzig ist es zu verdanken, da/3 der straffe Zeitplan fur die
Durchfuhrung der Versuche umgesetzt werden konnte.
Dem lngenieurbilro Konig und Heunisch, insbesondere Herrn Dr.-Ing. Michael
Heuniseh und Herrn Dr.-Ing. Tilman Zichner, danke ieh fur die erfahrene Unter
stutzung. Ohne die Billigung meiner ehrenamtlichen Tatigkeit hatte diese Arbeit
nicht zustande kommen konnen. Die Erfahrungen aus der Arbeit im Buro bildeten
die Grundlage fur die Planung und Herstellung der Versuehskorper sowie fur die
inzwisehen erfolgte Umsetzung der Ergebnisse im Bruekenbau.
Leipzig, Oktober 1999 Martin Zink
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung ................................................... . 9
1.1 Hochleistungsbeton im Hochbau ................. . 9
1.2 Hochleistungsbeton im Bruckenbau ........ . 11
1.3 F orschungsbedarf. .............................. . 17
2 Hochleistungsbeton .................................. . 19
2.1 Allgemeines ............................................ . 19
2.2 StotTe ....................................................................................... .. 19
2.2.1 Zuschlage ..................................................................................... . 19
2.2.2 Zement ..................................................................................... . 20
2.2.3 Silicastaub ........................................................... . ................... . 22
2.2.4 Flie13mittel ............................................................. . .................... . 23
2.2.5 Verz6gerer ....................................................... . ....................... . 24
2.3 Materialeigenschaften ......................................... . ................... . 25
2.3.1 Druckfestigkeit ............................................................................. . 26
2.3.2 Zugfestigkeit............................ ........ . .. ............. . ....................... . 30
2.3.3 Steifigkeit ...................................... . ....................... . 31
2.3.4 Bruchenergie ................................................................................ . 32
2.3.5 Schwinden....................................... . ............................ . 34
2.3.6 Kriechen ........................................ . 36
3 Berechnungsgrundlagen ......... . 37
3.1 Bezeichnungen ............................... . 37
3.2 Ma13stabsetTekt ................................................ . 37
3.3 Bruchmechanik ................................................ . 41
4 Schubversagen .......................................... .. 48
4.1 Definition............ ...... ........ ........ .... .. . ........... . 48
4.2 Arten des Schubversagens.................... ................ . .................... . 52
4.2.1 Biegeschubversagen...................... .................. . ..................... . 53
4.2.2 Schubzugbruch ............................................................................... . 56
4.2.3 Druckstrebenversagen ................................................. . 57
4.3 Komponenten der Querkraftabtragung ................ ... ... .. . .................. . 59
4.3.1 Querkraftanteil des ungerissenen Betonquerschnitts ....................... . 59
4.3.2 Diibelwirkung der Langsbewehrung .................... . 60
4.3.3 Ri13verzahnung und Reibung ............................... . 63
4.3.4 Ma13stabseinflu13................................................... . ..................... . 65
Inhalt 7
4.3.5 Anteil der Vorspannung................................................................... 68
4.3.6 Anteil der Schubbewehrung ............................................................. 73
4.4 Modelle fur das Biegeschubversagen................................................ 75
4.4.1 Fachwerk-und Bogenmodelle.......................................................... 75
4.4.2 Kamm-und Zahnmodelle................................................................. 78
4.4.3 Bruchmechanische Modelle ................. '" ... '" ............ ... .................... 81
4.4.4 Numerische Modelle........................................................................ 81
4.4.5 Empirische Ansatze ......................................................................... 83
5 Versuche an Spannbetonbalken............................................ 86
5.1 Allgemeines ..................................................................................... 86
5.2 Betontechnologie............................................................................. 91
5.3 Schubversuche................................................................................. 95
5.4 Biegeversuche ................................................................................. 99
6 Scbubtragfabigkeit von Stablbetonbalken
obne Scbubbewebrung............................................................. 106
6.1 Grundlagen...................................................................................... 106
6.2 Neuer Weg zur Errnittlung der Biegeschubril3last............................. 108
6.2.1 Schubtraganteil der Biegedruckzone.... ........................ ... ... .............. 108
6.2.2 Ermittlung der Druckzonenhohe ...................................................... 112
6.3 Untergeordnete Tragwirkungen und Einfliisse.................................. 116
6.3.1 Mitwirkung des Betons in der Zugzone............................................ 117
6.3.2 EinfluB bruchmechanischer Vorgange .............................................. 120
6.3.3 Diibeltragwirkung der Langsbewehrung........................................... 124
6.3.4 Anmerkung zum EinfluB von Eigenspannungen ............................... 129
6.4 Auswertung der Schubtragfahigkeit von Stahlbetonbalken ............... 130
6.5 Auswirkungen auf die Bemessung.................................................... 137
7 Scbubtragfahigkeit von Spannbetonbalken
obne Scbubbewebrung............................................................. 140
7. 1 Allgemeines ..................................................................................... 140
7.2 Haupttragwirkungen........................................................................ 140
7.2.1 Sprengwerkwirkung der Vorspannkraft ........................................... 140
7.2.2 Schubtraganteil der Biegedruckzone ................................................ 143
7.3 Untergeordnete Tragwirkungen und Einfliisse.................................. 149
7.3.1 MaBstabseffekt ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.3.2 EinfluB der Schubschlankheit........................................................... 150
7.4 Auswertung der Schubtragfahigkeit von Spannbetonbalken.............. 150
7.5 Auswirkungen auf die Bemessung.................................................... 156
8 Inhalt
8 Vergleich mit anderen Ansatzen........................................... 159
8.1 Stahlbeton ..................................................................................... . 159
8.1.1 CEB-FIP Model Code 1990 ........................................................... . 159
8.1.2 DAfStb-Richtlinie fur hochfesten Beton ......................................... . 163
8.1.3 Ansatz nach RemmeL ...................................................................... . 164
8.1.4 Entwurf fur DIN 1045 -1 .............. ..................... . ........................... . 165
8.1.5 Statistik ........................................................................................ . 167
8.2 Spannbeton............................................................ . ..................... . 168
8.2.1 CEB-FIP Model Code 1990 ........................................................... . 168
8.2.2 DAfStb-Richtlinie fur hochfesten Beton ............ . 170
8.2.3 DIN 4227-1 [07.88] ........................................ . 172
8.2.4 Entwurf fur DIN 1045-1 ........................................................... .. 176
8.2.5 Statistik ........................................ . 178
Zusammenfassung und Ausblick ............. . 180
Anhang ...................................................................................... . 181
1 Schubversuche an Spannbetonbalken aus Hochleistungsbeton...... 181
2 Biegeversuche an Spannbetonbalken aus Hochleistungsbeton ...... 205
3 Schubdaten Stahlbeton ...... ......... .... ..... ......... .... .............. ...... 224
4 Schubdaten Spannbeton ............................. ................ 239
5 Briicken aus Hochleistungsbeton................... .............. 246
Literatur ........................................ . 248
Symbole und Einheiten ............................... . 259
Index ................................................................... . 264
1 Einfiihrung
1.1 Hochleistungsbeton im Hochbau
In den vergangenen 30 Jahren hat sich die Druckfestigkeit des Betons verdoppelt,
die unter Baustellenbedingungen zielsicher erreicht werden kann. Mit Zylinder
druckfestigkeiten von 60 N/mm2 erreichte die Entwicklung Mitte der 70er Jahre
ihre vorlaufige Grenze, die seit 1945 in Normung und Anwendung galt. Leistungs
fahige FlieBrnittel erlaubten erstmals die Reduzierung des Wasserzementwertes
ohne EinbuBen bei der Verarbeitbarkeit. Der Begriff hochfester Beton, der fUr die
neuen Betone mit Zylinderdruckfestigkeiten tiber 60 N/mm2 verwendet wurde,
beschreibt die Weiterentwicklung des klassischen Baustoffs nur unzureichend.
Betrachtet man alle Eigenschaften von der Verarbeitung bis zum fertigen Bauteil,
so ist die Bezeichnung Hochleistungsbeton zutreffender. Einen Oberblick tiber
diesen Werkstoffund seine Eigenschaften gibt Kapitel2.
Entscheidend fUr den Einsatz von Beton ist haufig seine Tragfahigkeit unter
Druckbeanspruchung, die verbunden mit den Vorteilen der freien Fromgebung die
kostengtinstigste Ausfuhrung eines Bauteils ermoglicht. Erste Anwendungen fur
Hochleistungsbeton nutzten folgerichtig direkt die hohe Beanspruchbarkeit unter
Druck aus. Vor allem in Nordamerika konnten durch die Anwendung von Hoch
leistungsbeton im Hochhausbau Bereiche zUrUckerobert werden, die lange Zeit
alleine yom konstruktiven Stahlbau dominiert wurden [66]. Gebaude wie Water
Tower Place Chicago (1975, fc = 62 N/mm2), La Laurentienne Bulding Montreal
(1983, fc = 120 N/mm2), 311 South Wacker Drive Chicago (1990, fc = 83 N/mm2)
und Two Union Square Seattle (fc = 131 N/mm2) (Bild 1.1) kennzeichnen eine
Entwicklung, die den Betonbau weltweit beeinfluBt hat.
Die zur Zeit hochsten Btirogebaude der Welt, die Petronas Twin Towers (1996,
fc = 80 N/mm2) im Kuala Lumpur City Center Projekt sind mit je 450 m Hohe
beeindruckende Zeugnisse der Moglichkeiten, die der Hochleistungsbeton dem
modernen Hochhausbau eroffnet. Die Sttitzen in den pagodenformig verjtingten
Turmspitzen, eine Hommage Cesar Pellis an die traditionelle asiatische Bauweise,
fugen sich mtihelos der veranderlichen Neigung (Bild 1.2).
In Deutschland wurde die Entwicklung hochfester Betone erst Ende der 80er Jahre
aufgegriffen. Auch hier gelang der Schritt zur Erstanwendungen beim Bau eines
Hochhauses, des Trianon Gebaudes in Frankfurt am Main (1990, fc = 80 N/mm2)
[54]. Weitere Projekte und verstarktes Engagement in der Forschung bereiteten
M. Zink, Zum Biegeschubversagen schlanker Bauteile aus Hochleistungsbeton mit und ohne Vorspannung
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2000
10 I Einfuhrung
Bild 1.1: Two Union Square, Seattle
Bild 1.2: Petronas Twin Towers.
Kuala Lumpur
