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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.

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William J. Pesce

President and Chief Executive Officer

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Peter Booth Wiley

Chairman of the Board

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

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

images 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