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1 www.hilti.com Tragwerkverstärkung mittels Aufbeton
Tragwerkverstärkung
mittels Aufbeton im Hoch-
und Ingenieurbau
Hilti Ingenieurberatung
M.Sc. Sebastian Hofmann
2 www.hilti.com Tragwerkverstärkung mittels Aufbeton
• Einleitung
• Bemessungsmethode
• Schubverbinder HCC; Kappenanker
• Bauausführung
Agenda
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Fahrbahnsanierungen
Wand-/Stützenverstärkungen
Brückensanierungen
Instandsetzungsarbeiten
Anwendungen Aufbeton
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Kappenverankerung Deckenverstärkungen
Wasserbauwerke/Schleusen Parkhaussanierungen
Anwendungen Aufbeton
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Gründe für die Tragwerkverstärkung
● Nutzungsänderung
● Änderung des statischen Systems
● Korrosionsschäden an der Bewehrung / Beton
● Neue Normen mit höheren Nutzlasten und / oder neuen
Bemessungsregeln
● Außergewöhnliche Einwirkungen (z.B. Anprall, Explosion, Brand,
Erdbeben)
● Planungs- oder Ausführungsfehler
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Stützen, Pfeiler, Wände
Tunnelgewölbe Unterzüge Brücken
Decken
Verstärkung Biegezugzone
Verstärkung Biegedruckzone
Tragwerkverstärkung mit Aufbeton
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Fragestellungen
● Welches Bemessungsmodell für den Schubwiderstand?
● Werden Schubverbinder generell benötigt?
● Geeignete Schubverbinder?
● Steifigkeit des Systems?
● Oberflächenvorbereitung der Verbundfuge?
● Nichtruhende Einwirkungen?
● Mindestbewehrung?
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• Einleitung
• Bemessungsmethode
• Schubverbinder HCC; Kappenanker
• Bauausführung
Agenda
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DIN EN 1992-1-1 (EC 2) + NA (D)
Neubeton
V d N Rd
N Rd
V Rd
q Schubverbinder
Altbeton
Bemessung - Fachwerkmodell
Randbedingungen des Modells:
● Reaktionskraft auf die Fuge = 100% der Stahlzugkraft
● Verbundfuge über Nutzungsdauer ungerissen
● Verankerungslänge
● Hoher Schubwiderstand durch Adhäsionsanteil
● Vorwiegend ruhende Belastungen
Eignung: Neubauten (z.B. Verbinden von Betonierabschnitten)
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DIN EN 1992-1-1 (EC 2) + NA (D)
Bemessung - Fachwerkmodell
Nicht berücksichtigte Thematiken:
● Verbindung von Betonen sehr unterschiedlichen Alters, Festigkeit,
Vorschädigung etc. unter Baustellenbedingungen
● Bei z.B. 60-100mm Neubeton: Geringe Druckstrebenneigung
● Tatsächlich verfügbare Ankertiefen (Bauteilstärken) sind gering:
Funktioniert dann lb,min?
● Ausbildung von Fließgelenken im Dübel ober-/unterhalb der Fuge
• Anpassung der Ausnutzung der Stahltragfähigkeit wegen
Überlagerung der Wirkprinzipien (Zug/Biegung)
• Reaktionskraft auf Fuge: Beton-Zugtragfähigkeit für Schubdübel-
Widerstand maßgebend
● Nichtruhenden Einwirkungen (z.B. Brückenbau)
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a) b) c)
Intensive Forschungsarbeit HILTI AG mit wissenschaftlicher Begleitung durch Prof. Wicke / Prof. Randl und Praxiserprobung mit STRABAG AG
Bemessung - CCLT-Methode (Concrete Concrete Load Transfer)
● Tragverhalten in der Schubfuge von unter Baustellenbedingungen
reproduzierbaren Oberflächenrauigkeiten
● Separierung Traganteile des Schubwiderstandes
● Beanspruchungsart und Ausnutzung der Verbundbewehrung
● Ermüdungsverhalten
Durchgängiges System für Bemessung, Konstruktion und Ausführung:
● CCLT-Methode: Anpassung an die Anforderungen für nachträglich
aufgebrachte Betonschichten auf alte Betonbauteile unter Einbezug
internationaler Forschungsergebnisse
● Anwendungsspezifische Schubverbinder
● Empfehlungen für die bauliche Durchbildung
● 19 Jahre Praxiserfahrung an zahlreichen Hoch- und
Ingenieurbauprojekten
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Übertragung von Schub im Riß nach Tassios
”Auszug" Reibung
”Kornverzahnung” Kohäsion
”Dübelwirkung" Biegung
Schub-Reibungs-Theorie nach Birkeland
CCLT-Methode – Modell
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vRd der Bemessungswert der Schubtragfähigkeit in der Fuge mit:
Kornverzahnung Reibung Dübelbiegung
CCLT-Methode – Modellbildung
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Es werden keine Kräfte aus Adhäsion, etc. angesetzt, weil:
● Unter „Baustellenbedingungen“ reduziert sich die Haftfestigkeit oft
durch Verschmutzung oder Risse in der Verbundfuge
(Zwangsspannungen)
● In wissenschaftlichen Untersuchungen wurde daher ein
Verbundbrecher eingesetzt.
kT: Beiwert Kornverzahlung für bewehrte Fuge
fck: char. Zylinderdruckfestigkeit Alt-/ Aufbeton minimaler Wert
Rein mechanischer
Formschluss zwischen
Alt- und Aufbeton.
Kornverzahnung Hilti CCLT Methode
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Versuchsergebnis:
Maximal 50% der Stahlzugspannung
wird ausgenutzt.
Berücksichtigung durch Beiwert k
µ: Reibungsbeiwert aus Versuchen
ρ: Bewehrungsgrad aller Schubverbinder in betrachteter Fläche bi·li k: Beiwert Zugkraftanteil im Schubverbinder
fu,k: char. Zugfestigkeit des Schubverbinders (N/mm²)
γs,N: Teilsicherheitsbeiwert Schubverbinder
σn: Spannung aus äußerer Längskraft senkrecht zur Fuge
Reibung
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Die Höhe der Reibungskraft
wird begrenzt durch die
maximale Dübeltragfähigkeit
des Ankers im Alt- und
Aufbeton
Die wirksame Reibungskraft ergibt sich aus folgender Bedingung:
VRd,Reibung = m * { min ( NEd,max ; NRd,neu ; NRd, alt) + sn )
m = Reibungsbeiwert (Abhängig von der Oberflächenrauigkeit und Betonfestigkeit)
NEd,max = r * k * fud / gMs,N
NRd,neu = Dübelwiderstand im Neubeton
NRd,alt = Dübelwiderstand im Altbeton
sn = Druckspannung (wird i.d.R. =0 gesetzt)
Reibung II
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Der Dübelwiderstand ist abhängig von folgenden Faktoren:
- Betonfestigkeit : Dies beeinflusst die wirksame Einspannlänge
- Stahlfestigkeit
- Oberflächenrauigkeit: Bei einer glatten Fuge wird die komplette
Kraft über Dübel Biegung aufgenommen. Je rauer die
Oberfläche wird, umso mehr wird über Kornverzahnung und
Reibung aufgenommen und der Dübelbiegungsanteil sinkt
proportional ab.
s: Beiwert Dübelwirkung
ρ: Bewehrungsgrad aller Schubverbinder in betrachteter Fläche bi·li fu,k: char. Zugfestigkeit des Schubverbinders (N/mm²)
γs,v: Teilsicherheitsbeiwert Schubverbinder
fck: char. Zylinderdruckfestigkeit Alt-/ Aufbeton minimaler Wert γc: Teilsicherheitsbeiwert Beton
Dübelbiegung
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Nachweis gegen Ermüdung
● Weyrauch-Diagramm gibt
Empfehlung für zulässige
Schwingbreite bei Ermüdung
der Verbundfuge
(2.106 Lastwechsel)
● Fugenausbildung mit mittlerer Rautiefe 3mm
● Mindestbewehrung p min ≥ 0,05% empfohlen
CCLT-Methode – Bemessung
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Excel -basiertes Bemessungstool für eine schnelle + effiziente Bemessung
mit der Möglichkeit der Erstellung prüffähigen Ausdruckes!
Hilti Design Tool
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Ansatz 1: Fachwerkmodell / Schub-Reibungs-Theorie
● DIN EC2 / + NA(D)
• basiert auf dauerhaft ungerissener Fuge – keine Mindestbewehrung
• Verbundbewehrung bis zur Streckgrenze ausgenutzt
• Funktion Druckstreben sichergestellt
• Verbundbewehrung entsprechend Norm verankert
• Zeitnah hergestellte Betonierabschnitte
Ansatz 2: Schub-Reibungs-Theorie / Übertragung Schub im Riss
● CCLT-Methode (Concrete Concrete Load Transfer)
• ungerissene oder gerissene Fuge möglich - Mindestbewehrung
• Verbundbewehrung nur bis 50% der Fließgrenze nutzbar
• Druckstreben werden nicht betrachtet
• Verbundbewehrung als Dübel / Kopfbolzen verankert
• praxistauglicher Verbund von Beton sehr unterschiedlichen Alters mit
Beachtung der aktuellen Betoneigenschaften
Gegenüberstellung der Bemessungsmodelle
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• Einleitung
• Bemessungsmethode
• Schubverbinder HCC; Kappenanker
• Bauausführung
Agenda
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Schubverbinder HCC-K und HCC-HIT-V
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HCC-K HCC-HIT-V
● Anwendung: ohne Korrektur
Bauteil-Niveau und relativ ebene
Oberfläche, wie z.B. Decken im
Hochbau
● Hohe Zugtragfähigkeit NRd,max =
40 kN
● DIBt-Zulassung HCC-K / -HIT-V
Ø 10/12/14/16
● Für automatische Bohrloch-
reinigung zugelassen
● HIT-RE500-V3 oder HIT-HY 200-A
Schubverbinder HCC-K und HCC-HIT-V
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Schubverbinder HCC-B
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HCC-B
● Anwendung: Korrektur Bauteil-
Niveau bzw. unebene Oberfläche:
z.B. Brücken
● Angepasste Zugtragfähigkeit
NRd,max = 11 kN
● Sofort belastbar (100 kg)
● Bewehrungs- u. Abstandhalter
● Schnelle, einfache Montage
● Hohe Wirtschaftlichkeit
● Automatische Bohrlochreinigung
möglich
● Verwendbar mit RE500-V3
Justier- u. Montagehilfe
Höhenausgleich 35 mm
Austrittsöffnung Injektionsmörtel
Hilfsstab für Bewehrungsauflage
Bewehrungsauflager
Schubverbinder HCC-B
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Kappenanker HCC-HIT-V
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HCC-HIT-V
● Variable Verankerungstiefe in
Kappe und Tragwerk
● Nach ZTV ING Teil 8 Abschnitt 6
zugelassene Befestigung
erforderlich: ETA-07/0260 und
DIBt-Zulassung Z-21.8-1900
● Ermittlung der Zwangskräfte in
Kappe mit Parameterstudie
● Nachweis Gebrauchstauglichkeit:
nachgewiesene Dichtigkeit mit
0,5 bar (RVS)
● Flexible und wirtschaftlich
optimierte Lösung
● Für automatische Bohrloch-
reinigung zugelassen
● Verwendbar mit RE500-V3
Kappenanker HCC-HIT-V
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Erweiterung DIBt Z-21.8-1900 Kappenverankerung mit HCC
Kappenanker HCC-HIT-V
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• Einleitung
• Bemessungsmethode
• Schubverbinder HCC; Kappenanker
• Bauausführung
Agenda
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Praktische Umsetzung
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Altbeton
Empfehlung zur Oberflächenvorbereitung z.B. Brückenbau [1,2]:
● Ideal: verzahnter bzw. sehr rauer Verbund: Aufrauen mit HDW-Strahlen
und mittlerer Rautiefe Rt > 3 mm, freiliegendes Korngerüst
● Reinhaltung der Fuge bis zum Betonieren: keine Verschmutzungen
zulässig, Bohrarbeiten mit Staubabsaugung, Reinigung Bohrlöcher mit
ölfreier Druckluft bzw. laut Zulassung des Schubverbinders
● Altbeton mehrere Tage feucht halten, freies Wasser darf nicht auf der
Oberfläche stehen, zum Betonieren seidenmatt feuchte Oberfläche
[1] RVS 15.02.34; Juli 2011
[2] Zulassung Schubverbinder HCC-K, Z-21.8-1900
Bauliche Durchbildung
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● Höchstdruckwasserstrahlen 1000 – 3000 bar
• Abtrag von chloridhaltigem Beton
• Aufrauen der Oberfläche
● Sandstrahlen
(Fräsen: Tiefgreifender Abtrag von Beton,
Nacharbeiten der Oberfläche notwendig)
● Achtung: keine zusätzliche Schädigung!
Vorbereitung der Verbundfuge
Bauliche Durchbildung
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Sandflächenverfahren nach Kaufmann
cm²d²
cm³V40mmR
Prüfung Oberflächenrauigkeit (DAfStb-Heft 525)
Texturtiefe-Messgerät
Bauliche Durchbildung
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Praktische Umsetzung
Bohrarbeiten
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HIT-
DRS
Praktische Umsetzung
Bohrloch-Reinigung
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Bohren / Reinigen in einem Arbeitsschritt = 20 % Kosteneinsparung
● Vorteile Hohlbohrer TE-CD und TE-YD:
• Keine Bohrlochreinigung
• Keine Reinigung der Oberflächen
• Staubfreies Arbeiten
• Hoher Arbeitsfortschritt
Innovatives Bohrsystem
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Praktische Umsetzung
Setzen der Schubverbinder
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Praktische Umsetzung
Schubverbinder gesetzt
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Praktische Umsetzung
Verlegung der Bewehrung
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Oberer Stab auf Hilfsstab
unterer Stab auf Hilfseisen unterer Stab auf HCC-B
Oberer Stab auf HCC-B
Schubverbinder HCC-B
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Rezeptur, Einbringen und Nachbehandeln des
Aufbetons [1]:
● Betonrezeptur möglichst fließfähig und schwindarm
● Ausbreitmaß: ≥ F38, günstiger ≥ F45
● Verdichtung mit Rüttelbohle, bei größeren Aufbetonschichten mit
Flaschenrüttler vorverdichten
● Sehr gute Nachbehandlung
[1] RVS 15.02.34; Juli 2011
Bauliche Durchbildung
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Stärke ca. 9 – 16 cm
Betongüte: C25/30
Feldgröße: ca. 33 x 7,5 m
Anzahl Schubverbinder: 10.900
Praktische Umsetzung
Betoniervorgang
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Praktische Umsetzung
Verkehrsfreigabe
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Zusammenfassung
● Tragwerkverstärkung rückt immer mehr in den Fokus von Planern,
Behörden, Baufirmen
● Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis
● Das CCLT-Bemessungskonzept wird weltweit angewendet.
Erfahrungen und neue Entwicklungen fließen laufend ein.
● Technisch ausgereiftes Gesamtkonzept (fib 2010)
● Hohe Planungs- und Ausführungssicherheit
● Einfache und zuverlässige Anwendung
● Hilti bietet komplette Systemkette aus einer Hand mit aufeinander
abgestimmten Komponenten
● Bemessung – Schubverbinder – Bohrsysteme – Services
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Haftzugversuch Kappenanker HCC-HIT-V
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Referenzen
Brücken
Brücke Illerkanal, Neu-Ulm (2009) Brücke BAB 5, Herbolzheim (2009)
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Referenz Nahetalbrücke BAB 61
■ Auftraggeber: Straßenbauamt Montabaur
■ Planung: IB Sanoplan GmbH
■ Lösung: 6 HKA-RTZ M16 / m
6 BSt 500 Ø 20 / m
■ Ausführender: ESB Kirchhoff Nahetalbrücke 523 m
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Referenz Paradiesbrücke Jena
■ Auftraggeber: Straßenbauamt Jena
■ Planung: HI Bauprojekt GmbH
■ Lösung: hef = 60 mm, HKA M20 zweireihig auf Mittelkappe
■ Ausführung: TS-Bau GmbH
Aufnahme vor Montage Muttern
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Referenzen
Brücken
Hochstraßen, Ludwigshafen (2010)
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Fragen / Anregungen?
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100.html
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