Prüfingenieur 34 - Bundesvereinigung der Prüfingenieure für ...

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BAUEN IM BESTAND Umrechnung historischer Baustoffkennwerte auf charakteristische Werte Wie können historische Eigenschaften von Beton und Betonstahl auf heutige Normen transponiert werden? Die Standsicherheit bestehender Tragwerke ist neu zu bewerten, wenn diese zusätzlich beansprucht werden sollen. Häufig liegt jedoch für eine Vorbemessung keine Bestandsaufnahme mit ausreichender Probeentnahme vor. Da die Neuberechnung jedoch nach heutigen Normen zu erfolgen hat, fehlen dann charakteristische Festigkeiten nach neuer Normengeneration. Stehen aber statische Berechnungen und/oder Ausführungspläne für den Ursprungszustand und für spätere Umbauten zur Verfügung, können auf dieser Basis die in den historischen Normen verwendeten Materialeigenschaften in charakteristische Baustoffkennwerte nach aktuellem Normenwerk umbewertet werden. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell Leiter des Fachgebietes Massivbau und Baukonstruktion der TU Kaiserslautern Dipl.-Ing. Markus Loch Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Massivbau und Baukonstruktion der TU Kaiserslautern 50 Der Prüfingenieur April 2009 1 Einführung Im vorliegenden Beitrag wird für die Baustoffe Beton und Betonstahl eine entsprechende Zuordnung der früheren Normfestlegungen zu den aktuellen Materialklassen vorgestellt. Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsprojekts „Anwendung von Teilsicherheitsbeiwerten auf Bestandsbauten im Hochbau“ [1] gewonnen, welches dankenswerterweise mit Mitteln des Bundesamts für Bauwesen und Raumordnung BBR sowie Unternehmen der Bauindustrie gefördert wurde. Bei der Zuordnung der verwendeten Baustoffe zu aktuell genormten Materialeigenschaften wird von der Annahme ausgegangen, dass die mechanischen Werkstoffkennwerte der verbauten Materialien den Anforderungen der zum damaligen Zeitpunkt gültigen Normen entsprechen (Abb. 1). Werkstoffkennwerte stellen keine physikalisch bedingten Absolutwerte dar. Die Messergebnisse hängen entscheidend von der Versuchsdurchführung ab. Dies bedingt einen Vergleich zwischen den damaligen Prüfbedingungen und den aktuell gültigen anhand der jeweiligen Prüfnormen. Auf der Basis von Umrechnungsfaktoren werden die Werkstoffkennwerte an die aktuellen Bezugswerte angepasst. Das aktuelle, semiprobabilistische Sicherheitskonzept setzt voraus, dass ein Werkstoffkennwert als Abb. 1: Umnutzung alter Kasernengebäude als Büroflächen
charakteristische Kenngröße vorliegt. Sie ist nach DIN EN 1990:2002-10 [2] definiert als „Wert einer Baustoffeigenschaft ... mit bestimmter Auftretenswahrscheinlichkeit bei unbegrenzter Probenzahl. Dieser Wert entspricht i. d. R. einer bestimmten Fraktile [= Quantile] der statistischen Verteilung ...“. Die in diesem Artikel vorgenommene Bestimmung von Quantilwerten historischer Baustoffe beruht in erster Linie auf der Auswertung von statistischen Kenngrößen aus Literaturquellen für die Werkstoffe Beton und Betonstahl. Für den Werkstoff Betonstahl konnten zudem noch statistische Kenngrößen aus Überwachungsprotokollen verschiedener Betonstahlhersteller aus den 1970er Jahren berücksichtigt werden, die freundlicherweise vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) in anonymisierter Form zur Verfügung gestellt wurden. Direkte Anfragen bei Produzenten bezüglich alter Produktionsdaten verliefen erfolglos, da entsprechende Auskünfte entweder mit Verweis auf das Werksgeheimnis verweigert wurden oder entsprechende Daten aus der Vergangenheit nicht mehr vorlagen. 2 Beton Die Druckfestigkeit des Betons stellt den wichtigsten Werkstoffkennwert für die Bemessung von Tragwerken aus Beton und Stahlbeton dar, da sie den Ausgangswert für alle weiteren Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit bildet und sich aus ihr zumindest für eine Vorbemessung die weiteren benötigten Kennwerte E-Modul und Zugfestigkeit ableiten lassen. Die charakteristische Betondruckfestigkeit f ck bezieht sich nach DIN 1045-1:2008-08 [3] auf die charakteristische Mindestdruckfestigkeit von Zylindern f ck, cyl, wie sie in den Festigkeitsklassen nach DIN EN 206-1:2001-07 [4] und DIN 1045-2:2008-08 [5] definiert sind. Sie entspricht dem erwarteten Festigkeitswert nach 28 Tagen bei feuchter Lagerung, unter den 5 % der Grundgesamtheit aller möglichen Festigkeitswerte der Menge des betrachteten Betons fallen (5%-Quantil). Es werden Zylinder mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Länge von 300 mm verwendet. Die Herstellung und Lagerung der Probekörper regelt DIN EN 12390-2:2001-06 [6]. Die anschließende Druckprüfung erfolgt gemäß DIN EN 12390-3:2004-04 [7] (Abb. 2). 2.1 Umrechnungsfaktoren Der Vergleich zwischen den zurzeit gültigen Prüfbedingungen ([6], [7]) mit den Bestimmungen zur Festlegung der Betoneigenschaften von 1904 bis BAUEN IM BESTAND 51 Der Prüfingenieur April 2009 Abb. 2: Druckfestigkeitsprüfung an Betonzylindern heute zeigt, dass ab 1916 von einer Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Druckversuchen an Probekörpern aus Beton mit heutigen Prüfergebnissen ausgegangen werden kann. Dabei sind lediglich Umrechnungsfaktoren zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Prüfkörperformen und der Prüfkörperlagerung notwendig. Entsprechende Übersichten zu den wichtigsten Vorschriften zur Prüfung der Materialeigenschaften und -güte von Beton und Betonstahl sowie zur Bemessung von Beton- und Stahlbetonbauteilen sind im Betonkalender 2009 [8] und in [1] gegeben, wobei [1] auch zusätzliche Übersichten zum Stahlund Mauerwerksbau enthält. 2.1.1 Probekörperform Die bevorzugte Referenzform der Probekörper zur Ermittlung der Betondruckfestigkeit war im letzten Jahrhundert die Würfelform. Sie wurde 1916 in den Bestimmungen des Deutschen Ausschusses für Eisenbeton [9] mit einer Kantenlänge von 300 mm für Beton und 200 mm für Eisenbeton festgelegt. Seit der Einführung der DIN 1048:1925-09 [10] und deren nachfolgenden Bestimmungen betrug die geforderte Kantenlänge 200 mm. Ausgenommen davon ist der Zeitraum von 1980 bis 1990 im Geltungsbereich der ehemaligen Deutschen Demokratischen Republik, in welchem eine Kantenlänge von 150 mm nach TGL 33433/04:1979-06 [11] gefordert wurde. Anhand der Untersuchungen von Gehler ([12], [13]) und Bonzel [14] sowie den Festlegungen in DIN 1045:1988-07 [4], [15] werden folgende Umrechnungsfaktoren für die Probekörperformen gewählt (Abb. 3): ■ Umrechnungsfaktor k 150/200 für die Umrechnung zwischen Würfelproben mit 200 mm Kantenlänge und Würfelproben mit 150 mm Kantenlänge: f c, cube150 = k150/200 fc, cube200 = 1, 05. (1)
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