Lehrstuhl und Institut für Massivbau

Veranlassung und Zielsetzung

In den letzten Jahrzehnten ist auf deutschen Straßen eine erhebliche Zunahme des Verkehrsaufkommens zu verzeichnen. Insbesondere das steigende Aufkommen des Schwerlastverkehrs auf deutschen Autobahnen führt zu einer schnelleren Abnutzung des herkömmlichen Fahrbahnbelags aus Asphalt. Die dadurch bedingte Zunahme der Instandsetzungsmaßnahmen sind nicht nur aufwendig, sondern sorgen durch die zeitintensiven Arbeiten zur Verkehrsbehinderungen, die hohe volkswirtschaftliche Schäden zu Folge haben.
Durch die Verwendung von unbewehrten Betonplatten als Fahrbahndecke, wird gegenwärtig in Deutschland eine längere Lebensdauer und geringere Instandsetzungsmaßnahmen angestrebt. Zur Steuerung der Zwangsspannungen und Rissbildung werden die Betondecken mit Fugen in Längs- und Querrichtung ausgeführt. Diese Fugen sind bauartbedingt Schwachstellen der Konstruktion, die in regelmäßigen Abständen einer Unterhaltung unterzogen werden müssen.
Als Alternative können die Betondecken auch fugenlos ausgeführt werden. Dadurch reduziert sich der Unterhaltungsaufwand deutlich, durchgehende Betonfahrbahnen sind über ihre Lebensdauer nahezu wartungsfrei. Die Zwangsspannungen und die Rissbildung wird bei durchgehenden Betonfahrbahnen über die eingelegte Bewehrung gesteuert.
Bei der Verwendung von durchgehend bewehrten Betonfahrbahnen ergeben sich diverse Fragestellungen, die im Zuge des Forschungsvorhaben geklärt werden, sodass eine baupraktische Anwendung aus den Forschungsergebnissen abgeleitet werden kann.
Die zielsichere Prognose der Rissabstände und Rissbreiten und die wirksame Risssteuerung, insbesondere an Unstetigkeitsstellen, wie Fahrbahnübergänge an Brücken, sollen außerdem im Zuge des Forschungsprojektes geklärt werden. Die Ergebnisse dienen der Entwicklung eines Modells für die Rissbreitenbegrenzung und die Sicherstellung der Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit der Betonfahrbahn. Darauf aufbauend sollen Empfehlungen für die konstruktive Durchbildung der Betonplatte und des Fahrbahnunterbaus erarbeitet werden.

Durchgeführte Untersuchungen und Ergebnisse

Das Projekt wird als Verbundprojekt an den Massivbaulehrstühlen der Technischen Hochschulen in Aachen und Braunschweig, und am Lehrstuhl für Verkehrswegebau der Technischen Hochschule München durchgeführt. Das Institut für Massivbau (IMB) der RWTH Aachen befasst sich mit numerischen Untersuchungen an Finite Elementen Modellen. Die hier aufgeführten Teilprojektergebnisse stellen lediglich eine Auswahl der durchgeführten Untersuchungen dar.

Im Lebenszyklus durchlaufen DBB unterschiedliche Phasen der Rissbildung: Von der anfänglichen, die sich vor allem hinsichtlich der Erstrisszeitpunkte charakterisieren lässt, bis hin zu der fortgeschrittenen Rissbildung unter den Langzeiteinwirkungen, wie z. B. dem Schwinden. Entsprechend sind die nachfolgenden Abschnitte A, B und C gemäß den in Bild 1 dargestellten Einwirkungen und erläuterten Bewertungskriterien definiert.

Abbildung 1: Zuordnung der zeitlichen Maßstäbe, Einwirkungen und Bewertungskriterien

A) Anfängliche Rissbildung

Betrachtet man nun alle vier exemplarisch gewählten Orte, so zeigt, dass auch hier die Einflüsse der Frischbetontemperatur und des Erhärtungsbeginns gerade bei hohen Tagestemperaturen signifikant und kritisch für den Erstrisszeitpunkt sind. Zusammenfassend ergeben sich folgende Aussagen:

• Der Beginn der Erhärtung um die Mittagszeit führt stets zu einer sehr frühen Erstrissbildung (nach 26 – 27 h). Nur eine deutliche Reduktion der Frischbetontemperatur von 27 °C auf 20 °C (s. Frankfurt) verschiebt die Erstrissbildung günstig (Eintritt nach 39 h).
• Eine spätere Rissbildung wird begünstigt durch einen Erhärtungsbeginn in der Nacht oder im Nachmittagsbereich (ab 15:00 Uhr), erfordert aber ggf. eine Reduktion der Frischbetontemperatur auf unter 27 °C.
• Auch wenn am Morgen (vgl. 8:00 Uhr) noch geringere Lufttemperaturen vorliegen und auch die Frischbetontemperatur zum Erhärtungsbeginn unterhalb von 25 °C liegen, ist nicht unbedingt mit einer späteren Erstrissbildung zu rechnen, diese kann weiterhin schon nach 26 – 27 h stattfinden. Dementsprechend sind auch Erhärtungszeitpunkte am Morgen ungünstig auf eine spätere Erstrissbildung anzusehen.
• Findet der Erhärtungsbeginn außerhalb des abendlichen und nächtlichen Zeitraums (20:00 bis 1:00 Uhr) statt, so ist unter hochsommerliche Temperaturen (max. T_Luft > 25 °C) stets die Frischbetontemperatur auf unterhalb von 23 °C zu reduzieren, unabhängig vom Herstellungsort.
• Hohe Asphalttemperaturen (30 °C) führen zwar zu einem früheren Zeitpunkt der Erstrissbildung als im Vergleich zu niedrigeren (24 °C). Dennoch muss dieser nicht im kritischen Bereich liegen.
• Eine niedrigere Plattentemperatur bei Erstrissbildung kann als günstig wirkend auf die weitere Rissbildung und -öffnung gesehen werden. Zum einen sind die zusätzlichen Plattenverkürzungen und somit die weiteren Zugspannungen nach Erstrissbildung und dem daraus resultierenden Spannungsabbau geringer. Zum anderen bewirken diese beiden Einflussfaktoren eine geringere Rissöffnung der schon bestehenden Risse.

B) Rissbildung unter jahreszyklischer Beanspruchung

Zur Klärung, inwieweit sich der Jahrestemperaturzyklus und auch das Betonschwinden im ersten Jahr auf die weitere Rissbildung in einer DBB auswirkt, wurden für Frankfurt a. Main numerische Simulationen über einen Zeitraum von 365 Tagen durchgeführt.

Bild 2 zeigt den Temperaturverlauf der DBB über das Jahr exemplarisch für einen Erhärtungsbeginn 12:00 Uhr. Die tageszeitlichen Schwankungen nehmen dabei in den Wintermonaten sichtbar ab, ebenso liegt die durchschnittliche Luftfeuchte höher als im Sommer. In der Plattenmitte der DBB wirken sich die tageszeitlichen Schwankungen im Jahresverlauf nur geringfügig aus, die Temperaturen der DBB folgen nach der Hydratation denen der Umgebungsluft. Bezieht man die Temperatur zum Erstrisszeitpunkt zur minimalen Temperatur in Plattenmitte im Jahresverlauf (bei T_Luft,min = -3,1 °C), so liegt eine Temperaturdifferenz von -32,6 °C vor. Für den Jahreszyklus treten unabhängig von der Hydratation Differenzen der Plattentemperatur von 27 °C auf.

Abbildung 2: Verläufe der Temperatur der DBB (Mitte Betonplatte) und der Umgebungsluft sowie der Luftfeuchtigkeit für den Jahreszyklus (Erhärtungsbeginn 12:00 Uhr).

Die Auswertung der Spannungen in Bild 3 erfolgte an in einem über die gesamte Simulationsdauer ungeschädigten Bereich außerhalb der Einleitungslänge der Risskräfte. Die Spannungsentwicklung in dem repräsentativen Ausschnitt zeigt, dass es im Zuge der kälteren Lufttemperaturen zur einer weiteren Rissbildung neben der Erstrissbildung kommt. Dabei tritt diese für den Erhärtungsbeginn 12:00 Uhr nach 103,5 Tagen auf. Es zeigt sich die direkte Auswirkung des Erstrisszeitpunktes auf die Spannungsentwicklung und die weitere Rissbildung. Durch die nicht konstante Temperaturverteilung über die Höhe der Betonfahrbahn liegen die Spannungen an der Oberseite absolut betrachtet stets über denen in der Mitte. Die Tagesschwankungen in den Spannungen sind ebenso wie die Schwankungen der Lufttemperaturen im Sommer bedeutend größer als im Winter. Durch die Rissbildung zu Beginn der Winterperiode werden die Zugspannungen im System abgebaut. Es ist nach der Entstehung des zweiten Risses eine Annäherung an einen weiteren Nullspannungszustand zu beobachten, somit sorgt die zweite Rissbildung für einen deutlichen Spannungsabbau, sodass in den nachfolgenden Monaten keine nennenswerten Zugspannungen mehr erreicht werden. Die später ansteigenden Lufttemperaturen im Frühjahr und Sommer sorgen gar für eine Zunahme an Druckspannungen, sodass die Platte nach einem Jahr einen überdrückten Zustand erreicht hat. Erst das weitere Betonschwinden in Kombination mit sinkenden Temperaturen kann weitere Risse provozieren.

Abbildung 3: Spannungsentwicklung über das Jahr in einem ungeschädigten Bereich der DBB (Erhärtungsbeginn 8:00 Uhr).

C) Fortgeschrittene Rissbildung

Die durchgeführten Parametervariationen zum Stabdurchmesser und –abstand der Längsbewehrung werden nach der Anzahl der auftretenden Risse, der durchschnittlichen Rissbreite auf Höhe der Bewehrung und der maximalen Stahlspannungen ausgewertet. Folgende Beobachtungen ergeben sich:

• Erwartungsgemäß führen höhere Längsbewehrungsgrade zu mehr Rissen mit geringeren Rissbreiten und sinkenden Stahlspannungen.
• Steigende Plattenstauchungen sorgen für mehr Risse und größere Rissbreiten, gleichzeitig reduzieren sich die Stahlspannungen (u. a. aus dem Ablösen des Verbunds).
• Trotz des besseren Verbundverhältnisses der Ø16 mm werden durchschnittliche Rissbreiten unter 0,25 mm erst mit einem Längsbewehrungsgrad von 0,67 % erreicht. Bei den Ø20 mm liegt eine Rissbreite von unter 0,25 mm bereits ab einen ρ_l = 0,74 % vor. In beiden Fällen ist eine weitere Reduktion der Rissbreite durch eine Erhöhung des Längsbewehrungsgrades möglich.
• Die Rissbreiten auf der Plattenoberseite liegen ab Ø 16/12,5 cm (0,67 %) bzw. Ø20/18 cm (0,73 %) unterhalb von ~0,5 mm.
• Die größere Stabquerschnittsfläche der Ø20 mm hat nur eine geringe Auswirkung auf eine niedrigere Stahlspannung bei gleichem Bewehrungsgrad wie die Ø 6 mm.

Zusammenfassung der gemeinschaftlichen Forschungsergebnisse

Betonhydratation:

• Die Herstellung von DBB unter normalen Witterungsbedingungen ist unter dem Gesichtspunkt der Temperaturentwicklung ohne Bedenken gegenüber einer zu frühen Erstrissbildung durchführbar. Liegen hohe sommerliche Lufttemperaturen (T_max > 30 °C) vor, so sind die Frischbetontemperaturen durch entsprechend geeigneter Maßnahmen zu reduzieren und/oder der Erhärtungsbeginn zu steuern.
• Die geeignete Wahl des Betons hinsichtlich ausreichender Festigkeitsentwicklung unter geringen Hydratationswärme und Wärmefreisetzungsraten kann eine spätere anfängliche Rissbildung bewirken, was günstig für die Dauerhaftigkeit der Bauweise ist. Auf Zemente, die unter adiabatischen Bedingungen Endtemperaturen von über 85 °C (mit T_F= 20 °C) aufweisen, sollte verzichtet werden.
• Unter hohen Betontemperaturen fällt die Erstrissbildung nicht zwingend in die ersten Nachtzyklen. Hier ist u. a. die Abkühlgeschwindigkeit der Betonfahrbahn entscheidend, bei hohen Temperaturen wird diese deutlich verstärkt durch die Betonhydratation gesteuert und nicht durch die schwankenden Lufttemperaturen.

Längsbewehrungsgrad:

• Die Untersuchungen bei einer Betonfahrbahndicke von 24 cm zeigen unter der Verwendung von Längsstäben Æ20 mit Abständen zwischen 15 cm (Längsbewehrungsgrad ρ_l= 0,87 %) und 18 cm (ρ_l = 0,73 %) auch unter großen Stauchungen infolge Temperatur und Betonschwinden eine ausreichende Rissbreitenbegrenzung unter nicht zu kleinen Rissabständen.
• Im Vergleich dazu führt die Verwendung von Längsbewehrungsstäbe Æ16 mit Stababständen zwischen 10 cm (ρ_l= 0,84 %) und 12,5 cm (ρ_l = 0,67 %) in den Untersuchungen zu ähnlichen Ergebnissen. Hierbei spielt das leicht bessere Verhältnis von Querschnittsfläche zur Verbundfläche eine Rolle, woraus sich die kleineren Längsbewehrungsgrade ergeben.
• Liegt der Bewehrungsgrad in den oben genannten Bereichen, so ist auch an Unstetigkeitsstellen kein Fließen der Bewehrungen zu erwarten. Eine unkontrollierte Rissöffnung wird somit vermieden.
• Bei einer wirtschaftlichen Dimensionierung sind zur genaueren Wahl des Stababstands eine Bewertung der maximal auftretenden Verformungen, insbesondere aus der Jahreszeitlichen Temperaturentwicklung, der Herstellungstemperaturen und des Schwindverhaltens des Betons zu treffen.

Zentrische Lage der Längsbewehrung:

• Die Querkraftübertragung an Rissen unter vertikaler zyklischer Belastung an einem Rissufer ist für die im Anforderungsbereich liegenden Rissbreiten als unproblematisch einzustufen. Auch konnte keine zunehmende Rissöffnung durch die zyklische Belastung beobachtet werden.
• Im Zuge der fortschreitenden Rissbildung in der Betonfahrbahn bilden sich in den Querrissen an der Längsbewehrung Gelenke aus, die zu einem Neigungswechsel an der Oberfläche der durch die Risse unterteilten Betonfahrbahnabschnitte führen (kinematische Kette, vgl. Bild 1). Vertikale Beanspruchungen aus dem Verkehr verstärken diesen Neigungswechsel, insbesondere bei mehreren Lasten auf benachbarten Rissen. Dieses Phänomen konnte sowohl in den experimentellen Zugversuchen mit zusätzlicher vertikaler Belastung als auch in den numerischen Berechnungen beobachtet werden. Die festgestellten Neigungen beeinflussen die Rissbreiten nur geringfügig und stellen bei zentrische Längsbewehrungslage keine Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit dar.
• Die Nachrechnung mittlerer Rissbreiten kann mit dem „Crack Propagation Modell“ durchgeführt werden; für die Maximalwerte sind aufgrund der auftretenden Verdrehung jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.
• Bei Längsbewehrungsgraden ρ_l= ≥ 0,75 % liegen die Mittelwerte der Rissbreiten unter zentrischer Zugbelastung unterhalb von 0,4 mm an der Oberseite der Betonfahrbahnplatte, die Breiten aller Risse sind < 0,65 mm.
• Der kleinste experimentell untersuchte Längsbewehrungsgrad von ρ_l= 0,5 % zeigt mittlere Rissbreiten von 0,45 mm und Einzelrissbreiten von bis zu 0,8 mm in der letzten Belastungsphase auf.
• Unter realitätsnahen Umgebungsbedingungen (ΔT= -40K nach 7 Monate) zeigten sich im Großversuch (Ø20 mm, ρ_l = 0,72 %) mittlere Rissbreiten von ≤ 0,3 mm an der Oberfläche der DBB. Die Risse öffnen sich proportional zur sinkenden Lufttemperatur. Dabei sind die Auswirkungen der Luftfeuchte auch auf das Schwinden nicht zu vernachlässigen.

Abbildung 4: Schematisch: Ausbildung einer kinematischen Kette infolge von Gelenken in den Querrissen an der Längsbewehrung (w = Rissbreite; s_r = Rissabstand).

Exzentrische Lage der Längsbewehrung:

• Die Rissbreiten der Versuche und der numerischen Untersuchungen weisen auf Seiten der Bewehrung ein feines Rissbild mit geringen Rissbreiten auf. Auf der anderen Bauteilseite treten hingegen wenige Risse mit sehr großen Rissbreiten auf. Dies gilt besonders bei der Lage der Bewehrung im unteren Bereich der DBB.
• Dementsprechend sind bei den erzielten Rissbreiten an der Plattenoberseite in Kombination mit den sehr geringen Rissabständen Rissverästelungen, ein inhomogenes Rissbild und die Gefahr von Punch-Outs gegeben.
• Eine exzentrische Bewehrungslage ist daher eher nachteilig anzusehen.

Fortgeschrittene Rissbildung und rissinduzierende Elemente:

• Die Rissbreiten, die infolge des Verpressens und Zerlegen der Versuchskörper im Nachhinein im unmittelbaren Bereich der Bewehrung gemessen werden konnten, sind bei allen Versuchskörpern unter Berücksichtigung des Spannungsniveaus der Bewehrung weitgehend konstant.
• Bei den Zugversuchen als auch in den numerischen Untersuchungen konnten bereits deutlich vor Erreichen des finalen Lastniveaus Rissabstände unterhalb von 50 cm beobachtet werden. Kleinere Rissabstände unterstützen die Möglichkeit von Punch-Outs, wobei Abstände unterhalb von 30 cm als besonders ungünstig angesehen werden. Eine Verwendung von zu hohen Längsbewehrungsgraden ist dementsprechend bedenklich.
• Vor der Betonage eingebaute risssteuernde Elemente zeigten je nach Ausbildung nur teilweise eine rissinduzierende Funktion. Gerade im noch sehr jungen Beton mit teilplastischem Materialverhalten kann eine Funktion der Elemente nicht garantiert werden. Zudem ist auf den hohen Einbauaufwand zu verweisen.

Schichtenverbund:

• Der Einfluss der Asphalttragschicht (AC 22 TL) auf die Rissbildung ist unter Laborbedingungen bei ~20°C sehr gering. Die Asphalttragschicht weist ein plastisches Materialverhalten auf. Unter diesen Bedingungen ist das beobachtete Rissverhalten einer DBB unter zentrischer Zugbeanspruchung vom Grundsatz her vergleichbar mit konventionellen Zugversuchen aus dem Stahlbetonbau.
• Bei den Grenzfällen des Schichtenverbundes (kein/starrer Verbund) zeigte sich, dass ein starrer Verbund zu einer sehr feinen Rissbildung führt. Liegt kein Verbund vor, so hat dies eine deutliche Reduktion der Plattenzwängung zur Folge, wodurch sich ein späterer Erstrisszeitpunkt einstellt und größere Rissabstände vorliegen.
• Ein bruchmechanisches Verhalten einer HGT zeigt bei starrem Verbund eine ausgeprägte Reflexionsrissbildung von der Betonplatte in die Tragschicht. Unter zeitabhängiger Verbundfestigkeitsentwicklung im Zuge der Betonerhärtung sind für unterschiedliche Endfestigkeiten nur geringe Auswirkungen auf die Rissbildung feststellbar.
• Unter reinem Abscheren zeigt sich ein guter Verbund zwischen DBB und den Asphalten. Der Aufbau mit hydraulisch gebundenem Tragschichtmaterial führt aufgrund der rauen Oberflächenstruktur im Rahmen der durchgeführten Abscherversuche zu einem sehr guten Verbund. Die Verbundfestigkeit nimmt mit dem Betonalter zu.
• Beim Einsatz eines Vliesstoffs auf HGT kann es zu einem Durchsickern von Zementschlempe kommen, wodurch sich eine lokale Verzahnung mit Verbund zwischen HGT und Betondecke ergibt. Die Verbundfestigkeit nimmt mit dem Betonalter zu.
• Außerdem bestehen weitere Nachteile der Bauweise mit einem Vliesstoff aufgrund der aufwendigen Trennung des Vliesstoffs von den anderen Materialien und der fehlenden Recyclingmöglichkeit. Somit fand keine tiefergehende Betrachtung dieser Variante statt und eine Umsetzung in der Praxis wird nicht empfohlen.

Stellen mit unterschiedlichen Auflagersteifigkeiten (Unstetigkeitsbereiche):

• In definierten Unstetigkeitsbereichen betragen die Rissbreiten an der Plattenoberfläche (Konfiguration: Æ20, ρ_l= 0,73 %) weniger als 0,5 mm. Damit kann die Querkraftübertragung durch die Längsbewehrung ebenso sichergestellt werden.
• Die Rissbreiten nehmen unter steigender Anzahl an Lastüberrollungen nur geringfügig zu.
• Mittels Variation des Längsbewehrungsgrades oder Ausbildung mit aktiver Risskontrolle ist eine Steuerung der Rissbildung möglich. Damit lassen sich sowohl zu geringe Rissabstände oder zu große Rissbreiten vermeiden, die Querkraftübertragung sicherstellen sowie eine Schädigung der Konstruktion ausschließen.
• Durch ein mit dem Brückenbauwerk synchronisiertes Rissbild können vorhandene Steifigkeitssprünge in der Auflagerung der DBB sowie ggf. auftretende Setzungsdifferenzen schadlos aufgenommen werden, da die Betonzugspannungen unterhalb der Betonzugfestigkeiten liegen.
• Bei der Anpassung des Querrissabstandes vor Bauwerken (Brücken) und der damit einhergehenden Variation des Längsbewehrungsgrades wird deutlich, dass ein geringerer Querrissabstand sich positiv auf die Verformungen vor dem Bauwerk auswirkt.

Querbewehrung:

• Die numerischen Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten in Querrichtung zeigen, dass der Einfluss der Querbewehrung (Bewehrungsgrad und Anordnung) bei der Variation der Längsfuge (verankert/nicht zusätzlich verankert) vernachlässigbar klein ist. Die Querbewehrung dient im Wesentlichen der Lagesicherung der Längsbewehrung.
• Kann die Lagesicherung anderweitig realisiert werden, so bietet sich ein Verzicht der Querbewehrung an. Daraus ergeben sich u. U. erhebliche Beschleunigungen im Bauablauf, einhergehend mit einer Reduzierung der Baukosten und des Materialbedarfs.
• Wird eine Querbewehrung eingebaut, so zeigen sich bei einer senkrechten Anordnung sowohl die Ausbildung einer ungewollten Sollrissstelle als auch ein schlechteres Verformungsverhalten und ungünstigere Spannungszustände im Vergleich zur geneigten Anordnung unter 60° zur Längsrichtung. Daher sollte die Querbewehrung in einem Winkel von 60° zur Längsbewehrung angeordnet werden.

Literatur

1. Schmidt, C.; Bollin, M.; Cramer, J. et al.: Untersuchungen zur Rissbildung in durchgehend bewehrten Betonfahrbahnen. In: Bauingenieur 96 (2021), Heft 10, S. 358-375. https://doi.org/10.37544/0005–6650–2021–10–56.