Spannbeton: Warum Vorspannung Risse im Beton verhindert

Ohne Gegenmaßnahme überschreiten sie die Betonzugfestigkeit. Der Querschnitt reißt.

Stahlbeton akzeptiert diesen Zustand. Spannbeton verschiebt ihn. Die Vorspannung erzeugt vor dem Nutzlastangriff eine Druckspannung im Beton. Äußere Zugspannungen bauen diese Druckspannung zunächst ab. Erst danach entsteht Zug. Der Rissbeginn verlagert sich zu höheren Lasten oder bleibt im maßgebenden Gebrauchszustand aus.

Die Spannbeton-Funktionsweise beruht damit nicht auf einer höheren Betonfestigkeit. Sie beruht auf einer definierten Spannungsumlagerung im Querschnitt.

Vorspannung beseitigt keine Last. Sie verändert den Spannungszustand vor dem Lastangriff.

Die Grenze des Stahlbetons liegt auf der Zugseite

Beton trägt Druck. Beton trägt Zug nur begrenzt. Bei Biegung entstehen deshalb zwei Zonen:

• eine Druckzone auf einer Querschnittsseite;
• eine Zugzone auf der gegenüberliegenden Seite;
• dazwischen die Nulllinie mit näherungsweise verschwindender Normalspannung.

Beim herkömmlich bewehrten Stahlbeton übernimmt die Bewehrung nach der Rissbildung die Zugkräfte. Das ist ein vorgesehener Zustand. Der Beton im Zugbereich wird für die Schnittgrößenbemessung weitgehend nicht mehr angesetzt. Die Gebrauchstauglichkeit hängt dann von Rissbreite, Durchbiegung und Bewehrungsanordnung ab.

Bei großen Spannweiten verschärft sich das Problem. Das Eigengewicht wächst mit der Bauteilhöhe und der Querschnittsfläche. Gleichzeitig steigt das Biegemoment. Ein massiverer Stahlbetonträger erzeugt somit zusätzliche ständige Last. Die Lastabtragung wird ineffizient.

Spannbeton greift an dieser Stelle an. Das Spannglied bringt eine Längskraft in den Querschnitt ein. Liegt dessen Kraftlinie exzentrisch zur Querschnittsachse, entsteht zusätzlich ein Moment. Dieses Moment wirkt dem äußeren Biegemoment entgegen.

Für einen vereinfachten Querschnitt ergibt sich die Normalspannung aus zwei Anteilen:

• gleichmäßig verteilter Druck aus der Vorspannkraft;
• linear veränderlicher Spannungsanteil aus der Exzentrizität des Spannglieds.

Die äußere Belastung erzeugt später Zugspannungen. Sie treffen nicht auf einen spannungsfreien Betonquerschnitt, sondern auf einen bereits vorgedrückten Querschnitt.

Wie die Vorspannung im Querschnitt wirkt

Die Frage „Wie funktioniert Spannbeton?“ lässt sich auf einen Spannungsverlauf reduzieren. Vor der Belastung steht der Beton unter Druck. Mit zunehmender Nutzlast sinkt diese Druckspannung auf der späteren Zugseite. Der Beton bleibt zunächst ungerissen. Dies ist Zustand I.

Erreicht die äußere Zugspannung die Betonzugfestigkeit, beginnt die Rissbildung. Der Querschnitt geht in Zustand II über. Im Spannbeton kann dieser Übergang gezielt vermieden, begrenzt oder zugelassen werden. Das hängt vom Vorspanngrad und vom geforderten Gebrauchszustand ab.

Der entscheidende Unterschied liegt nicht nur in der Tragfähigkeit. Er liegt im Betriebszustand.

Ein Spannbetonträger kann unter ständiger Last noch Druckspannungen aufweisen und unter veränderlicher Nutzlast erst in die Nähe der Dekompression gelangen. Dekompression bedeutet: Die Druckspannung an einem Rand sinkt auf null. Ab diesem Punkt kann weitere Last Zugspannungen und Risse erzeugen.

Der Dekompressionsnachweis ist deshalb kein formaler Zusatz. Er beschreibt eine klare Grenze im Materialverhalten. Solange der maßgebende Querschnitt unter der betrachteten Einwirkungskombination nicht dekomprimiert, bleibt der Beton dort vollständig in Druck.

Das ist besonders relevant bei Bauteilen mit hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit, Dichtheit oder Verformung. Dazu zählen unter anderem Spannbetondecken, Brückenplatten, Behälter und schlanke Fertigteile. Der Nachweisbedarf ergibt sich jedoch aus der jeweiligen Nutzung, Exposition und normativen Einordnung. Er gilt nicht pauschal für jeden Querschnitt.

Vorspannkraft, Exzentrizität und Momentenlinie

Eine reine zentrische Vorspannkraft drückt den gesamten Querschnitt. Sie erzeugt keine Gegenkrümmung. Für biegebeanspruchte Träger reicht das selten aus.

Deshalb folgt das Spannglied häufig der Momentenlinie. Im Feldbereich eines Einfeldträgers liegt es nahe der Unterseite. Dort entsteht aus vertikaler Belastung die maßgebende Zugzone. Über Zwischenauflagerbereichen kann die Spanngliedlage nach oben geführt werden. Dort liegt die Zugzone bei Durchlaufträgern häufig oben.

Die Geometrie des Spannglieds erzeugt eine statisch wirksame Umlenkung. Diese Umlenkung führt zu Querkräften aus der Vorspannung. Die Konstruktion muss diese Kräfte aufnehmen. Das betrifft insbesondere:

• die Umlenkbereiche bei gekrümmter Spanngliedführung;
• die Verankerungszonen mit hohen lokalen Druck- und Querzugspannungen;
• die Endbereiche von Trägern und Platten;
• die Bewehrung gegen Spaltzug und Querzug;
• die Verbund- und Verpressqualität bei innenliegenden Hüllrohren.

Die Spannglieder-Wirkungsweise ist damit nicht auf die eingebrachte Zugkraft reduzierbar. Die Lage der Spannglieder bestimmt den Momentenanteil. Die Krümmung bestimmt Umlenkkräfte. Die Verankerung bestimmt lokale Lastkonzentrationen. Ein rechnerisch ausreichender Feldquerschnitt ersetzt keinen Nachweis der Einleitungszone.

Der Feldmomentennachweis trägt keinen Verankerungsbereich.

Die Vorspannkraft darf zudem nicht als unveränderliche Größe angesetzt werden. Maßgebend ist nicht allein die Kraft beim Spannen. Maßgebend ist die wirksame Vorspannkraft zu den jeweiligen Zeitpunkten des Bau- und Nutzungszustands.

Sofortiger Verbund und nachträglicher Verbund

Die Herstellung entscheidet über den Lastabtrag zwischen Spannstahl und Beton. Zwei Grundverfahren sind üblich.

Beim sofortigen Verbund wird der Spannstahl vor dem Betonieren im Spannbett gespannt. Nach dem Erhärten des Betons wird die Spannkraft übertragen. Die Kraftübertragung erfolgt über den Verbund zwischen Spannstahl und Beton. Das Verfahren ist typisch für die industrielle Fertigteilproduktion.

Beim nachträglichen Verbund liegen die Spannglieder zunächst in Hüllrohren. Der Beton erhärtet. Anschließend werden die Spannglieder gespannt und an den Bauteilenden verankert. Danach werden die Hüllrohre mit Zementmörtel verpresst. Der Verbund entsteht erst mit der Verpressung.

Beide Verfahren verlangen unterschiedliche Nachweise und Bauabläufe. Im Spannbett ist der Entspannzeitpunkt maßgebend. Der Beton muss die erforderliche Festigkeit für die Krafteinleitung erreicht haben. Beim nachträglichen Verbund konzentrieren sich hohe Kräfte in den Ankerzonen. Dort entstehen Druckstreben, Spaltzug und Querzug. Die konstruktive Bewehrung ist Teil des Tragwerks, nicht Beigabe.

Auch die Bauzustände sind zu rechnen. Ein Fertigteil kann beim Ausschalen, Transport, Drehen und Versetzen andere Schnittgrößen erfahren als im Endzustand. Die Vorspannung wirkt in jedem dieser Zustände. Eine günstige Spannungsverteilung im Endzustand genügt nicht.

Rissfreiheit ist kein allgemeiner Zustand

Die Aussage, Spannbeton verhindere Risse, ist nur mit Einschränkung richtig. Voll vorgespannte Bauteile können für bestimmte Gebrauchslastkombinationen so ausgelegt werden, dass keine Zugspannungen im Beton auftreten. Teilweise vorgespannte Bauteile lassen dagegen begrenzte Rissbildung zu.

Der Eurocode 2 unterscheidet hier nicht nach einem bloßen Etikett. Er verlangt Nachweise zum Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit. Dazu gehören Spannungsbegrenzungen, Rissbreiten und Verformungen. Bei teilweiser Vorspannung kann eine Rechenrissbreite von \(w_\mathrm{max} = 0{,}2\ \text{mm}\) angesetzt sein. Die konkrete Anforderung folgt aus Bauteil, Nutzung und Exposition.

Die konstruktive Konsequenz ist erheblich. Bei einer zulässigen Rissbildung bleibt der Betonquerschnitt nicht dauerhaft im Zustand I. Die Biegesteifigkeit sinkt nach dem Übergang in Zustand II. Die Verformungsberechnung muss diesen Steifigkeitswechsel berücksichtigen.

Für den Spannstahl entsteht ein weiterer Effekt. Im ungerissenen Zustand verteilt sich die Dehnung über den Querschnitt. Nach der Rissbildung konzentrieren sich Dehnungsänderungen stärker im Bereich der Risse. Unter wechselnder Belastung vergrößert sich die Spannungsbreite im Spannstahl. Das erhöht die Ermüdungsbeanspruchung.

Die Vermeidung des Zustands II kann daher mehr leisten als eine optisch rissfreie Unterseite. Sie begrenzt Spannungswechsel im hochfesten Spannstahl. Das ist für die Dauerhaftigkeit des Systems relevant.

Eine Rissbegrenzung ersetzt jedoch keinen Korrosionsschutz. Spannstahl reagiert empfindlich auf Korrosion und insbesondere auf Spannungsrisskorrosion. Die Betondeckung, die Dichtheit des Betons, die Qualität der Verpressung und die Ausführung der Ankerbereiche bleiben tragende Teile des Dauerhaftigkeitskonzepts. Bei teilweiser Vorspannung ist etwa eine Mindestbetondeckung von 5 cm auf das Hüllrohr ein relevanter konstruktiver Ansatz. Die projektbezogene Bemessung bleibt davon unberührt.

Kriechen und Schwinden reduzieren die wirksame Vorspannung

Die Vorspannung wird nicht in voller Höhe über die gesamte Nutzungsdauer erhalten. Beton verändert sein Volumen und seine Dehnung unter Last. Zwei Prozesse bestimmen den Langzeitverlauf.

Kriechen ist die zeitabhängige Dehnungszunahme des Betons unter Dauerlast. Der Beton verkürzt sich. Die Dehnung im Spannstahl nimmt dadurch ab. Die Spannkraft sinkt.

Schwinden ist die Verkürzung des Betons infolge Feuchteabgabe und weiterer materialbedingter Vorgänge. Auch diese Verkürzung baut Spannstahlspannung ab. Hinzu kommen Verluste aus Relaxation des Spannstahls, Reibung bei nachträglicher Vorspannung sowie Setzungen an Verankerungen.

Die Verlustanteile überlagern sich. Ihre Größen hängen unter anderem ab von:

• Betonrezeptur und Festigkeitsentwicklung;
• Bauteildicke und Oberfläche;
• Alter des Betons beim Spannen;
• Umgebungsfeuchte und Temperatur;
• Dauer der Belastung;
• Spannstahlart und Spannniveau;
• Spanngliedgeometrie sowie Reibungsbedingungen;
• Bauablauf und Zeitpunkt des Verbundschlusses.

Pauschale Verlustwerte sind für die Tragwerksplanung ungeeignet. Der Nachweis erfordert die jeweiligen Eingangsgrößen. Das gilt besonders für schlanke Decken und weit gespannte Träger. Dort kann bereits ein begrenzter Vorspannkraftverlust die Dekompression vorziehen und die Durchbiegung erhöhen.

Die anfängliche Spannkraft liegt deshalb über der langfristig erforderlichen wirksamen Vorspannkraft. Das ist kein Sicherheitsaufschlag im umgangssprachlichen Sinn. Es ist die rechnerische Berücksichtigung vorhersehbarer zeitabhängiger Verluste.

Auch die Verformung folgt diesem Verlauf. Eine anfängliche Überhöhung kann zweckmäßig sein. Sie darf jedoch nicht aus einem einzelnen Sofortwert abgeleitet werden. Eigengewicht, Vorspannung, Kriechen, Schwinden und Ausbauzustände überlagern sich zeitabhängig. Ein Bauteil, das beim Ausschalen nach oben steht, kann im Endzustand dennoch eine unzulässige Durchbiegung entwickeln.

Eurocode 2 ordnet die Nachweise

Für Stahlbeton- und Spannbetontragwerke gilt DIN EN 1992-1-1, der Eurocode 2. Er ersetzte in Deutschland zum 1. Juli 2012 die frühere DIN 1045-1. Die Regelung trennt konsequent zwischen Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit.

Im Grenzzustand der Tragfähigkeit stehen unter anderem Biegewiderstand, Querkraft, Durchstanzen, Verankerung und lokale Spannungen im Fokus. Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit stehen Spannungen, Rissbildung und Verformungen im Fokus.

Diese Trennung ist bei Spannbeton zentral. Ein Träger kann die Bemessungslast rechnerisch tragen und zugleich für die Nutzung ungeeignet sein. Die Ursachen liegen dann nicht im Versagen der Druckzone, sondern etwa in zu großer Durchbiegung, vorzeitiger Dekompression oder einer unzulässigen Rissbreite.

Der Dekompressionsnachweis prüft unter festgelegten Einwirkungskombinationen, ob in einem betrachteten Bereich Zugspannungen im Beton entstehen. Er ist damit ein Spannungsnachweis. Er ist nicht identisch mit dem Tragfähigkeitsnachweis und nicht automatisch für jede Expositionsklasse vorgeschrieben.

Die Reihenfolge der Bearbeitung muss klar bleiben:

1. Das statische System definiert Momenten-, Quer- und Normalkraftverläufe.

2. Die Spanngliedlage definiert die Wirkung der Vorspannkraft im Querschnitt.

3. Bauzustände definieren frühe Belastungen und Krafteinleitungen.

4. Verluste definieren die wirksame Vorspannkraft über die Zeit.

5. Gebrauchstauglichkeitsnachweise bewerten Dekompression, Rissbildung und Verformung.

6. Tragfähigkeitsnachweise sichern den Widerstand der maßgebenden Querschnitte und Zonen.

Die Norm ersetzt dabei keine konstruktive Logik. Ein Spannbetonbauteil scheitert selten an einem isolierten Rechenwert. Kritisch sind häufig Übergänge: der Ankerbereich, die Umlenkstelle, der Anschluss eines Fertigteils, der Bauzustand vor dem Verbundschluss oder eine nicht berücksichtigte Zwangsbeanspruchung.

Der Vorteil liegt in der kontrollierten Druckzone

Spannbetonträger ermöglichen größere Spannweiten und schlankere Querschnitte, weil die Vorspannung die Zugseite des Betons entlastet. Das ist der technische Kern. Nicht die Bezeichnung „Spannbeton“. Nicht die Höhe der eingebrachten Kraft allein.

Die Konstruktion funktioniert nur, wenn Vorspannkraft, Spanngliedprofil, Betonquerschnitt, Bauablauf und Langzeitverluste zusammen gerechnet werden. Der Nachweis zeigt dann, ob der Beton im maßgebenden Gebrauchszustand unter Druck bleibt, ob Risse begrenzt auftreten dürfen und ob die Verformung beherrscht wird.

Vorspannung verhindert Risse dort, wo die verbleibende Druckspannung größer bleibt als die aus äußeren Einwirkungen entstehende Zugspannung. Sobald diese Bedingung entfällt, gelten die Regeln des gerissenen Betonquerschnitts. Das Tragwerk bleibt berechenbar. Der Mechanismus ändert sich.