Vorspannung

Vorspannung ist das gezielt Einbringen von innerer Spannung in ein Tragwerk, üblicherweise Zugspannung, bevor es seine Gebrauchslast trägt. Das Ziel ist einfach: eine innere Kraft schaffen, die den Spannungen entgegensteht und sie mindert, die entstehen, sobald das Bauwerk in Betrieb ist. Im Betonbau ist dies die dominierende Anwendung. Ein vorgespannter Betonträger kann so bemessen werden, dass er unter Eigengewicht und aufgebrachten Lasten erhebliche Biegespannungen erfährt; die Vorspannung führt eine Druckkraft ein, die diese Biegespannung teilweise oder ganz aufhebt und dadurch dünnere oder längere Spannweiten als gewöhnlicher Stahlbeton ermöglicht.

Es gibt zwei Hauptverfahren. Bei der Vorspannung vor dem Betonieren werden Stahlseile oder Litzen gegen äußere Verankerungen gespannt, bevor der Beton um sie herum gegossen wird. Wenn der Beton erhärtet und mit dem Stahl verbindet, wird der Beton von der äußeren Spannung entlastet, zieht innen an den Seilen. Die Seile ziehen zurück und versetzen den Beton in Druck. Dieses Verfahren ist in Fertigteilwerken am verbreitetsten, wo kontrollierte Bedingungen und wiederholte Fertigung die feste Infrastruktur rechtfertigen. Die Nachträgliche Vorspannung spannt nach Aushärtung des Betons. Hüllrohre werden an vorgesehenen Stellen in den Beton verlegt; nach Festigkeitsentwicklung werden hochfeste Stahlseile durch die Rohre geführt, mit hydraulischen Pressen in den Beton vorgespannt und anschließend verpresst. Dieses Verfahren eignet sich für Ortsbetonage und komplexe Geometrien, weil die Spannvorrichtung flexibel positioniert und bedient werden kann.

Die Werkstoffe sind entscheidend. Spannstahl in Draht-, Litzen- oder Stabform muss eine deutlich höhere Zugfestigkeit haben als normales Bewehrungsstahl, typischerweise 1500 bis 2100 Megapascal je nach Güteklasse. Gewöhnlicher Bewehrungsstahl würde unter der erforderlichen hohen Dauerbelastung unzulässig kriechen oder fließen. Der Stahl ist auch hochgradig anfällig für Spannungsrisskorrosion, wenn er Feuchtigkeit und bestimmten Verunreinigungen ausgesetzt ist. Daher ist die Verpressung in Nachspannhüllrohren oder ein Schutzanstrich bei Spanngliedern unverzichtbar.

Spannkraftverluste und praktische Berechnung

Die Ausgangsspannung ist immer höher als die Endspannung, weil die Vorspannung über die Zeit hinweg durch mehrere Mechanismen abnimmt. Die elastische Verkürzung des Betons unmittelbar nach dem Spannen reduziert die Spannung im Stahl. Kriechen und Schwinden des Betons verstärken den Verlust über Wochen und Monate. Das Relaxieren des Stahls selbst, besonders bei hohen Spannungen, verursacht einen schrittweisen Spannungsabfall. Je nach Bedingungen können Gesamtverluste 10 bis 25 Prozent der Ausgangsspannung erreichen. Der Planer muss diese Verlustwerte einrechnen, um sicherzustellen, dass nach allen Einflüssen ausreichend Restvorspannung bleibt.

Vorspannung ermöglicht längere Spannweiten, flachere Träger, weniger Risse und manchmal Verzicht auf innere Bewehrung bei bestimmten Bauteilen. Sie verbessert die Wirtschaftlichkeit des Betonbaus, wenn große lichte Spannweiten oder hohe Dauerlasten gefordert sind. Brücken, Parkdecks, Deckenträger mit großen Spannweiten und Fertigbetonerzeugnisse von Strommasten bis zu Eisenbahnschwellen nutzen Vorspannung regelmäßig. Das Verfahren erfordert aber Genauigkeit: Fehler beim Seileinbau, mangelhafte Verpressung, Unter- oder Überanspannung gefährden die Tragfähigkeit. Die hohen Kräfte erzeugen zudem erhebliche Sicherheitsrisiken während der Spannarbeiten.