Kolloquium Parkbauten
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2510-7763
expert verlag Tübingen
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Technische Akademie EsslingenAuswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis
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K. Schöppel
G. Stenzel
Die Planung und Ausführung eines chloridbelasteten Bauwerks ist auf eine Mindestnutzungsdauer von 50 Jahren auszulegen und dies ist vor allem auch bei der Abnahme zu beachten. Das bedeutet, dass man wissen sollte, wie sich eine Tausalzbelastung auf das Bauteil bzw. Bauwerk auswirkt. Welche Instandhaltungsmaßnahmen sind in den nächsten 50 Jahren erforderlich um die angestrebte Mindestnutzungsdauer von 50 Jahren zielsicher zu erreichen. Um dies bewerten zu können, müssen die Kenntnisse über den Einfluss der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit des zu begutachtenden Systems vorliegen.
Nachfolgend wird anhand von Praxisbeispielen die chloridinduzierte Korrosion von Bauwerken in einem Alter von 10 bis 50 Jahren und deren Auswirkung auf die Querschnittsminderung der Bewehrung dargestellt.
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9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 109 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis Dr.-Ing. K. Schöppel, Dr.-Ing. G. Stenzel ö.b.u.v. Sachverständige, München Zusammenfassung Die Planung und Ausführung eines chloridbelasteten Bauwerks ist auf eine Mindestnutzungsdauer von 50 Jahren auszulegen und dies ist vor allem auch bei der Abnahme zu beachten. Das bedeutet, dass man wissen sollte, wie sich eine Tausalzbelastung auf das Bauteil bzw. Bauwerk auswirkt. Welche Instandhaltungsmaßnahmen sind in den nächsten 50 Jahren erforderlich um die angestrebte Mindestnutzungsdauer von 50 Jahren zielsicher zu erreichen. Um dies bewerten zu können, müssen die Kenntnisse über den Einfluss der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit des zu begutachtenden Systems vorliegen. Nachfolgend wird anhand von Praxisbeispielen die chloridinduzierte Korrosion von Bauwerken in einem Alter von 10 bis 50 Jahren und deren Auswirkung auf die Querschnittsminderung der Bewehrung dargestellt. 1. Einleitung Seit Einführung des Konzepts zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit in das Normenwerk im Jahr 2001 ist im Allgemeinen eine Mindestnutzungsdauer von 50 Jahren für übliche Bauwerke des Hoch-, Gewerbe- und Industriebaus zu gewährleisten. Die Folgen dieser Forderung in technischer Hinsicht sind manchen Beteiligten (Planer, Ausführende, Juristen) auch nach fast 20 Jahren nicht geläufig und/ oder sie wollen sich damit nicht auseinandersetzen. Die Gewährleistung hinsichtlich der Planung und Ausführung des Bauwerks ist üblicherweise auf 5 Jahre begrenzt. Daraus ergibt sich für den Bauherrn/ Käufer die Frage nach der Sinnhaftigkeit der normgemäßen Forderung bzw. Zusicherung einer 50 -jährigen Mindestnutzungsdauer bei einer auf 5 Jahre befristeten Gewährleistung. Hierbei ist zu bedenken, dass vor allem bei tausalzbelasteten Bauteilen die meisten Schäden in Folge chloridinduzierter Korrosion in der Regel erst nach 15 Jahren und später augenscheinlich erkennbar werden. Zu dieser Zeit ist die Gewährleistung jedoch schon lange abgelaufen. Wie die Praxis zeigt, können diese Schäden jedoch gravierend und somit die Instandhaltung kostenintensiv sein. Aufgrund dieser Sachlage ergibt sich die Situation, dass z.B. bei einer Abnahmeempfehlung, der Begutachtung der Baumaßnahme vor Ablauf der Gewährleistung oder der Feststellung im Gerichtsfall die Risiken der geplanten und ausgeführten Bauweise fiktiv in die Zukunft (50 Jahre bzw. 45 Jahre) abgeschätzt werden müssen. Das bedeutet letztendlich, dass bekannt sein muss, welches Schadenspotential vorliegt, welche Belastungen auf das Bauteil bzw. Bauwerk einwirken und in welcher Weise diese Belastungen die Tragfähigkeit und Nutzungsdauer des Bauwerks in den nächsten 50 Jahren beeinflussen. Weiterhin müssen auch die objektspezifisch zum gewählten Instandhaltungskonzept erforderlichen schriftlich dokumentierten Instandhaltungsmaßnahmen beurteilt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die erforderlichen Instandhaltungsmaßnahmen erheblich von der technischen Wertigkeit des jeweiligen Neubaus abhängig sind (vgl. Bild 1). Häufig wird in den Kaufverträgen darauf hingewiesen, dass ein Wartungsvertrag vom Auftraggeber oder Käufer abzuschließen ist. Dieser Hinweis ist sinnlos, wenn die erforderlichen Instandhaltungsmaßnahmen nicht in einem Instandhaltungsplan dokumentiert sind. Da die zur Sicherstellung der Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit erforderlichen Instandhaltungsmaßnahmen Teil des Konstruktionsprinzips sind (um die Mindestnutzungsdauer von 50 Jahren zielsicher zu erreichen) müssten diese bereits in der Planungsphase ausgearbeitet werden. Es ist Aufgabe der Sachverständigen sich mit der o.g. Thematik intensiv auseinander zu setzen. Die Praxis zeigt jedoch, dass die Beurteilungen der Sachverständigen hinsichtlich der Korrosionsgefährdung und der Auswirkungen der chloridinduzierten Korrosion und somit der Dauerhaftigkeit z. T. stark differieren können. 1.11 Schöppel.indd 109 14.01.20 14: 24 110 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis Bild 1: Verschiedene Konstruktionsprinzipien mit unterschiedlichem Instandhaltungsbedarf [1] 2. Chloridinduzierte Korrosion Dringt tausalzhaltiges Wasser in den erhärteten Beton ein, so liegt das Chlorid im Porenwasser in gelöster Form vor. Diese Chloride sind in der Lage, die im hochalkalischen Milieu vorhandene Passivschicht des Stahls lokal zu durchbrechen und Korrosion zu erzeugen. Daher tritt Chloridkorrosion am einbetonierten Stahl im Gegensatz zur „carbonatisierungsinduzierten“ Korrosion auch dann auf, wenn der Beton nicht carbonatisiert ist (pH > 12). Das Schadensbild der „chloridinduzierten“ Korrosion äußert sich in der Regel in einer örtlich sehr stark konzentrierten Eisenauflösung. Die Korrosionsprodukte sind im Allg. schwarz-bläulich gefärbt. Je nach Ausbildung der Korrosionsnarben spricht man von Lochfraßkorrosion (vgl. Bild 2) oder, wenn mehrere Lochfraßnarben zusammenwachsen, auch von Muldenfraßkorrosion (vgl. Bild 3) [2]. Bild 2: Lochfraßkorrosion Bild 3: Muldenfraßkorrosion Für den Korrosionsprozess müssen mehrere Voraussetzungen gleichzeitig vorliegen [2]: - es müssen Potentialdifferenzen vorhanden sein, - Anode und Kathode müssen metallisch und elektrolytisch miteinander verbunden sein, - die anodische Eisenauflösung muss durch Depassivierung möglich sein, - an der Kathode muss genügend Sauerstoff zur Bildung der Hydroxidionen vorhanden sein. Bei der Depassivierung des Betonstahles durch Chloride wird die Schutzschicht am Eisen durchdrungen und die Chloride reagieren mit Eisen unter Bildung leicht löslicher Eisenchloride bzw. beweglicher Eisenkomplexe. Die leicht löslichen Eisenchloride spalten das Chlorid wieder ab. Dadurch werden die Chloride nicht verbraucht, sondern stehen für eine weitere Korrosion erneut zur Verfügung [3]. Bild 4: Lochfraßkorrosion - grün gefärbtes Korrosionsprodukt (leicht lösliches FeCl 3 ) Maßgebend für die Korrosion ist die Menge an freien ungebunden Chloriden in der Kontaktzone zwischen Stahlbett und Stahloberfläche. Dieser Bereich wird bei der üblichen Chloridprobenentnahme (Bohrmehlverfahren und schichtintegrale Analyse) im Allg. nicht erfasst (vgl. Abschnitt 4). Bild 5: Freie Chloride (blaugefärbte Bereiche) sowie der Korrosionsprodukte im Stahlbett Untersuchung mit dem Sprühverfahren [4] buch2.indb 110 13.01.20 15: 39 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 111 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis Im Zwischenraum zwischen Stahlbewehrung und Zementstein, bzw. in den Poren des Stahlbetts, befindet sich Wasser und bei einer Chloridkontamination somit auch ein höheres Korrosionspotential, da das im Wasser gelöste Chlorid ungebunden und somit korrosionsaktiv ist. Bei hohem Porengehalt im Stahlbett tritt chloridinduzierte Korrosion bereits bei Werten von rd. 0,2 M% Cl Z . auf (vgl. Bild 6). Bild 6: Zusammenhang zwischen dem Anteil an Verdichtungsporen in der Kontaktzone Stahl/ Beton und dem kritischen korrosionsauslösenden Chloridgehalt [5] Die höhere Wasseranreicherung im Stahlbett ergibt sich beim Verdichten des Betons. Berührt der Rüttler die Bewehrung, beginnt der Betonstahlstab zu vibrieren, was zu einer Wasseranreicherung im Stahlbett des bereits verdichteten Betons führt. Somit entsteht ein idealer Sickerweg für das über Risse eindringende tausalzhaltige Wasser entlang der Bewehrung. Durch die Verwendung von Betonen mit hohem Chlorideindringwiderstand hat sich dieser Effekt gegenüber den früher üblichen Betonen sogar noch erhöht [6]. Bild 7: Eindringen des chloridhaltigen Wassers infolge kapillaren Saugens im Riss und kapillare Diffusion entlang des Sickerwegs im Stahlbett Um Fehlinterpretationen hinsichtlich der Korrosionsgefährdung zu vermeiden, sollte der Chloridgehalt immer im Bereich des Stahlbetts untersucht werden, insbesondere wenn Risse bis zur Bewehrung verlaufen. In folgendem Diagramm sind die Ergebnisse einer derartigen Untersuchung dargestellt. Demnach liegt im Stahlbett auf Grund der festgestellten Chloridwerte eine deutliche Korrosionsgefährdung im Stahlbett vor, während in der Rissflanke nur geringe Choridgehalte ermittelt wurden. Anscheinend wurde das Chlorid in der Rissflanke ausgewaschen. Bild 8: Chloriduntersuchungen im Rissbereich und Stahlbett [7] Es zeigt sich, dass im Stahlbett häufig deutlich höhere Chloridwerte vorhanden sind, als in der schichtintegralen Bohrmehlprobe (vgl. Abschnitt 3). 3. Korrosionsauslösender Grenzwert bei der chloridinduzierten Korrosion Bei der chloridinduzierten Korrosion handelt es sich nach [8] um einen stochastischen Prozess, weshalb auch der korrosionsauslösende Chloridgehalt C krit selbst eine streuende Größe ist. Der korrosionsauslösende Chloridgehalt hängt von einer Vielzahl von Einflussfaktoren ab, so dass eine allgemeine Definition für unterschiedliche Bauwerkssituationen generell nicht möglich ist. Eine buch2.indb 111 13.01.20 15: 39 112 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis umfangreiche Literaturauswertung von Angst et.al [9] belegt, dass sich infolge unterschiedlicher Untersuchungsmethoden und unterschiedlicher Ausgangsstoffe eine Bandbreite von 0,15 Masse-% Cl Z bis 2,5 Masse-% Cl Z für den korrosionsauslösenden Chloridwert ergibt. Die Untersuchungen in der Praxis zeigen, dass die chloridinduzierte Korrosion auch bei Chloridwerten < 0,2 M-% Cl Z (bez. auf Zement) auftreten kann, bzw. keine Korrosion auftritt, wenn der Chloridwert bei über 1,5 M-% Cl Z (bez. auf Zement) liegt . Derartige Messergebnisse sind dann häufig auf die Imperfektionen der Probenahme und/ oder die Unkenntnis hinsichtlich der Umgebungsbedingungen im Bereich der Bewehrung zurückzuführen. Das bedeutet, dass sowohl die Umgebungsbedingungen als auch die Entnahmeart der Proben, die Probenpräperation und -analyse und deren Einflüsse auf das Probenergebnis berücksichtigt werden müssen. Daraus ergeben sich für unterschiedliche Objekte auch unterschiedliche Werte hinsichtlich des korrosionsauslösenden Chloridwertes. Wer sich intensiv sowohl in der Forschung als auch in der Praxis mit der chloridinduzierten Korrosion beschäftigt hat, wird feststellen, dass es keinen allgemein gültigen korrosionsauslösenden Chloridwert geben kann. Der korrosionsauslösende Chloridwert ist immer objekt- und untersuchungstechnisch-bezogen zu ermitteln. In der Literatur werden immer wieder verschiedene korrosionsauslösende Chlorid-Grenzwerte angegeben. Diese Angaben basieren häufig auf Forschungsergebnissen. Derartige Forschungsergebnisse können jedoch nicht direkt auf die Praxis übertragen werden, da die Bedingungen bei den Forschungsversuchen nicht mit den Bedingungen in der Praxis übereinstimmen. Dennoch werden derartige Angaben hinsichtlich eines korrosionsauslösenden Grenzwerts gerne übernommen, da der Aufwand hinsichtlich des Nachweises eines objekt- und untersuchungstechnisch korrosionsauslösenden Chloridwertes deutlich höher und vermeintlich auch mit mehr Verantwortung verbunden ist. In der Praxis wird häufig ein Grenzwert von 0,5 M-% Cl Z verwendet, obwohl dieser Wert in der Richtlinie für Schutz und Instandsetzung des DAfStb nicht als Grenzwert definiert ist. Dieser Wert wird jedoch häufig als Grundlage für die Abschätzung der Korrosionsgefährdung verwendet, ohne die objekt- und untersuchungstechnischen Einflüsse auf die Korrosionsgefährdung zu erfassen bzw. zu berücksichtigen (vgl. Abschnitt 4). Die Deklaration eines allg. korrosionsauslösenden Grenzwertes für die chloridinduzierte Korrosion (vgl. 14) ist derzeit nicht möglich. Leider wird dieser Sachverhalt immer wieder ignoriert und die Korrosionsgefährdung an Hand von willkürlichen Grenzwerten abgeschätzt. Dies kann bei statisch kritischen Systemen zu gravierenden Folgen führen. Eine Beurteilung der Korrosionsgefährdung nur an Hand eines Chloridwerts ist nicht zielführend. Bei statisch kritischen Bereichen wäre eine derartige Vorgehensweise je nach Schadenspotential als fahrlässig anzusehen. 4. Einflüsse der Probennahme auf das Chlorid-Ergebnis Um die chloridinduzierte Korrosion interpretieren zu können und somit eine annähernd realistische Abschätzung hinsichtlich der Korrosionsgefährdung der Bewehrung treffen zu können, bedarf es nicht nur Literaturkenntnissen, sondern auch entsprechender Erfahrung in der Praxis. Das bedeutet, dass die Probenauswahl und entnahme und die Probenpräparation vom Sachverständigen auf die vorliegenden Gegebenheiten abgestimmt sein müssen. Die Praxis zeigt, dass Chloridwerte häufig hinsichtlich ihrer Korrosionsgefährdung beurteilt werden, ohne dass Informationen hinsichtlich der Probennahme, der Probenpräparation und der Probenanalysen vorliegen. Zur Verdeutlichung der Problematik werden die Einflüsse der Probenahme und der Probenpräparation nachfolgend an einige Beispielen dargestellt. Bohrmehlproben: Die Entnahme von Bohrmehlproben ist nur dann sinnvoll, wenn von einer gleichmäßigen flächigen Tausalzbelastung auszugehen ist (z.B. Pfützenbildung entlang von Stützen- und Wandfüßen (vgl. Bilder 9 u. 10). Die nachfolgenden Einflüsse auf die Probeentnahme sind zu beachten. Bild 9: Pfützenbildung am Stützenbzw. Wandfuß relativ gleichmäßige Chloridaufnahme - Einfluss auf den Chloridwert durch Auswahl der Probestelle und das unterschiedliches Verhältnis zwischen Zementstein und Zuschlag in der Probe buch2.indb 112 13.01.20 15: 39 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 113 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis Bild 10: Bohrmehlentnahme mit Schlagbohrer mit Tiefenanschlag und Absaugung Realistische Aussagen hinsichtlich der Korrosionsgefährdung können bei Bohrmehlproben nur getroffen werden, wenn hohe Chloridwerte nachgewiesen werden. In diesem Fall ist im Allg. von einer erhöhten Korrosionsgefährdung auszugehen. Die Bewehrung ist freizulegen. Bei geringen Choridwerten im Bohrmehl kann die Korrosionsgefährdung nicht zielsicher beurteilt werden, da an Hand des Bohrmehls nicht festgestellt werden kann, ob und in welchen Mengen ein chloridkontaminierter Zementstein vorliegt, oder ob die Mehlprobe hauptsächlich aus chloridfreiem Zuschlag besteht (vgl. Bilder 11 und 12). Bild 11: schematische Darstellung der unterschiedlichen Verhältnisse Zementstein/ Zuschlag bei unterschiedlichem Größtkorn des Betons - Bohrmehlproben aus einem Bohrloch mit einem Durchmesser von rd. 2 cm und einer Tiefe von rd. 4 cm. Bild 12: Bohrmehlproben Anhand des Bohrmehls ist weder das Verhältnis Zementstein zu Zuschlag noch das Größtkorn zu erkennen. Weist der tausalzbeanspruchte Beton Risse auf, ist die Entnahme von Bohrmehl im Allgemeinen nicht geeignet um realistische Aussagen hinsichtlich der Korrosionsgefährdung treffen zu können (vgl. Bild 13). Bild 13: Bohrmehlprobe A - realistischer Chloridwert, Bohrmehlproben B, C und D keine aussagekräftigen Chloridwerte hinsichtlich der Korrosion - Fehleinschätzung hinsichtlich der Korrosionsgefährdung infolge des schichtintegralen Chloridwertes der Bohrmehlproben. Die für die Korrosion entscheidenden Bereiche (Chlorid im Stahlbett) werden nicht oder nur minimal erfasst. Durch den schichtintegralen Chloridwert über die gesamte Bohrmehlprobe werden eventuell lokal vorhandene, hohe Chloridwerte minimiert, wodurch Fehleinschätzungen hinsichtlich der Korrosionsgefährdung nicht zu vermeiden sind. Vielen Planern sind diese Imperfektionen und ihre Auswirkungen bei der Probenahme überhaupt nicht bewusst, da die Proben meistens von einem Messdienstleister (Labor) entnommen werden. Bei horizontalen Flächen (vor allem im Rissbereich) sind Bohrkernproben (Durchmesser 5 cm) vorzuziehen. buch2.indb 113 13.01.20 15: 39 114 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis Bild 14: Entnahmestelle eines Bohrkerns Die Chloridgehalte werden bei der Entnahme durch Nassbohren der Bohrkerne (d > 5 cm) nur unwesentlich verändert. Bei einer Bohrkernentnahme können das Gefüge, der Rissverlauf und somit auch der ungefähre Risszeitpunkt beurteilt sowie eventuelle Korrosion der Bewehrung bzw. Mängel bei Instandsetzungsmaßnahmen (z.B. unzureichende Verfüllung des Risses, Fortschreiten der Korrosion trotz Abdichten der Risse usw.) festgestellt und detaillierte Untersuchungen z.B. im Stahlbett durchgeführt werden. Die Korrosionsgefährdung kann an Hand der Untersuchungen an Bohrkernen deutlich zielsicherer abgeschätzt werden, als bei Bohrmehlproben (vgl. Bild 15). Bild 15: Chloridkontamination im Bereich des Risses, deutliche Korrosionsspuren der Bewehrung im Stahlbett; Riss in Folge späten Zwangs, trotz nachträglicher Verpressung kein Verschluss des Risses Beim Schneiden einzelner Kleinproben aus dem Bohrkern z.B. im Stahlbett ergeben sich nach Vergleichsuntersuchungen deutliche Unterschiede von 30% bis zu rd. 100%. Daher sollten bei einer Probenpräperation im Labor (z.B. Probeentnahmen im Bereich des Risses bzw. des Stahlbetts) die entsprechenden Probekörper trocken geschnitten werden. Berücksichtigt man die verschiedenen Einflüsse auf die Chloridverteilung im Bauteil und bei der Chloridgehaltsbestimmung, so ergibt sich als logische Folgerung, dass in der Praxis bereits allein durch die Imperfektionen der Probenahme, die Einflüsse bei der Probenpräparation sowie der unterschiedlichen Analyseverfahren ein allgemeiner korrosionsauslösender Grenzwert nicht definiert werden kann. Die Unterschiede der Analyseverfahren und die damit verbundenen Abweichungen hinsichtlich des Chloridwerts werden von vielen Planern aus Unwissenheit nicht beachtet. 5. Korrosionsgefährdung bzw. Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion (Abtragsrate) Dringt Chlorid in Stahlbetonbzw. Spannbetonbauteile ein, ist immer dann von einer Korrosionsgefährdung auszugehen, wenn das Chlorid in Form von freien ungebundenen Chloridionen vorliegt also weder chemisch noch adsorptiv gebunden ist - und bis zum Stahl vordringt. Eine realistische Abschätzung der Korrosionsgefährdung erfordert große Erfahrung des Planers. Potentialfeldmessungen können bei fachgerechter Ausführung und Auswertung [11) hilfreich sein, sind aber nicht ausreichend um die Korrosionsgefährdung realistisch abschätzen zu können. Bei einer Abschätzung der Korrosionsgefährdung sind die jeweiligen objektspezifischen Gegebenheiten einzubeziehen. Das bedeutet, dass alle objektspezifischen Einflüsse und ihre Auswirkungen möglichst genau erfasst und beurteilt werden müssen. Durch die chloridinduzierte Korrosion entsteht i.Allg. eine lokale Querschnittreduzierung des Stahls. Nach Freilegen der Bewehrung wird die durch die chloridinduzierte Korrosion bedingte Querschnittsreduzierung offensichtlich. Es ist von enormer Bedeutung, dass nach Freilegen der Bewehrung z.B. bei Instandsetzungsmaßnahmen die vorhandene Korrosion der Bewehrung genau untersucht und Rückschlüsse zu den bisher vorliegenden Untersuchungsergebnissen gebildet werden. Nachfolgend sind Bilder von Bewehrung mit chloridinduzierter Korrosion von Bauwerken unterschiedlicher Nutzungszeit dargestellt. buch2.indb 114 13.01.20 15: 39 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 115 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis Bild 16: chloridinduzierte Korrosion bei einer Zwischendecke eines Parkhauses mit einer Nutzungsdauer von rd. 30 Jahren Bild 17: chloridinduzierte Korrosion bei einer Zwischendecke eines Parkhauses mit einer Nutzungsdauer von rd. 30 Jahren Bild 18: chloridinduzierte Korrosion bei einer Zwischendecke eines Parkhauses mit einer Nutzungsdauer von rd. 30 Jahren Bild 19: chloridinduzierte Korrosion im Bereich der Arbeitsfuge Bodenplatte/ aufgehende Wand bei einer Doppelparkergrube mit einer Nutzungsdauer von rd. 25 Jahren Bild 20 : Korrosionsabtrag bei der oberen Bewehrungslage einer Zwischendecke im Bereich des größten Stützmoments (Biegeriss) nach einer Nutzungsdauer von fast 50 Jahren Bild 21: Korrosionsabtrag bei einer Zwischendecke (Stützmoment) mit einer Nutzungsdauer von rd. 35 Jahren Bild 22: Korrosionsabtrag bei einer Bodenplatte mit einer Nutzungsdauer von rd. 7 Jahren buch2.indb 115 13.01.20 15: 39 116 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis Ist der Beton im Bereich der chloridinduzierten Korrosion carbonatisiert, ergibt sich eher ein flächiger schalenförmiger Korrosionsabtrag, der ebenfalls zu einer deutlichen Querschnittsminderung des Stahls führt (vgl. Bild 23). Bild 23: Chlorid- und carbonatisierungsinduzierte Korrosion - schichtenweises Abschälen der Bewehrung, hohe Abtragsrate sowohl in der Tiefe als auch in der Fläche nach einer Nutzungsdauer von rd. 50 Jahren Es ergibt sich die Frage, welche Abtragsrate bei der chloridinduzierten Korrosion auftritt bzw. zu erwarten ist. Hierzu gibt es verschiedene Forschungsberichte bzw. auch Untersuchungen an Objekten in der Praxis. Die Ergebnisse streuen sehr stark, so dass bisher keine eindeutigen Aussagen hinsichtlich der zu erwartenden Querschnittsverluste an der Bewehrung infolge chloridinduzierter Korrosion getroffen werden können. Um die Abtragsrate bei chloridinduzierter Korrosion am Bauwerk genau erfassen zu können, fehlen die Messmöglichkeiten. Obwohl man mit der Schieblehre auf Zehntelmillimeter genau messen kann, sind diese Messungen mit der Schieblehre jedoch deutlich zu ungenau (vgl. Bild 24). Die Vertiefungen bei dem narbenartigen Korrosionsabtrag können nicht in der Genauigkeit erfasst werden, die erforderlich ist um den Querschnittsverlust eindeutig bestimmen zu können. Bild 24: Messung mit der Schieblehre - Narbentiefe im Bereich der Muldenkorrosion nicht genau zu erfassen Der genaue Querschnittsverlust des Stahls kann nur im Labor ermittelt werden. Hierzu müssten jedoch die entsprechenden Stahlstücke entnommen werden. Dies ist meistens nur vereinzelt möglich. Ansonsten muss der Querschnittsverlust der jeweiligen korrodierten Bewehrung abgeschätzt werden. Um am Bauwerk die Querschnittsverluste realistisch abschätzen zu können, bedarf es einer ausreichenden Erfahrung. Durch die Querschnittsreduzierung wird die Tragfähigkeit des Stahls reduziert. Je kritischer die statische Situation des zu untersuchenden Bauteils/ Bauwerks ist, umso genauer muss der Querschnittsverlust der Bewehrung erfasst und/ oder ein höherer Sicherheitsfaktor bei der Nachrechnung der Standsicherheit bzw. Tragfähigkeit eingeführt werden. Das bedeutet letztendlich, dass der sachkundige Planer selbst ausreichende statische Kenntnisse besitzen muss oder ein Tragwerksplaner hinzugezogen werden muss. Es wurden einige Laborversuche und Auswertungen an chloridbelasteten Bauwerken hinsichtlich der Abtragsraten bei chloridinduzierter Korrosion von verschiedenen Forschungsinstituten durchgeführt. Nach Hunkeler et. al [12] spielen bei der Korrosionsgeschwindigkeit der elektrische Widerstand (Kehrwert der Leitfähigkeit), die Betonfeuchte und die Temperatur des Betons eine wichtige Rolle. Der Chloridgehalt des Betons ist bei der Initiierung wichtig, auf die Korrosionsgeschwindigkeit hat er aber nur einen untergeordneten Einfluss. Weiterhin wurden in Laborversuchen mit künstlich injizierter Korrosion folgende Abtragsraten ermittelt. Bild 25: Zusammenhang zwischen Abtrag und Potenzial bei der chloridinduzierten Korrosion und bei der Korrosion infolge Karbonatisierung des Betons oder Mörtels (Ergebnisse aus Laborversuchen) - [Bild 2.9.] aus [12]. Nach unseren Ergebnissen in der Praxis ergibt sich je nach Umgebungsbedingungen eine Abtragsrate von rd. 2 bis 8 mm innerhalb 10 bis 50 Jahren. Dies gilt sowohl für die Lochfraßkorrosion, als auch für die Muldenkorrosion. Der flächige Abtrag (Muldenkorrosion) scheint vor allem von den Umgebungsbedingungen der Korrosionsstelle und dem Chloridgehalt beeinflusst zu werden. Die Kombination einer chlorid- und carbonatisierungsinduzierte Korrosion führt nach einer gewissen Zeit zu buch2.indb 116 13.01.20 15: 39 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 117 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis einem schalenartigen Korrosionsabtrag und somit zu einer deutlichen teilweise großflächigen Querschnittsminderung (vgl. Bild 23). 6. Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit der Bewehrung Durch den korrosionsbedingten Querschnittsverlust der Bewehrung wird die Tragfähigkeit der Bewehrung reduziert. Mit den üblichen visuellen Messmethoden (Schieblehre, Lochfraßtiefe und Kegeldurchmesser usw.) kann der Querschnittsverlust nicht genau erfasst werden. An Hand dieser Messungen kann nur überschlägig ein gewisser Tragfähigkeitsverlust abgeschätzt werden. Hierzu wird die nominale Stahlzugfestigkeit zu dem festgestellten (grob abgeschätzten) Querschnittsverlust ins Verhältnis gesetzt. Dies stellt jedoch nur eine ganz grobe Abschätzung dar. Wenn eine genauere Abschätzung hinsichtlich der Tragfähigkeit erforderlich ist, muss an einem ausgebauten korrodierten Stahlstück die Resttragfähigkeit des Stahls im Labor (Zugfestigkeit und Dehnfähigkeit) ermittelt werden. Um den durch die Korrosion bedingten Spannungsverlust der Bewehrung genau feststellen zu können, müsste als Referenzprobe eine von der Belastung vergleichbare Stahlprobe ohne chloridinduzierten Korrosion geprüft werden. Die Untersuchungen von Almu-Sallamet, A, Fernandez et.al. und Zhu et. Al [13, 14, 15] zeigen, dass mit wachsendem Querschnittsverlust ein immer spröderes Tragverhalten auftritt. Die Bruchdehnungen streuen relativ stark, auch wenn gleiche Restquerschnitte vorliegen. Neueste Untersuchungen an der Hochschule München [16] zeigen, dass nicht nur die Dehnfähigkeiten bei Proben aus der Praxis streuen, sondern auch die Resttragfähigkeiten der Betonstahlstäbe. Es wird vermutet, dass durch die unterschiedliche Chloridbelastung der Stahlproben in der Praxis die Kerbwirkung der Lochfraßnarben und die Versprödung einen signifikanten Einfluss haben. Das bedeutet, dass ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor dessen Größe noch nicht angegeben werden kann bei der Feststellung der Resttragfähigkeit und der Restnutzungsdauer zu berücksichtigen wäre. 7. Folgerungen aus den bisherigen Erkenntnissen Anhand von sach- und fachgerechten Chloriduntersuchungen können Aussagen hinsichtlich der Korrosionsgefährdung getroffen werden. Der vorhandene Korrosionszustand der Bewehrung ist Grundlage für die Abschätzung der Tragfähigkeit bzw. Standsicherheit des Bauteils bzw. Bauwerks. Um die Korrosion der Bewehrung und die damit verbundene Querschnittsminderung feststellen zu können, muss die Bewehrung freigelegt werden. Werden die Untersuchungen nur stichprobenartig durchgeführt, ist eine Abschätzung der Chloridkontamination bzw. der Korrosionsgefährdung der restlichen, nicht untersuchten Bereiche nicht oder nur bedingt möglich und mit hoher Unsicherheit behaftet. Während der ersten Untersuchungsphasen ist es im Allg. nicht möglich, das gesamte Bauwerk zu beproben. Daher ist ingenieurmäßiges Denken bzw. Handeln erforderlich. Das bedeutet, dass das zu untersuchende Bauteil bzw. Bauwerk an Hand der Baustruktur bzw. von Bestandsunterlagen (falls vorhanden oder beschaffbar) hinsichtlich der statisch kritischen Bereiche durch einen fachkundigen Tragwerksplaner zu analysieren ist (Auswertung der eventuell vorhandenen Statik und/ oder Nachrechnung des statischen Systems). Das Bauwerk ist vorzugsweise in statisch kritischen Bereichen hinsichtlich der Auswirkung einer Korrosion auf die Tragfähigkeit zu untersuchen. Dies bedeutet, dass die korrosionsgefährdete Bewehrung in den statisch kritischen Bereichen stellenweise freigelegt werden muss, um deren Zustand detailliert erfassen zu können. Teilweise sind hierfür Abstützmaßnahmen durchzuführen. Die vorliegende Bewehrung ist hinsichtlich der Abtragstiefen genau zu untersuchen. Durch die Querschnittsverminderung der Bewehrung ergibt sich eine Reduzierung der aufnehmbaren Last. Für die Prognose der Resttragfähigkeit und der Restnutzungsdauer des Gebäudes sind diese Untersuchungen elementar. Bei der Beurteilung der Tragfähigkeit bzw. der Standsicherheit der chloridkontaminierten Bauteile sind auch die Versprödung der korrodierten Bewehrung und die Unschärfen der einzelnen Untersuchungsmethoden zu beachten. Zusätzlich sind bei der Beurteilung Tragfähigkeitsreserven der gewählten Bewehrungsmenge (falls vorhanden) zu berücksichtigen. Grundsätzlich ist aber davon auszugehen, dass bei festgestellter Querschnittsverminderung der Bewehrung auch die Tragfähigkeit mindestens gleichermaßen reduziert ist. Eine reduzierte Tragfähigkeit kann bis zum Absinken des rechnerischen Sicherheitsniveaus auf einen globalen Sicherheitsbeiwert von 1,3 bis 1,5 (das ist der Grenzzustand der Standsicherheit, der von der ingenieurmäßig einzuschätzenden Robustheit der gesamten Tragkonstruktion abhängt) für einen gewissen Zeitraum (Restnutzungsdauer) toleriert werden. Während der Restnutzungsdauer kann entweder die Instandsetzung vorbereitet und durchgeführt werden oder die Gebäudenutzung muss beendet werden. Falls sich der Eigentümer für eine Instandsetzung entscheidet, muss das Bauwerk wieder mindestens auf das bauaufsichtlich geforderte Sicherheitsniveau ertüchtigt werden. Literatur [1] Klinger, G, Schöppel, K.: Der unbestimmte Rechtsbegriff der anerkannten Regeln der Technik - als Beurteilungskriterien für Tiefgaragen noch zeitgemäß? In Festschrift für Dieter Kainz; Baurechteine anspruchsvolle Realwissenschaft; Werner Verlag 2019; ISBN: 978-3-8041-5336-3 buch2.indb 117 13.01.20 15: 39 118 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Auswirkung der chloridinduzierten Korrosion auf die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Bauwerken in der Praxis [2] Schöppel, K., Tiefgaragen im Spannungsfeld zwischen Bauherren, Planern, Sachverständigen: Eigenverlag [3] Stark, J. und Wicht, B. : Dauerhaftigkeit von Beton - Der Baustoff als Werkstoff. F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar. -Basel; Boston; Berlin. Birkhäuser, 2001 [4] Schöppel, K., Dorner, H. und Letsch, R.: Nachweis freier Chloridionen auf Betonoberflächen mit dem UV-Verfahren. 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Mayer, Instandsetzung von Tiefgaragen und Parkhäusern in Betonkalender 2015 [9] Angst, U.; Elsener, B.; Larsen, C.; Vennesland, O.; Critical chloride content in reinforced concrete - A revwiew. Cement and Concrete Research 39 (2009), Heft 10, S. 1122-1138. [10] DIN EN 1504-09: 2008-11. Produkte und System für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Qualtitätsüberwachung und Beurteilung der Konformität - Teil 9: Allgemeine Grundsätze für die Anwendung von Produkten und Systemen; S. 29 [11] Merkblatt B 3 der Deutschen Gesellschaft Für Zerstörungsfreie Prüfung E.V., Elektronische Potientialmessungen zur Detektion von Bewehrungsstahlkorrosion, April 2014 [12] F. Hunkeler,Dr. sc. tech., dipl. Ing. ETH/ SIA, B. Mühlan, M. Eng., dipl. Bauing. FH, H. Ungricht, Dr. sc., dipl. Bauing. 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