Koblenz, 15. September 2015

Jürgen Schnell / Michael Weber

Materialkennwerte für die Nachrechnung VSVI-Seminar 16-2015/2015

„Nachrechnung und Ertüchtigung von Brücken“

Bundesarchiv Koblenz, Potsdamer Straße 1, 56075 Koblenz-Karthause

1. Plandokumente vorhanden NaReRili Kapitel 11

2. Bestandanalyse erforderlich NaReRili Kapitel 17

Ermittlung charakteristischer Werkstoffkennwerte aus vorliegenden Bauwerksdokumenten

[Moersch 1933]

für Baustoffe

insgesamt

„state of the art“

15.09.2015 7

Anwendungsbereich

historischer Normenverlauf im Stahlbetonbau in Deutschland

Zeitraum Bemessung Festlegung der

Materialeigenschaften

Materialprüfung (Druckfestigkeit)

1904-1907

Preußische Bestimmungen

17.04.1904

Preußische Bestimmungen

17.04.1904

-

1907-1916

Preußische Bestimmungen

24.05.1907

Preußische Bestimmungen

24.05.1907

-

1916-1925 DAfEb

13.01.1916

DAfEb 13.01.1916

Anhang DAfEb 13.01.1916

1925-1932 DIN 1045

September 1925

DIN 1045 September 1925

DIN 1048 September 1925

1932-1937 DIN 1045 April 1932

DIN 1045 April 1932

DIN 1048 April 1932

1937-1943 DIN 1045 Mai 1937

DIN 1045 Mai 1937

DIN 1048 Oktober 1937

1943-1959 DIN 1045 April 1943

DIN 1045 April 1943

DIN 1048 1943 x

1959-1972 DIN 1045

November 1959

DIN 1045 November 1959

DIN 1048 1943 x

1972-1978 DIN 1045

Januar 1972

DIN 1045 Januar 1972

DIN 1084 Blatt 1-3 Februar 1972

DIN 1048 Blatt 1 Januar 1972

1978-1988 DIN 1045

Dezember 1978

DIN 1045 Dezember 1978

DIN 1084 Teil 1-3 Dezember 1978

DIN 1048 Teil 1 Dezember 1978

1988-2001 DIN 1045 Juli 1988

DIN 1045 Juli 1988

DIN 1084 Teil 1-3 Dezember 1978

DIN 1048 Teil 1 Dezember 1978+

Juni 1991

2001

DIN 1045-1 Juli 2001

+Berichtigung 2 Juni 2005

DIN EN 206-1 Juli 2001

DIN 1045-2 Juli 2001

DIN 1048 Teil 5 Juni 1991

DIN EN 12390-1 Februar 2001

DIN EN 12390-2 Juni 2001

DIN EN 12390-3 April 2004

2008

DIN 1045-1 August 2008

DIN EN 206-1 Juli 2001

DIN 1045-2 August 2008

DIN 1048 Teil 5 Juni 1991

DIN EN 12390-1 Februar 2001

DIN EN 12390-2 August 2009

DIN EN 12390-3 Juli 2009

Zeitraum Bemessung Festlegung der

Materialeigenschaften

Materialprüfung (Druckfestigkeit)

historischer Normenverlauf im Stahlbetonbau in Deutschland

19-Mar-2015 11

Beton

Zylinderförmige Prüfkörper (150/300)

Druckfestigkeitsprüfung nach 28 Tagen

Charakteristische Betondruckfestigkeit fck

Referenzlagerung nach DIN EN 12390-2 bis zur Prüfung unter Wasser

Maßgebende Materialeigenschaft des Betons nach Eurocode 2

Charakteristische Druckfestigkeit fck

f(fc)

Density Plots (1 Graphs) - [Plot]

22.0 26.0 30.0 34.0 38.0 42.0 46.0 50.0 54.0 58.0 62.00.0007

0.0091

0.0176

0.0260

0.0344

0.0428

0.0513

0.0597

0.0681

0.0766

0.0850Relativ e Frequency

Value of X

fcNormal (Gauss)

5%-Quantile der Grundgesamtheit (Stichprobenumfang n)

= Mittelwert

= Standardabweichung

Zeitraum Referenzform der Probekörper zur Ermittlung Betondruckfestigkeiten Definition Druckfestigkeit

1904-1916 Würfelform, Kantenlänge = 30 cm

1916-1925 Würfelform, Kantenlänge = 20 cm

1925- 1972 Würfelform, Kantenlänge = 20 cm

1972-1988 Würfelform, Kantenlänge = 20 cm

1988-2001 Würfelform, Kantenlänge = 20 cm

ab 2001 Zylinderform, Durchmesser/Höhe = 15/30 cm

Definition der Betonfestigkeit

mittlere Druckfestigkeit

300er / 200er Würfel

27 Tage „trocken“ gelagert

Betongüten ab 1943

Definition der Betonklassen 5%-Quantile der Grundgesamtheit

200er Würfel

27 Tage „trocken“ gelagert (D)

Definition der Betonklassen 5%-Quantile der Grundgesamtheit

150er Zylinder

27 Tage nass

„Trockenlagerung“: 7 Tage feucht, 21 Tage trocken

Referenzlagerung 28 Tage feucht

0,92 C50 / 60c,cube150

c,dry

ff

150er

Umrechnungsfaktoren: Lagerungsfaktor

Umrechnungsfaktoren Probekörpergeometrie

20

31,11c,cube 0

200/300c,cube 00

f= k =

f

300er 200er

15

2

c,cube 0150/200

c,cube 00

f= k =1,05

f

200er 150er

Umrechnungsfaktoren Probekörpergeometrie

31,167c,cube150

150/300c,cube 00

f= k =

f

300er 150er

0,82c,cylcyl/cube

c,cube150

f= k =

f

150er 150/300

1ck cm,cube200 150 / 200 cube / cyl L(0,05)f f k k k

Betonfestigkeiten von 1916 bis 1943

1(0,05) 1,645

?

Würfelgröße Würfel/Zylinder Lagerung Umrechnung

Umrechnung mittlerer Druckfestigkeiten in charakteristische Druckfestigkeiten

[kp/cm²]

Streuungsverhalten der Betondruckfestigkeit auf Baustellen der 1950er Jahre

[Rüsch 1969]

5 N/mm²

fcm (200er Würfel) [kp/cm²]

Güteüberwachte Betone von 1943 bis 1972 Zu erfüllende Güteanforderungen während der Bauausführung: Mittelwert aus einer Serie von drei Würfeln geforderter Mittelwert und

jeder Einzelwert 0,85·geforderter Mittelwert.

ck cm,cube200 150 / 200 cube / cyl Lf 0,85 f k k k

5 % - Quantilwert entspricht 0,85 x Mittelwert [BAUINGENIEUR 12/2010]

Betonfestigkeiten von 1972 bis 2001

WN ck,cube200

ck ck,cube200 150 / 200 cube / c Lylk k kβ ff f

WN als 5%-Quantile der Grundgesamtheit festgelegt

Betonfestigkeiten von 1980 bis 1990 nach TGL 33411-01:1979 (DDR)

ck ck,cube150 cube / cyl Lf f k k

Eurocode 2

erst ab

C12/15 anwendbar

Tab 11.1

DBV-Merkblatt - Beton und Betonstahl

Korrelation Druck / Zugfestigkeit [N/mm²]

Leitsätze 1904 Nicht magerer als 1 : 3 Gewichtsanteile Portlandzement : Sand

Bestimmungen 1907 In der Baubeschreibung war die 28-Tage-Würfeldruckfestigkeit festzulegen

Bestimmungen 1916 Erstmals Hochofenzement zugelassen

Bestimmungen 1925 Mindestzementgehalt 300 kg/m³ für Außenbauteile

Bestimmungen 1932 Maschinelle Mischung wird zum Regelfall

Stahlbetonbestimmungen 1943 (DIN 1045) Klasseneinteilung B 50 bis B 300

Erstausgabe DIN 4227 (Spannbeton): 1953

Standardabweichung der Betonfestigkeiten ist abgängig von

• technischen und betrieblichen Einrichtungen der Betonbereitung

• Sorgfalt und beruflichen Qualifikation der Belegschaft

• Witterung

• Dauer der Betonierarbeiten

• Grad der Überwachung

• Gleichmäßigkeit der Grundwerkstoffe

Geschichte der Güteüberwachung: DafStb-Sachstandsbericht (2015)

19-Mar-2015 29

Betonstahl

Charakteristische Streckgrenzen und Duktilitätsklassen von Betonstabstählen verschiedener Zeitperioden

Vor 1943 allgemein nur Mindestanforderungen an die Zugfestigkeit (außer St 52)

- bei bis 1953 errichteten Tragwerken nur zur Vorbemessung

- wenn keine eindeutige Zuordnung zu Materialeigenschaften möglich ist, nur zur Vorbemessung

- zur abgesicherten Bewertung sind die charakteristischen Kennwerte durch Werkstoffuntersuchungen zu verifizieren

Tab 11.3

15.09.2015 31

Spannungs-Dehnungs-Linie Betonstahl

Für BSt 500 und BSt 420 Anstieg der Arbeitslinie ausnutzbar!

Charakteristische Festigkeit fyk „historischer“ Betonstähle

Hinsichtlich der Prüfbedingungen keine Umrechnungsfaktoren notwendig.

Zuordnung in Duktilitätsklassen für vor 1972 produzierte, kaltverformte Betonstähle ohne nähere Untersuchungen nicht möglich.

Elastizitätsmodul für alle Betonstähle ES = 200.000 N/mm²

Quergerippter Betonformstahl

Rippen-Torstahl

HI-BOND-A-Stahl

Quelle: Bindseil - 2002

Spannstähle

Spannstahl / Spannverfahren

Rechenwerte für Spannstahl

• Angaben nur gültig, wenn Spannstähle eindeutig einem Erzeugnis zugeordnet werden können

• die Zulassung des verwendeten Spannstahls sowie Spannverfahrens muss vorliegen • die maßgebenden Materialkennwerte sind den Zulassungen zu entnehmen

Tab 11.5

Übersicht Spannstähle

15.09.2015 36

DAfStb-Forschungsvorhaben TU Kaiserslautern Zilch + Müller Ingenieure Autoren UA Bauen im Bestand

Prof. Schnell, TU Kaiserslautern (Obmann)

Dr. Brauer, Dormagen Dr. Fingerloos, DBV Prof. Grünberg, TU Hannover Prof. Marx TU Hannover Prof. Maurer, TU Dortmund Stauder, VBI Prof. Zilch, TU München

Sachstandsbericht Heft 616

Sachstandbericht zur Festlegung mechanischer Kennwerte historischer Betone, Betonstähle und Spannstähle für die Nachrechnung von bestehenden Tragwerken

2015

15.09.2015 37

Spannstahl – DIN EN 1992-1-1 idealisiert

Bemessung

15.09.2015 38

Spannstahl – DIN EN 1992-1-1 idealisiert

Bemessung

fp0,1k: in Zulassungen mit Bezug auf DIN 4227 nicht angegeben! Graphische Ermittlung aus der Spannungs-Dehnungs-Linie

fpk: entspricht unabhängig vom Zeitraum dem zweiten Wert der Stahlgüte

εuk: Gesamtdehnung bei Höchstlast (=Agt); in älteren Zulassungen nicht explizit angegeben! Graphische Ermittlung aus der Spannungs-Dehnungs-Linie

15.09.2015 39

Graphische Ermittlung der 0,1 %-Dehngrenze

Falls in der Zulassung für den Bereich plastischer Spannstahldehnungen ein Streubereich möglicher Spannungs-Dehnungs-Linien angegeben ist, sind die charakteristischen Werte an der unteren Kurve abzulesen.

15.09.2015 40

Graphische Ermittlung charakteristischen Bruchdehnung

Falls die Spannungs-Dehnungs-Linien in älteren Zulassungen nicht bis zum Erreichen der Zugfestigkeit dargestellt sind, kann die maximal angegebene Dehnung auf der Abszisse als Abschätzung für εuk verwendet werden.

15.09.2015 41

Spannstahlzulassungen

Quelle: DAfStb-Sachstandbericht

Im Sachstandbericht sind für ausgewählte Zeitpunkte ab 1958 ca. 400 in der BRD und der DDR zugelassene

Spannstähle einschließlich der wichtigsten Materialkennwerte aufgelistet!

15.09.2015 42

Teilübersicht der 1960-2019 in der BRD und DDR zugelassenen Spannverfahren

In Sachstandbericht ca. 400 bauaufsichtlich/baupolizeilich zugelassene Spannverfahren aufgelistet!

15.09.2015 43

Spannungsverluste infolge Relaxation für Spannstähle aus dem Zeitraum vor 1973

15.09.2015 44

Korrosionsversuche erstmals 1978 gefordert. Spannungsrisskorrosionsgefährdete Spannstähle

Spannungsrisskorrosion

Quelle: Lingemann - 2010

* in Längsrichtung

*

Tab 11.9 Baustahl

Rechenwerte für Baustahl

• charakteristische Materialkennwerte für vor 2000 errichtete Tragwerke aus Tabelle 11.9 • charakteristische Materialkennwerte für danach errichtete Tragwerke aus DIN-Fach-

bericht 103 • Eigenschaften von Schweißeisen (Verwendung von 1850 bis 1895) streuen stark und

können in Längs-, Quer- und Dickenrichtung stark voneinander abweichen → Tabellenangaben gelten nur für die Längsrichtung.

Tab 11.11

Mauerwerk

1. Plandokumente vorhanden

2. Bestandsanalyse erforderlich

Beton

Ermittlung von charakteristischen Werkstoffkenngrößen aus vorliegenden Bauwerksdokumenten

unberücksichtigt • Nacherhärtung des Betons

• tatsächliche charakteristische Werte verwendeter Materialgüten eines Bauwerks (Vorhaltemaße bei Produktion)

tabellierte charakteristische Werte • Grundlage für eine erste Vorbemessung

• Tabellenwerte sind anhand von Bauwerksuntersuchungen zu verifizieren

Ermittlung von Werkstoffkenngrößen durch Untersuchungen am Bauwerk

Charakteristische Materialeigenschaft

p-Quantile der Grundgesamtheit

(Stichprobenumfang n)

Schätzung des p-Quantils aus der Stichprobe

(Inferenz)

Density Plots (1 Graphs) - [Plot]

22.0 26.0 30.0 34.0 38.0 42.0 46.0 50.0 54.0 58.0 62.00.0007

0.0091

0.0176

0.0260

0.0344

0.0428

0.0513

0.0597

0.0681

0.0766

0.0850Relativ e Frequency

Value of X

fcNormal (Gauss)