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Studienleistung zum Thema Spaltzugfestigkeit...

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Handout: Spaltzugfestigkeit WS 20/21 | Bauschäden und Bauwerksanalyse | Institut für Werkstoffe im Bauwesen Abgabedatum: 17.11.2021

1 Einleitung Der Spaltzugversuch wurde erstmals von Carneiro in Brasilien und von Akazawa in Japan unabhängig voneinander vorgestellt. Heutzutage wird der Versuch in der DIN EN 12390 – 6 geregelt, die Norm für „Prüfung von Festbeton“, wobei Teil 6 speziell den Spaltzugversuch beschreibt. Der Spaltzugversuch dient der Ermittlung der Spaltzugfestigkeit fct,sp. Anhand dieser lässt sich nach Gleichung 1 die einaxiale Zugfestigkeit leicht ermitteln. Diese Umrechnung findet sich in der DIN 1045-1, der Norm für Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton Teil 1: Bemessung und Konstruktion. fct = 0,9 * fct,sp mit: fct: fct,sp:

Gl. 11

einaxiale Zugfestigkeit Spaltzugfestigkeit

Die einaxiale Zugfestigkeit des Betons findet wiederum Einzug in diverse elementare Nachweise wie den Nachweis zur Begrenzung der Rissbreite, den Nachweis der Mindestabdeckung der Bewehrung oder den Nachweis der Querkrafttragfähigkeit, um nur einige zu nennen. Direkt zu ermitteln ist die einaxiale Zugfestigkeit nur in komplexen Zugversuchen, weshalb die indirekte Ermittlung durch den Spaltzugversuch viel Aufwand einspart. Darüber hinaus können ebenfalls Werte der Druckfestigkeit und der Biegezugfestigkeit aus der Spaltzugfestigkeit abgeschätzt werden, wie in Gleichung 2 und 3 dargestellt.

mit: fct,fl: fc: fct,sp:

fct,fl = 1,7 * fct,sp

Gl. 22

fc = 8 bis 15 * fct,sp

Gl. 33

Biegezugfestigkeit Druckfestigkeit Spaltzugfestigkeit

2 Theorie 2.1 Geometrie des Prüfkörpers Prinzipiell eignen sich als Geometrie sowohl Würfel, Prismen oder Zylinder für den Prüfkörper. Allerdings haben diese signifikante Auswirkungen auf die Spaltzugfestigkeit bei gleichem Beton. So haben Würfel eine ca. 10 % größere Spaltzugfestigkeit als Zylinder bei gleichem Material. Innerhalb der Würfelgeometrie spielt die Kantenlänge ebenfalls eine bedeutende Rolle. So hat beispielsweise ein Würfel mit einer Kantenlänge a = 150 mm eine kleinere Spaltzugfestigkeit als ein Würfel mit einer Kantenlänge von a = 100 mm.4

1

DIN 1045-1 https://www.betontechnische-daten.de/de/11-2-12-zusammenhang-zwischen-druck-biegezug-spaltzug-und-zugfestigkeit (07.11.20) 3 Ebd. 4 DIN EN 12390-6 2

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𝐿

Bei der Geometrie eines Zylinders ist darauf zu achten, dass das Verhältnis 𝐷 ≥ 1 nicht überschritten wird. Ansonsten haben die Maße keinen signifikanten Einfluss auf die Spaltzugfestigkeit. In Deutschland ist nach Norm inzwischen der Zylinder als Probekörper vorgeschrieben. Da die anderen Formen noch in anderen Ländern Anwendung finden ist ihre Anwendung in einem normativen Anhang weiter aufgeführt. Werden keine anderen Angaben zum Alter des Prüfkörpers, soll das Alter 28 Tage betragen.

2.2 Versuchsdurchführung Die Versuchsapparatur des Spaltzugversuchs besteht aus 2 Druckplatten, einem Prüfkörper und 2 Lastverteilungsstreifen, die jeweils zwischen den Druckplatten und Prüfkörper eingelegt werden. Der Aufbau ist in Abbildung 2 dargestellt. Zur Prüfung der Spaltzugfestigkeit nach DIN EN 12390-6 wird der Prüfkörper mittels einer Zentriervorrichtung, wie in Abbildung 2 zu sehen, in die Prüfmaschine eingelegt. So ist eine spätere zentrische Belastung gewährleistet und die Festigkeit des Prüfzylinders sichergestellt. Nach dem Einlegen kann der Prüfkörper auf einem schmalen Streifen mit einer Druckkraft belastet werden, wie in Abbildung 1 vereinfacht dargestellt ist. Der Druck erzeugt eine orthogonale Zugkraft im Zylinder. Die Belastungsgeschwindigkeit ist konstant zu halten und darf nach Norm zwischen 0,04 und 0,06 MPa/s liegen. Die Kraft wird so lange gesteigert, bis das Versagen des Zylinders eintritt. Dies ist demnach eine zerstörende Analysemethode, bei der der Prüfkörper bis zu seinem Grenzzustand und darüber hinaus belastet wird und am Ende unter der Last zerbricht. Aus der gemessenen maximalen Druckkraft und der Geometrie des Zylinders lässt sich die Spaltzugkraft im Grenzfall berechnen.

Abbildung 1: Prinzip-Skizze: Prüfung der Spaltzugfestigkeit am Zylinder5

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Spaltzugversuchs

2.3 Schadensmechanismus im Grenzzustand Was aber passiert genau innerhalb des Zylinders bei diesem Versuch? Im Versuchsablauf wurde beschrieben, wie Platten auf einen Körper drücken. Trotzdem dient der Versuch der Bestimmung der Spaltzugfestigkeit. Um dies genauer zu erklären, soll der Spannungszustand im Querschnitt eines zylindrischen Probekörpers, in Abbildung 3, betrachtet werden. Das Diagramm zeigt die Spannungsverteilung in Abhängigkeit der Breite des Lasteinleitungsstreifens. Spannungen linksseitig der y-Achse belasten den Querschnitt auf Zug, Werte rechtsseitig der Achse belasten den Querschnitt auf Druck. Bei einer Streifenbreite von s=0*d 5

https://www.beton.wiki/index.php?title=Spaltzugfestigkeit (07.11.20)

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(also kein Streifen vorhanden) ist die Belastung des Querschnitts ausschließlich Druck. Bei Hinzufügen eines Lasteinleitungsstreifens verschieben sich die Querschnittsspannungen in Richtung Zug. Bei einem Streifenverhältnis von s=0,1*d ist zu sehen, dass, mit Ausnahme die direkten Lasteinleitungszonen, der gesamte Querschnitt einer Zugspannung ausgesetzt wird. Steigert man die Auflast P bis zum Grenzzustand, so wird der Querschnitt demnach auf Zug versagen.

Abbildung 3: Spannungszustand bei einem Spaltzugversuch6

Die Spaltzugprüfung ist nur für Stoffe geeignet mit einem Verhältnis der Druckfestigkeit zu Zugfestigkeit ≥ 10:1 7 um einen zweiachsigen Spannungszustand wie in Abbildung 3 gezeigt, erreichen zu können. Dies trifft bei Beton zu, weshalb der Spaltzugversuch als gute Abschätzung der Zugfestigkeit des Betons dienen kann. Die Versagensart des Prüfkörpers hängt also signifikant von dem Vorhandensein und der Breite des Lastverteilungsstreifens ab. Man unterscheidet, wie in Abbildung 4 dargestellt, insgesamt 3 verschiedene Versagensmechanismen des Spaltzugversuchs:

Abbildung 4: mögliche Versagensbilder bei unterschiedlicher Ausführung der Lasteinleitungsstreifen8

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Justus Bonzel: Über die Spaltzugfestigkeit des Betons Betontechnische Berichte über die Spaltzugfestigkeit von Beton 8 MITCHELL, N. B.: The indirect tension test for concrete 7

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a) den Druckbruch Liegen keine Lastverteilungsstreifen vor, so ist treten an den Lasteinleitungspunkten hohe Druckspannungen auf, welche zu einem Druckversagen des Betons führen. b) den Zugbruch Bei Verwendung von schmalen Streifen ist ein Versagen mit einem vertikal verlaufenden Trennriss, da die großen Druckspitzen durch die Belastung mittels der Lastverteilungsstreifen abgebaut werden können. c) den Schubbruch Breite Lastverteilungsstreifen haben unterhalb der Lasteinleitung große Schubspannungen zur Folge. Diese bewirken einen örtlichen keilförmigen Ausbruch, der durch einen sekundären Versagensmechanismus ausgelöst wird, nachdem sich der Trennriss im Probekörper ausgebildet hat.9 Aus der Bedeutung der Geometrie der Lasteinleitungsstreifen folgt ihre normative Regelung. So sieht die DIN EN 12390-6 als Material Hartfaserstreifen vor mit Abmessungen von: -

Dicke t = 4 ± 1 mm Breite a = 15 ± 1 mm

-

Dichte ≥ 900 kg/m³

2.4 Ungenauigkeiten in der Abschätzung der Zugfestigkeit Auch wenn die Abschätzung der Zugfestigkeit mit der Spaltzugfestigkeit nach Gleichung 1 normativ geregelt ist, ist es trotzdem wichtig darauf hinzuweisen, dass der Faktor 0,9 keinesfalls ein konstanter Faktor ist. Er repräsentiert lediglich eine ausreichend gute Näherung. Den Zusammenhang der zugfestigkeit zu Spaltzugfestigkeit untersuchten unter anderem Kalthoff et al. Sie betrachteten Prüfkörper unterschiedlicher Formen und Betonalter. Diese nahmen sie als Grundlage für Zugversuche und Spaltzugversuche. In Abbildung 5 sind ihre Ergebnisse aufgeführt. Abbildung 5: Verhältnis von mittlerer zentrischen Zugund Spaltzugfestigkeit für Normalbeton10

Das Verhältnis der Zugfestigkeit zur Spaltzugfestigkeit schwankt in ihren Ergebnissen zwischen 1,0 und 0,6 für zylindrische Probekörper in Abhängigkeit des Alters des Betons. Erst mit zunehmendem Alter nähert es sich dem in der Norm vorgegebenen Faktor von 0,9. Es handelt sich also um einen dynamischen Faktor, der unter anderem vom Alter und von der Geometrie des Probekörpers abhängt.

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Malarics,  Viktor ia: Ermittlung der Betonzugfestigkeit aus dem Spaltzugversuch an zylindrischen Betonproben Kalthoff et al.: Einfluss der Prüfkörpergeometrie auf das Zugtragverhalten von zementgebundenen Betonen

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3 Versuchsauswertung 3.1 Prüfbericht Nach der Versuchsdurchführung nach DIN EN 12390-6 ist ein Prüfbericht zu erstellen. Dieser umfasst unter anderem die folgenden Punkte: -

Beschreibung Probekörper Feuchtebedingung des Prüfkörpers Bruchbild und Bruchart (falls ungewöhnlich) Spaltzugfestigkeit Abweichungen vom genormten Prüfverfahren Alter des Prüfkörpers Erscheinungsbild des Betons

3.2 Ermittlung der Spaltzugfestigkeit Gemäß DIN EN 12390 – 6 wird die Spaltzugfestigkeit in Megapascal nach der folgenden Formel bestimmt:

𝑓𝑐𝑡,𝑠𝑝 = mit: fct,sp: F L d

2 ∙ 𝐹𝑚𝑎𝑥 𝜋∙𝐿∙𝑑

Gl. 4

Spaltzugfestigkeit [MPa] Höchstlast [N] Länge der Kontaktlinie [mm] Durchmesser des Prüfkörpers [mm]

Die Spaltzugfestigkeit ist auf 0,05 MPa anzugeben.

3.3 Konformitätskontrolle Ist die Spaltzugfestigkeit nach Gl. 4 aus Versuchen bestimmt worden, muss in einem zweiten Schritt noch die Konformität nachgewiesen werden. Dies muss nach DIN EN 206 auf einer Reihe Prüfergebnisse basieren, die innerhalb eines gewissen Zeitraumes ermittelt wurden. Die Zeitraumspanne hängt von der Gesamtanzahl an Versuchen der Prüfeinrichtung ab: -

-

Niedrige Prüfhäufigkeit: Bei Prüfergebnissen von weniger als 35 in drei Monaten muss der Nachweiszeitraum mindestens 15 und höchstens 35 aufeinanderfolgende Ereignisse umfassen, alle innerhalb von 6 Monaten ermittelt. Hohe Prüfhäufigkeit: Bei Prüfergebnissen von mehr als 35 in drei Monaten muss der Nachweiszeitraum mindestens 15 aufeinanderfolgende Ereignisse umfassen, alle innerhalb von 3 Monaten ermittelt.

Zur Beurteilung der Konformität werden weiter zwei Kriterien benötigt: -

Kriterium 1: Reihen von n nicht überlappenden oder überlappenden aufeinanderfolgenden Prüfergebnissen fctm,sp Kriterium 2: jedes einzelne Prüfergebnis fcti,sp

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Tabelle 1: Konformitätskriterien für die Spaltzugfestigkeit nach DIN EN 206 Herstellung

Erstherstellung Stetige Herstellung

Anzahl n der Ergebnisse in der Reihe

3 Mindestens 15

Kriterium 1

Kriterium 2

Mittelwerte von n Ergebnissen (fctm,sp) N/mm² ≥ fctk,sp + 0,5 ≥ fctk,sp + 1,48 σ

Jedes einzelne Prüfergebnis (fcti,sp) N/mm² ≥ fctk,sp - 0,5 ≥ fctk,sp - 0,5

Die Übereinstimmung der Prüfcharge mit der charakteristischen Spaltzugfestigkeit fctk,sp kann angenommen werden, wenn die Prüfergebnisse beide Kriterien nach Tabelle 1 entsprechen.

3.4 Einflüsse auf die Spaltzugfestigkeit Die Spaltzugfestigkeit ist von zahlreichen Einflussgrößen abhängig. Diese lassen sich in drei verschiedene Kategorien einteilen. 11

3.4.1 Betontechnologische Einflüsse Die Spaltzugfestigkeit nimmt mit steigendem w/z-Wert etwa linear ab, jedoch etwas weniger als die Druckfestigkeit und etwas mehr als die Biegezugfestigkeit. Dies ist auf die höhere Kapillarporosität bei einem größeren w/z-Wert zurückzuführen. Bei einem Beton aus gebrochenem Zuschlag ist die Spaltzugfestigkeit etwa 10-20% größer als bei Kiessandbeton mit gleicher Druckfestigkeit. Zudem beeinflusst die Art und Oberflächenbeschaffenheit der Gesteinskörnung den Verbund zwischen Zementsteinmatrix und Gesteinskörnung. Je rauer die Oberfläche der Gesteinskörnung ausfällt, desto stärker ist die Verzahnung zwischen Gesteinskörnung und Zementstein. Dies führt zu einer Erhöhung der Spaltzugfestigkeit. Der Durchmesser des Größtkorns hat nur einen geringfügigen Einfluss auf die Spaltzugfestigkeit, allerdings beeinflusst dieser das Bruchbild. Der keilförmige Ausbruch vergrößert sich unter Zunahme des Größtkorns. Eine Austrocknung an der Oberfläche des Probekörpers könnte zu Mikrorissen führen und die Spaltzugfestigkeit des Betons negativ beeinflussen. Deshalb wird eine Nachbehandlung benötigt, um den jungen Beton vor vorzeitiger Austrocknung zu schützen. Trockene Probekörper weisen eine höhere Spaltzugfestigkeit auf als feuchte Probekörper. Das Versagen trockener Probekörper tritt jedoch schlagartig auf. Hohe Temperaturen beschleunigen die Erhärtung des Betons. Daher weisen Betone, die unter höheren Temperaturen erhärtet sind, im Prüfalter von 28 Tagen einen höheren Reifegrad auf. 12

3.4.2 Versuchsaufbau Einfluss auf die Spaltzugfestigkeit hat die Größe und Form des Probekörpers, sowie die Abmessungen und Material des Lastverteilungsstreifens (vgl. 2.1 und 2.3). Auch die Herstellung des Probekörpers hat einen Einfluss. Bei einem Vergleich von hergestellten Zylindern und Bohrkernen gleicher Abmessungen kam heraus, dass Bohrkerne geringfügig höhere Festigkeiten aufweisen.13

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Malarics, Viktoria: Ermittlung der Betonzugfestigkeit aus dem Spaltzugversuch an zylindrischen Betonproben Ebd. 13 Ebd. 12

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3.4.3 Zeitliche Einflüsse Die Zunahme der Spaltzugfestigkeit eines Betons im Alter von 7 bzw. 14 Tagen ist höher als die Zunahme der Druckfestigkeit. Ab einem Alter von 28 Tagen ist der Druckfestigkeitszuwachs im Vergleich zum Zuwachs der Spaltzugfestigkeit höher.14 Mit steigender Belastungsgeschwindigkeit kann eine Festigkeitszunahme auftreten. Deshalb wird die Belastung im Spaltzugversuch in DIN EN 12390 – 6 mit einer konstanten Versuchsgeschwindigkeit von 0,04 bis 0,06 N/(mm2s) vorgegeben.

4 Beurteilung des Schadensbilds Je nach Zusammensetzung des Betons kann das Schadensbild unterschiedlich ausfallen. In Abbildung 6 ist das Schadensbild eines normalfesten Betons dargestellt. Bei einem normalfesten Beton ist die Form des Trennrisses abhängig von der Anordnung der Gesteinskörnungen, da sich der Riss entlang der Verbundzone um die Gesteinskörnungen bildet. Im Gegensatz dazu breitet sich der Trennriss bei einem hochfesten Beton gerade durch den Probekörper aus, auch durch Gesteinskörnungen, da die Gesteinskörnungen und der Zementstein ähnliche Eigenschaften aufweisen. Das Schadensbild des hochfesten Betons ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 6: Normalfester Beton15

Abbildung 7: Hochfester Beton16

5 Literatur DIN EN 206: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität DIN EN 12390-1: Prüfung von Festbeton – Teil 1: Form, Maße und andere Anforderungen für Probekörper und Formen DIN EN 12390-6: Prüfung von Festbeton – Teil 6: Spaltzugfestigkeit von Probekörpern Justus Bonzel: Über die Spaltzugfestigkeit des Betons, Düsseldorf Kalthoff, Matthias & Gilleßen, Felix & Raupach, Michael & Schmidt, Simo & Kiesewetter-Marko, Caroline & Brecher, Christian. (2018). Einfluss der Prüfkörpergeometrie auf das Zugtragverhalten von zementgebundenen Betonen. Conference: 20. Internationale Baustofftagung IBAUSIL 2018At: Bauhaus-Universität Weimar. Malarics, Viktoria: Ermittlung der Betonzugfestigkeit aus dem Spaltzugversuch an zylindrischen Betonproben. Karlsruhe: KIT Scientific Publ., 2011 MITCHELL, N. B.: The indirect tension test for concrete. In: Journal of Materials Research and Standards (1961), Nr. Oct., S. 780-788

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Malarics, Viktoria: Ermittlung der Betonzugfestigkeit aus dem Spaltzugversuch an zylindrischen Betonproben Ebd. 16 Ebd. 15

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