200 Jahre Wiley – Wissen für Generationen
John Wiley & Sons feiert 2007 ein außergewöhnliches Jubiläum: Der Verlag wird 200 Jahre alt. Zugleich blicken wir auf das erste Jahrzehnt des erfolgreichen Zusammenschlusses von John Wiley & Sons mit der VCH Verlagsgesellschaft in Deutschland, einschließlich des Ernst & Sohn Verlages für Architektur und technische Wissenschaften, zurück. Seit Generationen vermitteln Wiley und Wiley-VCH als auch Ernst & Sohn die Ergebnisse wissenschaftlicher Forschung und technischer Errungenschaften in der jeweils zeitgemäßen medialen Form.
Jede Generation hat besondere Bedürfnisse und Ziele. Als Charles Wiley 1807 eine kleine Druckerei in Manhattan gründete, hatte seine Generation Aufbruchsmöglichkeiten wie keine zuvor. Wiley half, die neue amerikanische Literatur zu etablieren. Etwa ein halbes Jahrhundert später, während der „zweiten industriellen Revolution“ in den Vereinigten Staaten, konzentrierte sich die nächste Generation auf den Aufbau dieser industriellen Zukunft. Wiley bot die notwendigen Fachinformationen für Techniker, Ingenieure und Wissenschaftler. Das ganze 20. Jahrhundert wurde durch die Internationalisierung vieler Beziehungen geprägt – auch Wiley verstärkte seine verlegerischen Aktivitäten und schuf ein internationales Netzwerk, um den Austausch von Ideen, Informationen und Wissen rund um den Globus zu unterstützen.
Wiley begleitete während der vergangenen 200 Jahre viele Generationen und fördert heute den weltweit vernetzten Informationsfluss, damit auch unsere global wirkende Generation ihre Ansprüche erfüllen kann und ihr Ziel erreicht. Immer rascher verändert sich unsere Welt, und es entstehen neue Technologien, die unser Leben und Lernen zum Teil tief greifend verändern. Beständig nimmt Wiley diese Herausforderungen an und stellt für Sie das notwendige Wissen bereit, das Sie neue Welten, neue Möglichkeiten und neue Gelegenheiten erschließen lässt.
Generationen kommen und gehen: Aber Sie können sich darauf verlassen, dass Wiley Sie als beständiger und zuverlässiger Partner mit dem notwendigen Wissen versorgt.
William J. Pesce
President and Chief Executive Officer
Peter Booth Wiley
Chairman of the Board
Prof. Dr.-Ing. Werner Seim
Fachgebiet Bauwerkserhaltung und Holzbau
Institut für Konstruktiven Ingenieurbau
Universität Kassel
Kurt-Wolters-Straße 3
34125 Kassel
Titelbild: Linachtalsperre (Vöhrenbach im Schwarzwald), vor der Sanierung, 2001
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische
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ISBN: 978-3-433-01817-0
© 2007 Ernst & Sohn
Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin
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Umschlaggestaltung: blotto, Berlin
Druck: Strauss GmbH, Mörlenbach
Bindung: Litges & Dopf Buchbinderei GmbH, Heppenheim
200-Jahr-Logo: Richard J. Pacifico
Vorwort
Bezogen auf das gesamte Bauvolumen ist der Anteil reiner Neubauten rückläufig. Unterschiedliche Schätzungen gehen davon aus, dass der Anteil der Baumaßnahmen im Bestand am gesamten Bauvolumen derzeit etwa 60 % beträgt. Es wird als realistisch angesehen, dass sich dieser Anteil in den kommenden Jahren auf bis zu 70 % erhöhen wird.
Baustoffindustrie, Baufirmen und Handwerker haben sich auf den veränderten Markt längst eingestellt; das gilt auch für viele Universitäten und Hochschulen, die spezielle Kurse und Vertiefungsrichtungen anbieten. Die Fachliteratur zum Thema „Bauwerkserhaltung“ ist so umfangreich, dass es schwer wird, die Übersicht zu bewahren.
Dennoch scheint es, dass das Thema „Bewertung und nachträgliche Verstärkung von Stahlbetontragwerken“ bisher etwas zu kurz gekommen ist. Das mag zum einen daran liegen, dass in den vergangenen Jahren die Einführung neuer Normkonzepte die Aufmerksamkeit auf sich zog. Zum anderen gab es bei der Verstärkungstechnologie mit der Anwendung der Klebetechnik eine geradezu sprunghafte Entwicklung.
Das vorliegende Buch soll helfen, diese Lücke zu schließen. Mein Ziel war es, Erfahrungen aus der Praxis, aus der Lehre und aus der Bearbeitung von Forschungsprojekten einzubringen und zusammenzufassen. Dabei war es mir wichtig, die Themen der neun Kapitel in die Grundsystematik einzubinden, die von Klaus Pieper vor über 40 Jahren mit „Anamnese – Diagnose – Therapie“ zeitlos treffend aus der Medizin für den Umgang mit bestehenden Bauwerken übernommen wurde.
Das erste Kapitel gibt einen gestrafften Überblick zur Konstruktionsgeschichte, um ein Gefühl dafür zu vermitteln, was den Planer im Bestand erwarten kann. Die Grundlagen zur Zuverlässigkeit von Tragwerken werden im zweiten Kapitel soweit dargestellt, wie sie für die Definition und das Verständnis von Teilsicherheitsbeiwerten und für die Bewertung von am Bauwerk gewonnenen Stichproben erforderlich sind. Neben den wichtigsten Grundlagen zur Werkstoffmechanik und zur Dauerhaftigkeit von Beton und Stahl enthält das dritte Kapitel einige Hinweise auf die historischen Wurzeln dieser Erkenntnisse. Das vierte Kapitel dokumentiert die wichtigsten Entwicklungsschritte im Zusammenhang mit der Baustatik und Bemessung von Stahlbetontragwerken. Ein grundlegendes Verständnis dieser ingenieurgeschichtlichen Meilensteine ist unerlässlich, wenn man Bestandsunterlagen verstehen und interpretieren muss. Die wichtigsten Hilfsmittel für eine Zustandserfassung und die Systematik dazu werden im fünften Kapitel vorgestellt und erläutert. Das sechste Kapitel enthält zahlreiche Hinweise zur Bewertung der Tragfähigkeit von Stahlbetontragwerken und zur Quantifizierung von Tragreserven. In diesem Zusammenhang werden auch experimentelle Verfahren beschrieben und es werden einige Grundlagen zur Bauwerksüberwachung eingeführt. Das siebte Kapitel Instandsetzung und Reparatur von Betonbauteilen ist sehr kurz gefasst. Zu diesem Thema kann auf das umfangreiche Fachschrifttum verwiesen werden. Die beiden abschließenden Kapitel Nachträgliche Verstärkung mit Beton und Spritzbeton und Nachträgliche Verstärkung mit geklebten Faserverbundwerkstoffen sind ähnlich aufgebaut. Es werden zuerst einige technologische Grundlagen zur Spritzbetonbauweise bzw. zum Kleben von Faserver bundwerkstoffen eingeführt. Darauf aufbauend werden die Grundlagen der Bemessung von Verstärkungsmaßnahmen erläutert und es werden Hinweise für die Ausführung und Überwachung entsprechender Maßnahmen gegeben.
Bei meiner Arbeit haben mich zahlreiche Kollegen und Mitarbeiter unterstützt:
Gerhard Mehlhorn hat das Manuskript vollständig durchgesehen und es durch Korrekturen und kollegiale Hinweise an vielen Stellen verbessert.
Dirk Matzdorff, Jan Rassek und Karsten Schilde haben ihre vertieften Kenntnisse zu den Themen Spritzbeton, Zustandserfassung und geklebte Verstärkungen in die entsprechenden Kapitel eingebracht.
Peter Machner und Wolfgang Römer haben mich in zahlreichen Gesprächen an ihrer Erfahrung mit altem Beton und altem Stahl teilhaben lassen.
Von meinen Mitarbeitern Heiko Koch, Uwe Pfeiffer und Martin Schäfers wurden die Rechenbeispiele durchgesehen und die didaktischen Konzepte kritisch hinterfragt.
Vanessa Thurau und Silvia Bruch haben aus meinen Skizzen anschauliche Abbildungen entwickelt.
Marianne Aschenbrenner hat mit großer Sorgfalt handschriftliche Texte, Tabellen und Formeln für meine Vorlesungsmanuskripte getippt.
Claudia Ozimek hat als Lektorin die Entstehung des Buches mit großer Geduld und seine Fertigstellung mit dem nötigen Nachdruck begleitet.
Ihnen allen danke ich sehr herzlich.
Wenn es mir insgesamt gelungen ist, die Inhalte klar nachvollziehbar, theoretisch fundiert und so darzustellen, dass sie für die Praxis zu gebrauchen sind, so verdanke ich das nicht zuletzt meinen Lehrern Bruno Thürlimann und Fritz Wenzel.
Kassel, im Juni 2007
Werner Seim
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Abkürzungsverzeichnis
1 Konstruktionsgeschichte
1.1 Römischer Beton
1.2 Portlandzement und Stampfbeton
1.3 Die Eisenbetonbauweise
1.4 Die Spannbetonbauweise
1.5 Fertigteile
1.6 Zeittafel
2 Zuverlässigkeit von Tragwerken
2.1 Angewandte Statistik
2.2 Zuverlässigkeit von Stichproben
2.3 Sicherheitskonzepte für Tragwerke
2.4 Sicherheitsbeiwerte für bestehende Tragwerke
2.5 Rechenbeispiele
3 Beton und Stahl
3.1 Beton
3.2 Betonstahl
3.3 Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauteilen
3.4 Rechenbeispiele
4 Baustatik und Bemessung
4.1 Elastizität und Plastizität
4.2 Schnittgrößen und Beanspruchungen
4.3 Bauteilwiderstände und Tragfähigkeiten
4.4 Rechenbeispiele
5 Zustandserfassung
5.1 Bauteilgeometrie und Oberflächen
5.2 Materialkennwerte
5.3 Dokumentation
6 Bewertung der Tragfähigkeit
6.1 Rechnerische Bewertung der Tragfähigkeit
6.2 Experimentelle Verfahren
6.3 Bauwerksüberwachung
6.4 Rechenbeispiele
7 Instandsetzung und Reparatur von Betonbauteilen
7.1 Vorbereitung der Instandsetzung
7.2 Vorbereitung des Betonuntergrundes
7.3 Vorbereitung der Bewehrung
7.4 Instandsetzungs- und Reparaturmörtel
7.5 Füllen von Rissen und Hohlräumen
7.6 Oberflächenschutzsysteme
8 Nachträgliche Verstärkung mit Beton und Spritzbeton
8.1 Technologische Grundlagen
8.2 Nachträgliche Verstärkung von Platten und Balken
8.3 Verstärkung von Stützen
8.4 Rechenbeispiele
9 Nachträgliche Verstärkung mit geklebten Faserverbundwerkstoffen
9.1 Klebetechnologie und Faserverbundwerkstoffe
9.2 Verstärkung von Stahlbetonplatten und -balken
9.3 Umschnürung von Druckgliedern und Rahmenecken
9.4 Ausführung und Qualitätssicherung von Klebearbeiten
9.5 Rechenbeispiele
Literatur
Stichwortverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Indizes
R | Bauteilwiderstand |
E | Einwirkung |
S | Stahl |
C | Beton |
f | Faserverbundwerkstoff |
L | Kohlefaserlamelle |
G | Eigengewicht |
Q | veränderliche Einwirkung |
d | Bemessungswert |
k | charakteristischer Wert |
m | Mittelwert |
0 | Kräfte, Spannungen, Dehnungen vor einer Verstärkung |
Statistik und Sicherheitsbeiwerte
Mittelwert einer Stichprobe | |
n | Umfang einer Stichprobe |
μmin | unterer Grenzwert des Mittelwerts der Grundgesamtheit |
μmax | oberer Grenzwert des Mittelwerts der Grundgesamtheit |
Sx | Standardabweichung einer Stichprobe |
σx | Standardabweichung einer Grundgesamtheit |
xf,p | Fraktilwert mit der Wahrscheinlichkeit p |
xq,p | Quantilwert mit der Wahrscheinlichkeit p |
β | Sicherheitsindex |
p f | Versagenswahrscheinlichkeit |
V | Variationskoeffizient |
α | Wichtungsfaktor |
v | Sicherheitsfaktor |
γ | Teilsicherheitsbeiwert |
Geometrie
h | Gesamthöhe des Bauteils, Höhe eines Probekörpers |
b | Querschnittsbreite |
B 0 | minimale Querschnittsbreite |
b eff | mitwirkende Plattenbreite für eine Plattenbalken |
d | Durchmesser eines Probekörpers |
d | statisch wirksame Höhe bezogen auf die Stahlbewehrung |
d f | statisch wirksame Höhe bezogen auf den Faserverbundwerkstoff |
x | Höhe der Betondruckzone |
xd | Höhe der Betondruckzone |
Z | innerer Hebelarm |
As | Querschnittsfläche der Stahlbewehrung |
as | Querschnittsfläche der Stahlbewehrung je Längeneinheit |
ds | Durchmesser eines Bewehrungsstahls |
Af | Querschnittsfläche des Faserverbundwerkstoffs |
tf | Dicke des Faserverbundwerkstoffs |
bf | Breite des Faserverbundwerkstoffs |
Sf | Achsabstand einzelner Streifen des Faserverbundwerkstoffs |
Ab | Querschnittsfläche des Betons |
Ak | Kernfläche einer Stütze |
Aeff | effektiv umschnürte Fläche einer Stütze |
γ | Winkel der Betondruckstrebe |
α | Winkel der Schubbewehrung |
e | Exzentrizität |
f | Ausmitte |
1/r | Querschnittskrümmung |
srm | mittlerer Rissabstand |
Werkstoffe
zul σb | zulässige Betondruckspannung |
zulσe | zulässige Stahlspannung |
Eb | Elastizitätsmodul des Betons |
Es | Elastizitätsmodul des Stahls |
ELk | charakteristischer Wert des Elastizitätsmoduls einer Kohlefaserlamelle |
ELm | Mittelwert des Elastizitätsmoduls einer Kohlefaserlamelle |
βW,a | Druckfestigkeit eines Betonwürfels mit der Seitenlängea |
βP | Druckfestigkeit eines Betonprismas |
kb | Druckfestigkeit eines Betonprismas |
βR | Rechenwert der Betondruckfestigkeit |
βWS | Serienfestigkeit, entspricht dem Mittelwert der Würfeldruckfestigkeit |
fc, cube, a | Druckfestigkeit eines Betonwürfels mit der Seitenlängea |
fc, cube, a, dry | Druckfestigkeit eines Betonwürfels mit der Seitenlängea , trocken gelagert |
fck | charakteristischer Wert der Betondruckfestigkeit |
fcm | Mittelwert der Betondruckfestigkeit |
fcd | Bemessungswert der einaxialen Druckfestigkeit des Betons |
fct | zentrische Zugfestigkeit des Betons |
fcto | Oberflächenzugfestigkeit des Betons |
βct | Rauigkeitsbeiwert, Haftbeiwert |
μ | Reibungsbeiwert oder bezogenes Biegemoment |
fyk | charakteristischer Wert der Streckgrenze des Betonstahls |
fsyk | charakteristischer Wert der Streckgrenze des Betonstahls |
fpyk | charakteristischer Wert der Streckgrenze des Spannstahls |
fyd | Bemessungswert der Streckgrenze des Betonstahls |
fLk | charakteristischer Wert der Zugfestigkeit einer Kohlefaserlamelle |
ffk | charakteristischer Wert der Zugfestigkeit eines Faserverbundwerkstoffs |
ffd | Bemessungswert der Zugfestigkeit eines Faserverbundwerkstoffs |
fck, is | charakteristische Druckfestigkeit des Bauwerksbetons |
fm(n),is | Mittelwert der Stichprobe |
fis, niedrigst | Kleinstwert der Stichprobe |
fc,is,Bohrkern,a | Druckfestigkeit eines Bohrkerns mit der Seitenlängea und der Höhea |
εc | Dehnung des Betons |
εs | Dehnung des Stahls |
εuk | charakteristischer Wert der Dehnung bei Höchstlast |
εfue | effektive Grenzdehnung des Faserverbundwerkstoffs |
grenz εL | effektive Grenzdehnung einer Kohlefaserlamelle |
w | Wasseraufnahmekoeffizient |
Baustatik und Bemessung
Mu | Bruchmoment |
My | Fließmoment |
Mst | Stützmoment |
MF | Feldmoment |
Q | Querkraft |
V | Querkraft |
v | Querkraft, auf eine Strecke bezogen |
Zs | Zugkraft im Bewehrungsstahl |
Fsd | Bemessungswert der Zugkraft des Betonstahls |
Zf | Zugkraft im Faserverbundwerkstoff |
Ffd | Bemessungswert der Zugkraft eines Faserverbundwerkstoffs |
Db | Betondruckkraft |
Fcd | Bemessungswert der Druckkraft in der Betondruckzone |
Fcdj | Bemessungswert des über die Fuge zu übertragenden Längskraftanteils |
Fcd | Bemessungswert der Gurtlängskraft infolge Biegung |
τ0 | Grundwert der Schubspannung |
ω | Knickzahl |
σk | Knickspannung |
σNd | Normalkraft senkrecht zur Fuge infolge äußerer Last |
ΘE | erforderliche plastische Rotation |
Θpl,d,o | Grundwert der möglichen plastischen Rotation |
Θpl,d | mögliche plastische Rotation |
Θ | Neigung der Druckstrebe |
α | Winkel der Querkraftbewehrung zur Bauteilachse |
λ | Schlankheit einer Stütze oder Schubschlankheit |
λq | Beiwert zur Ermittlung der effektiv umschnürten Fläche |
λl | Beiwert zur Ermittlung der effektiv umschnürten Fläche |
kλ | Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Schubschlankheit |
δ | Faktor zur Momentenumlagerung |