Thermische Vorspannung nachträglich ergänzter Bewehrung – experimentelle Umsetzung an Balken

Im Beitrag wird ein Verfahren zur eigengewichtswirksamen Biegeverstärkung statisch bestimmter Stahlbetontragwerke mittels thermisch vorgespannter Zusatzbewehrung vorgestellt. Die in die Zugzone eingeschlitzten und in ein Verfüllmaterial eingebetteten Stäbe werden hierbei gezielt von außen temperiert und damit thermisch gedehnt. Nach dem Stoppen der Wärmezufuhr und dem damit verbundenen Abkühlen verhindert die Verbundwirkung mit dem zwischenzeitlich erhärteten Verfüllmaterial die Rückverformung der Stäbe. Die daraus resultierende Vorspannkraft wirkt der Belastung aus dem Eigengewicht entgegen und entlastet den Bestandsquerschnitt. Damit sind die ergänzten Stäbe für das Eigengewicht wirksam. Der Beitrag zeigt die experimentelle Umsetzung der Verstärkungsmethode an unbelasteten Balken mit messtechnischer Erfassung der Vorspannwirkung sowie Validierung eines für die Verstärkungsmethode hergeleiteten analytischen Berechnungsmodells. Konkurrierend werden Schlitzbreiten von 8 cm und 10 cm bei ansonsten gleichen Randbedingungen untersucht. Zudem werden die wesentlichen Einflussgrößen auf die Wirksamkeit der thermischen Vorspannung diskutiert. Die Ergebnisse zeigen die Umsetzbarkeit der thermischen Vorspannung nachträglich ergänzter Bewehrungsstäbe. Es wird eine Vordehnung der ergänzten Stäbe von ca. 0,5 ‰ erreicht. Die gemessene Vorspannwirkung übersteigt dabei sogar das Ergebnis analytischer Berechnungen. Dies ist auf eine zusätzliche Vorspannwirkung des ebenfalls thermisch gedehnten Verfüllmaterials zurückzuführen. Mit größerer Schlitzbreite und damit einer größeren temperierten Fläche reduziert sich infolge des Durchwärmens des Initialquerschnitts die Wirksamkeit der Verstärkung. Zudem reduziert Verbundkriechen die Vorspannwirkung, während das Schwinden des Verfüllmaterials diese sogar steigen lässt.

Conventional strengthening measures for load‐bearing structures are usually not effective for the self‐weight. This paper presents a self‐weight‐effective strengthening method for reinforced concrete structures subjected to bending using additional thermally prestressed reinforcement. Reinforcing bars, slotted into the tensile zone and embedded into filler material, are tempered from the outside and thus thermally expanded. If the heat supply is stopped, the bond with the filler material, which is hardened in the meantime, prevents the bars from deforming when cooling. The hereby induced prestress counteracts the self‐weight and relieves the structure. This makes such supplemental reinforcement effective for the self‐weight. The paper shows an experimental implementation of this strengthening method on unloaded beams, measures and quantifies the prestress induced, and validates an analytic computational model derived for the strengthening method. Slot widths of 8 and 10 cm are examined competitively under otherwise identical conditions. Moreover, the most influential factors of effectiveness of thermal prestressing are discussed. The results prove the general feasibility of structural strengthening by thermal prestressing of supplemental reinforcement. By the method, the bars are pre‐strained by approx. 0.5 ‰ which is even better than analytically predicted. This is attributed to an additional prestressing effect of the thermally expanded filler material. With the slot width the tempered area rises, but the effectiveness of strengthening is reduced by heating the entire cross‐section. On top, creeping of the bond impairs the prestress, too, while shrinkage of the filler material increases it vice versa.