Stahlbeton

Stahlbetonbrückenpfeiler mit Bewehrung und fertig betoniert ⓘ

Stahlbeton, ein künstlicher Baustoff im Stahlbetonbau, einer Form des Massivbaus, ist ein Verbundwerkstoff aus den beiden Komponenten Beton und Bewehrungsstahl. Der Verbund beider Komponenten entsteht durch die Verklebung des Bindemittels Zement mit der Rippung des runden Bewehrungsstahls. ⓘ

Beton hat im Vergleich zur Druckfestigkeit nur eine Zugfestigkeit von etwa 10 %. Stahl besitzt dagegen eine hohe Zugfestigkeit. Das Tragprinzip beim Baustoff Stahlbeton ist es daher, auf Zug beanspruchte Stellen eines Bauteils mit Stahl zu verstärken (z. B. bei Balken im Feldbereich unten), also zu bewehren, und in den übrigen Bereichen die Druckfestigkeit des Betons auszunutzen (z. B. bei Balken im Feldbereich oben). Bei stark auf Druck beanspruchten Bauteilen (z. B. Stützen) wird der Stahl (Bewehrung) auch zur Erhöhung der Druckfestigkeit herangezogen, also auf Druck beansprucht. ⓘ

Wird der Stahlbeton zusätzlich mit Spanngliedern versehen, spricht man von Spannbeton. ⓘ

Bewehrter Beton ⓘ
Eine schwere Stahlbetonsäule vor und nach dem Eingießen des Betons um den Bewehrungsrahmen
Materialtyp	Zusammengesetztes Material
Mechanische Eigenschaften
Zugfestigkeit (σt)	Stärker als Beton

Stahlbeton (RC), auch Stahlzementbeton (RCC) und Stahlbeton genannt, ist ein Verbundwerkstoff, bei dem die relativ niedrige Zugfestigkeit und Duktilität des Betons durch die Zugabe von Bewehrung mit höherer Zugfestigkeit oder Duktilität ausgeglichen wird. Bei der Bewehrung handelt es sich in der Regel, wenn auch nicht notwendigerweise, um Stahlstangen (Bewehrungsstäbe), die in der Regel passiv in den Beton eingebettet werden, bevor der Beton aushärtet. Aber auch das Vorspannen wird als Technik zur Verstärkung des Betons eingesetzt. Gemessen an der jährlich verbrauchten Menge ist er einer der am häufigsten verwendeten Baustoffe. Aus Sicht der Korrosionstechnik schützt die Alkalität des Betons bei richtiger Auslegung den Bewehrungsstahl vor Korrosion. ⓘ

Beschreibung

Bewehrungssysteme sind im Allgemeinen so konzipiert, dass sie Zugspannungen in bestimmten Bereichen des Betons widerstehen, die zu inakzeptablen Rissen und/oder strukturellem Versagen führen könnten. Moderner Stahlbeton kann verschiedene Bewehrungsmaterialien aus Stahl, Polymeren oder alternativen Verbundwerkstoffen in Verbindung mit Bewehrungsstäben enthalten oder nicht. Stahlbeton kann auch dauerhaft beansprucht werden (Beton unter Druck, Bewehrung unter Zug), um das Verhalten der endgültigen Struktur unter Arbeitslasten zu verbessern. In den Vereinigten Staaten sind die gebräuchlichsten Methoden hierfür das Vorspannen und das Nachspannen. ⓘ

Für eine starke, dehnbare und dauerhafte Konstruktion muss die Bewehrung mindestens die folgenden Eigenschaften aufweisen:

• hohe relative Festigkeit
• Hohe Toleranz gegenüber Zugbelastungen
• guter Verbund mit dem Beton, unabhängig von pH-Wert, Feuchtigkeit und ähnlichen Faktoren
• Thermische Verträglichkeit, d. h. keine unzulässigen Spannungen (z. B. Ausdehnung oder Schrumpfung) als Reaktion auf Temperaturänderungen.
• Dauerhaftigkeit in der Betonumgebung, z. B. unabhängig von Korrosion oder anhaltender Belastung. ⓘ

Geschichte

Die neuartige Form des Philips-Pavillons, der für die Expo 58 in Brüssel gebaut wurde, wurde mit Stahlbeton realisiert ⓘ

Der schiefe Turm von Nevyansk in der Stadt Nevyansk im Gebiet Swerdlowsk, Russland, ist das erste bekannte Gebäude, bei dem Stahlbeton als Baumethode verwendet wurde. Er wurde zwischen 1721 und 1725 im Auftrag des Industriellen Akinfiy Demidov gebaut. ⓘ

François Coignet verwendete Eisenbeton als Technik für die Konstruktion von Bauwerken. Im Jahr 1853 baute Coignet das erste Gebäude aus Eisenbeton, ein vierstöckiges Haus in der 72 rue Charles Michels in einem Vorort von Paris. Coignets Beschreibungen des Stahlbetons legen nahe, dass er dies nicht tat, um dem Beton mehr Festigkeit zu verleihen, sondern um Wände in monolithischer Bauweise vor dem Umstürzen zu bewahren. Das Pippen-Gebäude in Brooklyn ist ein Zeugnis für seine Technik. Im Jahr 1854 verstärkte der englische Baumeister William B. Wilkinson das Betondach und die Böden des von ihm errichteten zweistöckigen Hauses. Seine Positionierung der Bewehrung zeigte, dass er im Gegensatz zu seinen Vorgängern Kenntnisse über Zugspannungen besaß. ⓘ

Joseph Monier, ein französischer Gärtner aus dem 19. Jahrhundert, war ein Pionier in der Entwicklung von strukturellem, vorgefertigtem und bewehrtem Beton, da er mit den vorhandenen Materialien zur Herstellung dauerhafter Blumentöpfe unzufrieden war. Er erhielt ein Patent für die Verstärkung von Betonblumentöpfen durch das Mischen eines Drahtgeflechts und einer Mörtelschale. 1877 erhielt Monier ein weiteres Patent für eine fortschrittlichere Technik zur Verstärkung von Betonsäulen und -trägern, bei der Eisenstangen in einem Gittermuster angeordnet wurden. Obwohl Monier zweifellos wusste, dass die Bewehrung des Betons dessen inneren Zusammenhalt verbessern würde, ist nicht klar, ob er überhaupt wusste, wie sehr die Zugfestigkeit des Betons durch die Bewehrung verbessert wurde. ⓘ

Vor den 1870er Jahren war die Betonbauweise, obwohl sie auf das Römische Reich zurückgeht und Anfang des 19. Jahrhunderts wieder eingeführt wurde, noch keine bewährte wissenschaftliche Technologie. Thaddeus Hyatt veröffentlichte einen Bericht mit dem Titel An Account of Some Experiments with Portland-Cement-Concrete Combined with Iron as a Building Material, with Reference to Economy of Metal in Construction and for Security against Fire in the Making of Roofs, Floors, and Walking Surfaces (Bericht über einige Experimente mit Portland-Zement-Beton in Verbindung mit Eisen als Baumaterial, mit Bezug auf die Einsparung von Metall im Bauwesen und für die Sicherheit gegen Feuer bei der Herstellung von Dächern, Fußböden und Gehflächen), in dem er über seine Experimente zum Verhalten von Stahlbeton berichtete. Seine Arbeit spielte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Betonbaus zu einer bewährten und erforschten Wissenschaft. Ohne Hyatts Arbeit hätte man sich bei der Weiterentwicklung der Technologie auf gefährlichere Versuch-und-Irrtum-Methoden verlassen müssen. ⓘ

Ernest L. Ransome, ein in England geborener Ingenieur, war Ende des 19. Jahrhunderts ein früher Innovator der Stahlbetontechnik. Jahrhunderts. Auf der Grundlage der in den vorangegangenen 50 Jahren entwickelten Kenntnisse über Stahlbeton verbesserte Ransome fast alle Bauweisen und Techniken der früheren Erfinder von Stahlbeton. Die wichtigste Innovation von Ransome war die Verdrehung des Bewehrungsstahls, wodurch er die Verbindung mit dem Beton verbesserte. Ransome erlangte durch seine Betonbauten zunehmende Berühmtheit und konnte zwei der ersten Stahlbetonbrücken in Nordamerika bauen. Eine seiner Brücken steht noch heute auf Shelter Island im East End von New York. Eines der ersten in den Vereinigten Staaten errichteten Betongebäude war ein von William Ward entworfenes Privathaus, das 1876 fertig gestellt wurde. Das Haus wurde speziell als feuerfestes Gebäude konzipiert. ⓘ

G. A. Wayss war ein deutscher Bauingenieur und ein Pionier des Eisen- und Stahlbetonbaus. Im Jahr 1879 kaufte Wayss die deutschen Rechte an den Patenten von Monier, und 1884 setzte seine Firma Wayss & Freytag erstmals Stahlbeton kommerziell ein. Bis in die 1890er Jahre trugen Wayss und seine Firma wesentlich zur Weiterentwicklung des Monierschen Bewehrungssystems bei und etablierten es als ausgereifte wissenschaftliche Technologie. ⓘ

Einer der ersten Wolkenkratzer aus Stahlbeton war das 16-stöckige Ingalls Building in Cincinnati, das 1904 errichtet wurde. ⓘ

Das erste Stahlbetongebäude in Südkalifornien war das Laughlin Annex in der Innenstadt von Los Angeles, das 1905 errichtet wurde. Im Jahr 1906 wurden Berichten zufolge 16 Baugenehmigungen für Stahlbetongebäude in der Stadt Los Angeles erteilt, darunter das Temple Auditorium und das 8-stöckige Hayward Hotel. ⓘ

1906 kamen bei einem Teileinsturz des Bixby Hotels in Long Beach 10 Bauarbeiter ums Leben, als die Abstützung vorzeitig entfernt wurde. Dieses Ereignis war der Auslöser für eine Überprüfung der Betonbauverfahren und der Bauaufsichtsbehörden. Das Bauwerk wurde aus Stahlbetonrahmen mit Hohlziegelrippenböden und Hohlziegelausfachungen errichtet. Diese Praxis wurde von Experten stark in Frage gestellt, und es wurden Empfehlungen für eine "reine" Betonkonstruktion ausgesprochen, bei der sowohl für die Böden und Wände als auch für die Rahmen Stahlbeton verwendet wurde. ⓘ

Im April 1904 stellte Julia Morgan, eine amerikanische Architektin und Ingenieurin, die Pionierarbeit bei der ästhetischen Verwendung von Stahlbeton leistete, ihr erstes Stahlbetonbauwerk fertig, El Campanil, einen 22 m hohen Glockenturm am Mills College, das sich auf der anderen Seite der Bucht von San Francisco befindet. Zwei Jahre später überstand El Campanil das Erdbeben von 1906 in San Francisco unbeschadet und trug dazu bei, ihren Ruf zu festigen und ihre erfolgreiche Karriere zu starten. Das Erdbeben von 1906 änderte auch die anfängliche Abneigung der Öffentlichkeit gegen Stahlbeton als Baumaterial, der wegen seiner vermeintlichen Langweiligkeit kritisiert worden war. Im Jahr 1908 änderte das Aufsichtsgremium von San Francisco die Bauvorschriften der Stadt, um eine breitere Verwendung von Stahlbeton zu ermöglichen. ⓘ

Im Jahr 1906 veröffentlichte die National Association of Cement Users (NACU) die Norm Nr. 1 und 1910 die Standard Building Regulations for the Use of Reinforced Concrete. ⓘ

Verwendung im Bauwesen

Bewehrungsstäbe des Dachs der Sagrada Família im Bau (2009) ⓘ

Mit Stahlbeton können viele verschiedene Arten von Bauwerken und Bauteilen gebaut werden, darunter Platten, Wände, Balken, Stützen, Fundamente, Rahmen und vieles mehr. ⓘ

Stahlbeton kann als Fertigteil oder Ortbeton klassifiziert werden. ⓘ

Die Planung und Umsetzung eines möglichst effizienten Deckensystems ist der Schlüssel zur Schaffung optimaler Gebäudestrukturen. Kleine Änderungen in der Konstruktion eines Deckensystems können erhebliche Auswirkungen auf die Materialkosten, den Bauzeitplan, die Endfestigkeit, die Betriebskosten, den Belegungsgrad und die Endnutzung eines Gebäudes haben. ⓘ

Ohne Bewehrung wäre der Bau moderner Strukturen aus Beton nicht möglich. ⓘ

Verhalten von Stahlbeton

Werkstoffe

Beton ist ein Gemisch aus groben (Stein- oder Ziegelsplitt) und feinen Zuschlägen (in der Regel Sand und/oder Schotter) mit einer Paste aus Bindemittel (in der Regel Portlandzement) und Wasser. Wenn Zement mit einer geringen Menge Wasser gemischt wird, hydratisiert er und bildet mikroskopisch kleine undurchsichtige Kristallgitter, die die Zuschlagstoffe einkapseln und in eine feste Form bringen. Die für die Herstellung von Beton verwendeten Zuschläge sollten frei von schädlichen Stoffen wie organischen Verunreinigungen, Schluff, Ton, Braunkohle usw. sein. Typische Betonmischungen haben einen hohen Widerstand gegen Druckspannungen (etwa 28 MPa (4.000 psi)); jede nennenswerte Spannung (z. B. durch Biegen) bricht jedoch das mikroskopisch starre Gitter, was zu Rissen und Entmischung des Betons führt. Aus diesem Grund muss typischer unbewehrter Beton gut abgestützt werden, um die Entstehung von Spannungen zu verhindern. ⓘ

Wird ein Material mit hoher Zugfestigkeit, wie z. B. Stahl, in den Beton eingebracht, so widersteht der Verbundwerkstoff, der Stahlbeton, nicht nur Druck, sondern auch Biegung und anderen direkten Zugkräften. Ein Verbundprofil, bei dem der Beton der Druckbelastung und die Bewehrung der Zugbelastung standhält, kann in nahezu jeder Form und Größe für die Bauindustrie hergestellt werden. ⓘ

Wesentliche Merkmale

Drei physikalische Merkmale verleihen dem Stahlbeton seine besonderen Eigenschaften:

1. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Beton ähnelt dem von Stahl, wodurch große innere Spannungen aufgrund von Unterschieden in der Wärmeausdehnung oder -kontraktion vermieden werden.
2. Wenn der Zementleim im Beton aushärtet, passt er sich den Oberflächendetails des Stahls an, so dass alle Spannungen effizient zwischen den verschiedenen Materialien übertragen werden können. Normalerweise werden die Stahlstäbe aufgeraut oder geriffelt, um die Verbindung oder den Zusammenhalt zwischen Beton und Stahl weiter zu verbessern.
3. Das alkalische chemische Milieu, das durch die Alkalireserve (KOH, NaOH) und das im Zementstein enthaltene Portlandit (Kalziumhydroxid) geschaffen wird, bewirkt, dass sich auf der Stahloberfläche ein Passivierungsfilm bildet, der den Stahl wesentlich korrosionsbeständiger macht, als dies unter neutralen oder sauren Bedingungen der Fall wäre. Wenn der Zementstein der Luft ausgesetzt wird und Meteorwasser mit dem atmosphärischen CO₂ reagiert, werden Portlandit und das Kalziumsilikathydrat (CSH) des Zementsteins zunehmend karbonisiert und der hohe pH-Wert sinkt allmählich von 13,5 - 12,5 auf 8,5, den pH-Wert von Wasser im Gleichgewicht mit Kalzit (Kalziumkarbonat), und der Stahl wird nicht mehr passiviert. ⓘ

Als Faustregel, nur um eine Vorstellung von Größenordnungen zu vermitteln, ist Stahl bei einem pH-Wert von über ~11 geschützt, beginnt aber unter ~10 zu korrodieren, je nach Stahleigenschaften und örtlichen physikalisch-chemischen Bedingungen, wenn Beton karbonisiert wird. Die Karbonatisierung des Betons gehört zusammen mit dem Eindringen von Chlorid zu den Hauptursachen für das Versagen von Bewehrungsstäben in Beton. ⓘ

Die relative Querschnittsfläche des Stahls, die für typischen Stahlbeton erforderlich ist, ist in der Regel recht gering und schwankt zwischen 1 % bei den meisten Trägern und Platten und 6 % bei einigen Säulen. Bewehrungsstäbe haben normalerweise einen runden Querschnitt und variieren im Durchmesser. Stahlbetonkonstruktionen haben manchmal Vorkehrungen, wie z. B. belüftete Hohlräume, um Feuchtigkeit und Nässe zu kontrollieren. ⓘ

Die Verteilung der Festigkeitseigenschaften des Betons (trotz der Bewehrung) entlang des Querschnitts von vertikalen Stahlbetonbauteilen ist inhomogen. ⓘ

Mechanismus der Verbundwirkung von Bewehrung und Beton

Die Bewehrung in einem Stahlbetonbauwerk, z. B. ein Stahlstab, muss die gleiche Dehnung oder Verformung erfahren wie der umgebende Beton, um eine Diskontinuität, ein Abrutschen oder eine Trennung der beiden Materialien unter Last zu verhindern. Die Aufrechterhaltung der Verbundwirkung erfordert die Übertragung von Lasten zwischen Beton und Stahl. Die direkte Spannung wird vom Beton auf die Schnittstelle zwischen den Stäben übertragen, um die Zugspannung im Bewehrungsstab entlang seiner Länge zu verändern. Diese Lastübertragung erfolgt durch Verbund (Verankerung) und wird idealisiert als ein kontinuierliches Spannungsfeld, das sich in der Nähe der Schnittstelle Stahl-Beton entwickelt. Die Gründe für das Zusammenwirken der beiden unterschiedlichen Materialkomponenten Beton und Stahl sind wie folgt: (1) Die Bewehrung kann gut mit dem Beton verbunden werden, so dass sie gemeinsam äußeren Belastungen widerstehen und sich verformen kann. (2) Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Beton und Stahl sind so nahe beieinander (1,0×10-5 bis 1,5×10-5 für Beton und 1,2×10-5 für Stahl), so dass eine durch thermische Spannungen verursachte Beschädigung der Verbindung zwischen den beiden Komponenten verhindert werden kann. (3) Beton kann den eingebetteten Stahl vor Korrosion und hochtemperaturbedingter Erweichung schützen. ⓘ

Verankerung (Verbund) in Beton: Codes der Spezifikationen

Da die tatsächliche Verbundspannung über die Länge eines in einer Zugzone verankerten Stabes variiert, wird in den aktuellen internationalen Regelwerken das Konzept der Entwicklungslänge anstelle der Verbundspannung verwendet. Die Hauptanforderung für die Sicherheit gegen Verbundversagen besteht darin, eine ausreichende Verlängerung der Stablänge über den Punkt hinaus vorzusehen, an dem der Stahl seine Streckspannung entwickeln muss, und diese Länge muss mindestens gleich der Entwicklungslänge sein. Wenn jedoch die tatsächlich verfügbare Länge für die volle Entwicklung nicht ausreicht, müssen besondere Verankerungen vorgesehen werden, wie z. B. Zahnräder oder Haken oder mechanische Endplatten. Dasselbe Konzept gilt für die in den Codes erwähnte Überlappungslänge, bei der Spleiße (Überlappungen) zwischen zwei benachbarten Stäben vorgesehen sind, um die erforderliche Kontinuität der Spannung in der Spleißzone zu erhalten. ⓘ

Korrosionsschutzmaßnahmen

In feuchten und kalten Klimazonen kann Stahlbeton für Straßen, Brücken, Parkhäuser und andere Bauwerke, die Streusalz ausgesetzt sein können, von der Verwendung korrosionsbeständiger Bewehrung wie unbeschichtetem, kohlenstoffarmem/Chrom (Mikroverbundwerkstoff), epoxidbeschichtetem, feuerverzinktem oder nichtrostendem Stahl profitieren. Eine gute Planung und eine gut gewählte Betonmischung bieten bei vielen Anwendungen zusätzlichen Schutz. Unbeschichteter Bewehrungsstahl mit niedrigem Kohlenstoff-/Chromgehalt sieht aufgrund seiner fehlenden Beschichtung ähnlich aus wie normaler Kohlenstoffstahl; seine hochkorrosionsbeständigen Eigenschaften sind im Stahlgefüge begründet. Er ist an der einzigartigen ASTM-spezifischen Walzmarkierung auf der glatten, dunklen Holzkohleoberfläche zu erkennen. Epoxidbeschichteter Bewehrungsstahl ist leicht an der hellgrünen Farbe der Epoxidbeschichtung zu erkennen. Feuerverzinkter Bewehrungsstahl kann je nach Dauer der Einwirkung hell- oder stumpfgrau sein, und nichtrostender Bewehrungsstahl weist einen typischen weißen Metallglanz auf, der leicht von Kohlenstoffstahl zu unterscheiden ist. Siehe ASTM-Standardspezifikationen A1035/A1035M Standard Specification for Deformed and Plain Low-carbon, Chromium, Steel Bars for Concrete Reinforcement, A767 Standard Specification for Hot Dip Galvanized Reinforcing Bars, A775 Standard Specification for Epoxy Coated Steel Reinforcing Bars und A955 Standard Specification for Deformed and Plain Stainless Bars for Concrete Reinforcement. ⓘ

Eine andere, billigere Methode zum Schutz von Bewehrungsstäben ist die Beschichtung mit Zinkphosphat. Zinkphosphat reagiert langsam mit Kalziumkationen und den im Porenwasser des Zements vorhandenen Hydroxylanionen und bildet eine stabile Hydroxylapatitschicht. ⓘ

Eindringende Dichtstoffe müssen in der Regel einige Zeit nach dem Aushärten aufgetragen werden. Zu den Dichtungsmitteln gehören Farbe, Kunststoffschäume, Filme und Aluminiumfolie, mit Teer versiegelte Filze oder Gewebematten und Schichten aus Bentonit-Ton, die manchmal zur Abdichtung von Fahrbahnen verwendet werden. ⓘ

Korrosionsschutzmittel wie Kalziumnitrit [Ca(NO₂)₂] können dem Wassergemisch auch vor dem Gießen des Betons zugesetzt werden. Im Allgemeinen sind 1-2 Gew.-% [Ca(NO₂)₂], bezogen auf das Zementgewicht, erforderlich, um die Korrosion der Bewehrungsstäbe zu verhindern. Das Nitritanion ist ein mildes Oxidationsmittel, das die an der Oberfläche des korrodierenden Stahls vorhandenen löslichen und mobilen Eisen(II)-Ionen (Fe²⁺) oxidiert und sie als unlösliches Eisenhydroxid (Fe(OH)₃) ausfallen lässt. Dies bewirkt die Passivierung des Stahls an den anodischen Oxidationsstellen. Nitrit ist ein viel aktiverer Korrosionshemmer als Nitrat, das ein weniger starkes Oxidationsmittel für zweiwertiges Eisen ist. ⓘ

Bewehrung und Terminologie der Balken

Zwei sich kreuzende Träger, die in die Decke des Parkhauses integriert sind und sowohl den Bewehrungsstahl als auch die Verkabelung, die Verteilerkästen und andere elektrische Komponenten enthalten, die für die Installation der Oberbeleuchtung für die darunter liegende Parkebene erforderlich sind. ⓘ

Ein kurzes Video vom Einbau des letzten Trägers auf einer Hochstraße, die Teil einer neuen Straße in der Nähe von Cardiff Bay, Wales, ist ⓘ

Ein Balken biegt sich unter Biegemoment, was zu einer kleinen Krümmung führt. An der Außenseite (Zugseite) der Krümmung wird der Beton auf Zug beansprucht, während er an der Innenseite (Druckseite) unter Druckspannung steht. ⓘ

Bei einem einfach bewehrten Träger ist das Betonelement nur in der Nähe der Zugseite bewehrt, und die Bewehrung, der so genannte Zugstahl, ist so ausgelegt, dass sie der Zugspannung standhält. ⓘ

Ein doppelt bewehrter Balken ist ein Querschnitt, bei dem das Betonelement neben der Zugbewehrung auch im Bereich der Druckseite bewehrt ist, damit der Beton Druck- und Zugspannungen standhalten kann. Die letztgenannte Bewehrung wird als Druckstahl bezeichnet. Wenn die Druckzone eines Betons nicht ausreicht, um dem Druckmoment (positives Moment) zu widerstehen, muss eine zusätzliche Bewehrung vorgesehen werden, wenn der Architekt die Abmessungen des Querschnitts begrenzt. ⓘ

Ein unterbewehrter Balken ist ein Balken, bei dem die Zugtragfähigkeit der Zugbewehrung geringer ist als die kombinierte Drucktragfähigkeit des Betons und des Druckstahls (unterbewehrt auf der Zugseite). Wenn das Stahlbetonelement einem zunehmenden Biegemoment ausgesetzt ist, gibt der Zugstahl nach, während der Beton seinen Bruchzustand nicht erreicht. Wenn der Zugstahl nachgibt und sich dehnt, gibt ein "unterbewehrter" Beton ebenfalls nach und zeigt eine große Verformung und Warnung vor seinem endgültigen Versagen. In diesem Fall ist die Fließspannung des Stahls ausschlaggebend für die Bemessung. ⓘ

Ein überbewehrter Träger ist ein Träger, bei dem die Zugtragfähigkeit des Zugstahls größer ist als die kombinierte Drucktragfähigkeit des Betons und des Druckstahls (Überbewehrung auf der Zugseite). Der "überbewehrte Beton"-Träger versagt also durch Zerbrechen des Druckbetons und bevor der Zugstahl nachgibt, was keine Vorwarnung vor dem Versagen gibt, da das Versagen sofort erfolgt. ⓘ

Ein ausgewogen bewehrter Balken ist ein Balken, bei dem sowohl die Druck- als auch die Zugzone bei derselben auf den Balken einwirkenden Last das Fließverhalten erreichen, wobei der Beton zerdrückt wird und der Zugstahl gleichzeitig nachgibt. Dieses Bemessungskriterium ist jedoch ebenso riskant wie überbewehrter Beton, da das Versagen plötzlich eintritt, wenn der Beton zerdrückt wird und der Zugstahl gleichzeitig nachgibt, was eine sehr kurze Vorwarnzeit für das Versagen auf Zug bietet. ⓘ

Momententragende Elemente aus Stahlbeton sollten in der Regel unterbewehrt ausgeführt werden, damit die Benutzer des Bauwerks vor einem drohenden Versagen gewarnt werden. ⓘ

Die charakteristische Festigkeit ist die Festigkeit eines Materials, bei der weniger als 5 % der Probe eine geringere Festigkeit aufweisen. ⓘ

Die Bemessungsfestigkeit oder Nennfestigkeit ist die Festigkeit eines Materials, einschließlich eines Materialsicherheitsfaktors. Der Wert des Sicherheitsfaktors liegt bei der zulässigen Spannungsauslegung im Allgemeinen zwischen 0,75 und 0,85. ⓘ

Der Grenzzustand der Tragfähigkeit ist der theoretische Versagenspunkt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit. Er wird unter faktorisierten Lasten und faktorisierten Widerständen angegeben. ⓘ

Stahlbetontragwerke werden in der Regel nach den Regeln und Vorschriften oder Empfehlungen eines Regelwerks wie ACI-318, CEB, Eurocode 2 oder ähnlichem bemessen. WSD-, USD- oder LRFD-Methoden werden bei der Bemessung von Stahlbetonbauteilen verwendet. Die Analyse und Bemessung von RC-Bauteilen kann mit linearen oder nichtlinearen Ansätzen durchgeführt werden. Bei der Anwendung von Sicherheitsfaktoren schlagen die Bauvorschriften normalerweise lineare Ansätze vor, in einigen Fällen jedoch auch nichtlineare Ansätze. Beispiele für nichtlineare numerische Simulationen und Berechnungen finden Sie in den Referenzen: ⓘ

Vorgespannter Beton

Das Vorspannen von Beton ist eine Technik, die die Tragfähigkeit von Betonbalken erheblich erhöht. Der Bewehrungsstahl im unteren Teil des Trägers, der im Betrieb Zugkräften ausgesetzt ist, wird unter Spannung gesetzt, bevor der Beton um ihn herum gegossen wird. Sobald der Beton ausgehärtet ist, wird die Spannung des Bewehrungsstahls aufgehoben, wodurch eine Druckkraft auf den Beton ausgeübt wird. Wenn Lasten aufgebracht werden, wird der Bewehrungsstahl stärker belastet und die Druckkraft im Beton verringert sich, wird aber nicht zu einer Zugkraft. Da der Beton immer unter Druck steht, ist er weniger anfällig für Rissbildung und Versagen. ⓘ

Häufige Versagensarten von stahlbewehrtem Beton

Stahlbeton kann aufgrund unzureichender Festigkeit versagen, was zu mechanischem Versagen führt, oder aufgrund einer Verringerung der Dauerhaftigkeit. Korrosion und Frost-Tau-Zyklen können schlecht konstruierten oder gebauten Stahlbeton beschädigen. Wenn Bewehrungsstäbe korrodieren, dehnen sich die Oxidationsprodukte (Rost) aus und neigen dazu, abzublättern, wodurch der Beton Risse bekommt und die Verbindung zwischen Bewehrungsstab und Beton gelöst wird. Typische Mechanismen, die zu Dauerhaftigkeitsproblemen führen, werden im Folgenden erörtert. ⓘ

Mechanisches Versagen

Durchgehende Schwindrisse in einer Stahlbetonstützmauer (Alter etwa 4 Jahre), Korrosion des Bewehrungsstahls wird durch Eindringen von Wasser in die Oberfläche gefördert ⓘ

Risse in Stahlbetonbauteilen sind Bestandteil des Tragverhaltens und daher meist kein Mangel, sofern die Rissbreiten die in den Normen als zulässig definierten Werte nicht überschreiten und keine rissfreie Fläche vereinbart wurde. Risse können prinzipiell drei Ursachen haben:

1. Direkte Einwirkungen: Aus der Belastung (z. B. Eigengewicht, Verkehrslast) des Bauwerks herrührende Zugspannungen überschreiten (also in der – durch statisches System, Bauteilgeometrie und Belastung gegebenen – Zugzone eines Bauteilquerschnitts) die durch den Baustoff dort aufnehmbare Zugspannung (ca. 1/10 der aufnehmbaren Druckspannung).
2. Indirekte Einwirkungen: Beton hat komplexe Eigenschaften, während der Erhärtung „schwindet“ das Betonvolumen und unter Dauerbelastung erleidet er plastische Verformungen, er „kriecht“. Eine Behinderung der Verformungen führt zu Zwangschnittgrößen, die den Bewehrungsstahl in den Zugzonen aktivieren, wie die direkte Einwirkung.
3. Eigenspannungen: Beim Schwinden des Betons ergibt sich aufgrund des Wärmeaustausches an der Betonoberfläche eine ungleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt, die zu Zugspannungen an der Oberfläche und bei Überschreiten der Zugfestigkeit des Betons zu Rissen führt. ⓘ

Risse sind im Verbundwerkstoff Stahlbeton im Regelfall (zwangsläufig) zulässig, in Abhängigkeit von Umweltbedingungen und Nutzung des Bauteils sieht der Eurocode 2 beispielsweise eine Begrenzung der Breite auf 0,1 bis 0,4 mm vor. Die Schweizer Norm SIA 262 begrenzt die Spannungen im Bewehrungsstahl auf bis zu 50 % der Streckgrenze. ⓘ

Eine konstruktive Maßnahme gegen zu große Rissbreiten ist das Einlegen einer ausreichenden, feinverteilten Bewehrung (viele dünne statt weniger dicker Stähle), die die Risse zwar nicht verhindert, aber dafür sorgt, dass statt einiger weniger, breiter Risse entsprechend mehr, aber schmale und somit unbedenklichere Risse entstehen. Diese Maßnahme steigert die Dauerhaftigkeit des Bauteils und verbessert den optischen Eindruck. ⓘ

Bei Sonderbauteilen, wie Bodenplatten von Tankstellen, die rissfrei ausgeführt werden müssen, wird dies durch entsprechende Bauteilgeometrien und Dehnfugen oder durch Vorspannen sichergestellt. Der Einfluss der Bewehrung zur Sicherstellung einer Rissfreiheit ist von untergeordneter Bedeutung. ⓘ

Von den unvermeidbaren konstruktiven Rissen sind Oberflächenrisse zu unterscheiden, die grundsätzlich unerwünscht sind und häufig betontechnologische Gründe haben, wie eine ungünstige Frischbetonzusammensetzung (mit z. B. zu hoher Hydrationswärmeentwicklung), einen nicht ordnungsgemäßen Betoneinbau und eine ungenügende Nachbehandlung der Frischbetonoberfläche. ⓘ

Risse im Beton lassen sich kaum verhindern, aber die Größe und Lage der Risse kann durch geeignete Bewehrung, Kontrollfugen, Aushärtungsmethoden und Betonmischungen begrenzt und kontrolliert werden. Durch Risse kann Feuchtigkeit eindringen und die Bewehrung korrodieren. Dies ist ein Versagen der Gebrauchstauglichkeit im Grenzzustand der Bemessung. Risse sind in der Regel das Ergebnis einer unzureichenden Bewehrungsmenge oder eines zu großen Bewehrungsabstandes. Der Beton reißt entweder unter übermäßiger Belastung oder aufgrund interner Effekte wie frühzeitiges thermisches Schwinden beim Aushärten. ⓘ

Das endgültige Versagen, das zum Einsturz führt, kann durch Quetschen des Betons verursacht werden, wenn die Druckspannungen seine Festigkeit übersteigen, durch Nachgeben oder Versagen der Bewehrung, wenn die Biege- oder Scherspannungen die Festigkeit der Bewehrung übersteigen, oder durch Versagen des Verbunds zwischen Beton und Bewehrung. ⓘ

Karbonatisierung

Rissbildung in der Betonwand, wenn die Stahlbewehrung korrodiert und aufquillt. Da Rost eine geringere Dichte als Metall hat, dehnt er sich aus, wenn er sich bildet, und reißt die dekorative Verkleidung von der Wand und beschädigt den Strukturbeton. Das Abplatzen von Material von einer Oberfläche wird als Abplatzung bezeichnet. ⓘ

Detailansicht der Abplatzungen, die wahrscheinlich durch eine zu dünne Betonschicht zwischen dem Stahl und der Oberfläche verursacht werden, begleitet von Korrosion durch äußere Einwirkung. ⓘ

Karbonatisierung oder Neutralisierung ist eine chemische Reaktion zwischen Kohlendioxid in der Luft und Kalziumhydroxid und Kalziumsilikathydrat im Beton. ⓘ

Bei der Planung eines Betonbauwerks ist es üblich, die Betondeckung für den Bewehrungsstab (die Tiefe des Bewehrungsstabs im Objekt) anzugeben. Die Mindestbetondeckung wird normalerweise durch Konstruktions- oder Bauvorschriften geregelt. Liegt die Bewehrung zu nahe an der Oberfläche, kann es zu einem frühzeitigen Versagen aufgrund von Korrosion kommen. Die Betondeckungshöhe kann mit einem Deckungsmessgerät gemessen werden. Karbonatisierter Beton stellt jedoch nur dann ein Problem für die Dauerhaftigkeit dar, wenn auch genügend Feuchtigkeit und Sauerstoff vorhanden sind, um eine elektropotentielle Korrosion des Bewehrungsstahls zu verursachen. ⓘ

Eine Methode zur Prüfung eines Bauwerks auf Karbonatisierung besteht darin, ein frisches Loch in die Oberfläche zu bohren und die Schnittfläche anschließend mit Phenolphthalein-Indikatorlösung zu behandeln. Diese Lösung färbt sich bei Kontakt mit alkalischem Beton rosa und ermöglicht es, die Tiefe der Karbonatisierung zu erkennen. Die Verwendung eines bestehenden Lochs reicht nicht aus, da die freiliegende Oberfläche bereits karbonisiert ist. ⓘ

Chloride

Chloride können die Korrosion von eingebettetem Bewehrungsstahl fördern, wenn sie in ausreichend hoher Konzentration vorhanden sind. Chloridanionen führen sowohl zu örtlicher Korrosion (Lochfraß) als auch zu allgemeiner Korrosion der Stahlbewehrung. Aus diesem Grund sollte man zum Anmischen von Beton nur frisches Roh- oder Trinkwasser verwenden und sicherstellen, dass die groben und feinen Zuschläge keine Chloride enthalten, anstatt chloridhaltige Zusatzmittel zu verwenden. ⓘ

Bewehrung für Fundamente und Wände einer Abwasserpumpstation. ⓘ

Das Paulins Kill Viaduct in Hainesburg, New Jersey, ist 35 m (115 Fuß) hoch und 335 m (1.100 Fuß) lang. Als es 1910 im Rahmen des Lackawanna Cut-Off-Eisenbahnprojekts fertiggestellt wurde, galt es als das größte Stahlbetonbauwerk der Welt. Die Lackawanna Railroad war ein Pionier in der Verwendung von Stahlbeton. ⓘ

Früher war es üblich, Kalziumchlorid als Zusatzmittel zu verwenden, um die schnelle Aushärtung des Betons zu fördern. Man glaubte auch fälschlicherweise, dass es das Einfrieren verhindern würde. Diese Praxis geriet jedoch in Ungnade, als die schädlichen Auswirkungen von Chloriden bekannt wurden. Sie sollte, wann immer möglich, vermieden werden. ⓘ

Die Verwendung von Tausalzen auf Fahrbahnen, die den Gefrierpunkt von Wasser herabsetzen, ist wahrscheinlich eine der Hauptursachen für das vorzeitige Versagen von bewehrten oder vorgespannten Brückendecks, Fahrbahnen und Parkhäusern aus Beton. Die Verwendung von epoxidbeschichteten Bewehrungsstäben und die Anwendung des kathodischen Schutzes haben dieses Problem bis zu einem gewissen Grad entschärft. Auch FRP-Bewehrungsstäbe (faserverstärkte Polymere) sind bekanntermaßen weniger anfällig für Chloride. Richtig konzipierte Betonmischungen, die ordnungsgemäß aushärten konnten, sind für die Auswirkungen von Enteisungsmitteln praktisch undurchlässig. ⓘ

Eine weitere wichtige Quelle für Chlorid-Ionen ist Meerwasser. Meerwasser enthält gewichtsmäßig etwa 3,5 % Salze. Zu diesen Salzen gehören Natriumchlorid, Magnesiumsulfat, Kalziumsulfat und Bikarbonate. Im Wasser dissoziieren diese Salze in freie Ionen (Na⁺, Mg²⁺, Cl-, SO₄2-, HCO₃-) und wandern mit dem Wasser in die Kapillaren des Betons. Chloridionen, die etwa 50 % dieser Ionen ausmachen, sind besonders aggressiv als Ursache für die Korrosion von Bewehrungsstäben aus Kohlenstoffstahl. ⓘ

In den 1960er und 1970er Jahren wurde Magnesit, ein chloridhaltiges Karbonatmineral, auch relativ häufig als Bodenbelag verwendet. Dies geschah in erster Linie als Ausgleichs- und Schalldämpfungsschicht. Heute weiß man jedoch, dass diese Materialien, wenn sie mit Feuchtigkeit in Berührung kommen, aufgrund der im Magnesit enthaltenen Chloride eine schwache Salzsäurelösung bilden. Im Laufe der Zeit (in der Regel Jahrzehnte) führt diese Lösung zur Korrosion der eingebetteten Bewehrungsstäbe. Dies wurde am häufigsten in feuchten Bereichen oder in Bereichen, die wiederholt Feuchtigkeit ausgesetzt waren, festgestellt. ⓘ

Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Hierbei handelt es sich um eine Reaktion von amorphem Siliziumdioxid (Chalcedon, Hornstein, kieselhaltiger Kalkstein), das manchmal in den Zuschlagstoffen vorhanden ist, mit den Hydroxylionen (OH-) aus der Zementporenlösung. Schlecht kristallisierte Kieselsäure (SiO₂) löst sich und dissoziiert bei hohem pH-Wert (12,5 - 13,5) in alkalischem Wasser. Die lösliche dissoziierte Kieselsäure reagiert im Porenwasser mit dem im Zementstein vorhandenen Calciumhydroxid (Portlandit) und bildet ein expansives Calciumsilikathydrat (CSH). Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) verursacht eine örtliche Quellung, die zu Zugspannungen und Rissen führt. Die für die Alkali-Kieselsäure-Reaktion erforderlichen Bedingungen sind dreierlei: (1) Zuschlagstoffe, die einen alkalireaktiven Bestandteil (amorphes Siliziumdioxid) enthalten, (2) ausreichende Verfügbarkeit von Hydroxyl-Ionen (OH-) und (3) ausreichende Feuchtigkeit (über 75 % relative Luftfeuchtigkeit) im Beton. Dieses Phänomen wird im Volksmund manchmal als "Betonkrebs" bezeichnet. Diese Reaktion tritt unabhängig vom Vorhandensein von Bewehrungsstäben auf; massive Betonstrukturen wie Dämme können davon betroffen sein. ⓘ

Umwandlung von tonerdehaltigem Zement

Dieser Zement ist beständig gegen schwache Säuren und insbesondere Sulfate, härtet schnell aus und hat eine sehr hohe Dauerhaftigkeit und Festigkeit. Er wurde nach dem Zweiten Weltkrieg häufig zur Herstellung von Betonfertigteilen verwendet. Er kann jedoch durch Hitze oder Zeit (Umwandlung) an Festigkeit verlieren, insbesondere wenn er nicht richtig ausgehärtet wird. Nach dem Einsturz von drei Dächern aus Spannbetonträgern, für die Tonerdezement verwendet wurde, wurde dieser Zement 1976 im Vereinigten Königreich verboten. Spätere Untersuchungen ergaben, dass die Träger unsachgemäß hergestellt worden waren, aber das Verbot blieb bestehen. ⓘ

Sulfate

Sulfate (SO₄) im Boden oder im Grundwasser können in ausreichender Konzentration mit dem Portlandzement im Beton reagieren und zur Bildung von Expansionsprodukten, z. B. Ettringit oder Thaumasit, führen, die zu einem frühzeitigen Versagen des Bauwerks führen können. Der typischste Angriff dieser Art findet an Betonplatten und Grundmauern in Hanglagen statt, wo die Konzentration des Sulfat-Ions durch abwechselndes Benetzen und Trocknen ansteigen kann. Wenn die Konzentration zunimmt, kann der Angriff auf den Portlandzement beginnen. Bei erdverlegten Bauwerken, wie z. B. Rohren, ist diese Art des Angriffs viel seltener, insbesondere im Osten der Vereinigten Staaten. Die Sulfat-Ionen-Konzentration nimmt in der Bodenmasse viel langsamer zu und hängt vor allem von der ursprünglichen Sulfatmenge im Mutterboden ab. Eine chemische Analyse von Bodenbohrungen auf das Vorhandensein von Sulfaten sollte während der Planungsphase eines jeden Projekts durchgeführt werden, bei dem Beton in Kontakt mit dem natürlichen Boden kommt. Wenn sich herausstellt, dass die Konzentrationen aggressiv sind, können verschiedene Schutzbeschichtungen aufgebracht werden. In den USA kann auch ASTM C150 Typ 5 Portlandzement für die Mischung verwendet werden. Diese Zementsorte ist besonders widerstandsfähig gegen Sulfatangriffe. ⓘ

Stahlplattenkonstruktion

Bei der Stahlplattenbauweise werden parallele Stahlplatten durch Stringer verbunden. Die Platten werden außerhalb der Baustelle hergestellt und auf der Baustelle zusammengeschweißt, um Stahlwände zu bilden, die durch Träger verbunden sind. Die Wände bilden die Form, in die der Beton gegossen wird. Die Stahlplattenkonstruktion beschleunigt den Stahlbetonbau, da die zeitaufwändigen manuellen Arbeitsschritte zum Verbinden von Bewehrungsstäben und Schalungen entfallen. Die Methode führt zu einer hervorragenden Festigkeit, da sich der Stahl an der Außenseite befindet, wo die Zugkräfte oft am größten sind. ⓘ

Faserbewehrter Beton

Die Faserbewehrung wird hauptsächlich in Spritzbeton verwendet, kann aber auch in Normalbeton eingesetzt werden. Faserbewehrter Normalbeton wird vor allem für Fußböden und Gehwege verwendet, kann aber auch für eine Vielzahl von Bauteilen (Balken, Pfeiler, Fundamente usw.) verwendet werden, entweder allein oder mit handgebundenen Bewehrungsstäben. ⓘ

Mit Fasern (in der Regel Stahl-, Glas- oder Kunststofffasern) oder Zellulosepolymerfasern bewehrter Beton ist kostengünstiger als handgebundener Bewehrungsstahl. Form, Größe und Länge der Fasern sind wichtig. Eine dünne und kurze Faser, z. B. eine kurze, haarförmige Glasfaser, ist nur in den ersten Stunden nach dem Gießen des Betons wirksam (ihre Funktion besteht darin, die Rissbildung zu verringern, während sich der Beton versteift), erhöht aber nicht die Zugfestigkeit des Betons. Eine normal große Faser für europäischen Spritzbeton (1 mm Durchmesser, 45 mm Länge - Stahl oder Kunststoff) erhöht die Zugfestigkeit des Betons. Die Faserbewehrung wird meist als Ergänzung oder teilweiser Ersatz für die Primärbewehrung verwendet, in einigen Fällen kann sie auch als vollständiger Ersatz für die Bewehrung konzipiert werden. ⓘ

Stahl ist die stärkste allgemein verfügbare Faser und wird in verschiedenen Längen (in Europa 30 bis 80 mm) und Formen (Endhaken) angeboten. Stahlfasern können nur auf Oberflächen verwendet werden, die Korrosion und Rostflecken vertragen oder vermeiden können. In einigen Fällen wird eine Oberfläche aus Stahlfasern mit anderen Materialien verkleidet. ⓘ

Glasfasern sind kostengünstig und korrosionsbeständig, aber nicht so dehnbar wie Stahl. Seit kurzem sind Basaltspinnfasern, die lange Zeit in Osteuropa erhältlich waren, auch in den USA und Westeuropa verfügbar. Basaltfasern sind fester und preiswerter als Glas, haben aber in der Vergangenheit der alkalischen Umgebung von Portlandzement nicht gut genug widerstanden, um als direkte Bewehrung verwendet zu werden. Neue Materialien verwenden Kunststoffbindemittel, um die Basaltfasern vom Zement zu isolieren. ⓘ

Bei den hochwertigen Fasern handelt es sich um graphitverstärkte Kunststofffasern, die fast so stark wie Stahl, leichter und korrosionsbeständig sind. Einige Experimente mit Kohlenstoffnanoröhren haben bereits vielversprechende Ergebnisse erbracht, aber das Material ist noch viel zu teuer für jedes Gebäude. ⓘ

Nicht-Stahl-Bewehrung

Es gibt beträchtliche Überschneidungen zwischen den Themen der stahlfreien Bewehrung und der Faserverstärkung von Beton. Die Einführung der stahlfreien Bewehrung von Beton ist relativ neu; es gibt zwei Hauptformen: nichtmetallische Bewehrungsstäbe und in die Zementmatrix eingearbeitete stahlfreie (meist ebenfalls nichtmetallische) Fasern. So besteht beispielsweise ein zunehmendes Interesse an glasfaserverstärktem Beton (GFRC) und an verschiedenen Anwendungen von in Beton eingearbeiteten Polymerfasern. Obwohl derzeit nicht viel darauf hindeutet, dass diese Materialien Metallbewehrung ersetzen werden, haben einige von ihnen bei bestimmten Anwendungen große Vorteile, und es gibt auch neue Anwendungen, bei denen Metallbewehrung einfach nicht in Frage kommt. Der Entwurf und die Anwendung von stahlfreier Bewehrung ist jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden. Zum einen ist Beton eine stark alkalische Umgebung, in der viele Materialien, einschließlich der meisten Glasarten, eine schlechte Lebensdauer haben. Außerdem unterscheidet sich das Verhalten solcher Bewehrungsmaterialien vom Verhalten von Metallen, beispielsweise in Bezug auf Scherfestigkeit, Kriechen und Elastizität. ⓘ

Faserverstärkte Kunststoffe/Polymer (FRP) und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GRP) bestehen aus Fasern aus Polymeren, Glas, Kohlenstoff, Aramid oder anderen Polymeren oder hochfesten Fasern, die in eine Harzmatrix eingebettet sind und einen Bewehrungsstab, ein Gitter oder eine Faser bilden. Diese Bewehrungsstäbe werden in ähnlicher Weise wie Stahlbewehrungsstäbe eingebaut. Die Kosten sind zwar höher, aber bei geeigneter Anwendung haben die Strukturen Vorteile, insbesondere eine drastische Verringerung der Probleme im Zusammenhang mit Korrosion, entweder durch die Alkalität des Betons selbst oder durch externe korrosive Flüssigkeiten, die in den Beton eindringen könnten. Diese Strukturen können wesentlich leichter sein und haben in der Regel eine längere Lebensdauer. Die Kosten für diese Materialien sind drastisch gesunken, seit sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie und beim Militär weit verbreitet sind. ⓘ

FRP-Stäbe eignen sich insbesondere für Strukturen, bei denen das Vorhandensein von Stahl nicht akzeptabel wäre. MRT-Geräte beispielsweise haben riesige Magneten und erfordern daher unmagnetische Gebäude. Auch Mautstellen, die Funketiketten lesen, benötigen Stahlbeton, der für Funkwellen transparent ist. Wenn die Lebensdauer der Betonkonstruktion wichtiger ist als die Anschaffungskosten, ist eine stahlfreie Bewehrung oft von Vorteil, wenn die Korrosion des Bewehrungsstahls eine der Hauptursachen für ein Versagen ist. In solchen Situationen kann eine korrosionsbeständige Bewehrung die Lebensdauer eines Bauwerks erheblich verlängern, zum Beispiel in der Gezeitenzone. FRP-Stäbe können auch in Situationen nützlich sein, in denen es wahrscheinlich ist, dass die Betonstruktur in den kommenden Jahren beeinträchtigt wird, z. B. an den Kanten von Balkonen, wenn Balustraden ersetzt werden, und bei Badezimmerböden in mehrstöckigen Gebäuden, wo die Lebensdauer der Bodenstruktur wahrscheinlich ein Vielfaches der Lebensdauer der Bauwerksabdichtung beträgt. ⓘ

Kunststoffbewehrungen sind oft stärker oder haben zumindest ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als Bewehrungsstähle. Da sie korrosionsbeständig sind, benötigen sie auch keine so dicke Betonschutzschicht wie Stahlbewehrungen (normalerweise 30 bis 50 mm oder mehr). FRP-bewehrte Strukturen können daher leichter sein und länger halten. Dementsprechend sind bei einigen Anwendungen die Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer hinweg mit denen von stahlbewehrtem Beton wettbewerbsfähig. ⓘ

Die Materialeigenschaften von FRP- oder GFK-Stäben unterscheiden sich deutlich von denen von Stahl, so dass es Unterschiede bei den Konstruktionsüberlegungen gibt. FVK- oder GFK-Stäbe haben eine relativ höhere Zugfestigkeit, aber eine geringere Steifigkeit, so dass die Durchbiegungen wahrscheinlich höher sind als bei gleichwertigen stahlbewehrten Bauteilen. Strukturen mit interner FRP-Bewehrung haben in der Regel eine elastische Verformbarkeit, die mit der plastischen Verformbarkeit (Duktilität) von stahlbewehrten Strukturen vergleichbar ist. In beiden Fällen ist es wahrscheinlicher, dass ein Versagen durch Kompression des Betons als durch Bruch der Bewehrung auftritt. Die Durchbiegung ist immer ein wichtiger Aspekt bei der Bemessung von Stahlbeton. Die Durchbiegungsgrenzen werden festgelegt, um sicherzustellen, dass die Rissbreiten in stahlbewehrtem Beton kontrolliert werden, um zu verhindern, dass Wasser, Luft oder andere aggressive Substanzen den Stahl erreichen und Korrosion verursachen. Bei FRP-bewehrtem Beton sind die Ästhetik und möglicherweise die Wasserdichtigkeit die begrenzenden Kriterien für die Kontrolle der Rissbreite. FRP-Stäbe haben auch relativ geringere Druckfestigkeiten als Stahlbewehrung und erfordern daher andere Bemessungsansätze für Stahlbetonstützen. ⓘ

Ein Nachteil bei der Verwendung von FRP-Bewehrung ist ihre begrenzte Feuerbeständigkeit. Wenn der Brandschutz eine Rolle spielt, müssen Konstruktionen, bei denen FRP verwendet werden, ihre Festigkeit und die Verankerung der Kräfte bei den im Brandfall zu erwartenden Temperaturen aufrechterhalten. Für den Brandschutz ist eine ausreichende Dicke der Zementbetondeckung oder Schutzverkleidung erforderlich. Es hat sich gezeigt, dass die Zugabe von 1 kg/m³ Polypropylenfasern zum Beton die Abplatzungen während eines simulierten Brandes verringert. (Man nimmt an, dass die Verbesserung auf die Bildung von Bahnen außerhalb des Betons zurückzuführen ist, durch die der Dampfdruck abgeleitet werden kann). ⓘ

Ein weiteres Problem ist die Wirksamkeit der Scherbewehrung. FRP-Bewehrungsbügel, die vor dem Aushärten durch Biegen geformt werden, schneiden im Allgemeinen im Vergleich zu Stahlbügeln oder zu Strukturen mit geraden Fasern relativ schlecht ab. Bei Beanspruchung ist der Bereich zwischen den geraden und gebogenen Bereichen starken Biege-, Scher- und Längsspannungen ausgesetzt. Um solche Probleme zu bewältigen, sind spezielle Konstruktionstechniken erforderlich. ⓘ

Es besteht ein wachsendes Interesse an der externen Verstärkung bestehender Strukturen mit modernen Materialien wie Verbundwerkstoffen (Glasfaser, Basalt, Kohlenstoff), die eine außergewöhnliche Festigkeit verleihen können. Weltweit gibt es eine Reihe von Marken für Verbundstahl, die von verschiedenen Ländern anerkannt sind, wie Aslan, DACOT, V-rod und ComBar. Die Zahl der Projekte, bei denen Bewehrungsstahl aus Verbundwerkstoffen verwendet wird, steigt weltweit von Tag zu Tag, in Ländern wie den USA, Russland, Südkorea und Deutschland. ⓘ

Bedeutung, Anwendung und Bauteile

Einbau des letzten Betonbalkens einer erhöhten Straße in der Nähe von Cardiff, Wales ⓘ

Stahlbeton ist mit über 100 Millionen verbauten Kubikmetern im Jahr der wichtigste Baustoff Deutschlands. 12 % der deutschen Stahlproduktion werden jährlich zu rund 6 Millionen Tonnen Betonstahl verarbeitet. Der Einsatz von Stahlbeton statt des unbewehrten Betons ist notwendig, wenn in einem Bauteil Zugspannungen auftreten, die zu einem schlagartigen Versagen der Gesamttragfähigkeit führen könnten. Im Vergleich zu anderen Baustoffen, wie Stahl, Holz oder Kunststoff, ist seine Anwendung immer dann sinnvoll, wenn keine filigranen und leichten Tragstrukturen notwendig sind. Wie der Einsatz beim Bau von Bunkern zeigt, ist Stahlbeton bei ausreichenden Abmessungen auch für extreme Einwirkungen geeignet. Vorteilhaft sind insbesondere die Nichtbrennbarkeit und der hohe Feuerwiderstand. Grenzen bei der Benutzung des Baustoffes ergeben sich aus dem hohen Eigengewicht des Betons, was als tote Last die erforderliche Betonstahlmenge vergrößert und bei schlanken Konstruktionen infolge der Rissbildung zu großen Verformungen führt. In diesen Fällen ist der Einsatz einer Verbundkonstruktion oder von Spannbeton geeigneter. Der Spannbeton unterscheidet sich vom Stahlbeton durch eine planmäßige Vorspannung (= Vordehnung) der Stahleinlagen, der so genannten Spannglieder. Damit wird eine zusätzliche äußere Drucklängskraft aufgebracht, wodurch die Zugspannungen überdrückt werden und eine Rissbildung, somit die Bauteilverformung, stark reduziert wird. ⓘ

Typische Stahlbetonbauteile sind unter anderem biegebeanspruchte Bauteile, wie Decken, Balken oder Bodenplatten. Massive, großvolumige Bauteile wie Brückenpfeiler oder Stützwände werden im Regelfall mit diesem Material hergestellt, aber auch dünne schlanke Betonschalen wie etwa die HP-Schalen. ⓘ

Die Bemessung und Herstellung von Stahlbeton wurde in Deutschland in der DIN 1045 geregelt, seit Einführung der Eurocodes sind die Regelungen europaweit einheitlich in DIN EN 1992 Eurocode 2 festgelegt. ⓘ

Eisenbeton – Stahlbeton

Im 19. Jahrhundert war das in Bauwerken verwendete Eisen in der Regel Schmiedeeisen. Auch das im Bessemer- bzw. Thomas-Verfahren oder in einem Siemens-Martin-Ofen erzeugte flüssige Eisen, das sich zum Ende des Jahrhunderts durchsetzte, wurde Flußeisen genannt. Man sprach daher von Eisenbeton (heute auch noch im Russischen und Bulgarischen üblich) oder Monierbeton (nach Joseph Monier). Der Begriff Stahlbeton bürgerte sich erst ab 1920 ein und erst 1942 folgte die Umbenennung des Deutschen Ausschusses für Eisenbeton in Deutscher Ausschuss für Stahlbeton. Dementsprechend wurde die DIN 1045 von 1937 Bestimmungen des Deutschen Ausschusses für Eisenbeton im Jahr 1943 durch die Bestimmungen des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton ersetzt. ⓘ

Komponenten

Beton

Beton ist ein künstliches Gestein aus Zement, Gesteinskörnung (Sand und Kies oder Splitt), gegebenenfalls Zusatzmitteln und Wasser. Dieser Baustoff ist preiswerter als metallische Baustoffe (beispielsweise Stahl) herzustellen, je nach Konsistenz relativ einfach formbar und wegen seines verhältnismäßig günstigen Preises besonders geeignet für massive, großvolumige Bauteile, wenn bestimmte Randbedingungen, wie z. B. die Hydratationswärme oder Entmischung durch Schütthöhen besonders beachtet werden. Ein wichtiger Einsatzbereich ist auch der Bau im Wasser (sofortige Wasserbeaufschlagung durch hydraulische Aushärtung möglich), wobei hier weiches Wasser oder chemische Belastungen besonders zu beachten sind. ⓘ

Seine mechanischen Eigenschaften sind gekennzeichnet durch eine relativ hohe Druckfestigkeit sowie eine niedrige Zugfestigkeit (ungefähr 10 % der Druckfestigkeit). ⓘ

Betonstahl

Betonstahl, auch als Bewehrungsstahl bezeichnet, ist ein spezieller, heutzutage gerippter oder profilierter Rundstahl mit einer hohen Zugfestigkeit ($f_{yk}$ = 500 N/mm²). Dieser wird in die Schalung des Bauteils eingebaut und anschließend einbetoniert. Damit sich die Bewehrungsstäbe im fertigen Betonteil an der planmäßigen Stelle befinden und während des Betonierens nicht verschieben, werden sie mit Hilfe von Bindedraht untereinander zu einem Korb fixiert (zusammengerödelt). Beim Einfüllen des Betons, dem Betonieren, wird der Betonstahl durch den Beton komplett umhüllt, was den Verbund zwischen den beiden Baustoffen bewirkt. Um eine Mindestdicke an Beton zwischen der Stahlbewehrung und der Außenfläche des Betonteiles sicherzustellen, werden zwischen der Bewehrung und der unteren oder seitlichen Schalung Abstandshalter aus geeignetem Material (Kunststoff, Beton) eingebaut und mit einbetoniert. ⓘ

Abstandhalter bzw. Unterstützung

Ein Abstandhalter aus Kunststoff in Stahlbeton ⓘ

Der Beton muss den Bewehrungsstahl zum Korrosionsschutz mit einer bestimmten, in den Normen festgelegten, Überdeckung einschließen. Dazu sind Unterstützungen und Abstandhalter einzubauen. Diese stellen den Abstand zwischen dem Betonstahl und der Schalung und damit der späteren Betonoberfläche sicher. ⓘ

Dauerhaftigkeit von Stahlbeton

Karbonatisierung

Eine Voraussetzung für die Dauerhaftigkeit des Verbundwerkstoffs ist das alkalische Milieu mit einem pH-Wert von 12 bis 14. Dieses entsteht durch die Umwandlung von Kalkstein in Calciumhydroxid während der Hydratation des Betons und stellt bei ausreichender Betonüberdeckung einen langfristigen Schutz des Betonstahls vor Korrosion sicher (siehe auch Betonkorrosion). Mit einem pH-Wert von weniger als 10 ist dieser Schutz, die sogenannte Passivierung, nicht mehr vorhanden. Ausgehend von der Betonoberfläche wird durch Feuchtigkeit und Kohlensäure die Alkalität des Betons und somit die Dicke der Passivierungsschicht um den Betonstahl mit der Zeit reduziert, wobei die sogenannte Karbonatisierungsgeschwindigkeit abnimmt. Risse im Stahlbetonbauteil können diesen Prozess fördern. ⓘ

Sobald Bewehrungsstahl korrodiert, vergrößert sich sein Volumen und ein Druck wird auf den umgebenden Beton aufgebaut. Dies kann etwaige Risse verbreitern, was den Korrosionsprozess wiederum beschleunigt und schließlich ein Abplatzen des Betons zur Folge hat. ⓘ

Für einen verbesserten Korrosionsschutz kann Betonstahl feuerverzinkt oder mit Epoxid beschichtet werden. Auch die Verwendung von Edelstahl und GFK-Bewehrung ist möglich. Die genannten Bewehrungselemente benötigen in Deutschland eine bauaufsichtliche Zulassung. Gemäß allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung (abZ) für feuerverzinkte Betonstähle ist es bei Verwendung von feuerverzinktem Betonstahl in den Expositionsklassen XC1 bis XC4 eine Abminderung der Betondeckung um bis zu 10 mm möglich. ⓘ

Eine Liste bauaufsichtlich zugelassener Bewehrungselemente führt das Deutsche Institut für Bautechnik. Edelstahl kostet je nach Qualität etwa das 10fache von normalem BSt 500 Bewehrungsstahl. ⓘ

Zum Schutz gegen Korrosion des Bewehrungsstahles infolge Karbonatisierung oder Chlorideindringung kann auch ein Kathodischer Korrosionsschutz mit einer Fremdstromanode, die über Gleichrichter mit einem Schutzstrom (eigentlich nur eine Polarisierung) gesteuert werden, angewendet werden. Dies kann beispielsweise im Brückenbau zur Anwendung kommen. ⓘ

Der Nachweis der Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauteilen beruht auf einem Zeitraum von 50 Jahren. ⓘ

Einbauteile

Neben dem Betonstahl werden planmäßig auch andere Bauelemente einbetoniert. Diese werden als Einbauteile bezeichnet. Sie dienen meist der Befestigung von Bauelementen am Stahlbetonbauteil, wie zum Beispiel Stahlkonstruktionen. Dazu zählen unter anderem Ankerplatten und Ankerschienen. Weitere Einbauteile, wie Dübelleisten oder Seilschlaufen, ersetzen eine geometrisch schwierige und aufwändige Betonstahlbewehrung durch eine für die Beanspruchung des Betons spezielle entwickelte „Stahlkonstruktion“. ⓘ