Prüfingenieur 34 - Bundesvereinigung der Prüfingenieure für ...

Wird die Ausdehnung eines Bauteils bei Erwärmung
behindert, so entstehen Druckspannungen.
Bei Abkühlung bilden sich entsprechend Zugspannungen.
Bleibt während dieser Phase der Temperaturänderung
der Elastizitätsmodul des Bauteils unverändert,
wird nach Erwärmung und Abkühlung auf die
Ausgangstemperatur wieder ein spannungsfreier Zustand
erreicht. Bei einem viskoelastischen Material
mit zeitlich veränderlichem Elastizitätsmodul, wie
erhärtendem Beton, stellt sich dagegen nach Abschluss
der Temperaturbeanspruchung ein anderer
Spannungszustand ein. Die Entwicklung der Zwangspannungen
infolge Erwärmung während der Hydratation
und anschließender Abkühlung wird in
Abb. 11 deutlich.
Dabei können fünf Stadien unterschieden werden
[6]:
I: Die Betontemperatur bleibt unverändert, da sich
die Hydratation in der Ruhephase befindet.
II: Der Beton erwärmt sich infolge Hydratation. Da
er noch vollkommen plastisch verformbar ist, entstehen
keine Betonspannungen.
III: Im Alter von etwa drei bis sechs Stunden bauen
sich mit zunehmendem Temperaturanstieg und
anwachsendem Elastizitätsmodul Druckspannungen
auf, die jedoch noch zu einem erheblichen
Teil relaxieren.
IV: Nach Überschreiten des Temperaturmaximums
werden die noch vorhandenen Druckspannungen
rasch bis auf null abgebaut (2. Nullspannungstemperatur
T 02). Das Relaxationsvermögen
ist in diesem Alter noch groß, allerdings ist der
Elastizitätsmodul gegenüber dem Stadium III
schon deutlich angewachsen. Daher ist zum Abbau
der Spannung eine kleinere Temperaturdifferenz
notwendig als zuvor zum Aufbau einer
Spannung von derselben Größe bei geringerem
E-Modul.
V: Bei weiterer Abkühlung entstehen schließlich
Zugspannungen. Auch diese Zugspannungen werden
durch Relaxation teilweise abgebaut, allerdings
wegen des fortgeschrittenen Alters deutlich
langsamer und in einem geringeren Umfang. Erreichen
die Zugspannungen dann die Zugfestigkeit
des Betons, kommt es zur Rissbildung. Um
eine rissauslösende Zugspannung zu vermeiden,
können geeignete Maßnahmen ergriffen werden.
Hierzu zählen unter anderen die Wahl eines Betons/Zements
mit geringer Wärmeentwicklung,
Nachbehandlung des Betons und im Fall der Bodenplatte
die Verminderung der Reibung durch
Unterlegen einer zweilagigen PE-Folie.
Die Auswirkungen auf die Zwangspannungen
während der Phasen I bis V werden in Abb. 11 am
Beispiel einer Bodenplatte erläutert. Zum Zeitpunkt
T max herrschen die größten Druckspannungen, da die
MASSIVBAU
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Der Prüfingenieur April 2009
Plattenausdehnung infolge Temperaturanstiegs durch
die Bodenreibung behindert wird. Durch die Abkühlung
wird zum Zeitpunkt T 02 der spannungsfreie Zustand
erreicht. Danach treten zunehmend Zugspannungen
auf, da die Plattenverkürzung wiederum durch
Reibung behindert wird. Die Zugfestigkeit des Betons
wird zuerst in der Plattenmitte überschritten und führt
dort zur Erstrissbildung. Bei ausreichender Bewehrung
zur Rissbreitenbeschränkung entstehen weitere
Risse mit geringen Rissbreiten in kleinen Abständen.
Die Zugspannung bleibt dabei teilweise erhalten.
4.4 Zwang infolge Umgebungstemperatur
Bei Bauwerken im Freien entstehen Temperaturänderungen
durch die täglichen und jahreszeitlichen
Schwankungen der Umgebungstemperatur und
der Sonneneinstrahlung. Besonders große Temperatursprünge
können infolge unperiodisch auftretender
Wetteränderung (Gewitterregen im Hochsommer)
entstehen. Temperaturänderungen können aber auch
infolge anderer Ursachen auftreten, z. B. während der
Bauausführung (Aufbringen von bituminösen Heißmischbelägen)
oder aus dem Betrieb des Bauwerks
(Kühlhaus, Silo mit heißem Schüttgut).
Die Temperaturverteilung wird von zahlreichen
Parametern beeinflusst, wie z. B. Art der Baustoffe,
Oberflächenbeschaffenheit, Querschnittsgeometrie.
Eine realistische Abschätzung wirklichkeitsnaher
Temperaturzustände im Bauteilinneren ist meistens
nur mit großem Aufwand möglich, weil der Tagesgang
der Lufttemperatur, die Konvektion und die
Strahlungsbilanz dafür sorgen, dass die Temperaturverteilung
im Bauteil meist nichtlinear ist. Aus den
Oberflächentemperaturen kann bei solchen instationären
Temperaturzuständen nicht unmittelbar auf
den Temperaturverlauf im Bauteilquerschnitt geschlossen
werden. Die in den Normen angegebenen
Grenztemperaturen stellen nur Anhaltswerte dar. Sofern
weitergehende Temperaturbeanspruchungen vorliegen,
sollten Auslegungstemperaturen, die dem
Tragwerksentwurf zugrunde zu legen sind, mit dem
Auftraggeber und dem Anlagenbetreiber abgestimmt
werden.
Am Beispiel einer dreigeschossigen Tiefgarage
in Düsseldorf kann die Größe der Temperaturschwankungen
aufgezeigt werden. Seit Sommer 1989 wurden
über einen langen Zeitraum Temperaturmessungen
vorgenommen [7]. Abb. 12 zeigt die bisher erreichten
Grenzzustände. Da die Grundwassertemperatur
im Jahresverlauf annähernd konstant ist, ergeben
sich für die im Grundwasser gelagerte Bodenplatte
sehr geringe Temperaturbeanspruchungen. Dagegen
unterliegen die Zwischendecken in Tiefgaragen
einer größeren Temperaturschwankung. Für die
Zwangbeanspruchung infolge Temperatur in der Zwi-