K. Zilch; J.Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Wesentliche Entwicklungen, Anwendung, bauaufsichtliche Einführung Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Konrad Zilch Lehrstuhl für Massivbau, Technische Universität München Dipl.-Ing. Jan Lingemann Büchting+Streit GmbH (ehemals: Lehrstuhl für Massivbau, Technische Universität München) Einleitung Die Anwendung von Stahlfasern zur Verbesserung der Nachbrucheigenschaften von Beton ist bereits seit den 1960er Jahren Gegenstand der Forschung. In den 1990er Jahren sind die ersten offiziellen Bemessungsregeln für Stahlfaserbeton veröffentlicht worden (RILEM Recommendations, SIA 162/6, DBV-Merkblatt). In den vergangenen Jahren wurde in Deutschland durch den Deutschen Ausschuss für Stahlbeton die Richtlinie Stahlfaserbeton [1] erarbeitet. Gegenüber dem DBV Merkblatt von 2001 werden hierin neue Erkenntnisse berücksichtigt und die Nachweisformate vereinfacht. Die Richtlinie soll voraussichtlich Ende 2009 oder Anfang 2010 veröffentlicht werden. Außerdem ist die bauaufsichtliche Einführung vorgesehen. Allgemeines über Stahlfaserbeton Stahlfasern können die mechanischen Eigenschaften des Betons beeinflussen. Sie haben dabei im Wesentlichen Einfluss auf das Nachbruchverhalten des Betons. Im ungerissenen Zustand haben die Stahlfasern nur einen geringen Einfluss, der in der Regel vernachlässigt wird. Deshalb werden hinsichtlich der Druck- und Zugfestigkeit sowie des E-Moduls eines Stahlfaserbetons die Werte von Beton ohne Stahlfasern angenommen. Seite 1 von 13 Bild 2 gibt einen Überblick über die meisten gebräuchlichen Faserarten. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Das Verhalten von Stahlfaserbeton im Nachbruchbereich ist in Bild 1 dargestellt. Im mittleren Bild ist die kontinuierliche Verankerung mit einer Endverankerung kombiniert.K. Bild 1: Verhalten von unbewehrtem Beton. Ausziehverhalten der Stahlfasern • Streuung der Nachrisszugfestigkeit von Stahlfaserbeton • Orientierung der Stahlfasern Verankerung bzw. In der mittleren Spalte sind Stahldrahtfasern mit kontinuierlicher Verankerung dargestellt. Hier sind heute im Wesentlichen gewellte Fasern üblich. In der ersten Spalte sind Stahldrahtfasern mit Endverankerungen dargestellt. Stahlfaserbeton hingegen zeigt im Nachbruchbereich bei üblichen Faserarten und -dosierungen in der Regel auch ein entfestigendes Materialverhalten. Ausziehverhalten der Stahlfasern Zur Herstellung von Stahlfaserbeton können die unterschiedlichsten Arten von Stahlfasern eingesetzt werden. Stahlbeton und Stahlfaserbeton im Biegezugversuch Das Tragverhalten von Stahlfaserbeton wird unter anderem durch folgende Faktoren beeinflusst: • Verankerung bzw. Die heute üblichste Art der Endverankerung sind Endabkröpfungen. die Last deutlich über die Risslast hinaus gesteigert werden. In der rechten Spalte sind Seite 2 von 13 . Das unterste Bild zeigt eine Endverankerung in Form von abgeplatteten Enden. abhängig vom Bewehrungsgrad. J. Im unteren Bild sind profilierte Fasern dargestellt. Allerdings ist gegenüber unbewehrtem Beton eine deutlich gesteigerte Restfestigkeit vorhanden. Beim unbewehrten Beton führt das stark entfestigende Nachbruchverhalten zu einem spröden Versagen. Im Prüfkörper aus Stahlbeton kann. Zilch. K. Zilch. dem Beton sowie dem Zusammenwirken von Fasern und Beton abhängig. Der maßgebende Teil der Lastübertragung erfolgt bei Endverankerten Fasern jedoch im Bereich der Endverankerung. Die Lastübertragung vom Beton in die Fasern erfolgt zum Teil im Bereich des Rissufers. wie Blechfasern. J. Bild 2: Übliche Formen von Stahlfasern (aus [2]) Der Einfluss der Stahlfasern auf das Nachbruchverhalten von Beton ist dadurch zu erklären. die für normalfeste Faserbetone in der Regel nur selten verwendet werden. Seite 3 von 13 . Die Wirksamkeit der Fasern hängt wesentlich von der Verankerung ab. an dem die Stahlfasern umgelenkt werden. Hierfür ist eine ausreichende Verankerung der Fasern im Beton erforderlich. dass die Stahlfasern im Nachbruchbereich Risse im Beton überbrücken und somit Zugkräfte über Risse hinweg übertragen können (Bild 3). Diese wiederum ist stark von der Faserart. gespante Fasern oder Mikrofasern. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Faserarten dargestellt. Anhand einer pauschalen Angabe von Fasergehalten ist keine Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Stahlfaserbeton möglich. Bei kleinen Querschnittsflächen ist es leicht möglich. Zilch. dass entweder sehr viele oder sehr wenige Fasern den Rissquerschnitt kreuzen. Die Ursache hierfür liegt in der Verteilung der Fasern.K. Streuung der Nachrisszugfestigkeit von Stahlfaserbeton Bei der Bestimmung der Nachrisszugfestigkeit an balkenartigen Prüfkörpern mit Querschnitten von 15 cm x 15 cm werden häufig relativ große Streuungen mit Variationskoeffizienten von ca. Mit zunehmender Querschnittsgröße nimmt die Wahrscheinlichkeit ab. Dieser Zusammenhang wurde durch experimentelle Untersuchungen am Lehrstuhl für Massivbau der Technischen Universität München belegt [4] (Bild 4). Seite 4 von 13 . Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Bild 3: „Vernadelung“ von Rissen durch Stahlfasern und Lastweiterleitung vom Beton in die Fasern Aufgrund der zahlreichen Einflussparameter hinsichtlich der Wirksamkeit der Stahlfasern ist für jede Betonrezeptur mit einer speziellen Betonzusammensetzung und einer speziellen Faserart eine neue Erstprüfung erforderlich. J. 25 % festgestellt. Bei größeren Querschnitten ist die Streuung der Nachrisszugfestigkeit daher deutlich geringer. Hier werden daher häufig große Streuungen der Nachrisszugfestigkeiten beobachtet. dass über den ganzen Querschnitt entweder sehr hohe oder sehr geringe Faseranzahlen vorhanden sind. Die Gleichung höherer Fasergehalt = höhere Nachrisszugfestigkeit ist ebenso nicht in allen Fällen korrekt. In die Richtlinie Stahlfaserbeton wurden die für die Durchführung der Prüfungen günstigeren kleinformatigen Prüfkörper gewählt. dass der Ansatz des Korrekturfaktors κfG eine wirtschaftlichen Bemessung sowie die Einhaltung des erforderlichen Sicherheitsniveaus ermöglicht [4] (Bild 5).4 0.K. J.2 0. Würde man die Nachrisszugfestigkeit an größeren Prüfkörpern ermitteln. aufwändiger und unwirtschaftlicher.8 0.6 0. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton 1. Andererseits würde der Ansatz der in den kleinformatigen Prüfkörpern ermittelten 5 %-Quantilwerte der Nachrisszugfestigkeit bei der Bemessung von größeren Bauteilen zu sehr unwirtschaftlichen Ergebnisse führen.2 1. Um dennoch auch für größere Bauteile eine wirtschaftliche Bemessung sicherzustellen. Seite 5 von 13 . Am Lehrstuhl für Massivbau der Technischen Universität München wurde wissenschaftlich bestätigt. wird bei der Ermittlung des Rechenwertes der Nachrisszugfestigkeit f fctR.Li der Korrekturfaktor κfG eingeführt. Die Ermittlung der Nachrisszugfestigkeit an größeren Prüfkörpern ist jedoch unhandlicher.0 Fasern/cm² 0. würden sich bei gleichen Mittelwerten der Nachrisszugfestigkeit der Nachrisszugfestigkeit höhere 5 %-Quantilwerte ergeben als in kleinformatigen Prüfkörpern. Zilch.0 0 200 400 600 800 1000 1200 Messwerte Mittelwert der Messwerte Fläche [cm²] Bild 4: In Sägeschnittoberflächen ermittelte Faseranzahl je cm² in Abhängigkeit der Bezugsfläche Bei der Entwicklung der Richtlinie führte dieses zu kontroversen Diskussionen. K.Li gemäß Richtlinie um den Faktor κfF = 0. Zilch. Die bauaufsichtliche Einführung im Hinblick auf Bauproduktenanforderungen ist in der Bauregelliste A und im Hinblick auf die Ausführungs.4 1.8 1. κ fG. Seite 6 von 13 . Allgemeines zur DAfStb Richtlinie Stahlfaserbeton Bearbeitungsstand der Richtlinie Die Schlussfassung der Richtlinie wurde vom Vorstand des DAfStb verabschiedet und wird in Kürze veröffentlicht und voraussichtlich Anfang 2011 bauaufsichtlich eingeführt werden.8 0. Bei liegend hergestellten. flächigen Prüfkörpern werden in den Richtungen parallel zur Bauteilebene i.6 1. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton 1.2 1 0. J.4 0. Hiermit wird die Unsicherheit der Faserorientierung ausreichend berücksichtigt.2 1.6 0. Dies zeigt sich z. die höchsten Nachrisszugfestigkeiten gemessen.8 1 1.4 κ fG bzw. R. d.cal [-] 1.2 0.cal (bei Normalverteilung) kfG genauer Ansatz für κfG. beim Vergleich der Nachrisszugfestigkeiten von liegend und stehend hergestellten Prüfkörpern. In allen anderen Fällen (nicht liegend hergestellte oder nicht flächige Bauteile) wird die Anrechenbare Nachrisszugfestigkeit f fctR.4 0.und Bemessungsregeln in der Liste der technischen Baubestimmungen vorgesehen.2 0 0 0.5 reduziert. B.cal (bei Log-Normalverteilung) kfG κfG gemäß Richtlinie ''Stahlfaserbeton'' gezogene Querschnittsfläche Act [m²] Bild 5: Analytisch ermittelter Faktor κfG zur Einhaltung des erforderlichen Zuverlässigkeitsniveaus sowie vereinfachter linearer Ansatz gemäß Richtlinie Berücksichtigung der Orientierung der Stahlfasern Die Orientierung der Stahlfasern hat wesentlichen Einfluss auf die Wirksamkeit der Fasern.6 genauer Ansatz für κfG.6 0. K. Seite 7 von 13 . Die Richtlinie gilt nicht für: • Bauteile aus vorgespanntem Stahlfaserbeton • gefügedichten und haufwerksporigen Leichtbeton • hochfesten Beton der Druckfestigkeitsklassen ab C55/67 • selbstverdichtenden Beton • Stahlfaserspritzbeton • Stahlfaserbeton ohne Betonstahlbewehrung in den Expositionsklassen XS2. Zilch. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Gliederung der Richtlinie Die Gliederung der Richtlinie entspricht exakt der Gliederung von DIN 1045:2008-08. Fasern mit Endabkröpfungen und Fasern mit aufgestauchten Köpfchen. Glatte. • Verwendung von Stahlfasern mit formschlüssiger. Als verankert gelten gewellte Fasern. bei denen die Stahlfasern rechnerisch in Ansatz gebracht werden Grund für diese Einschränkungen ist. J. Geltungsbereich Der Geltungsbereich der Richtlinie umfasst: • Bemessung und Konstruktion von Tragwerken des Hoch. XS3 und XD3. mechanischer Verankerung. in denen Änderungen gegenüber DIN 1045:2008-08 vorhanden sind. aus Tausalzen begründet. Die DAfStbRichtlinien „Betonbau beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen“ und „Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton“ gelten unverändert parallel zur Richtlinie „Stahlfaserbeton“. Die letztgenannte Einschränkung ist durch den Ausfall der Stahlfasern infolge von Korrosion bei Einwirkung von Chloriden aus Meerwasser bzw.und Ingenieurbaus aus Stahlfaserbeton sowie Stahlfaserbeton mit Betonstahlbewehrung. dass bislang nur wenig Experimentelle und praktische Erfahrungen mit den ausgeschlossenen Anwendungsbereichen vorliegen. Allerdings werden in der Richtlinie nur solche Abschnitte aufgeführt. XD2. gerade Stahlfasern sind somit nicht zulässig. Unveränderte Abschnitte aus DIN 1045:200808 gelten unverändert und werden in der Richtlinie daher nicht erneut aufgeführt. • Stahlfaserbeton bis einschließlich zur Druckfestigkeitsklasse C50/60. Da die Risslast nicht allein durch die Stahlfasern aufgenommen werden kann. durch: . Stahlfaserbeton ist somit grundsätzlich Beton nach Eigenschaften.Normaldruckkräfte infolge äußerer Einwirkungen Die Anwendung von Stahlfaserbeton ohne Betonstahlbewehrung wird hierdurch auf Fälle eingeschränkt. Hierdurch soll eine kontrollierte Zugabe der Fasern mit exakter Dosierung und unter Verhinderung von lokalen Faseransammlungen (Igeln) sichergestellt werden.Schnittgrößenumlagerung innerhalb statisch unbestimmter Systeme .Kombination mit Betonstahlbewehrung . Für Stahlfaserbeton müssen die Fasern nach Teil 2 der Richtlinie im Herstellwerk zugegeben werden. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Bemessung von Bauteilen nach Teil 1 der Richtlinie Grundsätzliches Wie oben gezeigt weist Stahlfaserbeton in der Regel ein entfestigendes Materialverhalten auf. Die Fasern müssen den Anforderungen von DIN 14899 genügen. Die Eigenschaften des Betons – im Fall des Stahlfaserbetons die Leistungsklassen – sind durch den Betonhersteller sicherzustellen. Da die Abstimmung der Fasern auf den Beton wesentlich für die Leistungsfähigkeit eines Stahlfaserbetons ist. Im Regelfall werden Stahlfasern als Ergänzung zur Betonstahlbewehrung vorgesehen. in denen nach einer Momentenumlagerung ein Systemgleichgewicht nachweisbar ist oder in denen die Zugzone durch Normaldruckkräfte klein gehalten wird (insbesondere im Hinblick auf Tübbinge aus Stahlfaserbeton).K. Zilch. Seite 8 von 13 . Die Einhaltung der Anforderungen entsprechend der Erstprüfung wird durch jährliche erneute Prüfung sichergestellt. Dieser muss für jede Betonsorte eine Erstprüfung durchführen. z. dürfen nur Stahlfasern mit mechanischer Verankerung verwendet werden. darf Stahlfaserbeton nicht als Beton nach Zusammensetzung geliefert werden.B. J. Materialien und Herstellung Wie im Geltungsbereich der Richtlinie definiert. gilt gemäß der Richtlinie folgender Grundsatz für die Bemessung: Nach Ausbildung von Rissen bis zum Erreichen des Grenzzustandes der Tragfähigkeit am Gesamttragsystem (Systemgleichgewicht) muss ein Gleichgewichtssystem nachgewiesen werden. nach dem aus der Fläche unter der Last-Verformungslinie des Versuchskörpers die äquivalente Nachrisszugfestigkeit ermittelt wurde. Eine Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit ist damit nach Definition in der Richtlinie nicht gegeben.5 mm bzw. werden nach der DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton residuale Nachrisszugfestigkeiten ermittelt. Bild 6: Ermittlung der Nachrissbiegezugfestigkeit im Biegezugversuch Seite 9 von 13 . Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Expositionsklassen und Betondeckung Hinsichtlich des Korrosionsschutzes sind Stahlfasern im Allgemeinen günstiger zu beurteilen als Betonstahlbewehrung. Bemessungswert der Nachrisszugfestigkeit Im Rahmen der Erstprüfung von Stahlfaserbeton wird die Nachrisszugfestigkeit in weggesteuerten Biegezugversuchen ermittelt. dass bei Fasern aufgrund der geringen Ausdehnung keine Ausbildung von Korrosions-Elementen auftritt. XS3 und XD3 darf die Stahlfaserwirkung nach der Richtlinie nicht angesetzt werden. dass Stahlfaserbeton als Beton mit eingebettetem Metall eingestuft wird und daher nicht der Expositionsklasse X0 zugeordnet werden darf. Zilch. Hinsichtlich des konstruktiven Brandschutzes müssen für Stahlfaserbeton nach der Richtlinie die Anforderungen nach DIN 4102-4:1994-03. XD2. Dies ist darauf zurückzuführen. J. 3. Hierfür werden die vom Prüfkörper aufnehmbaren Lasten bei Durchbiegungen von 0. DIN 4102-22:2004-11 eingehalten werden. In den Expositionsklassen XS2. Außerdem sind die Sprengdrücke infolge der Korrosion der Fasern so gering. Es ist zu beachten.K. Im Unterschied zum DBV-Merkblatt [3]. Fasern können zwar oberflächennah korrodieren und gegebenenfalls Rostverfärbungen verursachen.5 mm direkt aus der Last-Verformungslinie abgelesen und die Nachrisszugfestigkeiten für die Leistungsklassen L1 und L2 hieraus ermittelt (Bild 6). Abschnitte 3 oder 4 (Wände) bzw. dass in der Regel keine Betonabplatzungen auftreten. 3 der Richtlinie (Bild 7) der Grundwert der ansetzbaren zentrischen Nachrisszugfestigkeit f fct0. Zilch.Li Bild 8: Ermittlung des Rechenwertes der zentrischen Nachrisszugfestigkeit aus dem Grundwert der zentrischen Nachrisszugfestigkeit (aus [1]) Seite 10 von 13 .Li für die jeweilige Leistungsklasse Li ermittelt werden.Li = κ fF · κ fG · f fct0. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Mit der Angabe der Leistungsklassen des Stahlfaserbetons kann aus Tabelle R. J. Bild 7: Grundwerte der Nachrisszugfestigkeiten für die einzelnen Leistungsklassen (aus [1]) f fctR. Hieraus wird der Rechenwert der zentrischen Nachrisszugfestigkeit f fctR.Li gemäß Bild 8 ermittelt.K. Für die Bemessung darf einerseits eine SpannungsDehnungs-Linie mit einem von abfallendem Ast entsprechend dem tatsächlichen Verhalten von Stahlfaserbeton angesetzt werden. Bild 9: Ansatz der Nachrisszugfestigkeit bei der Bemessung (aus [1]) Ansatz der Nachrisszugfestigkeit bei der Bemessung Die Nachrisszugfestigkeit darf bei den Nachweisen der Tragfähigkeit sowie bei den Nachweisen der Gebrauchstauglichkeit angesetzt werden. Hierbei ist bei kleinen Dehnungen die Nachrisszugfestigkeit der Leistungsklasse 1 (Index L1) und bei höheren Dehnungen die Nachrisszugfestigkeit der Leistungsklasse 2 (Index L2) ansetzbar. Biegebemessung Bei der Biegebemessung von Bauteilen aus Stahlfaserbeton darf die rechnerische SpannungsDehnungs-Linie gemäß Bild 9 angesetzt werden (siehe auch Bild 10). dass die Wirkung der Stahlfasern bei der Biegebemessung im Vergleich zur Betonstahlbewehrung sehr gering ist. Alternativ darf mit einem rechteckigen Spannungsblock gerechnet werden (Index u bzw. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden. s). Beim Nachweis von knickgefährdeten Bauteilen oder stabilitätsgefährdeten schlanken Trägern darf die Stahlfaserwirkung jedoch nicht berücksichtigt werden. J. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Der Bemessungswert der Nachrisszugfestigkeit wird gemäß Bild 9 aus dem Rechenwert der Nachrisszugfestigkeit bestimmt.K. Zilch. Seite 11 von 13 . Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Bild 10: Ansatz der Nachrisszugfestigkeit Biegebemessung von Bauteilen aus Stahlfaserbeton (aus [1]) Querkraftbemessung Bei der Bemessung für Querkraft darf der Stahlfasertraganteil VRd.cf zu den Tragfähigkeiten des Betons ohne Bügel VRd. mit: Bild 11: Formeln für die Querkraftbemessung von Bauteilen aus Stahlfaserbeton (aus [1]) Seite 12 von 13 . Bei der Ermittlung des Mindestquerkraftbewehrungsgrades darf die Stahlfasertragwirkung nach Bild 11 angesetzt werden. Bei Verwendung von Stahlfaserbeton darf auch bei balkenartigen Bauteilen (b ≤ 5h) die Mindestquerkraftbewehrung aus Betonstahl auf null reduziert werden. J. des Betons mit Bügeln VRd.sy hinzuaddiert werden (Bild 11). Zilch.K.ct bzw. der nicht durch die Stahlfasern aufgenommenen werden kann und mit Betonstahlbewehrung abzudecken ist. F. Hierin ist αf das Verhältnis zwischen dem Rechenwert der zentrischen Nachrisszugfestigkeit und dem Mittelwert der zentrischen Zugfestigkeit des Betons. Y.. Band 1. J.: Zum Einfluss der Bauteilgröße auf das Tragverhalten von Bauteilen aus Stahlfaserbeton. In: Betonkalender 2006. Zilch. In der Richtlinie werden dabei nur solche Absätze ausformuliert. In: Münchener Massivbau Seminar 2009 Seite 13 von 13 . Die Gliederung der Richtlinie ist direkt an die Gliederung der DIN 1045 angelehnt.. J.: Faserbeton.. Schlussfassung Juli 2009 Holschemacher.. Dehn. J.-D.αf) beschreibt somit den Anteil der Beanspruchung. in welchen sich durch Berücksichtigung der Stahlfasertragwirkung Änderungen gegenüber der DIN 1045 ergeben. 2001 Lingemann.K. K. Wörner. Lingemann Die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Rissbreitenbeschränkung Bei den Nachweisen der Rissbreitenbeschränkung wird die Stahlfasertragwirkung durch den Ausdruck (1 . Der Ausdruck (1 . Berlin: Ernst und Sohn Deutscher Betonverein: Merkblatt Stahlfaserbeton.αf) berücksichtigt. Literatur [1] [2] [3] [4] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Richtlinie Stahlfaserbeton. K. Klug. Zilch. Mit der Richtlinie wird somit ein durchgehend konsistentes Konzept sowohl zur Bemessung als auch zur Überwachung des Baustoffes Stahlfaserbeton verfügbar sein. mit: Bild 12: Ermittlung der Mindestbewehrung zur Beschränkung der Rissbreite (aus [1]) Zusammenfassung Die Richtlinie „Stahlfaserbeton“ des Deutschen Ausschusses für Stahlfaserbeton steht kurz vor der Veröffentlichung. Im Anschluss ist die bauaufsichtliche Einführung der Richtlinie geplant.