7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 351 Untersuchungen zum Tragverhalten der Verbundfugen bei Instandsetzungen von Betontragwerken Christian Knorrek Lehrstuhl und Institut für Massivbau, RWTH Aachen University, Deutschland Christian Dommes Lehrstuhl und Institut für Massivbau, RWTH Aachen University, Deutschland Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger Lehrstuhl und Institut für Massivbau, RWTH Aachen University, Deutschland Zusammenfassung Die Verstärkung von Bestandsbauwerken mit Querschnittsergänzungen aus bewehrtem Beton ist bereits heute sowohl im Hoch-, Brückenals auch im Industriebau von großer Bedeutung und wird in der Zukunft als Folge der steigenden Anforderungen an die Bestandsbauwerke weiter zunehmen [1][2][3]. Im Rahmen eines durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geförderten laufenden Forschungsvorhabens am Institut für Massivbau der RWTH Aachen soll durch neue systematische Versuchsserien ein Zusammenhang zwischen dem Verfahren zur Oberflächenbearbeitung des Altbetons, der Rauheit (gemessene Rautiefe), der Art der Betonergänzung und der Tragfähigkeit der Verbundfuge hergeleitet werden. Als Ergebnis sollen eine Datenbank und ein möglicher Praxisleitfaden zur Tragfähigkeit verschiedener Kombinationen aus Altbeton, Oberflächenbearbeitung, Ergänzungsbetonschichten und Verbundmitteln erarbeitet werden. In diesem Beitrag sollen die ersten Erkenntnisse aus diesem Forschungsprojekt vorgestellt werden. 1. Einleitung Die Altersstruktur von Bestandsbauwerken hat in Verbindung mit den größeren Beanspruchungen sowie durch verschobene Erhaltungsinvestitionen aus der Vergangenheit dazu geführt, dass sich der bewertete Zustand vieler Bauwerke und deren Tragsystemen in den letzten Jahren deutlich verschlechtert hat. Aus zeitlichen und wirtschaftlichen Gründen sind aufwändige Sanierungsarbeiten oder Ersatzneubauten für Bauwerke mit zu geringer Tragfähigkeit nicht immer sofort umsetzungsfähig, sodass die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Bestandsbauwerken durch nachträgliche Instandsetzungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen sichergestellt werden müssen [3]. Die Verstärkung von Betontragwerken kann z.B. durch Anordnung einer zusätzlichen Bewehrung in Ergänzungsschichten oder durch eine Vergrößerung des Betonquerschnitts umgesetzt werden. Zu den in der Baupraxis etablierten Verstärkungsmaßnahmen zählen insbesondere horizontale Ergänzungsbetonschichten auf Platten, vertikale Ergänzungen bei Stützen und Wänden sowie Querschnittsergänzungen an geneigten Flächen mit Beton [4][5][6][7]. Bei nachträglich aufgebrachten Betonschichten entstehen zwischen der Altbetonoberfläche und der Ergänzungsbetonschicht Verbundfugen, über die eine kraft-schlüssige Verbindung der Betonschichten sichergestellt werden muss (quasimonolithischer Verbund). Die Bemessung und Ausführung der Verbundfugen sind in DIN EN 1992- 1-1 [8] (EC2) und dem Nationalen Anhang für Deutschland [9] (NA(D)) geregelt. Danach wird die Kraftübertragung in der Fuge durch Adhäsion, Reibung und eine Verbundfugenbewehrung sichergestellt. Dabei hat die Oberflächenstruktur des Altbetons einen maßgeblichen Einfluss auf die Tragfähigkeit der Verbundfuge. Die Klassifizierung der Fugenqualität erfolgt in der Baupraxis über die Art der Fugenausbildung bzw. -herstellung und die dabei erreichte Rauheit der Betonoberfläche. Die Rauheit wird über die mittlere Rautiefe definiert und in der Regel durch das Sandflächenverfahren nach Kaufmann bestimmt [10] Nachteile des Sandflächenverfahrens liegen in den dabei auftretenden großen Streuungen sowie der Beschränkung auf die Anwendung bei horizontalen Oberflächen. Deshalb werden aktuell alternative optische Verfahren auf Basis von z.B. Photogrammetrie und Lasertriangulation entwickelt [11][12]. Die baupraktische Anwendbarkeit dieser Verfahren zur 352 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Untersuchungen zum Tragverhalten der Verbundfugen bei Instandsetzungen von Betontragwerken Beurteilung der Oberflächenrauheit steht noch aus und ist durch systematische Rauheitsmessungen mit diesen Messsystemen und der anschließenden Untersuchung der Verbund- und Haftzugfestigkeit in der Verbundfuge nach dem Aufbringen der Ergänzungsschicht zu überprüfen und zu bewerten. Eine Standardisierung des Zusammenhangs zwischen Fugenrauheit sowie Verbund- und Haftzugfestigkeit ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Beurteilung der Oberflächenrauheit von Bestandsbauteilen. Zur Untersuchung der Tragfähigkeit von Verbundfugen in Abhängigkeit der Fugenrauheit sind in der Literatur (z.B.: [13][14][15][16][17]) verschiedene Versuchsserien unter Biege- und Schubbelastung dokumentiert. Dabei wurde entweder die Schubtragfähigkeit der Verbundfuge unter reiner Schubspannung sowie kombinierter Schub- und Normalspannung untersucht oder es wurden Spaltzug-, Haftzug- und Balkenversuche durchgeführt. 2. Stand der Forschung und Entwicklung 2.1 Verbundfugen bei Bauwerksverstärkung durch Betonergänzung Die Tragfähigkeit von Bestandsbauwerken kann durch das Aufbringen von Verstärkungsschichten aus Beton mit und ohne Bewehrungen gesteigert werden. Dabei wird die Biegetragfähigkeit durch Druckzonenergänzungen mit horizontalen Aufbetonschichten parallel zur Bauteilachse oder zusätzlicher Bewehrung in Ergänzungsschichten sowie die Querkrafttragfähigkeit mit vertikalen bzw. geneigten Ergänzungsschichten am Steg vergrößert [4][5][6] (Bild 1). Auch Stützenverstärkungen zur Steigerung der Axial- und Biegetragfähigkeit werden ausgeführt [7]. Für die Verstärkungsschicht können Normalbetone mit Festigkeiten des zu ertüchtigenden Bauwerks oder hochfeste bzw. ultrahochfeste Betone verwendet werden. Mit dem Einsatz von ultrahochfesten Betonen (UHPC) wird zum einen eine bessere Dauerhaftigkeit und zum anderen wegen der dünneren Schichtdicken eine effizientere Tragfähigkeitssteigerung erzielt, da die zusätzliche Belastung aus Eigengewicht gering bleibt [18]. Bild 1: Nachträgliche Betonquerschnittsergänzungen Zur Übertragung von Schubkräften in der Fuge ist eine ausreichend aufgeraute Fugenoberfläche erforderlich (Bild 2). Verbundmittel (z.B. eingeklebte / eingemörtelte gerade Stäbe oder Winkelhaken) vergrößern die Tragfähigkeit der Verbundfuge und können Beanspruchungen wie kleine Schubkräfte aus differenziellem Schwinden in den Randbereichen und wechselnden Temperaturgradienten aufnehmen (Bild 3). Bild 2: Aufgeraute Betonoberfläche eines Brückenoberbaus [19] Bild 3: Aufgeraute Betonoberfläche mit gestaffelt angeordneten Verbundankern [19] 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 353 Untersuchungen zum Tragverhalten der Verbundfugen bei Instandsetzungen von Betontragwerken Baupraktisch übliche Verfahren zum Aufrauen der Altbetonoberfläche sind dabei beispielsweise das Stemmen und das Wasser- oder Trockenstrahlen [5]. Weitere Oberflächenbearbeitungsverfahren (z.B. Frä-sen oder Flammstrahlen) und deren Anwendungsbereiche werden in [20] beschrieben. Das Stemmen stellt für großflächigen Verstärkungsmaßnahmen eine unwirtschaftliche Methode dar, wenn eine gleichmäßige Oberfläche notwendig ist [5]. Bei einer Oberflächenbehandlung mit dem Druckwasserstrahlen wird zwischen Niederdruck-, Hochdruck- und Höchstdruckwasserstrahlen unterschieden [21]. Das Niederdruckwasserstrahlen dient zur Entfernung von Verunreinigungen und ist zur Oberflächenbehandlung für Betonergänzungen nicht oder nur bedingt geeignet. Beim Hochdruckwasserstrahlen wird die Altbetonoberfläche mit einem Druck von bis zu 700 bar bearbeitet und Kiesnester oder am Beton haftende Rückstände entfernt. Das Höchstdruckwasserstrahlen raut die Betonoberfläche mit einem Druck von bis zu 2000 bar auf und eignet sich zum Abtragen von geschädigtem Beton, zum Freilegen der Bewehrung sowie zum Entfernen von Rostschichten an freiliegender Bewehrung [5]. Beim Feststoffstrahlen werden zum Aufrauen unterschiedlicher Oberflächen verschiedene Strahlmittelsysteme und -arten eingesetzt. Die baupraktisch üblichsten Verfahren zur Betonbearbeitung sind das Sandstrahlen und das Kugelstrahlen mit rundem und gebrochenem Korn [21]. Das Trockenstrahlen stellt dabei nach [5] das wirtschaftlichste Verfahren dar, da hierbei nur maximal 5 mm von der Altbetonoberfläche abgetragen werden. Im Allgemeinen wird mit zunehmendem Feststoffdurchmesser eine größere Rauheit der Oberfläche erzielt. Zudem erreichen scharfkantige Strahlmittel höhere Abtragsraten als kugelförmige Strahlmittel [21]. Bild 4: Traganteile der Verbundfuge [15] 2.2 Tragfähigkeit von Verbundfugen Die Beanspruchungen in einer Verbundfuge werden durch Traganteile aus Adhäsion, Reibung und der fugenkreuzenden Verbundbewehrung aufgenommen [13][14] [15][22][23] (Bild 3). Die Adhäsion beschreibt den Haftverbund und die mikromechanische Verzahnung zwischen den beiden Betonschichten. Der Traganteil der Reibung wird maßgeblich von der in der Verbundfuge übertragenen Drucknormalspannung und der Kornverzahnung der Rissufer beeinflusst. Für den Bewehrungstraganteil wird zwischen der durch die horizontale Rissuferverschiebung beeinflussten Querbelastung (Dübel-wirkung) und der Längszugbeanspruchung der Stäbe infolge Rissöffnung (Spannfedereffekt) unterschieden. Der maßgebliche Einflussfaktor aller Traganteile der Verbundfuge ist neben den Betoneigenschaften und der Fugenbewehrung die Rauheit der Altbetonoberfläche [23]. Für den Nachweis der Schubkraftübertragung über die Verbundfuge nach EC2+NA(D) [8] [9] werden die einwirkenden Schubspannungen v Ed aus der einwirkenden Querkraft V Ed über die Breite der Verbundfuge b und dem inneren Hebelarm z ermittelt (Gl. 1). v Ed = β∙V Ed / (b∙z) (Gl. 1) Hierbei beschreibt β das Verhältnis aus Normalkraft in der Betonergänzung und der Gesamtnormalkraft in der Druckbzw. Zugzone des betrachteten Querschnittes. Die aufnehmbare Schubspannung in der Verbundfuge v Rdi ergibt sich als Summe der Traganteile aus Adhäsion, Reibung und Bewehrung und ist über eine definierte Obergrenze der maximalen Spannungen in der Verbundfuge begrenzt (Gl. 2). 354 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Untersuchungen zum Tragverhalten der Verbundfugen bei Instandsetzungen von Betontragwerken (Gl. 2) Für die Beiwerte c, μ und ν werden in EC2+NA(D) [8] [9] die vier Oberflächenkategorien „sehr glatt“, „glatt“, „rau“ und „verzahnt“ definiert. Die Einteilung der Betonoberflächen in die Kategorien erfolgt abhängig von der Herstellung bzw. Bearbeitung der Oberfläche und durch die Festlegung der Rauheit z.B. über die mit dem Sandflächenverfahren nach Kaufmann [10] bestimmte mittlere Rautiefe R t . So wird nach [24] eine raue Fuge mit einer Rauheit von mindestens 3 mm (mittlere Rautiefe nach dem Sandflächenverfahren R t ≥ 1,5 mm) definiert, die durch einen Rechen mit Zinkenabstand von 40 mm, einem Freilegen der Gesteinskörnung oder anderen Verfahren erzeugt wurde. Für die Neufassung des EUROCODES 2 werden für den Nachweis der Verbundfuge auf europäischer Ebene zurzeit zwei Vorschläge diskutiert. Ein Vorschlag basiert auf dem aktuellen Ansatz nach EC2+NA(D) [8][9] und beschreibt die aufnehmbaren Fugenspannungen ebenfalls als Summe der Traganteile aus Adhäsion, Reibung und Bewehrung (Gl. 3-2). Auf die Begrenzung der maximalen Spannungen in der Fuge über eine definierte Obergrenze wird in diesem Vorschlag verzichtet. Unter zyklischer Belastung wird der Traganteil der Adhäsion auf c fat = 0,5∙c reduziert. Der zweite Vorschlag für die Neufassung des EC2 basiert auf dem Model nach MO-DEL CODE 2010 [25] und setzt sich ebenfalls aus den Traganteilen aus Adhäsion, Rissreibung und Schubbewehrung zusammen. Der Traganteil der Schubbewehrung wird dabei in einen Spannfedereffekt und eine Dübelwirkung aufgeteilt (Gl. 3) [26]. (Gl. 3) 2.3 Versuche zur Ermittlung der Verbundfestigkeit Zur Untersuchung der Tragfähigkeit von Verbundfugen sind in der Literatur verschiedene Versuchsmethoden beschrieben. Die zur Untersuchung der Schubtrag-fähigkeit von Verbundfugen etablierten Versuchsaufbauten sind in Bild 5 dargestellt. Da die Verbundfugentragfähigkeit sowohl von Versuchsaufbau und Versuchskörpergrößen als auch von der Belastungsart und -geschwindigkeit beeinflusst wird, ist ein Vergleich der dokumentierten Ergebnisse auch bei gleichem Versuchsaufbau nur selten möglich [27]. (a) Push-Out Test Im Push-Out-Test werden zwei Altbetonschichten mit einer mittigen Neubetonschicht ergänzt, sodass zwei Abscherflächen entstehen (Bild 5 (a)). Durch die Belastung parallel zur Fugenachse soll eine reine Schubbeanspruchung untersucht werden [13][14][17]. Der Versuchsaufbau ist zwar grundsätzlich so konzipiert, dass eine möglichst gleichmäßige Belastung der Schubfuge vorliegt. Tatsächlich ist nach [15] aber wegen der versetzten Lasteinleitungspunkte und der Querdehnungsbehinderung am Fußpunkt von einer ungleichmäßigen Verteilung der Schubbeanspruchungen auszugehen. Das Versagen wird in der Regel durch das Abscheren einer Verbundfuge eingeleitet. (b) Schubversuche/ Modifizierte Schubversuche Die Schubversuche gemäß Bild 5 (b, links) werden ebenfalls parallel zur Fuge beansprucht. Durch die Aufbringung von Normalspannungen senkrecht zur Fuge können verschiedene Verhältnisse von Schub- und Normalspannung untersucht werden [13][16]. Die versetzte Lasteinleitung der Betonschichten ruft aber zusätzliche Biegebeanspruchungen in der Fuge hervor. Der Schubversuchskörper mit Konsolen gemäß Bild 5 (b, rechts) ermöglicht eine zentrische Lasteinleitung [7]. Nachteilig sind der große Aufwand bei der Herstellung und der Einbau der Versuchskörper in die Prüfmaschine. Bild 5: Versuchsaufbau verschiedener Versuchskörper zur Untersuchung der Schubtragfähigkeit von Verbundfugen [27] 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 355 Untersuchungen zum Tragverhalten der Verbundfugen bei Instandsetzungen von Betontragwerken (c) Geneigte Schubversuche/ Modifizierte geneigte Schubversuche Schubversuche an Versuchskörpern mit geneigten Fugen gemäß Bild 5 (c) ermöglichen über die Neigung unter einer zentrischen Belastung ein konstantes Verhältnis zwischen Schub- und Normalspannung [13][17]. Da in Versuchskörpern mit großer Fugenfläche (Bild 5 (c, links)) das Versagen bei Ausbildung einer rauen Fugenoberfläche meist im Bereich der schwächeren Betonschicht eintritt, wird für ein Versagen in der Fuge die Fugenfläche durch Einkerbungen zwischen Alt- und Neubetonschicht reduziert (Bild 5 (c, rechts)) [17]. Die so ermittelten Haftverbundfestigkeiten sind etwa 2,5-fach größer als die Werte aus Push-Out-Tests. Ein konstanter Verlauf der Schubspannungen entlang der Fuge wird schon bei geringfügig exzentrische Lasteinleitung nicht mehr erreicht. Über die aus diesem Versuch indirekt abgeleitete Haftzugfestigkeit kann auf die Verbundfestigkeit geschlossen werden. 2.4 Verfahren zur Ermittlung der mittleren Rautiefe von Betonoberflächen Die Rauheit einer Betonoberfläche ist nicht eindeutig definiert und wird in Abhängigkeit des Anwendungsbereiches festgelegt. Im Allgemeinen werden dazu die Abweichungen der Ist-Oberfläche von einer geometrisch idealen Oberfläche betrachtet [25][28]. Im Bauwesen wird zur Beschreibung der Rauheit die mittlere Rautiefe R t verwendet, die in der Regel durch volumetrische Verfahren (z. B. das Sandflächenverfahren nach Kaufmann [10]) ermittelt wird. Alternative Verfahren, wie laserbasierte Messungen und photogrammetrische Verfahren, wurden von verschiedenen Forschern und Instituten bereits eingesetzt und zeigten vielversprechende Ergebnisse [11][12][13] Allerdings werden diese Verfahren aufgrund unzureichender Erfahrungen bisher nicht in den technischen Richtlinien als alternative Verfahren zum Sandflächenverfahren anerkannt. Sandflächenverfahren nach Kaufmann Das einfachste und überwiegend etablierte Verfahren zur Bestimmung der mittleren Rautiefe ist das Sandflächenverfahren nach Kaufmann [10]. Bei diesem Verfahren wird eine definierte Menge Sand einer bestimmten Körnung kegelförmig auf die zu beurteilende Oberfläche aufgebracht und mit einer Scheibe kreisförmig ausgebreitet bis der Sand vollständig verteilt ist (Bild 6 (a)). Aus dem gemittelten Durchmesser d, der in mindestens zwei Richtungen ausgemessenen Sandfläche und dem Sandvolumen V kann die mittlere Rautiefe R t ermittelt werden (Gl. 4): R t = V∙4/ (π∙d²) (Gl. 4) Das Verfahren wird zur Ermittlung der mittleren Rautiefe unter anderem in der ZTV-ING der Bundesanstalt für Straßenwesen [20], DIN EN 13036 1 zur Oberflächeneigenschaften von Straßen und Flugplätzen [29], DIN EN 1766 für Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken [30] und der DAfStb-Richtlinie: Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen [31] eingesetzt. Laserbasierte Messverfahren Das Verfahren der Lasertriangulation basiert auf einem Laserstrahl, der auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet wird. Ein lateral versetzter Detektor ist in der Lage die teilweise diffus reflektiertenden Laserstrahlen, die mittels optischer Linsen gebündelt werden, zu messen und Abstände über trigonometrische Zusammenhänge zu berechnen [12]. Aus diesen Abständen können dreidimensionale Koordinaten erstellt und abgespeichert werden. In [12] wurde bereits die Funktionsfähigkeit mit der Entwicklung eines Prototyps gezeigt (Bild 6 (b)). Die Messung erfolgte durch 10 Einzelmessungen, aus denen daraufhin ein linienförmiges Oberflächenprofil abgebildet und die Rautiefe R tLaser ermittelt wurde. Die so Bild 6: Verfahren zur Ermittlung der Rautiefe von Betonoberflächen 356 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Untersuchungen zum Tragverhalten der Verbundfugen bei Instandsetzungen von Betontragwerken ermittelten Rautiefen wurden den Ergebnissen der Sandflächenverfahren gegenübergestellt. Durch Vergleichsmessungen an unterschiedlichen Betonoberflächen konnte eine Beziehung zwischen der mittleren Rautiefe R t nach den Sandflächenverfahren (z.B.: [20][29][30] [31]) und der mit dem Lasermessgerät ermittelten Rautiefe R tLaser erstellt werden. Damit ist eine direkte Umrechnung der Ergebnisse aus dem Lasermessverfahren auf die Sandflächenverfahren möglich. Der Vorteil der Lasermessungen liegt in der hohen Reproduzierbarkeit bei Wiederholungsmessungen und der deutlich geringeren Streuung der Ergebnisse von 50 Prozent im Vergleich zum Sandflächenverfahren. Photogrammetrische Verfahren Die Photogrammetrie stellt neben der Lasertriangulation ein weiteres berührungsloses Messverfahren dar. Mit Hilfe eines mehrschnittigen Auswerteverfahrens kann eine dreidimensionale Abbildung einer Oberfläche erstellt werden. Dazu werden mit einer Kamera Bilder aus verschiedenen Perspektiven mit unveränderten Kamera- und Objektiveinstellungen aufgenommen. Durch die räumliche Orientierung der Aufnahmen wird über markante Bildpunkte eine dichte Punktwolke des Oberflächenprofils ermittelt [32]. Über eine Verdichtung der Punktwolke sowie die Bestimmung der 3D-Objektkoordinaten wird mit Hilfe einer Dreiecksvermaschung anschließend ein digitales Oberflächenmodell (DOM) erstellt (Bild 6 (c)). Aus diesem wird die mittlere Rautiefe der Oberfläche über die Berechnung einer ausgleichenden Ebene aus den Profilkoordinaten abgeleitet. Zur Kalibrierung des Verfahrens und der abgesicherten Anwendung für die Ermittlung der mittleren Rautiefe nach aktuellen Regelwerken sind Vergleichsmessungen an profilierten Betonoberflächen notwendig. 3. Forschungsvorhaben 3.1 Allgemeines Ziel des Forschungsvorhabens ist es, durch theoretische und experimentelle Untersuchungen einen Zusammenhang zwischen dem Verfahren zur Oberflächenbearbeitung des Altbetons, der Fugenrauheit, der Art der Betonergänzung und der Tragfähigkeit der Verbundfuge zu erarbeiten. Dazu werden Betonoberflächen nachträglich durch verschiedene Verfahren aufgeraut und die Rauheit durch volumetrische und optische Messverfahren bestimmt. Im Anschluss werden die Versuchskörper mit einer Ergänzungsschicht versehen, um anschließend die Verbund- und Haftzugfestigkeit der Verbundfuge zu untersuchen. Mit der Bereitstellung einer Datenbank zur Verbundfugentragfähigkeit und einer Datenbankauswertung zur Verbund- und Haftzugfestigkeit in Abhängigkeit des Altbetons, der Oberflächenbearbeitung, der mittleren Rautiefe, des Verbundmittels und des Ergänzungsbetons lassen sich Verstärkungen im Hoch-, Brücken- und Industriebau realistischer bewerten und wirtschaftlicher bemessen. Zudem liefert das Forschungsvorhaben einen wichtigen Beitrag zur Etablierung optischer Rauheitsmessverfahren für die zuverlässige Ermittlung der mittleren Rautiefe bei vertikalen Fugenflächen. 3.2 Datenbank Zur Untersuchung der Tragmechanismen von Verbundfugen zwischen Altbetonoberflächen und der Ergänzungsbetonschichten führten mehrere Forscher experimentelle Untersuchungen durch, um ein besseres Verständnis bestimmter Einflussfaktoren für verschiedene Belastungsmechanismen und deren Zusammenwirken in Verbundfugen zu erhalten. Für individuelle Untersuchungen der Tragwerksmechanismen (Adhäsion, Reibung und Verbundbewehrung) stellen Kleinkörperversuche eine gute und effiziente Methode dar, um die vielen unterschiedlichen Einflussparameter für die Verbundfugentragfähigkeit wie Oberflächenrauhigkeit, Betonfestigkeit, Alter und Zusammensetzung (z.B. Zuschlagstoffe), Verbundbewehrung (z.B. Form, Menge und Verankerung) sowie die aufgebrachte Last (unter Berücksichtigung von z.B. Normalspannung, Biegung und zyklischer Belastung) zu berücksichtigen. Bei Großversuchen an Balken- und Plattenkonstruktionen mit Verbundquerschnitten entsteht die Längsschubübertragung über eine Verbundfuge nicht durch eine reine Scherung, sondern durch Verbundwirkung verschiedener Tragwerksmechanismen. Aufgrund des Zusammenwirkens der verschiedenen Tragwerksmechanismen in den Großversuchen können daher die Verbundfestigkeit sowie die Rissentwicklung und die Spannungszustände von den Ergebnissen aus Kleinversuchen abweichen. Um einen vollständigen Überblick über vorhandene Versuchsergebnisse zu erhalten und um eine konsistente und kritisch überprüfbare Datenbasis für die Bewertung von Verbundfugenfestigkeiten zu gewährleisten, wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens eine umfassende Literaturrecherche zu Versuchsberichten von experimentellen Untersuchungen an Verbundfugen durchgeführt. Zur systematischen Bewertung der Verbundfugenfestigkeiten aus den Versuchsergebnissen aus der Literatur wurden die gesammelten Daten in Teildatenbanken unterteilt, um die unterschiedlichen Auswirkungen von Strukturverhalten, Tragmechanismen und Belastungsbedingungen zu untersuchen. Dazu wurden zwei Hauptdatenbanken entwickelt, die zwischen Kleinkörperversuchen und Großversuchen an Balken- und Plattenkonstruktionen unterscheiden. Unter Berücksichtigung der Belastungsbedingungen wurden die Hauptdatenbanken in Versuche mit statischer und zyklischer Belastung unterteilt. Um die Wirkung von Verbundbewehrung zu untersuchen, wurden die Datenbanken weiter in Proben ohne Verbundbewehrung und mit Verbundbewehrung unterteilt. Somit bildeten acht Teildatenbanken die Grundlage für 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 357 Untersuchungen zum Tragverhalten der Verbundfugen bei Instandsetzungen von Betontragwerken die Datenbankauswertung. Für jeden Versuch wurden die relevanten Versuchsparameter Geometrie, Verbundfugenbeschaffenheit, Materialparameter von Beton und Bewehrung sowie Traglast und Versagensbild bewertet. Da die gesammelten Versuchsberichte unterschiedliche Definitionen des Verbundflächenzustandes, Bestimmungen der Betonfestigkeit und Einheiten für Spannung und Abmessungen voraussetzen, wurden die Daten konvertiert, um eine einheitliche Bewertungsgrundlage zu erhalten. Darüber hinaus wurden Auswahlkriterien definiert, um die Anwendungsgrenzen der Datenbankauswertung für horizontale Verbundflächen in Balken- und Plattenkonstruktionen zu erfüllen. Im nächsten Schritt soll diese erstellte Datenbank durch eigene experimentelle Untersuchung erweitert werden. 3.3 Experimentelle Untersuchung Zur Erweiterung der Datenbank und zur systematischen Untersuchung der Tragfähigkeit bewehrter und unbewehrter Verbundfugen in Abhängigkeit von der Oberflächenbearbeitung werden die Schub- und Haftzugfestigkeit der Verbundfugen anhand von Kleinkörperversuchen bestimmt. Damit soll eine ausreichende Datenbasis bereitgestellt werden, um den Einfluss der untersuchten Parameter mit begrenzter Streuung der Herstellungstoleranzen bewerten zu können. Für die Versuchskörper werden Platten mit Abmessungen von 70 x 70 x 10 cm hergestellt, deren Oberfläche nach Aushärtung des Betons durch Praxispartner bearbeitet werden. Nachdem die Rautiefe mit den in Kapitel 2.4 beschriebenen Verfahren gemessen wurde, wird ein Ergänzungsbeton aufgebracht. Aus diesen Platten werden nach Aushärten des Ergänzungsbetons vier quadratische Versuchskörper (25 x 25 x 20 cm) herausgeschnitten (Bild 7 (a)). Durch dieses Vorgehen werden vier Versuchskörper einer Parameterkombination hergestellt, deren Streuung der Oberflächenstruktur minimiert ist. An drei der vier in Bild 7 (b) dargestellten Plattenausschnitten wird die Schubtragfähigkeiten der Fuge bestimmt. Parallel werden an dem vierten Plattenausschnitt fünf Haftzugprüfungen mit einem Durchmesser von 5 cm in Anlehnung an die DIN EN 1542 [33] durchgeführt (Bild 7 (c)). Diese Versuchsreihen befinden sich zurzeit in der Herstellung und erste Versuchsergebnisse können voraussichtlich am 7. Kolloquium „Erhaltung von Bauwerken“ vorgestellt werden. Alle Versuchsergebnisse werden ebenfalls in den zuvor beschriebenen Datenbanken für bewehrte und unbewehrte Verbundfugen erfasst. Dadurch werden die erstellten Datenbanken, die Versuche mit unterschiedlichen Versuchsaufbauten und Belastungen aus der Literatur beinhalten, um eine große eigene Datenmenge erweitert, Bild 7: Versuchskörper: (a) Platte einer Parameterkombination; (b) Versuchskörper für Schubversuche; (c) Versuchskörper für Haftzugversuche 358 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Untersuchungen zum Tragverhalten der Verbundfugen bei Instandsetzungen von Betontragwerken die eine geringe versuchsaufbaubedingte Streuung aufweisen. Anhand von Datenbankauswertungen werden die Traganteile der unbewehrten Verbundfugen und der bewehrten Verbundfugen herausgearbeitet, sowie gezielt der Einfluss der Fugenrauheit auf die Tragfähigkeit bestimmt. Ziel ist die Bereitstellung eines Zusammenhanges zwischen Schub- und Haftzugfestigkeit und der Oberflächenausbildung. Aus den Messungen der Oberflächenprofile mit verschiedenen Messverfahren wird auch der Einfluss der Oberflächenbearbeitung auf die mittlerer Rautiefe ermittelt. Zur Überprüfung der Messverfahren werden das Lasermessverfahren und die Photogrammetrie nach Einsatz an horizontalen und vertikalen Fugenflächen mit dem Sandflächenverfahren verglichen und für die baupraktische Umsetzung validiert. Anschließend wird ein Bezug zwischen den Verfahren zur Oberflächenbearbeitung, der Art der Querschnittsergänzung und der daraus resultierenden Verbund- und Haftzugfestigkeit der Verbundfuge abgeleitet und eine Einordnung in die Oberflächenkategorien nach dem derzeitigen Eurocode 2 [8][9] bzw. nach Model Code 2010 [25] mit Blick auf die zukünftigen Normen EC2 und MC 2020 vorgenommen. 4. Fazit und Ausblick Die Bestandsbauwerke im Hoch- und Brückenbau erfordern aktuell und in der nahen Zukunft häufig Verstärkungsmaßnahmen zur Sicherstellung der weiteren Nutzung, da Ersatzbauwerke kurzfristig nicht umsetzbar sind. Mit den Ergebnissen des Forschungsvorhabens wird ein Vorschlag zur wirtschaftlichen und effektiven Anwendung von Oberflächenbearbeitung, Querschnittsergänzung und einem Verbundmittel formuliert. Die Einordnung der bearbeiteten Oberflächen in die Kategorien nach dem derzeitigen EC2 [8][9] bzw. nach Model Code 2010 [25] mit Blick auf die zukünftigen Normen EC und MC 2020 ermöglicht zusammen mit der Standardisierung optischer Messverfahren eine direkte Umsetzung in die Praxis über Richtlinien und Merkblätter des deutschen Beton- und Bautechnikvereins e.V. und erlauben damit eine bessere und wirtschaftlichere Planung und Ausführung von Verstärkungen Danksagung Die vorgestellten und geplanten Untersuchungen werden von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert, der an dieser Stelle herzlich gedankt sei. Literaturverzeichnis [1] Küchler, M.: Instandsetzung von Betontragwerken. Betonkalender 2013 -Lebensdauer und Instandsetzung - Brandschutz, S. 345-468, 2013. [2] Naumann, J.: Brückenertüchtigung jetzt - Ein wichtiger Beitrag zur Sicherung der Mobilität auf Bundesfernstraßen. Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V., Berlin 2011. 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