Alle Balken müssen Zug- und Druckkräfte aufnehmen. Die Zugfestigkeit des unbewehrten Betons beträgt aber nur ein Zehntel seiner Druckfestigkeit, ein Betonbalken kann daher im zugbeanspruchten Bereich reißen. Deshalb verlegt man im Beton Stahlstäbe, die die Zugkräfte aufnehmen: Man bewehrt ihn, und es entsteht Stahlbeton. Durch das Vorspannen der Stäbe kann die Zugfestigkeit weiter verbessert werden: Es entsteht Spannbeton.
Um bei Decken, Unterzügen oder Brückenbauwerken größere Stützweiten zu erreichen, wird anstelle des üblichen Stahlbetons der Baustoff Spannbeton eingesetzt. Spannbeton entsteht durch das Zusammenwirken von hochwertigem Beton und hochfestem Stahl, der nach dem Erhärten des Betons über hydraulische Pressen vorgespannt wird. Dieser hochfeste Stahl wird als »Spannstahl«, das einbaufertige Element zur Erzeugung der Vorspannung im Bauteil als »Spannglied« bezeichnet.
Die teuren und zudem nach dem Bau überflüssigen Lehrgerüste stellen für die Brückenbauer stets eine Erschwernis dar. Zwar hatte schon gegen Ende des 19. Jahrhunderts Joseph Melan aus Brünn stählerne Lehrgerüste konstruiert, die mit einbetoniert wurden und dann als »Moniereisen« dienten. Doch der Traum der Brückenbauer von einer im „freien Vorbau“ ganz ohne Lehrgerüst erstellten Betonbrücke erfüllte sich erst durch eine Erfindung, die der Franzose Eugène Freyssinet auf den Brückenbau anwendete: den Spannbeton.
Die Idee ist im Grunde einfach. Wird ein Brückenbalken aus Beton belastet, so biegt er sich zunächst nur geringfügig durch. Aber bald treten an der Unterseite so große Zugspannungen auf, dass der Balken dort Risse bekommt und bricht. Besteht der Balken aus Stahlbeton, so übernimmt in diesem Stadium dass eingebettete Stahlgerüst die Zugkräfte.
Die Rissbildung lässt sich aber noch auf andere Weise verhindern: Man setzt den Betonbalken in Längsrichtung unter so gewaltigen Druck, dass diese Druckkräfte größer sind als die bei Belastung auftretenden Zugkräfte (der Beton selbst kann relativ hohe Druckkräfte problemlos aufnehmen). Dazu legt man im unteren Teil des Balkens, wo die auftretenden Zugkräfte besonders groß sind, einige Röhren (Wellrohre) in die Verschalung, ggf. werden diese auch bogenförmig verlegt. Sie enthalten Drähte aus Stahl (so genannte »Litzen« oder »Spannlitzen«), die zunächst noch locker sind. Erst nach dem Erstarren des Betons spannt man diese »Spannglieder« mit hydraulischen Pressen und verankert die Drahtenden über speziell entwickelte Ankerköpfe. Dann schließlich werden die Röhren mit Zementmörtel verpresst. Dieser hochwertige Mörtel bewirkt nach dem Erhärten, dass sich die Spanndrähte fest mit dem Beton verbinden (verzahnen) können. Gleichzeitig sichert dieser Zementmörtel auf den Korrosionsschutz der Spannstähle.
Die Vorspannung wird erzeugt, indem die Spannglieder gespannt und in gespanntem Zustand mit dem Beton durch Verpressen der vormontierten Wellrohre mit Zementmörtel verbunden werden. Dadurch entsteht im Inneren des Bauteils ein Spannungszustand, der im ganzen Bauteilquerschnitt Druck erzeugt, der vom hochwertigen Beton in der Regel problemlos aufgenommen wird. Diese Vorspannung erfolgt überwiegend in Längsrichtung dieser Bauteile, z.B. bei Spannbetonplatten, die auch im Wohnhausbau zum Einsatz kommen. In Spannbetonbauteilen ist außer der Spannbewehrung noch eine Bewehrung aus Betonstahl, die man als „schlaffe Bewehrung“ bezeichnet, erforderlich.
Beim Spannbeton werden nach der (veralteten) DIN 4227 bzw. nach der inzwischen gültigen DIN 1045 (aus dem Jahre 2001) verschiedene Arten unterschieden. Die Unterscheidung erfolgt nach dem Grad der Vorspannung, nach dem Zeitpunkt des Spannens und nach der Art der Verbundwirkung zwischen Spannglied und Beton. Die Unterscheidungsmerkmale beziehen sich auf die Größe der eingeleiteten Spannkräfte und die Technik des Vorspannens.
Das Prinzip des Spannbetons beruht darauf, im Beton vor der Belastung dort Druck zu erzeugen, wo unter Belastung Zug auftreten würde (der vom Beton nicht aufgenommen werden kann). Dadurch können die Festigkeiten der Baustoffe voll ausgenutzt werden (Beton ist hervorragend zur Aufnahme von Druckkräften geeignet, der Spannstahl kann vergleichsweise sehr hohe Zugkräfte aufnehmen). Dies ermöglicht kleinere Betonquerschnitte und damit verbunden geringere Eigenlasten als beim Stahlbeton, bei dem aufgrund des Verbundes auf der Zugseite mit zunehmender Biegung Risse entstehen können.
Unter Gebrauchslast wird der gesamte Querschnitt auf Druck beansprucht. In der Zugzone des Bauteils treten deshalb im Beton keine Risse auf. Je nach Anordnung der Spannglieder im Querschnitt wird die Eigenspannung des Bauteils unterschiedlich beeinflusst. Nach der Anordnung der Spannglieder unterscheidet man ausmittige und mittige Vorspannung. Bei der ausmittigen Vorspannung wird in der Zugzone durch das Anspannen des Stahls eine so große Druckspannung erzeugt, dass dieses der durch die spätere Belastung auftretende Zugspannung entspricht. Unter dieser Gebrauchsspannung entsteht dann keine Zugspannung, sondern es erfolgt ein Abbau der Druckspannung im Bereich des Spannstahls, in der Betondruckzone dagegen nimmt die Druckspannung zu, die jedoch vom hochwertigen Beton schadlos aufgenommen werden kann.
Bei mittiger Vorspannung werden die Spannglieder in der Schwerachse des Bauteils angeordnet, beispielsweise bei Fertigteilen für Decken (Spannbetonplattendecken). Dadurch wird im gesamten Betonquerschnitt ein gleichmäßiger Druck erzeugt. Werden dann die Gebrauchslasten (Eigengewicht, Verkleidung und/oder Estrich, Verkehrslast) aufgebracht, baut sich in der Zugzone des Trägers die Druckspannung ganz oder teilweise ab, in der Druckzone des Betonquerschnitts wiederum erhöht sich die Druckspannung infolge der Gleichgewichtsbedingungen. Die ausmittige Vorspannung erfordert gegenüber der mittigen Vorspannung eine geringere Vorspannkraft und wird in der Regel bei rein biegebeanspruchten Bauteilen angewendet. Die Lage der Spannglieder richtet sich nach dem Verlauf der Biegemomente. Die mittige Vorspannung bleibt auf Bauteile beschränkt, bei denen die Biegemomente keine eindeutig vorbestimmte Richtung aufweisen, wie beispielsweise bei Spannbetonmasten, die infolge der von allen Richtungen wirkenden Windkräfte beansprucht werden.
Mit der Spannbetontechnik lassen sich heute sehr leichte und elegante Brücken bauen. Denn bei gleicher Tragfähigkeit ist ein Spannbetonbalken dünner und leichter als ein Stahlbetonträger.
Eine Blütezeit erlebte der Brückenbau mit der Spannbetontechnik in Deutschland nach dem Zweiten Weltkrieg. Erst baute man die vielen zerstörten Brücken wieder neu auf, dann wuchs das Autobahnnetz mit seinen abertausend Brücken. Ebenso wie die Eisenbahn verlangt die kreuzungsfreie Schnellstraße nicht nur viele kleine Brücken für jeden Weg und jeden Bach, sondern auch gewaltige Viadukte über breite Täler hinweg.
siehe auch:
- Beton
- Bewehrung
- Biegemomente
- Cobiax-Decke
- Drahtseil
- Druckfestigkeit
- Freivorbau
- Opus Caementitium
- Spannstahl
- Vorspannung
- Zugfestigkeit
