Nachträgliche Bewehrungsanschlüsse nach EN 1992-1-1 bemessen

Nachträglich installierte Bewehrungsstäbe werden in bereits erhärteten Beton eingebaut und über ein qualifiziertes Injektionssystem verankert. Für ihre Bemessung kann auf die Verankerungs- und Übergreifungsregeln des Stahlbetonbaus zurückgegriffen werden, wenn Anschlussart und Tragmodell in den entsprechenden Anwendungsbereich fallen und das verwendete System dafür entsprechend bewertet ist.

Typische Anwendungen sind:

• Übergreifungsstöße mit vorhandener Bewehrung bei Platten-, Balken-, Wand- oder Stützenanschlüssen

• Endverankerungen von Platten oder gelenkig gelagerten Balken

• Verankerungen in überwiegend druckbeanspruchten Bauteilen

• Verankerungen zur Abdeckung der Zugkraftlinie in biegebeanspruchten Bauteilen

_{Abbildung 1: Schematische Gegenüberstellung von Übergreifungsstoß und typischen Endverankerungen nach EN 1992-1-1}

EN 1992-1-1, EAD und ETA: Welche Grundlage hat welche Aufgabe?

Für die Bemessung nachträglich installierter Bewehrungsstäbe greifen drei Ebenen ineinander:

• EN 1992-1-1 enthält die Bemessungs- und Konstruktionsregeln für Verankerungen und Übergreifungsstöße

• Das European Assessment Document (EAD) bildet die Grundlage für die europäische technische Bewertung eines Systems. Für den hier behandelten Bemessungsweg nachträglich installierter Bewehrungsanschlüsse sind EAD 330087 und 330499 die maßgebenden Bewertungsgrundlagen

• Die Europäische Technische Bewertung (ETA) beschreibt die Leistung und Anwendungsbedingungen des konkreten Systems auf Grundlage des EAD

Damit liefert EN 1992-1-1 das Bemessungsmodell, während die ETA die systemspezifischen Kennwerte und Anwendungsbedingungen für das bewertete System bereitstellt. Wie bei einbetonierter Bewehrung wird die Stabkraft über Verbund in den umgebenden Beton übertragen. Beim nachträglich installierten Stab sind zusätzlich das Injektionssystem und seine Grenzflächen Bestandteil dieses Verbunds. Deshalb können sich insbesondere Verbundfestigkeit, Mindestverankerungslängen und weitere konstruktive Bedingungen von einbetonierter Bewehrung unterscheiden.

Die ETA legt hierzu unter anderem fest:

• zulässige Stabdurchmesser

• Betonfestigkeitsklassen

• Bemessungswerte der Verbundfestigkeit

• Mindestverankerungslängen

• Mindestbetondeckungen

• zulässige Bohr- und Einbaubedingungen

• gegebenenfalls Kennwerte für Brand oder Erdbeben

Je nach Systembewertung können die angegebenen Kennwerte außerdem von der zugrunde gelegten Bemessungslebensdauer abhängen. Sind für ein System unterschiedliche Werte, beispielsweise für 50, 100 oder 120 Jahre, ausgewiesen, ist der für den vorgesehenen Anwendungsfall maßgebende Wert anzusetzen.

Für die Planung ist deshalb nicht nur zu prüfen, ob für das System eine ETA für nachträglich installierte Bewehrung vorliegt, sondern auch, ob die konkrete Anwendung und Einwirkung durch den erforderlichen europäischen oder nationalen Nachweis abgedeckt sind. Besondere Einwirkungen werden im späteren Abschnitt "Besondere Einwirkungen früh berücksichtigen" eingeordnet.

Von der Verbundfestigkeit zur erforderlichen Länge

Für die Bemessung muss die Stabkraft über eine ausreichende Verbundlänge in den Beton übertragen werden. Die Grundlogik ist bei einbetonierten und nachträglich installierten Bewehrungsstäben vergleichbar. Die anzusetzenden Kennwerte und Mindestlängen können sich jedoch unterscheiden.

Einbetonierte und nachträglich installierte Bewehrung im Vergleich

Die Unterschiede lassen sich anhand der zentralen Bemessungsgrößen zusammenfassen:

Für die Planung entscheidend: Werte und Längen für einbetonierte Bewehrung dürfen nicht automatisch auf nachträglich installierte Bewehrungsstäbe übertragen werden. Für das verwendete System sind die in der ETA festgelegten Kennwerte und Randbedingungen zu berücksichtigen.

Vom Verbundkennwert zur Verankerungslänge

Für einbetonierte Bewehrung ergibt sich der Bemessungswert der Verbundfestigkeit f_bd​ nach EN 1992-1-1 aus den Beton- und Verbundbedingungen. Für entsprechend bewertete nachträglich installierte Systeme kann die Verbundfestigkeit über einen systemspezifischen Verbundbeiwert k_b​ beschrieben werden:

f_bd,PIR​=k_b​⋅f_bd mit k_b​≤1,0

Der Beiwert beschreibt, in welchem Verhältnis die für das nachträglich installierte System ansetzbare Verbundfestigkeit zum Bezugswert der einbetonierten Bewehrung steht. Bei k_b<1,0 reduziert sich die ansetzbare Verbundspannung. Bei gleicher zu verankernder Stabkraft führt dies grundsätzlich zu einer größeren erforderlichen Verankerungslänge. Welcher Wert angesetzt werden darf, ergibt sich aus der technischen Bewertung des verwendeten Systems.

Der Grundwert der erforderlichen Verankerungslänge ergibt sich daraus zu:

l_b,rqd,PIR​=ϕ​⋅σ_sd​​/​4⋅f_bd,PIR

Bei voller Ausnutzung des Betonstahls kann entsprechend die Bemessungsstreckgrenze f_yd für die Stahlspannung maßgebend werden.

Damit wird der Einfluss der systemspezifischen Verbundfestigkeit unmittelbar sichtbar: Je kleiner die ansetzbare Verbundfestigkeit, desto größer ist bei gleicher Stahlspannung und gleichem Stabdurchmesser die erforderliche Verankerungslänge.

Welche weiteren Einflüsse bestimmen die erforderliche Länge?

Der Grundwert der Verankerungslänge ist noch nicht die abschließend erforderliche Länge. Zu berücksichtigen sind entsprechend dem Bemessungsmodell insbesondere:

• Betondeckung

• Rand- und Stababstände

• Betonfestigkeit

• Stabdurchmesser

• Verbundbedingungen

• vorhandene Querbewehrung

• Anteil der gestoßenen Stäbe

• systemspezifische Bedingungen der ETA

Die konstruktiven Einflüsse dürfen nur angesetzt werden, wenn die dafür erforderlichen Voraussetzungen im Bestandsbauteil tatsächlich vorhanden und bei der Ausführung realisierbar sind.

Mindestverankerungslänge beachten

Neben der aus der zu übertragenden Stabkraft berechneten Länge ist die Mindestverankerungslänge einzuhalten. Bei nachträglich installierter Bewehrung können hierfür systemspezifische Bedingungen beziehungsweise Anpassungen gegenüber der klassischen EC2-Regelung gelten.

In der Bemessung sind deshalb zwei Fragen zu beantworten:

• Welche Verankerungslänge ist zur Übertragung der angesetzten Stabkraft erforderlich?

• Welche Mindestverankerungslänge ist für das verwendete System einzuhalten?

Die rechnerisch erforderliche Länge darf die maßgebende Mindestverankerungslänge nicht unterschreiten.

Übergreifungsstöße: Die Kraft muss den vorhandenen Stab erreichen

Beim Übergreifungsstoß wird ein nachträglich installierter Bewehrungsstab parallel zu vorhandener Bewehrung angeordnet. Die Stabkräfte werden über Verbund und Druckstreben im Beton zwischen den beiden Stäben übertragen. Für die Bemessung reicht es deshalb nicht aus, nur die Länge des eingemörtelten Stabs zu betrachten. Maßgebend sind insbesondere:

• Lage und Durchmesser der Bestandsbewehrung

• Durchmesser der nachträglich installierten Stäbe

• gegenseitige Lage der übergreifenden Stäbe

• Betondeckung

• Stababstände

• Querbewehrung

• Anteil der gestoßenen Bewehrung

• erforderliche Übergreifungslänge

Beispiel: Verlängerung einer Stahlbetondecke

Soll eine vorhandene Decke verlängert werden und liegt im Bestandsbauteil geeignete Bewehrung vor, kann der nachträglich installierte Stab so angeordnet werden, dass sich eine ausreichende Übergreifung mit dem Bestandsstab ergibt. Entscheidend ist nicht allein, ob genügend Beton für eine bestimmte Bohrtiefe vorhanden ist. Die erforderliche Übergreifungsgeometrie mit der tatsächlich vorhandenen Bewehrung muss herstellbar sein. Ist keine geeignete Bestandsbewehrung vorhanden, lässt sich eine berechnete Übergreifungslänge nicht einfach als Verankerungslänge einer Endverankerung verwenden. In diesem Fall muss der Anschluss neu eingeordnet und ein geeigneter Bemessungsweg festgelegt werden.

_{Abbildung 2: Nachträglich installierte Bewehrung im Bestandsbeton mit Übergreifung zur vorhandenen Bewehrung}

Wo liegen die Grenzen bei Endverankerungen nach EN1992-1-1?

Bestimmte Endverankerungen können innerhalb des bewerteten Anwendungsbereichs nach EN 1992-1-1 behandelt werden. Zu den typischen Fällen gehören Endverankerungen von Platten beziehungsweise gelenkig gelagerten Balken, überwiegend druckbeanspruchte Anschlüsse sowie Verankerungen zur Abdeckung der Zugkraftlinie. Eine momententragende Beton-Beton-Verbindung ohne Übergreifungsstoß ist nicht allein deshalb eine klassische EC2-Endverankerung, weil sich für den Stab eine Verankerungslänge berechnen lässt. Liegt der Anschluss außerhalb des Anwendungsbereichs, ist ein anderer Bemessungsweg zu prüfen. Je nach Tragmodell können insbesondere EOTA TR 069 oder ein geeignetes Stabwerksmodell infrage kommen.

Weiterführend: Welche Bemessungsmethode passt zu welchem nachträglichen Bewehrungsanschluss?

Besondere Einwirkungen früh berücksichtigen

Die bisher beschriebenen Bemessungsregeln dürfen nicht unabhängig von der Einwirkung angewendet werden. Neben statischen und quasi-statischen Einwirkungen können insbesondere Erdbeben, Brand und Ermüdung zusätzliche Bemessungsregeln und systemspezifische Nachweise erfordern. Entscheidend ist, ob sowohl der Bemessungsweg als auch die Bewertung des verwendeten Systems die konkrete Einwirkung abdecken.

Erdbeben

Bei seismischer Beanspruchung ist zu prüfen, ob das System für die vorgesehene seismische Anwendung bewertet ist und ob der Anschluss mit dem seismischen Tragwerkskonzept vereinbar ist. Die für die konkrete Anwendung maßgebenden Bemessungswerte und Anwendungsbedingungen sind der Systembewertung zu entnehmen.

Brand

Im Brandfall verändern sich die Materialeigenschaften von Beton, Bewehrungsstahl und Injektionssystem. Insbesondere das Verbundverhalten des nachträglich installierten Systems ist temperaturabhängig. Für den Brandfall sind deshalb die hierfür bewerteten Kennwerte und Anwendungsbedingungen des Systems anzusetzen.

Ermüdung

Für Ermüdungsbeanspruchungen ist die Bewertungssituation gesondert zu betrachten. Für ermüdungsbeanspruchte nachträglich installierte Bewehrungsanschlüsse steht im Rahmen des hier behandelten EAD-basierten europäischen Bewertungswegs kein entsprechender Bewertungsprozess zur Verfügung.
In Deutschland können solche Anwendungen daher einen nationalen Ver- beziehungsweise Anwendbarkeitsnachweis erfordern, beispielsweise eine allgemeine Bauartgenehmigung (aBG) für ein entsprechend qualifiziertes System. Bei der Bemessung sind die für den konkreten Anwendungsfall maßgebenden nationalen Regelungen und die darin festgelegten Systemkennwerte und Anwendungsbedingungen zu berücksichtigen.

Die Verankerung ist nur ein Teil des Lastpfads

Mit dem Nachweis der Verankerungs- oder Übergreifungslänge ist der Beton-Beton-Anschluss noch nicht vollständig nachgewiesen. Zusätzlich sind entsprechend dem Tragmodell insbesondere die Kraftweiterleitung in Bestand und Neubau sowie die Querkraftübertragung über die Kontaktfuge zu untersuchen.

Bemessungsannahmen müssen ausführbar sein

Die verwendeten Bemessungswerte gelten nur unter den in der ETA festgelegten Einbaubedingungen. Dazu gehören je nach System beispielsweise Bohr- und Reinigungsverfahren, Beton- und Bohrlochbedingungen, Stabdurchmesser, Setztiefe und Einbautemperatur.

Ein Wechsel des Bohrverfahrens auf der Baustelle ist deshalb keine rein ausführungspraktische Entscheidung. Vor einer Abweichung ist zu prüfen, ob das alternative Verfahren durch den maßgebenden Nachweis abgedeckt ist und die in der Bemessung angesetzten Kennwerte weiterhin gelten.

Fünf Schritte zur Bemessung nach EN 1992-1-1

Die Reihenfolge ist entscheidend: Nicht die verfügbare Bohrtiefe bestimmt das Bemessungsmodell. Zunächst werden Anschlussart und Lastpfad festgelegt, anschließend Systemkennwerte und erforderliche Länge.

Bemessung mit PROFIS Engineering

Mit PROFIS Engineering lassen sich nachträgliche Bewehrungsanschlüsse durchgängig bemessen und geeignete Hilti Injektionssysteme auswählen. Für Übergreifungsstöße und Endverankerungen können unterschiedliche verfügbare Bemessungsansätze untersucht und miteinander verglichen werden.

Bei der Bemessung nach EN 1992-1-1 berücksichtigt PROFIS Engineering die relevanten Kennwerte und Randbedingungen des gewählten Hilti Injektionssystems. So lassen sich erforderliche Verankerungs- und Übergreifungslängen bestimmen und passende Systemlösungen für die jeweilige Anschlusssituation untersuchen.

Insbesondere wenn mehrere Bemessungswege oder Hilti Injektionssysteme infrage kommen, unterstützt PROFIS Engineering dabei, Bemessung und Systemauswahl in einem durchgängigen Arbeitsablauf zusammenzuführen

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Das Wichtigste auf einen Blick

• EN 1992-1-1 ist ein Bemessungsweg für Übergreifungsstöße und bestimmte Endverankerungen nachträglich installierter Bewehrung

• Für das konkrete nachträglich installierte System müssen die Leistungsmerkmale und Anwendungsbedingungen der ETA bzw. der aBG berücksichtigt werden

• Systemspezifische Verbundkennwerte können die erforderliche Verankerungs- oder Übergreifungslänge beeinflussen

• Bei k_b<1,0 kann die reduzierte ansetzbare Verbundfestigkeit zu größeren erforderlichen Verankerungslängen führen

• Die systemspezifische Mindestlänge ist zusätzlich zur rechnerisch erforderlichen Verankerungslänge einzuhalten

• Beim Übergreifungsstoß muss das erforderliche Zusammenwirken mit der tatsächlich vorhandenen Bestandsbewehrung möglich sein

• Der Nachweis des Bewehrungsstabs ersetzt weder den Nachweis der Kontaktfuge noch die Kraftweiterleitung im Gesamtbauteil

• Die in der Bemessung angesetzten Bohr-, Reinigungs- und Einbaubedingungen müssen in der Ausführung eingehalten werden

Wenn EN 1992-1-1 nicht ausreicht

Liegt der Anschluss außerhalb des beschriebenen Anwendungsbereichs, muss ein anderer geeigneter Bemessungsweg geprüft werden. Insbesondere bei Endverankerungen ohne klassischen Übergreifungsstoß können je nach Tragmodell EOTA TR 069 oder ein Stabwerksmodell infrage kommen.

Weiterführende Links:

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Weitere Informationen zu nachträglich installierten Bewehrungsanschlüssen