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Biegenachweis nach CIRSOC 201, Schritt für Schritt

Fast jeder erinnert sich an φMn ≥ Mu. Das ist die letzte Zeile des Nachweises, nicht der Nachweis. Das Ergebnis entscheidet sich vorher, und einer dieser Schritte kann φ unter 0,9 drücken.

Die meisten haben den Biegenachweis als eine einzige Ungleichung im Kopf: φMn ≥ Mu. Das stimmt, und es ist die letzte Zeile. Was über das Ergebnis entscheidet, passiert vorher, in Schritten, die selten genau angesehen werden, weil sie nach Formalität aussehen.

Das liefert das CIRSOC-201-Modul von Stabileo für einen Balken 20×40 cm aus Beton H-25, Stahl fy 420, 25 mm Betondeckung und Bügeln Ø8 mm unter einem Moment von 60 kN·m:

  1. d = 35,9 cm, d’ = 4,1 cm
  2. Mu = 60,00 kN·m
  3. As,min = 2,39 cm²
  4. As,max (einfach bewehrt) = 11,58 cm²
  5. As,req (Zug) = 4,73 cm²
  6. Zugbewehrung: 2 Ø20 (6,28 cm²)
  7. a = 6,21 cm, c = 7,31 cm
  8. εt = 11,74‰
  9. εt ≥ 5‰ → zugbestimmt → φ = 0,90
  10. φMn = 77,90 kN·m

Zehn Schritte. An den zehnten erinnert sich jeder. Über das Ergebnis entscheiden der dritte und der neunte.

Schritt 3: Die Mindestbewehrung ist öfter maßgebend, als man denkt

Artikel 9.6.1.2 verlangt eine Mindestbiegebewehrung gleich dem größeren Wert aus 0.25·√f’c/fy·bw·d und 1.4/fy·bw·d. Meist wird sie als Untergrenze behandelt, die fast nie erreicht wird. Bei Balken im Wohnungsbau wird sie ständig erreicht.

Mu [kN·m]As aus Tragfähigkeit [cm²]As,min [cm²]Maßgebend
151,122,39Mindestbewehrung
302,282,39Mindestbewehrung
604,732,39Tragfähigkeit
907,382,39Tragfähigkeit
Derselbe Balken 20×40 aus H-25 unter steigenden Momenten: was über die Bewehrung entscheidet.

Der Umschlagpunkt liegt bei Mu = 31,5 kN·m. Unterhalb dieses Moments bringt eine Bemessung auf Tragfähigkeit nichts: Der Querschnitt erhält so oder so 2,39 cm². Es lohnt sich zu wissen, auf welcher Seite des Umschlagpunkts ein Balken liegt, bevor man über seine Bewehrung diskutiert.

Und die Mindestbewehrung hängt selten vom Beton ab

Von den beiden Ausdrücken des Artikels übersteigt der mit √f’c den anderen nur bei recht festem Beton.

Beton0.25·√f'c/fy1.4/fyMaßgebend
H-202,66203,33331.4/fy
H-252,97623,33331.4/fy
H-303,26033,33331.4/fy
H-353,52153,3333√f’c
Die beiden Ausdrücke für die Mindestbewehrung bei fy 420, in Promille.

Der Umschlagpunkt liegt bei f’c = 31,36 MPa. Im gesamten im Wohnungsbau üblichen Bereich (H-20, H-25, H-30) hängt die Mindestbewehrung nicht vom Beton ab: Sie ergibt sich aus 1.4/fy und aus nichts anderem. Der Wechsel von H-20 auf H-30 senkt die Mindestbewehrung um keinen einzigen Quadratzentimeter.

Schritt 9: φ ist nicht automatisch 0,9

Der Abminderungsbeiwert wird für Biegung als 0,90 gelehrt und danach wie eine Konstante behandelt. Das ist er nicht. Er ergibt sich aus der Dehnung des Zugstahls im Grenzzustand der Tragfähigkeit, und das Modul sagt das in Schritt 9: εt ≥ 5‰ → zugbestimmt → φ = 0,90. Legt man mehr Stahl in den Querschnitt, sinkt εt und nimmt φ mit.

Mu [kN·m]Bewehrungεt [‰]φφMn [kN·m]
302 Ø1620,030,9051,6
602 Ø2011,740,9077,9
902 Ø256,440,90115,2
1202 Ø322,760,707133,5
Derselbe Balken, jedes Mal stärker belastet. εt und φ stammen aus den Schritten 8 und 9.

In der letzten Zeile ist der Querschnitt in den Übergangsbereich geraten, und φ ist auf 0,707 gefallen. Die Tragfähigkeit ist nicht im gleichen Maß gewachsen wie der Stahl: Zwischen den letzten beiden Zeilen steigt die Stabfläche nominell von 9,82 auf 16,08 cm², φMn dagegen nur von 115,2 auf 133,5 kN·m. Ein guter Teil dessen, was hinzukommt, geht im Beiwert verloren.

Ein überbewehrter Querschnitt fällt nicht durch den Nachweis. Er verliert in φ, und das Ergebnis sagt trotzdem, dass er besteht.

Warum Druckbewehrung eingelegt wird

Die übliche Antwort lautet „damit die Stäbe hineinpassen“. Das ist die Folge, nicht der Grund. Bei Mu = 200 kN·m an genau diesem Balken ermittelt das Modul εt = 1,51‰, unterhalb der Grenze, und fügt Druckbewehrung hinzu. Damit steigt die Nulllinie nach oben, εt kehrt auf 7,46‰ zurück und φ auf 0,90.

Die Druckbewehrung ist also dazu da, dem Querschnitt seine Duktilität zurückzugeben und den Beiwert wiederherzustellen. Die Tragfähigkeit folgt daraus, als Ergebnis.

Probieren Sie es an einem echten Balken aus

Unten finden Sie das Modell: einen Einfeldträger mit 5 m Spannweite, 20×40, H-25, mit 12 kN/m ständiger Last und 8 kN/m Nutzlast zuzüglich Eigengewicht. Es öffnet sich im Bemessungsablauf von PRO, mit CIRSOC 201 als geltender Bemessungsnorm.

Der Balken in Stabileo, im Bemessungsablauf von PRO. Ist die Bemessung ausgeschaltet, klicken Sie im Hinweis auf „Bemessung für diesen Besuch einschalten“. Drei Schaltflächen, in dieser Reihenfolge: „Schnittgrößen ermitteln“, „Erforderliche Bewehrung berechnen“ und „Bemessen…“. Erst die dritte wählt die Stäbe, und solange es keine Stäbe gibt, gibt es nichts nachzuweisen: Die Tabelle zeigt „keine Bewehrung“. Das Feld von 5 m ist mit zwei Elementen modelliert; beide schließen mit einer Ausnutzung D/C = 0,90 ab, maßgebend ist die Querkraft im Feld: Biegung und Verankerung der Stäbe bleiben darunter. Ändern Sie die Last und berechnen Sie erneut. PRO befindet sich in Entwicklung; das Betonmodul ist der Teil, der implementiert und getestet ist. In voller Größe öffnen

Kurz gesagt

  1. Prüfen Sie vor der Bemessung, ob das Moment über oder unter dem Umschlagpunkt zur Mindestbewehrung liegt. Darunter ist die Bewehrung bereits entschieden.
  2. Von H-20 bis H-30 hängt die Mindestbewehrung nicht vom Beton ab. Sie ergibt sich aus 1.4/fy.
  3. φ hängt von εt ab: Lesen Sie beide immer zusammen.
  4. Wenn Druckbewehrung auftaucht, dann weil der Querschnitt Duktilität verloren hat, nicht weil ihm Tragfähigkeit fehlt.
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