Tragverhalten und Bemessung von eingemörtelten Bewehrungsstäben

Abstract

Bewehrungsanschlüsse werden in der Praxis immer häufiger mit eingemörtelten Bewehrungsstäben ausgeführt. Die Bemessung und konstruktive Durchbildung dieser Anschlüsse erfolgt im Allgemeinen auf der Basis von Herstellerangaben. Die so ermittelten Verankerungs- und Übergreifungslängen unterschreiten sich zum Teil deutlich von den nach den gängigen Stahlbetonnormen geforderten Werte für einbetonierte Bewehrungsstäbe. Zur Klärung des Tragverhaltens von eingemörtelten gerippten Bewehrungsstäben wurden eine große Anzahl von Auszugsversuchen an Einzelstäben und Versuche mit Übergreifungsstößen in Balken und Platten unter Momentenbelastung sowie Versuche an Übergreifungsstößen in Körpern unter Zugbelastung durchgeführt. Variiert wurden dabei die geometrischen und klimatischen Randbedingungen, die Art der Installation sowie der verwendete Verbundmörtel. Zum Vergleich wurde das Tragverhalten von einbetonierten gerippten Bewehrungsstäben untersucht. Zudem wurden numerische Simulationen von Verankerungen und Übergreifungsstößen von eingemörtelten und einbetonierten Stäben mit unterschiedlichen Verbundeigenschaften durchgeführt. Die Versuche zeigen, dass eine Vielzahl von Faktoren das Tragverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben beeinflussen. Der Einfluss dieser Faktoren auf das Tragverhalten ist abhängig von der Art des Systems. Je nach verwendetem Verbundmörtelprodukt und Anwendungsbedingungen können mit den eingemörtelten Bewehrungsstäben höhere, aber auch niedrigere Verbundfestigkeiten übertragen werden als mit einbetonierten Bewehrungsstäben. Dies gilt im Fall von hochfesten Systemen aber nur für Verankerungen mit großer Betondeckung und bei der Versagensart Herausziehen. Bei Verankerungen und Übergreifungsstößen mit kleiner Betondeckung ist die Zugfestigkeit der Betondeckung maßgeblich und die Versagensart Spalten tritt auf. Mögliche höhere übertragbare Verbundfestigkeiten der eingemörtelten Stäbe können in diesem Fall nicht genutzt werden. Gewährleistet das verwendete Verbundmörtelsystem ein etwa gleiches oder höherfestes Verbundverhalten wie ein einbetonierter Stab, so verhalten sich die nachträglich eingemörtelten Bewehrungsstäbe mit kleiner Betondeckung vergleichbar wie einbetonierte Bewehrungsstäbe. Weist demgegenüber der eingemörtelte Stab ein weicheres Verhalten auf bzw. löst sich der Verbund zwischen Mörtel und Beton schon bei niedriger Belastung, kann auch das Spaltversagen bei Anschlüssen mit kleiner Betondeckung bei niedriger Belastung auftreten wie bei einbetonierten Stäben, obwohl die Verbundfestigkeit des Systems noch nicht erreicht sein muss. Die numerischen Simulationen zeigen, dass die Duktilität des Verbundes maßgeblich das Tragverhalten von Verankerungen und Übergreifungsstößen mit großen Verbundlängen beeinflusst. Je nach Sprödigkeit des Verbundes kann nur ein bestimmter Anteil der Verbundfläche zu einem Zeitpunkt aktiviert werden. Dies führt je nach Verbundeigenschaften zu einer unterschiedlichen Abminderung der mittleren Verbundfestigkeit bei Stäben mit großer Verankerungslänge im Vergleich zu den bei kurzer Verankerungslänge erzielten Werten. Auf der Grundlage der durchgeführten Untersuchungen wurden ein Bemessungskonzept und ein vereinfachtes Bemessungskonzept für eingemörtelte Bewehrungsstäbe entwickelt. Vorausgesetzt für die Bemessungskonzepte ist, dass die Verbundspannungs-Verschiebungskurve von den eingemörtelten Stäben mit großer Betondeckung und der Versagensart Herausziehen gleichartig oder oberhalb derer von einbetonierten Bewehrungsstäben verlaufen, wobei die Streuung, gerissener Beton, klimatische Einflussfaktoren sowie der Einfluss der Installation berücksichtigt werden müssen. Zudem ist die Dauerhaftigkeit des Systems sowie der Korrosionsschutz der eingemörtelten Bewehrungsstäbe zu gewährleisten. Bei beiden Bemessungsverfahren sind aus bohrtechnischen Gründen (keine Schädigung des Betons beim Bohren) Mindestwerte für die Betondeckung bzw. den Achsabstand der eingemörtelten Bewehrungsstäbe einzuhalten. Das allgemeine Bemessungskonzept unterscheidet zwischen der Versagensart Spalten und der Versagensart Herausziehen. Maßgeblich ist die Versagensart, die den kleinsten Bemessungswiderstand bzw. die größte Übergreifungslänge ergibt. Berücksichtigt werden dabei die tatsächlichen geometrischen Randbedingungen sowie die tatsächliche Verbundfestigkeit des verwendeten Verbundmörtelsystems. Das vereinfachte Bemessungskonzept sieht vor, dass die eingemörtelten Bewehrungsstäbe entsprechend der Regeln der jeweils gültigen Stahlbetonnorm für gerade einbetonierte Bewehrungsstäbe konstruktiv ausgeführt und bemessen werden sollen. Kriterien zur Bewertung der Eignung und Leistungsfähigkeit von Verbundmörtelsystemen sowie Anforderungen an die Anwendungstechnik und Schulung der Monteure wurden erarbeitet und sind in der Arbeit aufgeführt.

In practice an increasing number of connections between concrete elements are formed by bonding reinforcing bars with an adhesive mortar in holes drilled into existing concrete. The design and construction of these connections is commonly performed on the basis of manufacturers recommendations. In many cases the recommended anchorage and splice lengths are much shorter than the values for cast-in-place rebars in the codes for reinforced concrete. To investigate the behavior of bonded post-installed deformed rebars, a large number of single pullout tests and tests with spliced rebars in slabs and beams under bending moment, as well as in specimens under tensile loading, were performed. The geometrical and climatic conditions, the installation procedure as well as the mortar system were varied. For comparison, tests with cast-in-place deformed rebars were performed. Furthermore numerical simulations of anchorages and splices of post-installed and cast-in-place rebars were run. The experiments show that a large number of factors influence the behavior of post-installed rebars. The influence of these factors on the behavior of post-installed bonded rebars is dependent on the type of system used. Depending on the applied mortar system and the conditions of use post-installed rebars can provide a higher or lower bond strength compared to cast-in-place rebars. In the case of high strength mortar systems this conclusion is only valid for anchorages with large concrete cover and for the pullout failure mode. For rebar connections with small concrete cover and splitting failure mode, the tensile capacity of the concrete cover becomes decisive. The potentially larger bond strength of the post-installed rebar can not be utilized in this case. For applications where the rebar is located close to an edge and where splitting failure is expected, systems that provide a similar of stiffer bond behavior relative to cast-in-place rebars will behave comparably to cast-in-place rebars. On the other hand if the post-installed rebars have a relative soft bond behavior and consequently a loss of adhesion between mortar and concrete at low load levels, the splitting failure for applications with small concrete cover can occur at lower loading compared to cast-in-place rebars, even though the bond strength of the system need not be reached. The numerical simulations show that the ductility of the bond decisively influences the behavior of anchorages and splices with large bond lengths. Depending on the brittleness of the bond, a certain bond area can be activated at one time. Depending on the bond behavior this can cause a reduction of the average bond strength of rebars with large bond lengths compared to rebars with small bond lengths. Based on the investigations a design concept and a simplified design concept were developed. The design concepts require that the bond stress – displacement curve of the post-installed bonded rebars with large concrete cover and pullout failure mode is comparable to or lies above the curve of cast-in-place rebars, taking into account the scatter of the results, cracked concrete, climatic and installation influencing factors. The design concrete strength has to be limited depending on the type of mortar. Furthermore the durability of the system as well as the corrosion protection of the rebars have to be guarantied. To ensure safe installation the jobsite personnel has to be properly qualified. In both design concepts the minimum concrete cover and minimum bar spacing of the post-installed rebars have to be defined to ensure no damage of the concrete cover during the drilling process. Special precautions have to be taken for fire safety. In the design concept the minimum design resistance, or alternatively the maximum anchorage/splice length, is decisive and is differentiated for the failure mode pullout and splitting. The exact bond capacity of the system and the exact geometric constraints are considered. In the simplified concept, design can be performed on the basis of the codes for reinforced concrete using the provisions for straight cast-in-place rebars with the aforementioned considerations. Criteria to assess the suitability and the capacity of the mortar systems, the requirements of the installation tools as well as the qualification of the jobsite personnel were worked out and are presented.