Leitfaden zu Entwurf und Bemessung mit Schöck ComBAR®

Leitfaden zu Entwurf und Bemessung mit Schöck ComBAR
Leitfadenzu
EntwurfundBemessungmitSchöck
ComBAR®
SchöckBauteileGmbH
VimbucherStr.2
76534Baden‐Baden
Dipl.‐Ing.(FH)KarlheinzIbach
AnwendungstechnikComBAR ® [email protected]
Baden‐Baden
September2015
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Leitfaden zu Entwurf und Bemessung mit Schöck ComBAR
Inhalt
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Allgemeines
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Stabquerschnitte
E‐Modul,DefinitionderBemessungsspannung
Verbundverhalten,Brandverhalten,besondereEigenschaften
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BemessungundGebrauchstauglichkeit
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Rissbreitenbeschränkung,Durchbiegung,Betondeckung
BesonderheitenbeiderKonstruktionderBewehrung
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HinweisezuEntwurfundKonstruktionimallgemeinenHochbau
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HinweisezuEntwurfundKonstruktionimAnlagenbau
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HinweisezuEntwurfundKonstruktionimSpezialtiefbau 2
Leitfaden zu Entwurf und Bemessung mit Schöck ComBAR
Allgemeines Schöck ComBAR® wurde als innen liegende, schlaffe Bewehrung von Betonbauteilen konzipiert. Seine mechanischen Eigenschaften, ebenso wie sein Verbundverhalten, sind mit denen von geripptem Betonstahl vergleichbar. ComBAR® Stäbe verhalten sich bis zu ihrem Bruch linear elastisch, es gibt kein Fließen wie beim Betonstahl. Ein Versagen wird durch große Durchbiegungen und große Rissbreiten im Bauteil angekündigt. Durch das linearelastische Materialverhalten können Faserverbundwerkstoffe nicht dauerhaft verformt bzw. gebogen werden. Wenn man einen geraden Stab biegt, springt dieser beim Loslassen wieder in seine ursprüngliche gerade Form zurück. Gebogene Formen können nach Zeichnungsmaß eigens hergestellt werden und können nachträglich nicht mehr verändert werden. Der Herstellungsprozess unterscheidet sich von dem der geraden Stäbe. Deshalb haben gebogene Formen andere Materialkennwerte als gerade ComBAR®‐Stäbe. ComBAR® besteht aus einer Vielzahl endloser in Kraftrichtung ausgerichteter korrosionsresistenter Glasfasern, die von einer Vinylester‐Harzmatrix umgeben sind. Materialeigenschaften in Längs‐ und Querrichtung sind unterschiedlich, eine Eigenschaft die wir auch vom Holz kennen. Dieser Leitfaden soll eine möglichst kurze Einführung in den Entwurf und die Bemessung von Schöck ComBAR® darstellen. Weitergehende Hinweise siehe Technische Info, Bemessungstafeln, Bemessungshilfe etc. unter www.schoeck.de 3
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Stabquerschnitte Kernquerschnitt = Nennquerschnitt (bei allen statischen Berechnungen anzusetzen). Spezifische Dichte = 2,2 g/cm³. gerade Stäbe mit Zulassung: ø8 mm bis ø25 mm ( ø32mm ohne Zulassung) gebogene Stäbe (ohne Zulassung): ø12 mm, 16 mm und 20 mm Stäbe mit Köpfen (ohne Zulassung) : ø12 mm, 16 mm, 20 mm, 25 mm und 32 mm E‐Modul und Definition der Bemessungsspannung (100 Jahr Dauerhaftigkeit) E‐Modul gerader Stäbe = 60.000 N/mm² E‐Modul gebogener Stäbe = 50.000 N/mm² Dauerzugfestigkeit gerader Stäbe für eine Lebensdauer von 100 Jahren: ffk = 580 N/mm² Bemessungswert der Zugfestigkeit im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT): ffd =580/1,3=445 N/mm² Dauerzugfestigkeit gebogener Stäbe : ffk = 208 N/mm² Bemessungswert der Zugfestigkeit gebogener Stäbe im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) ffd =208/1,3=160 N/mm² Verbundverhalten Das Verbundverhalten und die Verbundwerte sind mit denen von geripptem Betonstahl vergleichbar. Verbundwerte siehe Zulassung ! Brandverhalten Der Verbund des Stabes mit dem Beton wird durch die Harzmatrix gewährleistet. Das Harz wird mit steigender Temperatur weicher und verliert dabei seine Verbundfestigkeit. Bei glasfaserbewehrten Betonbauteilen sind daher bei Brandschutzklassen > R30 größere Betondeckungen erforderlich als im Stahlbetonbau oder es sind anderweitige Brandschutzmaßnahmen vorzusehen (z.B. Beplankung). Materialverhalten ( besondere Eigenschaften): hohe Korrosionsbeständigkeit hohe Chemikalienbeständigkeit keine elektrische Leitfähigkeit kein Magnetismus leichte Zerspanbarkeit geringe Wärmeleitfähigkeit 4
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Bemessung und Gebrauchstauglichkeit Biegebemessung Das Bemessungskonzept für ComBAR® wurde in Anlehnung an den EC2 erstellt und gilt für Normalbeton nach EC2. Die Biegebemessung erfolgt ähnlich wie beim Betonstahl, ist jedoch gekennzeichnet durch deutlich größere Dehnungen des ComBAR® Stabes. Der Ansatz von ComBAR® Stäben als Druckbewehrung ist in der Bemessung wirtschaftlich nicht sinnvoll, da der E‐Modul nicht wesentlich größer ist als der von Beton. Druckbewehrung muss daher ausgeschlossen werden. ComBAR® Stäbe dürfen jedoch in der Druckzone liegen. Achtung: Als Biegezugbewehrung werden meist gerade Stäbe angesetzt. Es kann u.U. jedoch vorkommen, dass gebogene Stäbe als Biegezugbewehrung angeordnet werden, z.B. bei Balken mit Biegezugstäben welche Endhaken aufweisen. Die unterschiedlichen Materialwerte von geraden und gebogenen Stäben müssen unbedingt beachtet werden. Querkraftbemessung Die Querkraftbemessung unterscheidet sich wegen der gerichteten, unidirektionalen Faserorientierung grundlegend vom Stahlbetonbau. Das Konzept für die Querkraftbemessung von glasfaserbewehrten Betonquerschnitten wurde von Dr.‐Ing. M. Kurth und Prof. Dr.‐Ing. J. Hegger an der RWTH Aachen entwickelt und im zweiten Halbjahr 2013 veröffentlicht. Die abgeleiteten Berechnungsformeln sind stark an die Gleichungen des EC2 für die Bemessung von Stahlbetonbauteilen angelehnt. Die Querkrafttragfähigkeit von Betonbauteilen ohne Querkraftbewehrung mit einer Biegebewehrung aus Glasfaserstäben ist deutlich geringer als im Stahlbetonbau. Eine Schubbewehrung ist schon bei geringeren Querkräften erforderlich als im Stahlbetonbau. Grund dafür ist die bei GFK schwächere Dübelwirkung der Längsbewehrung (siehe Bild, aus Vortrag Prof. Minnert) Weitere Angaben und Hinweise siehe Technische Info und Bemessungstafeln ! Leitfaden zu Entwurf und Bemessung mit Schöck ComBAR
Rissbreitenbeschränkung und Durchbiegung ComBAR®‐Stäbe rosten nicht. Somit ist eine Begrenzung der Rissbreite zum Schutz der Bewehrung nicht erforderlich. Ist aus anderweitigen Gründen eine Begrenzung der Rissbreite gewünscht, so ist wegen des im Vergleich zu Betonstahl geringeren E‐Moduls der Glasfaserbewehrung ein größerer Bewehrungsquerschnitt erforderlich als im Stahlbetonbau. Aus demselben Grund ist der Beschränkung der Durchbiegung bei der Bemessung besondere Beachtung zu schenken. Die Mindestbauteildicken aus Gründen der Durchbiegungsbeschränkung sind im Vergleich zum Stahlbetonbau größer, oder es ist vergleichsweise mehr Bewehrung einzulegen. Betondeckung Da ComBAR® nicht rostet, sind keine Maßnahmen zum Schutz der Bewehrung gegen Korrosion notwendig. Für alle Expositionsklassen gilt die Mindestbetondeckung die zur Übertragung der Zugkräfte aus dem Stab in den umliegenden Beton erforderlich ist. Besonderheiten bei der Konstruktion der Bewehrung Alle ComBAR‐Stäbe haben eine deutliche Profilierung. Kerndurchmesser und Außendurchmesser unterscheiden sich deutlicher als beim gerippten Betonstahl. Dies ist beim Konstruieren der Bewehrung zu beachten, da es sonst zu Kollisionen der Stäbe kommen kann. Die gebogenen ComBAR‐Stäbe werden standardmäßig mit einem Biegerollendurchmesser von 7*d hergestellt. Damit ergeben sich Mindestabmessungen für Betonquerschnitte, sowie andere Außenmaße und Biegemaße als beim Betonstahl. Besonders bei der Durchdringung von Betonstahl‐Geflechten mit ComBAR‐Geflechten sind diese Besonderheiten genau zu beachten. Die maximalen Schenkellängen und Gesamtlängen der gebogenen Formen sind herstellungstechnisch begrenzt auf 3,15m Schenkellänge und 6,0m Gesamtlänge. Weitergehende Hinweise siehe Technische Info, Bemessungstafeln etc. unter www.schoeck.de 6
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Hinweise zu Entwurf und Konstruktion im allgemeinen Hochbau Die größten Unterschiede zum Stahlbetonbau bestehen, wie bereits erläutert, in der Querkrafttragfähigkeit, der Stabdehnung und der Durchbiegung. Druckbewehrung wird ausgeschlossen. Erhöhte Betondeckung bei Brandschutzanforderungen. Betondeckung: Für alle Expositionsklassen gilt min c = ø + 10 mm , bei Fertigteilen min c = ø + 5 mm Bei Brandschutzanforderungen sind folgende Betondeckungen einzuplanen: R30 30 mm R60 50 mm R90 65 mm R120 85 mm Rissbreitenbeschränkung Eine schnelle Einschätzung einer erforderlichen Rissbewehrung kann wie folgt erreicht werden: erf af = 1,83 * as Das heißt, bei sonst gleichen Randbedingungen (ø, Betongüte, Betondeckung, Bauteildicke) ist bei ComBAR der 1,83‐fache Betonstahl‐Querschnitt erforderlich. (Herleitung siehe Technische Info Schöck ComBAR®) Bestimmung der Bauteildicke und Biegebemessung In der Regel ist die Gebrauchstauglichkeit zu berücksichtigen. Die erforderliche statische Nutzhöhe aus Gründen der Durchbiegungsbeschränkung kann zunächst wie im Stahlbetonbau üblich ermittelt werden. Es hat sich als sinnvoll erwiesen, das Trägheitsmoment der auf diese Weise ermittelten Bauteildicke mit dem Faktor 2,0 zu erhöhen, um daraus die zu empfehlende Bauteildicke für den GFK‐bewehrten Querschnitt zu erhalten. Die Bewehrung soll so gewählt werden, dass die Spannung in den Stäben unter 300 N/mm² bleibt. Zur Bemessung steht ein Programm zur Verfügung. Bemessung für Querkraft Wie im Stahlbetonbau ist zu unterscheiden zwischen Bauteilen ohne rechnerisch erforderliche Querkraftbewehrung und Bauteilen mit rechnerisch erforderlicher Querkraftbewehrung. Die Nachweise dazu unterscheiden sich, wie bereits erwähnt, deutlich vom Stahlbetonbau (Näheres siehe Technische Info ComBAR®). Aus Kostengründen ist eine Ausführung ohne rechnerische Querkraftbewehrung anzustreben. Eine Erhöhung der Längsbewehrung wirkt sich ebenfalls positiv aus. Es kann oft sinnvoll sein, di Längsbewehrung in Anzahl und /oder Durchmesser zu erhöhen, um Querkraftbewehrung einzusparen. Bei Balken ist immer eine Mindestquerkraftbewehrung erforderlich. Die Querkraftbewehrung kann aus Bügeln oder Doppelkopfbolzen hergestellt werden, auch eine Kombination ist möglich. 7
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Bauliche Durchbildung der Bauteile Bodenplatten und Deckenplatten sind wirtschaftlich so zu entwerfen, dass keine Querkraftbewehrung erforderlich ist. In der Regel sind diese Bauteile dann dicker auszuführen als im Stahlbetonbau. Bei Deckenplatten ist eine Erhöhung der statischen Nutzhöhe meist auch aus Gründen der Durchbiegungsbeschränkung erforderlich. Bereiche mit Querkraftbewehrung an vereinzelten Stellen können noch wirtschaftlich sein, doch wird dann der Rahmen der Zulassung gesprengt und es ist u.U. eine Zustimmung im Einzelfall (Z.i.E.) erforderlich. Biegebewehrung: Die Verankerungs‐ und Übergreifungslängen sind wie im EC2 zu berechnen, jedoch mit den Verbundwerten aus der ComBAR® Zulassung. Die Mindestverankerungslänge beträgt nach Zulassung 160mm. Übergreifungsstöße sind in der Zulassung noch nicht geregelt. Eine Verankerung von ComBAR ist erlaubt und in der Zulassung geregelt. Ein Übergreifungsstoß ist im Prinzip die Verankerung zweier Stäbe, die mit geringem Stababstand nebeneinander liegen. Es konnten nicht alle erdenklichen geometrischen Anordnungen von Übergreifungsstößen geprüft werden (tiefe Bauteile, flache Bauteile, horizontale, vertikale, versetzte Stöße, Stöße im Querkraftbereich, Stöße im Bereich der maximalen Biegemomente, etc.) Daher ist hierzu derzeit noch bei dauerhaft und statisch tragenden Stößen ggf. eine Zustimmung im Einzelfall (Z.i.E.) erforderlich. Unterzüge, Stürze und Ringbalken sind immer zumindest mit einer konstruktiven Querkraftbewehrung auszuführen. Zu beachten ist, dass aufgrund der Abmessungen der Bewehrungselemente eine Mindestbauteildicke erforderlich ist, die manchmal größer ist als im Stahlbetonbau (kleinster ComBAR® Bügel ø 12 mm, größerer Biegerollendurchmesser, Mindestlängen bei Kopfbolzen). Bauteile mit erforderlicher tragender Querkraftbewehrung sind in der Zulassung nicht geregelt und es ist eventuell eine Z.i.E erforderlich. Bei der Bewehrungsführung der Querkraftbewehrung ist darauf zu achten, dass der ComBAR® Bügel einen Biegerollendurchmesser von 7*d hat und damit größer ist als bei Betonstahl. Beim Kopfbolzen ist wichtig, dass der Kopf gut verankert ist, das bedeutet, dass die Kopfenden vollständig durch Längs‐, bzw. Querbewehrung verankert sind. Eventuell ist ein zusätzlicher Stab in 2. Lage einzubauen. Stützen und Wände mit erforderlicher Druckbewehrung sind nicht möglich. In solch einem Falle müssten die Bauteilquerschnitte vergrößert werden. Weiterführende Angaben und Hinweise siehe Bemessungsbeispiele und Musterpläne. 8
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Streifen‐ und Einzelfundamente Eine wirtschaftliche Lösung ist, diese Bauteile so zu dimensionieren, dass sie theoretisch unbewehrt ausgeführt werden können und nur noch ein konstruktive Bewehrung notwendig ist (Zerrbewehrung o.ä.). Ist bei Streifenfundamenten eine Querkraftbewehrung erforderlich, so kann diese mit Bügenl, Kopfbolzen oder kombiniert ausgebildet werden. Bei Verwendung von Kopfbolzen muss ein Teil der Längsbewehrung den Kopf vollständig verankern (2. Lage Längsbewehrung einbauen!). Bei Einzelfundamenten ist auf eine Verankerung der Längsbewehrung zu achten. Gerade Stäbe können nicht nachträglich gebogen werden, also müssen entweder gebogen hergestellte Stäbe verwendet werden (Achtung: andere Materialwerte, kleinere Bemessungsspannungen), oder die Endverankerung muss durch Zulagen hergestellt werden. Bei der Biegebemessung und der Querkraftbemessung ist der E‐Modul der Bewehrung entsprechend zu berücksichtigen: Weiterführende Angaben und Hinweise siehe Bemessungsbeispiele und Musterpläne. 9
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Hinweise zu Entwurf und Konstruktion im Anlagenbau Typische Anwendungen sind Fundamente und Bodenplatten für Drosselspulen. Beispiel für eine Anordnung von 3 Drosselspulen (Quelle: Siemens) Es sind Mindestabstände zu Metallteilen und benachbarten Spulen einzuhalten. Hierbei werden zwei Bereiche definiert: Bereich MC1 = absolut stahlfrei Bereich MC2 = kein Kontakt zwischen Stahlteilen, verhindern von Schleifenbildung Die GFK‐Bewehrung Schöck ComBAR ist elektromagnetisch nicht leitend und daher für den Einsatz in beiden Bereichen ideal geeignet. Hinweis zu Lastannahmen: Zusätzlich zu den üblich auftretenden Lasten aus Eigengewicht, Nutzlast, Schnee, Wind und Erdbeben treten Kurzschlusskräfte im oberen Bereich der Spulen auf. Diese Horizontalkräfte sind nicht unwesentlich und sind je nach Art der Spule als außergewöhnliche oder sogar als häufig auftretende Lasten anzunehmen (nach Angabe des Spulenherstellers). 10
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Für die einzelnen Bauteile gelten hier die gleichen Anmerkungen wie zuvor bereits beim Hochbau erwähnt. Fundamente für Drosselspulen haben oft weit größere Abmessungen als statisch erforderlich. Eine Endverankerung (Aufbiegung) am Stabende ist daher meist nicht erforderlich. Ein entsprechender Nachweis kann so aussehen, dass zum Vergleich die theoretisch erforderliche Mindestgröße des Einzelfundaments ermittelt wird und die darüber hinausragenden Plattenenden als Verankerungsbereiche der Bewehrung betrachtet werden. Tragende Bodenplatten mit größeren Abmessungen als die Standardstablängen erfordern Übergreifungsstöße der Bewehrung. Im Rahmen der derzeit gültigen Zulassung sind diese noch nicht geregelt. In einem solchen Fall ist es u.U. sinnvoller, einzelne Fundamente anzuordnen. 11
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Hinweise zu Entwurf und Konstruktion im Spezialtiefbau Schlitzwände Entwurf und Bemessung der Softeye‐Bereiche von Schlitzwänden erfolgen meist auf Grundlage eines Gutachtens, welches Bestandteil einer Zustimmung im Einzelfall (Z.i.E.) ist. Schlitzwände haben in der Regel eine kräftige Längsbewehrung, oft in mehreren Lagen. Es ist darauf zu achten, dass die Außendurchmesser der ComBAR® Stäbe größer sind als deren Nennquerschnitte. Besonders bei 2 und mehr Lagen muss dies millimetergenau bei der Planung berücksichtigt werden, da sonst im Übergreifungsbereich mit den Stahlkörben Kollisionen auftreten können, die ein Zusammenfügen erheblich erschweren. Die Schubbewehrung wird bei Schlitzwänden meist durch Doppelkopfbolzen hergestellt. Auch hier ist auf eine gute Verankerung der Köpfe zu achten. Bügel sind, falls überhaupt, nur als Form gebende Montagehilfe notwendig. Allgemein gilt, dass sich der ComBAR®‐ Korb an den Stahlkorb anpasst. Das bedeutet, dass bei der Anordnung der ComBAR® Längsstäbe und der Querkraftbewehrung die Lage der Stahlbewehrung maßgeblich ist. Verankerungs‐ und Übergreifungslängen: In der Regel dürfen die Kurzzeitverbundwerte angesetzt werden (siehe ComBAR® Bemessungshilfe). Bei abgestufter (optimierter) Längsbewehrung ist das Versatzmaß zu beachten. Eine Erhöhung der Längsbewehrung kann u.U. sinnvoll sein, um Querkraftbewehrung einzusparen. Wird die Schlitzwand komplett in GFK ausgeführt, ist die Funktion der „Restwand“ zu klären (spielt Dauerhaftigkeit eine Rolle?). In so einem Fall sind eventuell auch kleinere Verbundspannungen anzusetzen. Hinsichtlich Mindest‐ und Höchstbewehrung gelten die gleichen Vorschriften wie bei Betonstahl. Korbaussteifung: Die Aussteifung des ComBAR® Korbes wird durch Diagonalstäbe hergestellt, die zusammen mit den Kopfbolzen (V‐Stäbe) und der Längsbewehrung (Ober‐, Untergurt) das aussteifende Fachwerk bilden. Für den Zusammenbau stehen Arbeitsanweisungen und Musterpläne zur Verfügung. Bohrpfähle Bei Bohrpfählen wird die Schubbewehrung in Form von paarweisen Doppelkopfbolzen ausgebildet. Da beim Ziehen des Bohrrohres ein Verdrehen des Korbes nicht ausgeschlossen werden kann, werden die Doppelkopfbolzen zusätzlich auch um 90° verdreht paarweise angeordnet. Hinsichtlich Mindest‐ und Höchstbewehrung gelten die gleichen Vorschriften wie bei Betonstahl 12
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Beispiel für eine typische Bohrpfahlbewehrung mit Doppelkopfbolzen als Querkraftbewehrung. Bohrpfähle mit kleinerem Durchmesser (<1,0m) können nicht nach dem oben dargestellten Konstruktionsprinzip zusammengebaut werden, da dann der Platz für das Betonierrohr nicht mehr ausreicht. Solche Körbe erhalten eine Querkraftbewehrung aus einzelnen Bügeln, sowie ein inneres aussteifendes „Fachwerk“ mit ellipsenförmigen Bügeln als „Diagonalstäbe“. Weiterführende Angaben und Hinweise siehe Musterpläne. 13

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