Berechnungsmodell zur thermischen Vorspannung nachträglich ergänzter Bewehrung

Zentrale technische Einschränkung vieler Verstärkungsmaßnahmen ist, dass diese nicht für das Konstruktionseigengewicht wirksam sind. Zur Lösung wird für statisch bestimmte Tragwerke die gezielte Temperierung von in Schlitzen ergänzten Bewehrungsstäben vorgeschlagen. Ziel ist es, die Stäbe, die in ein Vergussmaterial eingebettet sind, thermisch vorzudehnen und somit an die Dehnung der Initialbewehrung anzugleichen. Die Verbundwirkung mit dem erhärteten Vergussmaterial verhindert nach dem Stoppen der Wärmezufuhr und dem damit verbundenen Abkühlen die Rückverformung der Stäbe. Dadurch entsteht eine Vorspannkraft, die dem Biegemoment aus dem Eigengewicht entgegenwirkt und die Zugzone des Bestandsquerschnitts entlastet. Im Beitrag wird ein analytisches Berechnungsmodell für das Verstärkungsverfahren vorgestellt und hergeleitet. Dieses wird anhand numerischer Berechnungen und in einer ersten experimentellen Umsetzung verifiziert. Die wesentlichen Einflussgrößen auf die Wirksamkeit der Verstärkung werden im Rahmen von Parameterstudien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die thermische Vorspannung von nachträglich ergänzten Bewehrungsstäben effektiv möglich ist und mit dem Berechnungsmodell die daraus resultierende Wirkung, je nach untersuchten Randbedingungen, mit einer Genauigkeit von 80 bis 97 % erfasst werden kann. Die Genauigkeit steigt mit zunehmender Querschnittshöhe, einer geringeren Ausgangstemperatur des Querschnitts sowie einer geringeren Wärmeleitfähigkeit des Betons im Initialquerschnitt.

Key technical limitation of many strengthening measures is that they are not effective for the structure‘s self‐weight. As a solution, a targeted tempering of reinforcing bars put into respective slots is proposed for statically determinate load‐bearing structures. The aim is to thermally pre‐stress the bars, which are embedded in a grouting material, and to balance their strain to that of the initial reinforcement. The bond with the grout prevents the bars from re‐forming when cooling after heating is stopped. This creates pre‐stress that neutralizes the bending moment from the self‐weight and relieves the tensile zone of the cross‐section. In the paper, an analytical calculation model for the strengthening approach is presented and derived. This is verified through numerical calculations and a first experimental realization. The main factors influencing the effectiveness of the strengthening measure are analyzed in parameter studies. The results show that the thermal pre‐stressing of subsequently added reinforcing bars is effectively possible. Depending on the actual boundary conditions, the calculation predicts the strengthening effect with an accuracy of 80–97 %. The accuracy increases with the height and a lower initial temperature and a lower thermal conductivity of the concrete in the initial cross‐section.