Nachträgliche Querkraft- und Durchstanzverstärkung von Stahlbetonbauteilen

Tragmechanik, Bemessung und konstruktive Randbedingungen

Die Verstärkung bestehender Stahlbetontragwerke gehört heute zum Regelbestand ingenieurmäßiger Planung. Gründe dafür sind Nutzungsänderungen, höhere Verkehrslasten, Aufstockungen, geänderte normative Anforderungen oder außergewöhnliche Einwirkungen wie Brand und Erdbeben. Gleichzeitig verschiebt sich der Fokus im Bauwesen zunehmend vom Neubau hin zur Weiternutzung bestehender Tragwerke.

Damit rücken lokale Verstärkungsmaßnahmen an Bestandsbauteilen stärker in den Vordergrund – insbesondere an Decken, Unterzügen, Fundamenten und Stützenanschlüssen. Kritisch werden dabei häufig Querkraft- und Durchstanznachweise, da viele ältere Bauwerke ohne systematische Querkraft- oder Durchstanzbewehrung geplant wurden und die heutigen Anforderungen nach Eurocode 2 rechnerisch nicht mehr erfüllen.

Besonders betroffen sind Flachdecken im Hochbau sowie Brücken- und Ingenieurbauwerke mit begrenzten Reserven im Querkrafttragverhalten. In diesen Fällen gewinnen nachträgliche Verstärkungssysteme an Bedeutung, die ohne großflächige Eingriffe in die Tragstruktur umgesetzt werden können.

_{Abbildung 1: Beispiel für nachträglich eingebaute Bewehrung in Aufbetonschichten (a), Betonummantelungen (b) und Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit mit nachträglicher Verstärkung (c)}

Für die nachträgliche Querkraft- und Durchstanzverstärkung kommen zunehmend injektionsbasierte Systeme mit eingemörtelten Gewindestangen zum Einsatz. Das konstruktive Grundprinzip besteht darin, vertikal eingebrachte Gewindestangen kraftschlüssig über einen Injektionsmörtel im Beton zu verankern. Die Verstärkungselemente übernehmen dabei die Funktion nachträglicher Bewehrung.

Für die Querkraftverstärkung wird das Hilti HIT-Shear System eingesetzt, für die Durchstanzverstärkung das Hilti HIT-Punching System. Beide Systeme basieren auf denselben Hauptkomponenten und verwenden den Injektionsmörtel Hilti HIT-RE 500 V4.

_{Abbildung 2: Gemeinsame Hauptkomponenten des Hilti HIT-Shear und HIT-Punching Querkraft- und Durchstanzverstärkungssystems}

Die Kraftübertragung erfolgt über Verbundmechanismen zwischen Gewindestange, Injektionsmörtel und Beton. Tragmechanisch basiert das System auf Formschluss, Mikroverzahnung, Reibung und Stoffschluss im Bohrloch. Dieser Mechanismus ist aus der Befestigungstechnik bekannt und durch umfangreiche Versuchsprogramme abgesichert.

_{Abbildung 3: Einleitung der Lasten in den Untergrund durch Stoffschluss}

Die Systeme sind für Normalbeton der Festigkeitsklassen C20/25 bis C50/60 vorgesehen. Für beide Anwendungen liegen allgemeine Bauartgenehmigungen des Deutschen Instituts für Bautechnik vor. Die Bemessung erfolgt auf Grundlage von Eurocode 2 sowie den jeweiligen nationalen Anhängen und zulassungsspezifischen Ergänzungen.

Trotz identischer Komponenten unterscheiden sich Querkraft- und Durchstanzverstärkung grundlegend in Tragwirkung, Bemessungslogik und konstruktiver Einbindung. Diese Unterscheidung ist für Planung und Prüfung wesentlich.

Tragwirkung im Querkraftbereich

Bei der nachträglichen Querkraftverstärkung greifen die eingemörtelten Gewindestangen direkt in den bestehenden Fachwerkmechanismus des Stahlbetonbauteils ein. Die Verstärkungselemente wirken analog zu konventioneller Bügelbewehrung und queren die maßgebenden Schubrisse.

Mit zunehmender Rissbildung nimmt der Betontraganteil ab, während der Beitrag der Querkraftbewehrung maßgebend wird. Die nachträglich installierten Elemente übernehmen dabei Zugkräfte entlang der geneigten Schubrisse und stabilisieren den bestehenden Lastabtrag.

Entscheidend ist die Verankerung über die wirksame Bauteilhöhe mit Einbindung in Zug- und Druckzone.

_{Abbildung 4: Ein Stahlbetonbalken mit Querkraftbewehrung, dargestellt durch das Mörsch-Ritter-Fachwerk mit Druck- und Zuggurt, der geneigten Druckstrebe und der vertikalen Zugstrebe}

Die Bemessung folgt dem bekannten Fachwerkmodell nach Eurocode 2. Der Querkraftnachweis wird über den kleineren Wert aus Druckstrebenwiderstand und Bewehrungswiderstand geführt:

Variabler Druckstrebenwinkel als wesentlicher Bemessungsparameter

Ein wesentlicher Bestandteil der Bemessung ist die Methode der variablen Druckstrebenneigung. Der Druckstrebenwinkel θ kann innerhalb der normativ zulässigen Grenzen gewählt werden, sodass Druckstrebe und Querkraftbewehrung im Gleichgewicht wirken.

_{Abbildung 5: Schematische Darstellung des Einflusses der Druckstrebenneigung auf den Widerstand der Druckstrebe und der Querkraftbewehrung: maximale (a) und minimale (b) zulässige Neigung}

Mit kleiner werdendem Druckstrebenwinkel beziehungsweise größerem cot(θ) steigt der rechnerische Beitrag der Querkraftbewehrung. Gleichzeitig erhöhen sich jedoch die zusätzlichen Zugkräfte in der Längsbewehrung.

Die Bemessung der nachträglich installierten Querkraftbewehrung berücksichtigt dabei systemspezifische Parameter und unterscheidet sich bewusst von einer idealisierten Betrachtung konventioneller Bügelbewehrung. Der Widerstand ergibt sich zu:

Der Faktor k_pi beschreibt die reduzierte Wirksamkeit nachträglich installierter Verstärkungselemente gegenüber einbetonierter Bügelbewehrung. Berücksichtigt werden unter anderem:

• Langzeiteinflüsse auf den Verbund

• Bohrlochabweichungen

• Installationstoleranzen

• Einbaurichtung

• Überlagerung von Biege- und Schubrissen

Damit wird die reale Ausführungssituation im Bestand unmittelbar Bestandteil des Bemessungsmodells.

Durchstanzen folgt einem räumlichen Versagensmechanismus

Durchstanzen ist kein „Querkraftproblem im Kreis“, sondern ein räumlicher Versagensmechanismus im Bereich konzentrierter Lasteinleitungen mit geneigten Rissflächen und lokalem Bruchkörper. Maßgebend ist der kritische Rundschnitt um die Stütze.

_{Abbildung 6: Versuchskörper einer Flachdecke mit ausgeprägter Schubrissbildung und Ausbildung des Durchstanz-Bruchkörpers}

Die nachträglich installierte Durchstanzbewehrung ersetzt den Betontragmechanismus nicht. Sie greift vielmehr in die Rissbildung ein und übernimmt Zugkräfte entlang der geneigten Rissflächen. Dadurch wird der kritische Rundschnitt nach außen verlagert.

Die Bemessung erfolgt spannungsbasiert über die Schubspannung am kritischen Umfang:

Innerhalb der schubbewehrten Zone ergibt sich der Widerstand aus der Überlagerung eines reduzierten Betonanteils und des Stahlbeitrags der nachträglich installierten Verstärkungselemente.

Auch hier berücksichtigt der Faktor k_pi die Besonderheiten nachträglich installierter Systeme gegenüber einbetonierter Durchstanzbewehrung.

Wenn beide Versagensarten (Druckstrebenversagen und kombinierter Widerstand) ausgeschlossen werden sollen, ist der maßgebende Widerstand der kleinere der beiden Widerstände:

Der Widerstandsansatz berücksichtigt zwei potenzielle Versagensmechanismen:

• Druckstrebenversagen des Betons, beschrieben durch den Betonwiderstand 𝜏_Rd,c, begrenzt durch den normativen Faktor k_max sowie den systemspezifischen Reduktionsfaktor k_d,

• Versagen der nachträglich installierten Durchstanzbewehrung, erfasst über den kombinierten Widerstand 𝜏_Rd,cs,pi, der den reduzierten Betonanteil und den Stahlbeitrag der eingemörtelten Bewehrungselemente überlagert.

Mit diesem Ansatz wird sichergestellt, dass sowohl ein Betonversagen infolge begrenzter Druckstrebenkapazität als auch ein Versagen der nachträglich installierten Bewehrung zuverlässig ausgeschlossen werden.

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Systeme liegt nicht allein in der zusätzlichen Tragfähigkeit, sondern in der durchgängigen Systemlogik aus Bemessung, Zulassung, Ausführung und Nutzung.

Die Bemessung kann mit PROFIS Engineering geführt werden. Dadurch werden zulassungsrelevante Randbedingungen, Geometrien, Abstände, Einbausituationen und systemspezifische Faktoren unmittelbar in den Nachweis überführt. Für Fachplaner und Prüfingenieure entsteht damit ein nachvollziehbarer und prüffähiger Bemessungsweg.

Gerade im Bestand ist dies wesentlich, da sich viele Verstärkungslösungen rechnerisch darstellen lassen, unter den realen Randbedingungen jedoch nicht reproduzierbar ausführen lassen.

Inspektionsfreiheit als Vorteil in der Nutzungsphase

Für die Verstärkungselemente stehen sowohl galvanisch verzinkte Ausführungen als auch Elemente aus A4-Edelstahl zur Verfügung. Dadurch kann das Verstärkungssystem an die jeweilige Expositionsklasse, Nutzungsdauer und Dauerhaftigkeitsanforderung des Bestandsbauwerks angepasst werden.

Gerade bei Infrastruktur- und Bestandsbauwerken ist dies relevant, da bestimmte außenliegende Verstärkungssysteme zusätzliche Korrosionsschutzmaßnahmen, Beschichtungen oder wiederkehrende Inspektions- und Instandhaltungsmaßnahmen erforderlich machen können. Durch die Verwendung korrosionsbeständiger Verstärkungselemente aus A4-Edelstahl lassen sich solche zusätzlichen Schutz- und Überwachungskonzepte in vielen Anwendungen vermeiden.

Für Fachplaner bedeutet dies, dass Dauerhaftigkeit, Nutzungsphase und spätere Erhaltungsaufwände bereits bei der Wahl des Verstärkungssystems berücksichtigt werden können und nicht erst nachgelagert über zusätzliche Schutzmaßnahmen gelöst werden müssen.

Fazit

Nachträgliche Querkraft- und Durchstanzverstärkungen im Bestand funktionieren nur dann zuverlässig, wenn Tragmodell, Bemessung, Detaillierung und Ausführung als zusammenhängendes System betrachtet werden.

Die wesentliche Herausforderung liegt dabei nicht allein in der rechnerischen Tragfähigkeit, sondern in der sicheren Übertragung der Bemessungsannahmen in die reale Ausführungssituation des Bestands.

Die beschriebenen Hilti Systeme kombinieren:

• normbasierte Bemessung nach Eurocode 2

• versuchsbasierte Systemkalibrierung

• definierte zulässige Installationstoleranzen

• variable Bemessung über den Druckstrebenwinkel

• digitale Bemessung mit PROFIS Engineering

• reproduzierbare Ausführungstechnik

• inspektionsfreie Nutzung im Betrieb

Gerade für Fachplaner und Prüfingenieure entsteht dadurch ein konsistenter Ansatz aus Tragmodell, Zulassung und Ausführung. Die Qualität der Verstärkungsmaßnahme misst sich damit nicht an der maximalen rechnerischen Ausnutzung, sondern an der Sicherheit, mit der die Lösung unter realen Randbedingungen geplant, ausgeführt und geprüft werden kann.

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