Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton - Lehrstuhl für Massivbau

K. Zilch; J. Lingemann
Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton
Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton
Wesentliche Entwicklungen, Anwendung,
bauaufsichtliche Einführung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Konrad Zilch
Lehrstuhl für Massivbau, Technische Universität München
Dipl.-Ing. Jan Lingemann
Büchting+Streit GmbH (ehemals: Lehrstuhl für Massivbau, Technische Universität München)
Einleitung
Die Anwendung von Stahlfasern zur Verbesserung der Nachbrucheigenschaften von Beton ist
bereits seit den 1960er Jahren Gegenstand der Forschung. In den 1990er Jahren sind die ersten
offiziellen Bemessungsregeln für Stahlfaserbeton veröffentlicht worden (RILEM
Recommendations, SIA 162/6, DBV-Merkblatt). In den vergangenen Jahren wurde in
Deutschland durch den Deutschen Ausschuss für Stahlbeton die Richtlinie Stahlfaserbeton [1]
erarbeitet. Gegenüber dem DBV Merkblatt von 2001 werden hierin neue Erkenntnisse
berücksichtigt und die Nachweisformate vereinfacht. Die Richtlinie soll voraussichtlich Ende
2009 oder Anfang 2010 veröffentlicht werden. Außerdem ist die bauaufsichtliche Einführung
vorgesehen.
Allgemeines über Stahlfaserbeton
Stahlfasern können die mechanischen Eigenschaften des Betons beeinflussen. Sie haben dabei
im Wesentlichen Einfluss auf das Nachbruchverhalten des Betons. Im ungerissenen Zustand
haben die Stahlfasern nur einen geringen Einfluss, der in der Regel vernachlässigt wird.
Deshalb werden hinsichtlich der Druck- und Zugfestigkeit sowie des E-Moduls eines
Stahlfaserbetons die Werte von Beton ohne Stahlfasern angenommen.
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Das Verhalten von Stahlfaserbeton im Nachbruchbereich ist in Bild 1 dargestellt. Beim
unbewehrten Beton führt das stark entfestigende Nachbruchverhalten zu einem spröden
Versagen. Im Prüfkörper aus Stahlbeton kann, abhängig vom Bewehrungsgrad, die Last
deutlich über die Risslast hinaus gesteigert werden. Stahlfaserbeton hingegen zeigt im
Nachbruchbereich bei üblichen Faserarten und -dosierungen in der Regel auch ein
entfestigendes Materialverhalten. Allerdings ist gegenüber unbewehrtem Beton eine deutlich
gesteigerte Restfestigkeit vorhanden.
Bild 1: Verhalten von unbewehrtem Beton, Stahlbeton und Stahlfaserbeton im
Biegezugversuch
Das Tragverhalten von Stahlfaserbeton wird unter anderem durch folgende Faktoren
beeinflusst:
• Verankerung bzw. Ausziehverhalten der Stahlfasern
• Streuung der Nachrisszugfestigkeit von Stahlfaserbeton
• Orientierung der Stahlfasern
Verankerung bzw. Ausziehverhalten der Stahlfasern
Zur Herstellung von Stahlfaserbeton können die unterschiedlichsten Arten von Stahlfasern
eingesetzt werden. Bild 2 gibt einen Überblick über die meisten gebräuchlichen Faserarten. In
der ersten Spalte sind Stahldrahtfasern mit Endverankerungen dargestellt. Die heute üblichste
Art der Endverankerung sind Endabkröpfungen. Das unterste Bild zeigt eine Endverankerung
in Form von abgeplatteten Enden. In der mittleren Spalte sind Stahldrahtfasern mit
kontinuierlicher Verankerung dargestellt. Hier sind heute im Wesentlichen gewellte Fasern
üblich. Im mittleren Bild ist die kontinuierliche Verankerung mit einer Endverankerung
kombiniert. Im unteren Bild sind profilierte Fasern dargestellt. In der rechten Spalte sind
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Faserarten dargestellt, die für normalfeste Faserbetone in der Regel nur selten verwendet
werden, wie Blechfasern, gespante Fasern oder Mikrofasern.
Bild 2: Übliche Formen von Stahlfasern (aus [2])
Der Einfluss der Stahlfasern auf das Nachbruchverhalten von Beton ist dadurch zu erklären,
dass die Stahlfasern im Nachbruchbereich Risse im Beton überbrücken und somit Zugkräfte
über Risse hinweg übertragen können (Bild 3). Hierfür ist eine ausreichende Verankerung der
Fasern im Beton erforderlich. Die Lastübertragung vom Beton in die Fasern erfolgt zum Teil
im Bereich des Rissufers, an dem die Stahlfasern umgelenkt werden. Der maßgebende Teil der
Lastübertragung erfolgt bei Endverankerten Fasern jedoch im Bereich der Endverankerung.
Die Wirksamkeit der Fasern hängt wesentlich von der Verankerung ab. Diese wiederum ist
stark von der Faserart, dem Beton sowie dem Zusammenwirken von Fasern und Beton
abhängig.
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Bild 3: „Vernadelung“ von Rissen durch Stahlfasern und Lastweiterleitung vom
Beton in die Fasern
Aufgrund der zahlreichen Einflussparameter hinsichtlich der Wirksamkeit der Stahlfasern ist
für jede Betonrezeptur mit einer speziellen Betonzusammensetzung und einer speziellen
Faserart eine neue Erstprüfung erforderlich. Anhand einer pauschalen Angabe von
Fasergehalten ist keine Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Stahlfaserbeton möglich. Die
Gleichung
höherer Fasergehalt = höhere Nachrisszugfestigkeit
ist ebenso nicht in allen Fällen korrekt.
Streuung der Nachrisszugfestigkeit von Stahlfaserbeton
Bei der Bestimmung der Nachrisszugfestigkeit an balkenartigen Prüfkörpern mit
Querschnitten von 15 cm x 15 cm werden häufig relativ große Streuungen mit
Variationskoeffizienten von ca. 25 % festgestellt. Die Ursache hierfür liegt in der Verteilung
der Fasern. Bei kleinen Querschnittsflächen ist es leicht möglich, dass entweder sehr viele
oder sehr wenige Fasern den Rissquerschnitt kreuzen. Hier werden daher häufig große
Streuungen der Nachrisszugfestigkeiten beobachtet. Mit zunehmender Querschnittsgröße
nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, dass über den ganzen Querschnitt entweder sehr hohe oder
sehr geringe Faseranzahlen vorhanden sind. Bei größeren Querschnitten ist die Streuung der
Nachrisszugfestigkeit daher deutlich geringer. Dieser Zusammenhang wurde durch
experimentelle Untersuchungen am Lehrstuhl für Massivbau der Technischen Universität
München belegt [4] (Bild 4).
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Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton
Fasern/cm²
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0 200 400 600 800 1000 1200
Fläche [cm²]
Messwerte
Mittelwert der
Messwerte
Bild 4: In Sägeschnittoberflächen ermittelte Faseranzahl je cm² in Abhängigkeit der
Bezugsfläche
Bei der Entwicklung der Richtlinie führte dieses zu kontroversen Diskussionen. Würde man
die Nachrisszugfestigkeit an größeren Prüfkörpern ermitteln, würden sich bei gleichen
Mittelwerten der Nachrisszugfestigkeit der Nachrisszugfestigkeit höhere 5 %-Quantilwerte
ergeben als in kleinformatigen Prüfkörpern. Die Ermittlung der Nachrisszugfestigkeit an
größeren Prüfkörpern ist jedoch unhandlicher, aufwändiger und unwirtschaftlicher.
Andererseits würde der Ansatz der in den kleinformatigen Prüfkörpern ermittelten
5 %-Quantilwerte der Nachrisszugfestigkeit bei der Bemessung von größeren Bauteilen zu
sehr unwirtschaftlichen Ergebnisse führen.
In die Richtlinie Stahlfaserbeton wurden die für die Durchführung der Prüfungen günstigeren
kleinformatigen Prüfkörper gewählt. Um dennoch auch für größere Bauteile eine
wirtschaftliche Bemessung sicherzustellen, wird bei der Ermittlung des Rechenwertes der
Nachrisszugfestigkeit f f ctR,Li der Korrekturfaktor κ f G eingeführt. Am Lehrstuhl für Massivbau
der Technischen Universität München wurde wissenschaftlich bestätigt, dass der Ansatz des
Korrekturfaktors κ f G eine wirtschaftlichen Bemessung sowie die Einhaltung des erforderlichen
Sicherheitsniveaus ermöglicht [4] (Bild 5).
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Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton
κκκκ f G bzw. κκκκ f G,cal [-]
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
genauer Ansatz für kfG (bei Normalverteilung)
genauer Ansatz für kfG (bei Log-Normalverteilung)
κ f G
κ f G,cal
κ f G,cal
gemäß Richtlinie ''Stahlfaserbeton''
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
gezogene Querschnittsfläche A ct [m²]
Bild 5: Analytisch ermittelter Faktor κκκκ f G zur Einhaltung des erforderlichen
Zuverlässigkeitsniveaus sowie vereinfachter linearer Ansatz gemäß Richtlinie
Berücksichtigung der Orientierung der Stahlfasern
Die Orientierung der Stahlfasern hat wesentlichen Einfluss auf die Wirksamkeit der Fasern.
Dies zeigt sich z. B. beim Vergleich der Nachrisszugfestigkeiten von liegend und stehend
hergestellten Prüfkörpern. Bei liegend hergestellten, flächigen Prüfkörpern werden in den
Richtungen parallel zur Bauteilebene i. d. R. die höchsten Nachrisszugfestigkeiten gemessen.
In allen anderen Fällen (nicht liegend hergestellte oder nicht flächige Bauteile) wird die
Anrechenbare Nachrisszugfestigkeit f f ctR,Li gemäß Richtlinie um den Faktor κ f F = 0,5
reduziert. Hiermit wird die Unsicherheit der Faserorientierung ausreichend berücksichtigt.
Allgemeines zur DAfStb Richtlinie Stahlfaserbeton
Bearbeitungsstand der Richtlinie
Die Schlussfassung der Richtlinie wurde vom Vorstand des DAfStb verabschiedet und wird in
Kürze veröffentlicht und voraussichtlich Anfang 2011 bauaufsichtlich eingeführt werden. Die
bauaufsichtliche Einführung im Hinblick auf Bauproduktenanforderungen ist in der
Bauregelliste A und im Hinblick auf die Ausführungs- und Bemessungsregeln in der Liste der
technischen Baubestimmungen vorgesehen.
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Gliederung der Richtlinie
Die Gliederung der Richtlinie entspricht exakt der Gliederung von DIN 1045:2008-08.
Allerdings werden in der Richtlinie nur solche Abschnitte aufgeführt, in denen Änderungen
gegenüber DIN 1045:2008-08 vorhanden sind. Unveränderte Abschnitte aus DIN 1045:2008-
08 gelten unverändert und werden in der Richtlinie daher nicht erneut aufgeführt. Die DAfStb-
Richtlinien „Betonbau beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen“ und
„Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton“ gelten unverändert parallel zur Richtlinie
„Stahlfaserbeton“.
Geltungsbereich
Der Geltungsbereich der Richtlinie umfasst:
• Bemessung und Konstruktion von Tragwerken des Hoch- und Ingenieurbaus aus
Stahlfaserbeton sowie Stahlfaserbeton mit Betonstahlbewehrung.
• Stahlfaserbeton bis einschließlich zur Druckfestigkeitsklasse C50/60.
• Verwendung von Stahlfasern mit formschlüssiger, mechanischer Verankerung. Glatte,
gerade Stahlfasern sind somit nicht zulässig. Als verankert gelten gewellte Fasern, Fasern
mit Endabkröpfungen und Fasern mit aufgestauchten Köpfchen.
Die Richtlinie gilt nicht für:
• Bauteile aus vorgespanntem Stahlfaserbeton
• gefügedichten und haufwerksporigen Leichtbeton
• hochfesten Beton der Druckfestigkeitsklassen ab C55/67
• selbstverdichtenden Beton
• Stahlfaserspritzbeton
• Stahlfaserbeton ohne Betonstahlbewehrung in den Expositionsklassen XS2, XD2, XS3
und XD3, bei denen die Stahlfasern rechnerisch in Ansatz gebracht werden
Grund für diese Einschränkungen ist, dass bislang nur wenig Experimentelle und praktische
Erfahrungen mit den ausgeschlossenen Anwendungsbereichen vorliegen. Die letztgenannte
Einschränkung ist durch den Ausfall der Stahlfasern infolge von Korrosion bei Einwirkung
von Chloriden aus Meerwasser bzw. aus Tausalzen begründet.
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Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton
Bemessung von Bauteilen nach Teil 1 der Richtlinie
Grundsätzliches
Wie oben gezeigt weist Stahlfaserbeton in der Regel ein entfestigendes Materialverhalten auf.
Da die Risslast nicht allein durch die Stahlfasern aufgenommen werden kann, gilt gemäß der
Richtlinie folgender Grundsatz für die Bemessung:
Nach Ausbildung von Rissen bis zum Erreichen des Grenzzustandes der
Tragfähigkeit am Gesamttragsystem (Systemgleichgewicht) muss ein
Gleichgewichtssystem nachgewiesen werden, z.B. durch:
- Schnittgrößenumlagerung innerhalb statisch unbestimmter Systeme
- Kombination mit Betonstahlbewehrung
- Normaldruckkräfte infolge äußerer Einwirkungen
Die Anwendung von Stahlfaserbeton ohne Betonstahlbewehrung wird hierdurch auf Fälle
eingeschränkt, in denen nach einer Momentenumlagerung ein Systemgleichgewicht
nachweisbar ist oder in denen die Zugzone durch Normaldruckkräfte klein gehalten wird
(insbesondere im Hinblick auf Tübbinge aus Stahlfaserbeton). Im Regelfall werden
Stahlfasern als Ergänzung zur Betonstahlbewehrung vorgesehen.
Materialien und Herstellung
Wie im Geltungsbereich der Richtlinie definiert, dürfen nur Stahlfasern mit mechanischer
Verankerung verwendet werden. Die Fasern müssen den Anforderungen von DIN 14899
genügen.
Für Stahlfaserbeton müssen die Fasern nach Teil 2 der Richtlinie im Herstellwerk zugegeben
werden. Hierdurch soll eine kontrollierte Zugabe der Fasern mit exakter Dosierung und unter
Verhinderung von lokalen Faseransammlungen (Igeln) sichergestellt werden.
Da die Abstimmung der Fasern auf den Beton wesentlich für die Leistungsfähigkeit eines
Stahlfaserbetons ist, darf Stahlfaserbeton nicht als Beton nach Zusammensetzung geliefert
werden. Stahlfaserbeton ist somit grundsätzlich Beton nach Eigenschaften. Die Eigenschaften
des Betons – im Fall des Stahlfaserbetons die Leistungsklassen – sind durch den
Betonhersteller sicherzustellen. Dieser muss für jede Betonsorte eine Erstprüfung durchführen.
Die Einhaltung der Anforderungen entsprechend der Erstprüfung wird durch jährliche erneute
Prüfung sichergestellt.
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Expositionsklassen und Betondeckung
Hinsichtlich des Korrosionsschutzes sind Stahlfasern im Allgemeinen günstiger zu beurteilen
als Betonstahlbewehrung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei Fasern aufgrund der
geringen Ausdehnung keine Ausbildung von Korrosions-Elementen auftritt. Fasern können
zwar oberflächennah korrodieren und gegebenenfalls Rostverfärbungen verursachen. Eine
Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit ist damit nach Definition in der Richtlinie nicht gegeben.
Außerdem sind die Sprengdrücke infolge der Korrosion der Fasern so gering, dass in der
Regel keine Betonabplatzungen auftreten.
Es ist zu beachten, dass Stahlfaserbeton als Beton mit eingebettetem Metall eingestuft wird
und daher nicht der Expositionsklasse X0 zugeordnet werden darf. In den Expositionsklassen
XS2, XD2, XS3 und XD3 darf die Stahlfaserwirkung nach der Richtlinie nicht angesetzt
werden.
Hinsichtlich des konstruktiven Brandschutzes müssen für Stahlfaserbeton nach der Richtlinie
die Anforderungen nach DIN 4102-4:1994-03, Abschnitte 3 oder 4 (Wände) bzw.
DIN 4102-22:2004-11 eingehalten werden.
Bemessungswert der Nachrisszugfestigkeit
Im Rahmen der Erstprüfung von Stahlfaserbeton wird die Nachrisszugfestigkeit in
weggesteuerten Biegezugversuchen ermittelt. Im Unterschied zum DBV-Merkblatt [3], nach
dem aus der Fläche unter der Last-Verformungslinie des Versuchskörpers die äquivalente
Nachrisszugfestigkeit ermittelt wurde, werden nach der DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton
residuale Nachrisszugfestigkeiten ermittelt. Hierfür werden die vom Prüfkörper aufnehmbaren
Lasten bei Durchbiegungen von 0,5 mm bzw. 3,5 mm direkt aus der Last-Verformungslinie
abgelesen und die Nachrisszugfestigkeiten für die Leistungsklassen L1 und L2 hieraus
ermittelt (Bild 6).
Bild 6: Ermittlung der Nachrissbiegezugfestigkeit im Biegezugversuch
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Mit der Angabe der Leistungsklassen des Stahlfaserbetons kann aus Tabelle R.3 der Richtlinie
(Bild 7) der Grundwert der ansetzbaren zentrischen Nachrisszugfestigkeit f f ct0,Li für die
jeweilige Leistungsklasse Li ermittelt werden. Hieraus wird der Rechenwert der zentrischen
Nachrisszugfestigkeit f f ctR,Li gemäß Bild 8 ermittelt.
Bild 7: Grundwerte der Nachrisszugfestigkeiten für die einzelnen Leistungsklassen
(aus [1])
f f ctR,Li= κ f F · κ f G · f f ct0,Li
Bild 8: Ermittlung des Rechenwertes der zentrischen Nachrisszugfestigkeit aus dem
Grundwert der zentrischen Nachrisszugfestigkeit (aus [1])
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Der Bemessungswert der Nachrisszugfestigkeit wird gemäß Bild 9 aus dem Rechenwert der
Nachrisszugfestigkeit bestimmt. Für die Bemessung darf einerseits eine Spannungs-
Dehnungs-Linie mit einem von abfallendem Ast entsprechend dem tatsächlichen Verhalten
von Stahlfaserbeton angesetzt werden. Hierbei ist bei kleinen Dehnungen die
Nachrisszugfestigkeit der Leistungsklasse 1 (Index L1) und bei höheren Dehnungen die
Nachrisszugfestigkeit der Leistungsklasse 2 (Index L2) ansetzbar. Alternativ darf mit einem
rechteckigen Spannungsblock gerechnet werden (Index u bzw. s).
Bild 9: Ansatz der Nachrisszugfestigkeit bei der Bemessung (aus [1])
Ansatz der Nachrisszugfestigkeit bei der Bemessung
Die Nachrisszugfestigkeit darf bei den Nachweisen der Tragfähigkeit sowie bei den
Nachweisen der Gebrauchstauglichkeit angesetzt werden. Beim Nachweis von
knickgefährdeten Bauteilen oder stabilitätsgefährdeten schlanken Trägern darf die
Stahlfaserwirkung jedoch nicht berücksichtigt werden.
Biegebemessung
Bei der Biegebemessung von Bauteilen aus Stahlfaserbeton darf die rechnerische Spannungs-
Dehnungs-Linie gemäß Bild 9 angesetzt werden (siehe auch Bild 10). Es muss jedoch darauf
hingewiesen werden, dass die Wirkung der Stahlfasern bei der Biegebemessung im Vergleich
zur Betonstahlbewehrung sehr gering ist.
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Bild 10: Ansatz der Nachrisszugfestigkeit Biegebemessung von Bauteilen aus
Stahlfaserbeton (aus [1])
Querkraftbemessung
Bei der Bemessung für Querkraft darf der Stahlfasertraganteil VRd,cf zu den Tragfähigkeiten
des Betons ohne Bügel VRd,ct bzw. des Betons mit Bügeln VRd,sy hinzuaddiert werden (Bild 11).
Bei Verwendung von Stahlfaserbeton darf auch bei balkenartigen Bauteilen (b ≤ 5h) die
Mindestquerkraftbewehrung aus Betonstahl auf null reduziert werden. Bei der Ermittlung des
Mindestquerkraftbewehrungsgrades darf die Stahlfasertragwirkung nach Bild 11 angesetzt
werden.
mit:
Bild 11: Formeln für die Querkraftbemessung von Bauteilen aus Stahlfaserbeton
(aus [1])
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Rissbreitenbeschränkung
Bei den Nachweisen der Rissbreitenbeschränkung wird die Stahlfasertragwirkung durch den
Ausdruck (1 - αf) berücksichtigt. Hierin ist αf das Verhältnis zwischen dem Rechenwert der
zentrischen Nachrisszugfestigkeit und dem Mittelwert der zentrischen Zugfestigkeit des
Betons. Der Ausdruck (1 - αf) beschreibt somit den Anteil der Beanspruchung, der nicht durch
die Stahlfasern aufgenommenen werden kann und mit Betonstahlbewehrung abzudecken ist.
mit:
Bild 12: Ermittlung der Mindestbewehrung zur Beschränkung der Rissbreite (aus [1])
Zusammenfassung
Die Richtlinie „Stahlfaserbeton“ des Deutschen Ausschusses für Stahlfaserbeton steht kurz vor
der Veröffentlichung. Im Anschluss ist die bauaufsichtliche Einführung der Richtlinie geplant.
Die Gliederung der Richtlinie ist direkt an die Gliederung der DIN 1045 angelehnt. In der
Richtlinie werden dabei nur solche Absätze ausformuliert, in welchen sich durch
Berücksichtigung der Stahlfasertragwirkung Änderungen gegenüber der DIN 1045 ergeben.
Mit der Richtlinie wird somit ein durchgehend konsistentes Konzept sowohl zur Bemessung
als auch zur Überwachung des Baustoffes Stahlfaserbeton verfügbar sein.
Literatur
[1] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Richtlinie Stahlfaserbeton.
Schlussfassung Juli 2009
[2] Holschemacher, K.; Klug, Y.; Dehn, F.; Wörner, J.-D.: Faserbeton. In: Betonkalender
2006, Band 1. Berlin: Ernst und Sohn
[3] Deutscher Betonverein: Merkblatt Stahlfaserbeton. 2001
[4] Lingemann, J.; Zilch, K.: Zum Einfluss der Bauteilgröße auf das Tragverhalten von
Bauteilen aus Stahlfaserbeton. In: Münchener Massivbau Seminar 2009
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