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Eisenbeton

[153] Eisenbeton (reinforced concrete; béton armé; calcestruzzo armato) ist eine innige Verbindung der zwei Baustoffe Zementbeton und Schmiedeeisen derart, daß die äußeren einwirkenden Kräfte eine einheitliche Formänderung auf diesen Körper ausüben und beide Baustoffe sich in der Spannungsaufnahme teilen.

Geschichtliche Entwicklung. Die Erfindung des E. wird gewöhnlich dem französischen Gärtner Monier zugeschrieben, der um das Jahr 1861 Blumenkübel aus Zementmörtel mit eingelegten Eisendrähten herstellte. In Wirklichkeit hat jedoch bereits Lambot um das Jahr 1850 einen Kahn aus eisenverstärktem Zementmörtel hergestellt, der auf der Weltausstellung in Paris 1855 gezeigt wurde und noch jetzt besteht. 1861 wurden von Coignet die ersten Grundsätze für den Bau von Eisenbetontragwerken ausgesprochen und solche Tragwerke auf der Weltausstellung in Paris 1867 von ihm neben Monier vorgeführt. In diesem Jahre nahm Monier sein erstes Patent auf die Herstellung von tragbaren Gefäßen, dem bald andere Patente über gerade und gebogene Träger, über Behälter u. dgl. folgten. 1884 wurden Moniers Patente von der Firma Freytag & Heidschuch in Neustadt a. d. H. angekauft, und im folgenden Jahre übernahm sie der Ingenieur G. A. Wayß in Berlin für das Deutsche Reich und Österreich. Er ließ durch Professor Bauschinger in München eine ganze Reihe von Festigkeitsversuchen dieses neuen Baustoffes durchführen, auf Grund deren Koenen ein Berechnungsverfahren 1886 veröffentlichte. Die weitere Entwicklung des Eisenbetonbaues in den deutschen Ländern schritt zunächst nur langsam vorwärts und nahm ihren Aufschwung erst in dem letzten Jahrzehnt des vorigen Jahrhunderts. Es entstanden die Systeme Wayß, Koenen, Möller, Melan, Luipold, Siegwart, Visintini, Ast u. v. a. In Frankreich entstanden um das Jahr 1892 die Bauweisen von Coignet und Hennebique, welch letztere vornehmlich in Frankreich, Belgien und der Schweiz große Verbreitung gefunden hat. In bezug auf die wissenschaftliche Erforschung des E. durch Theorie und Versuch seien folgende Namen genannt, denen der heutige Stand unserer Kenntnisse zu verdanken ist. Die Deutschen: Koenen, Mörsch, v. Bach, Kleinlogel, Möller. Die Österreicher: Neumann, Melan, Thullié, Spitzer, v. Emperger, Haberkalt. Die Schweizer: Ritter und Schule, ferner Sanders (Amsterdam), Ostenfeld (Kopenhagen), Christophe (Belgien). Die Franzosen: Coignet, Tedesco, Considère, Mesnager u. v. a.

I. Die Baustoffe des E. Diese sind 1. Bindemittel; 2. Zuschlagstoffe, 3. Eiseneinlagen. Als Bindemittel für Eisenbetonkonstruktionen gelangt in den allermeisten Fällen wohl nur langsam bindender Portlandzement, als Zuschlagstoff nur reiner rescher Kies und Sand sowie reines Wasser zur Anwendung (s. Beton). Die üblichen Mischungsverhältnisse des Betons für Eisenbetonkonstruktionen bewegen sich zwischen 1 : 3 bis höchstens 1 : 6, da hierbei nicht nur die Druckfestigkeit, sondern ins besondere auch die Haftfestigkeit der Eiseneinlagen am Beton die größte Rolle spielen und diese bei den magereren Mischungsverhältnissen ganz bedeutend abnimmt. Als Material der Eiseneinlagen wird nur Schmiede eisen verwendet; die Einlagen bestehen aus schlaffen (Rund, Quadrat, Flacheisen) oder steifen Profilen ( u.s.w.). Die ein zubetonierenden Eiseneinlagen behalten die Walzhaut; sie müssen jedoch zuvor vom an haftenden Zunder, groben Rost, Ölfarbenanstrichen u. dgl. gereinigt werden. Falls die Eiseneinlagen vor der Verwendung längere Zeit lagern müssen, empfiehlt es sich immer, sie mit einem Portlandzementanstrich zu versehen. Die Eiseneinlagen haben den Zweck, den Beton nicht nur bei der Aufnahme der Druckkräfte zu entlasten, sondern vorwiegend die auftretenden Zugkräfte allein, die auftretenden Scher- und Hauptzugkräfte zum größten Teil aufzunehmen.

II. Eigenschaften des E. Der Wider stand des E. gegen Zerbrechen, Zerdrücken, Knicken u.s.w. ist größer als die Summe der Widerstände, die die Einzelstoffe allein auszuüben vermögen, welchem günstigen Verhalten des E. folgende Umstände zugute kommen.

1. Die Verschiedenheit der Elastizitätsmaße von Eisen und Beton, so daß das viel weniger dehnbare E. einen entsprechend höheren Spannungsanteil aufnimmt.

2. Das feste Anhaften des Zements am Eisen (die Haftfestigkeit oder der Gleitwiderstand). Diese Kraft vermittelt die Spannungsübertragung zwischen den beiden Baustoffen.

Versuche von Bach haben ergeben, daß die Haftfestigkeit:

a) mit dem Alter;

b) durch hakenförmige Ausbildung der Eisenenden sowie durch:

c) Anordnung von Bügeln vergrößert wird; außerdem wurde durch diese Versuche folgende festgestellt:

d) unter Wasser gelagerte Balken zeigen eine viel größere Haftfestigkeit als an der Luft gelagerte;

e) an der Kraftübertragung nehmen nicht nur die am Auflager gerade durchgehenden, sondern auch die daselbst schief aufgebogenen Eiseneinlagen Anteil;[153]

f) Eisenstäbe mit der Walzhaut haben rund doppelt so große Haftfestigkeit als abgedrehte;

g) mit zunehmendem Wasserzusatz wird die Haftfestigkeit kleiner;

h) stärkere Rundeisen haben größere Haftfestigkeit als gleichartige schwächere.

Als Mittelwert der Haftfestigkeit wurde etwa 40–50 kg auf 1 cm² Berührungsfläche gefunden.

3. Die Wärmeausdehnungsverhältnisse von Eisen und Beton sind, praktisch genommen, nahezu gleichgroß. Der Ausdehnungskoeffizient für Zementbeton beträgt für 1° C rund 1/75.000, jener des Schmiedeeisens rund 1/82.000. Mit Rücksicht auf diesen geringfügigen Unterschied besteht kein Bedenken, daß der Zusammenhang zwischen Beton und Eisen gelöst werden könnte.

4. Der an dem Eisen haftende Zement bildet ein gutes Rostschutzmittel, welcher Umstand von wesentlichem Einfluß auf die Dauerhaftigkeit von Eisenbetonkonstruktionen ist.

Vorteile des E. Außer den vorteilhaften Eigenschaften der Einzelbestandteile (Druckfestigkeit des Betons, Zug- und Scherfestigkeit des Eisens) stellt der E. ein wenn auch nicht absolutes, so immerhin praktisch genommen, feuersicheres Baumaterial dar. Die Feuersicherheit beruht wesentlich auf dem durch die schlechte Wärmeleitung des Betons bedingten Schutz des Eisens. Bezüglich der Herstellungsdauer ist der Eisenbetonbau gegenüber dem massiven Steinbau fast immer im Vorteile. Der E. ist ein Baustoff, der sich nicht nur jeder regelmäßigen, sondern auch jeder unregelmäßigen Form anpaßt. Ferner sind Eisenbetonbauten sehr widerstandsfähig gegen heftige Erschütterungen. Die Stoßwirkung wird nicht nur an der gestoßenen Stelle aufgenommen sondern infolge des monolithischen Zusammenhanges der Konstruktion auf alle Teile des Bauwerks überführt, so daß sich die lebendige Kraft des Stoßes auf diese Weise erschöpft.

Nachteile des E. Diese bestehen darin, daß fast alle jene Bedingungen, durch die die Festigkeit und Dauerhaftigkeit bestimmt wird, während der kurzen Zeit der Bauausführung erfüllt werden müssen; während beim Holz- und Eisenbau die Prüfung durch den Augenschein genügen kann, ist eine solche beim E. ohne Abbruch nicht möglich. Daher können solche Konstruktionen auch später nicht mehr wirksam verstärkt werden.

III. Theorie des E. 1. elastische Eigenschaften. Es wird angenommen, daß die eingebetteten Eiseneinlagen mit dem sie umhüllenden Beton innig verbunden sind und daher kein Gleiten im Beton zulassen. Es müssen deshalb bei beiden Baustoffen in der Berührungsfläche die gleichen Längenveränderungen vorhanden sein, d.h.

worin σ_b die Beton-, σ_e die Eisenspannung an der gleichen Querschnittsstelle, E_e die Formänderungszahl des Eisens, E_b jene des Betons vorstellen. Es läßt sich daher jeder Querschnitt eines Verbundkörpers in bezug auf die Wirkung der in ihm auftretenden Normalspannungen durch einen vollen Betonquerschnitt ersetzen, wenn man die darin vorhandene Eisenfläche mit dem v = E_e/E_b -fachen Betrage in Rechnung stellt. Dies wäre streng richtig, wenn die Formänderungszahlen des Betons auf Druck und jene auf Zug nicht nur gleich, sondern auch konstant wären. Dies ist nun im allgemeinen nicht der Fall, denn nur bei zentrischem oder sehr schwach exzentrisch wirkendem Drucke kann die Formänderungszahl des Betons auf Druck als konstant angenommen werden, wenn die hierbei auftretenden Druckspannungen sich innerhalb gewisser, zulässiger Grenzen bewegen; denn die Formänderungszahlen des Betons sind derart abhängig von den Spannungen, daß sie mit zunehmenden Spannungen ab oder die Längenänderungen selbst zunehmen.

Infolge der gegenseitigen Abhängigkeit zwischen Dehnungen und Spannungen wird durch die Wirkung eines Biegungsmomentes der Querschnitt nicht eben bleiben, und die Spannungen werden sich nicht linear, sondern nach einer Kurve verteilen (Abb. 26 a). Würde man die Gleichung dieser Kurve, bzw. die Veränderlichkeit der Formänderungszahl des Betons sowie die Lage der neutralen Achse kennen (Abb. 26 b), so ließe sich der Querschnitt des Verbundkörpers durch einen ideellen Querschnitt eines Körpers von durchaus gleicher Formänderungszahl E₀ ersetzen. Die Begrenzung dieses ideellen Querschnittes würde man erhalten, indem man die Breite der zur Nullinie parallelen Faserschichten mit dem jeweiligen Verhältnisse E/E₀ multiplizieren[154] bzw. die Eisenflächen mittels des Multiplikationsfaktors E_e/E₀ in gleichwertige Betonflächen verwandeln würde. Auf diese Weise erhält man die sog. reduzierte oder verzerrte Fläche des Verbundquerschnittes, die mit einer einheitlichen Formänderungszahl E₀ bewertet ist (Abb. 26 c). Um zu einer Lösung zu gelangen, die den tatsächlichen Verhältnissen entspricht, müßte vorerst die Arbeits- oder Dehnungslinie des Betons, sowohl im Druckais auch Zugteile bekannt sein, die für jede Betonsorte verschieden ist. Sodann müßte die Lage der Nullinie ermittelt werden, die selbst bei einfachen Querschnitten erst durch Versuche gefunden wird. Um nun dieses äußerst umständliche Verfahren zu ersparen, hat man diese Arbeitslinie des Betons durch einfache Linien ersetzt und wurden von Neumann, Melan, Ostenfeld, Considère, Barkhausen, v. Thullié, Ritter, Sanders, Haberkalt, Christophe, Koenen, Mörsch verschiedene brauchbare Berechnungsverfahren vorgeschlagen. Von diesen haben in den einschlägigen Vorschriften der europäischen Staaten folgende Eingang gefunden: a) Abb. 27 c, Vernachlässigung des Betons auf Zug, geradlinige Spannungsänderung in der Druckzone, also konstante Formänderungszahl daselbst E_bd. b) Abb. 27 ebenfalls Vernachlässigung des Betons auf Zug, Spannungszunahme in der Druckzone nach einer Parabel, daher die Formänderungszahl daselbst mit der Spannung linear zunehmend, c) Abb. 27 b geradlinige Spannungsänderung im Druck- und Zugteile, daher in jedem Gurte eine konstante Formänderungszahl, wobei jedoch E_bz < E_bd ist. Nach diesem Verfahren werden annäherungsweise die im Beton auftretenden Zugspannungen ermittelt. E_bz = ^μ . E_bd, E_e = √E_bd; √ schwankt zwischen 8–20 und wird zumeist mit 15 in Rechnung gestellt, während für μ der Wert 0∙3–0∙4 anzunehmen ist. d) Abb. 27 a, die Spannungsänderung nach einer und derselben Geraden für Zug und Druck, sonach eine konstante Formänderungszahl im ganzen Querschnitt. (Näheres über die Theorie der Eisenbetonkonstruktionen s. Literatur.)

IV. Ausführung der Eisenbetonkonstruktionen. Für Zwecke des Eisenbetonbaues wird meist nur langsam bindender Portlandzement verwendet, der den in den verschiedenen Staaten vorgeschriebenen Lieferungsbedingungen entsprechen muß. Beim Kies- und Sandmaterial ist darauf zu achten, daß es möglichst ungleiche Korngröße hat, frei von lehmigen und erdigen Bestandteilen ist. Mit Rücksicht auf die oft sehr engen Eiseneinlagen wird man Kiesstücke bis etwa Walnußgröße, also rund 3–4 cm Durchmesser, zulassen. Für Eisenbetonkonstruktionen wird in der Regel weicher oder plastischer Beton verwendet, da dieser sich besser an die Eiseneinlagen anschmiegt. Es ist ferner darauf zu achten, solche Konstruktionen nur durch geschulte Arbeiter und unter ständiger, fachgemäßer Aufsicht herstellen zu lassen. Die Schalung und Rüstung muß genügend stark sein, um ein Durchbiegen hintanzuhalten; die Ausrüstungsvorrichtungen müssen derart beschaffen sein, daß keine Erschütterungen in der Konstruktion beim Ausrüsten eintreten. Vor dem Beginn des Betonierens soll die Schalung immer gehörig angenäßt werden. Der Beton soll in Schichten von 20–30 cm Höhe eingebracht und bis zu einer Höhe von 3–4 m geworfen werden. Darüber hinaus soll er mittels Gefäßen oder trichterartigen Vorrichtungen zur Verwendungsstelle gebracht werden. Die Betonierung erfolgt in der Regel in einem Zuge; muß sie unterbrochen werden, so geschieht dies an solchen Stellen der Tragkonstruktion, wo nur verhältnismäßig kleine Spannungen auftreten. Beim Aufbringen neuer Betonschichten auf früher eingebrachte sind letztere aufzurauhen und mit dünnflüssigem Zementmörtel anzuwässern. Bei Temperaturen unter 0° C soll nur sehr vorsichtig betoniert werden und ist durch geeignete Vorrichtungen die schädliche Wirkung des Frostes auszuschließen. Nach vollendeter Betonierung sind die Eisenbetonkonstruktionen durch längere Zeit feucht zu erhalten und vor starker Zugluft und Sonnenbestrahlung zu schützen. Die unterstützenden Gerüste dürfen erst nach 3–6 Wochen entfernt werden, wohingegen die Schalungen von senkrechten Flächen nach 4–8 Tagen entfernt werden können.

Literatur: Haberkalt und Postuvanschitz, Die Berechnung der Tragwerke aus Eisenbeton und Stampfbeton bei Hochbauten und Straßenbrücken. 2. Aufl. Wien-Leipzig 1912. – Handbuch für Eisenbetonbau: Bd. I, 2. Aufl., 1912. Geschichte, Versuche und Theorie; Bd. II, 2. Aufl., 1911. Baustoffe, Schalung, Rüstung. Bd. IV., 3. Teil. 1. Aufl. 1909. Bestimmungen für die Ausführung von Eisenbetonbauten, Berlin. – Kersten, Der Eisenbetonbau. Teil I, 8. Aufl., 1911. Berlin. – Melan, Der Brückenbau. II. Bd. 1911. Wien-Leipzig. – Mörsch, Der Eisenbetonbau. 4. Aufl., 1912. Stuttgart. – Saliger, Der Eisenbeton. 4. Aufl. 1911. Leipzig.

Nowak.

Abb. 26.

Abb. 27.