1. Gerissener Beton: Definition und Relevanz für Dübel?

Beton zeichnet sich durch eine hohe Druckfestigkeit, jedoch nur eine geringe Zugfestigkeit aus. Wird er Zugbeanspruchungen ausgesetzt, kommt es infolge seiner spröden Materialeigenschaften zur Rissbildung (vgl. Abb. 1.1). Als „gerissener Beton“ wird Beton bezeichnet, in dem infolge innerer oder äußerer Spannungen sichtbare Risse auftreten – typischerweise mit einer Breite ab etwa 0,1 bis 0,3 mm. Die Ursachen hierfür sind vielfältig und reichen von mechanischer Beanspruchung über thermische Verformungen und Schwinden bis hin zu Kriecherscheinungen und Umwelteinflüssen.

Abb. 1.1: Rissbildung in einer Stahlbetondecke – relevante Einflussgröße für die Bemessung nachträglich installierter Verankerungen

Bemessungsnormen für Stahlbeton schreiben eine gezielte Anordnung und Dimensionierung der Bewehrung bzw. Mindestbewehrung vor, um die Breite der unvermeidbaren Risse zu begrenzen oder zu verteilen.

Ziel ist dabei nicht die Vermeidung von Rissen – das wäre im Stahlbetonbau weder realistisch noch erforderlich – sondern ein kontrollierter Umgang mit ihnen. Die Begrenzung der Rissbreite dient in erster Linie dem Erhalt der Dauerhaftigkeit: Zu breite Risse begünstigen das Eindringen von Wasser, Chloriden oder CO₂ und beschleunigen dadurch die Korrosion der Bewehrung.

Deshalb geben Normen wie die DIN EN 1992-1-1 (Eurocode 2) [2] klare Grenzwerte für die zulässige Rissbreite vor. Unter Gebrauchslast – also Eigenlast zuzüglich eines Teils der veränderlichen Lasten – sind Rissbreiten von 0,3mm bis 0,4mm in Abhängigkeit der Bauteilanforderungen in der Regel zulässig. Bei außergewöhnlichen Einwirkungen wie Erdbeben werden temporär auch größere Rissbreiten von etwa 0,5mm bis 0,8 mm akzeptiert, sofern Funktion und Sicherheit der Konstruktion weiterhin gewährleistet sind.

Gerissener Beton ist kein Sonderfall, sondern Bemessungsrealität – und wer sie bei nachträglich installierten Dübeln nicht berücksichtigt, riskiert Tragfähigkeits- und Dauerhaftigkeitsprobleme.

2. Gerissener Beton: Schlüsselthema bei Dübelbemessung

Gerissener Beton beeinflusst Tragverhalten und Sicherheit von Dübeln maßgeblich

Unterschiedliche Lastfälle in Betonbauteilen führen zu unterschiedlichen Zugzonen, was sich – je nach Positionierung des Dübels – unmittelbar auf dessen Tragverhalten auswirkt (vgl. Abb. 2.1).

Abb. 2.1: Unterschiedliche Zugzonen in Betonbauteilen und Positionierung von Dübeln – maßgeblich für das Tragverhalten nachträglich installierter Verankerungen

Kommt es zur Rissbildung im Beton, ist es sehr wahrscheinlich, dass diese Risse die Dübelposition kreuzen oder tangieren aufgrund erhöhter Zugspannungen im Bereich des Dübels. Diese entstehen durch die beim Vorspannen und Belasten des Dübels erzeugten Spaltkräfte, durch Momentenspitzen infolge der punktuellen Lasteinleitung sowie durch die Kerbwirkung des Bohrlochs.

Abb. 2.2 Schematische Last-Verschiebungskurven: a), b) für Verankerungen in gerissenem Beton geeignete Dübel; c) für Verankerungen in gerissenem Beton nicht geeignete Dübel

Abb. 2.2 zeigt schematisch das Last-Verformungsverhalten von Dübelsystemen unter Zugbeanspruchung – sowohl in ungerissenem als auch in gerissenem Beton. In gerissenem Beton verlaufen die Last-Verschiebungskurven flacher, der Bruch tritt bei größeren Verformungen und geringeren Lasten ein (b) als in ungerissenem Beton (a).

Ist ein Dübelsystem nicht für gerissenen Beton zugelassen oder konstruktiv nicht dafür ausgelegt (c), zeigen diese Systeme unter Last oft unkontrollierte Verschiebungen, die mit einem plötzlichen Lastabfall einhergehen können. Das Tragverhalten solcher Kombinationen ist in der Regel nicht vorhersagbar.

Eine umfassende Analyse des Verhaltens nachträglich installierter Dübel in gerissenem und ungerissenem Beton findet sich bei Eligehausen et al. [1].

Wer Dübel in Zugzonen plant, muss berücksichtigen, dass diese Bereiche im Regelfall gerissen sind – und dass ungeeignete Systeme dort zu unkontrollierten Verformungen und unzureichender Tragfähigkeit führen können.

3. Was sagt die Norm zur Berücksichtigung von gerissenem Beton bei der Dübelbemessung

Die Bemessungsnorm DIN EN 1992-4, Abschnitte 4.5 und 4.7, empfiehlt, bei der Bemessung nachträglich installierter Dübel grundsätzlich von gerissenem Beton auszugehen – auch wenn dies als konservativ gilt. Wörtlich heißt es dazu in der Norm:

„In der Umgebung der Befestigung darf der Beton gerissen oder ungerissen sein. Der Zustand des Betons ist vom bemessenden Ingenieur für die Nutzungsdauer der Befestigung festzulegen. ANMERKUNG: Im Allgemeinen ist es konservativ, den Beton für die Nutzungsdauer als gerissen anzunehmen.“

Nur wenn nachgewiesen werden kann, dass der Beton über die gesamte Nutzungsdauer hinweg ungerissen bleibt, darf die Bemessung unter Annahme ungerissenen Betons erfolgen. Laut DIN EN 1992-4 ist dies nur dann zulässig, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

„Es darf von ungerissenem Beton ausgegangen werden, wenn nachgewiesen ist, dass sich das Befestigungselement unter der charakteristischen Kombination der Beanspruchung beim Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit mit seiner gesamten Verankerungstiefe in ungerissenem Beton befindet. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn Gleichung (4.4) befolgt wird (Druckspannungen sind negativ einzusetzen).“

Gleichung (4.4) lautet wie folgt:

= die Spannung im Beton, die durch äußere Lasten, einschließlich der Lasten aus dem Befestigungselement, hervorgerufen werden;

 die Spannung im Beton, die durch innere Zwangsverformungen (z. B. Schwinden des Betons) oder durch äußere Zwangsverformungen (z. B. durch Auflagerverschiebungen oder Temperaturschwankungen) hervorgerufen werden. Wird keine detaillierte Analyse durchgeführt, sollte  angenommen werden;

 die zulässige Zugspannung für die Definition von ungerissenem Beton.

Darüber hinaus schreibt die EN 1992-4, Abschnitt 9.2.2, vor, dass die Bemessung von Verankerungen für seismische Einwirkungen ausschließlich für gerissenen Beton zu erfolgen hat. Laut EN 1992-4, Anhang D, Abschnitt D.1 gilt zudem, dass Verankerungen mit Feuerbeanspruchung ebenfalls über eine Europäische Technische Bewertung (ETA) für die Verwendung in gerissenem Beton verfügen müssen.

Den Beton unter sämtlichen Randbedingungen als ungerissen zu klassifizieren, ist in der Praxis mit erheblichem Aufwand verbunden – und nur schwer nachweisbar. Daher wird empfohlen, bei der Bemessung nachträglich installierter Dübel grundsätzlich von gerissenem Beton auszugehen.

Die in EN 1992-4 enthaltenen Gleichungen zur Berechnung der Tragfähigkeit bei Zugbeanspruchung in verschiedenen Versagensmodi verdeutlichen zudem klar die Unterschiede der charakteristischen Widerstandswerte zwischen gerissenem und ungerissenem Beton (siehe Tabelle 3.1).

Die Abminderungen der Traglast liegen – je nach Dübeltyp und maßgebender Versagensart – zwischen 30 % und 50 % für rissgeeignete Dübelsysteme. Für nicht rissgeeignete Systeme hingegen kann, wie bereits erläutert, kein zuverlässiges Tragverhalten in gerissenem Beton vorhergesagt werden.

Planer sollten daher bei sicherheitsrelevanten Anwendungen grundsätzlich auf Systeme mit nachgewiesener Risszulassung zurückgreifen.

Tabelle 3.1: Abschätzung der Unterschiede in der Zugtragfähigkeit von Dübeln in gerissenem und ungerissenem Beton gemäß EN 1992-4 – abhängig von Versagensart und Dübeltyp

4. Dübelbemessung in gerissenem Beton mit Hilti PROFIS Engineering

Die Bemessungssoftware PROFIS Engineering von Hilti ermöglicht die Auslegung von Verankerungen sowohl für gerissenen als auch ungerissenen Beton.

Im Eingabemenü unter dem Reiter „Betonuntergrund“ (1) ist die Option „gerissener Beton“ (2) auszuwählen. Auf dieser Grundlage werden nur geeignete nachträglich installierte Dübel angezeigt, die die gewählten Lastanforderungen sowie die Randbedingungen erfüllen (3).

Aus dieser Liste kann ein passendes Dübelsystem ausgewählt werden. Anschließend erfolgt die Bemessung und Berechnung inklusive Analyse der Ergebnisse (vgl. Abb. 4.1).

Eine detaillierte Beschreibung des schrittweisen Vorgehens in PROFIS Engineering findet sich im Hilti Steel-to-Concrete Handbook [3].

Abb. 4.1: Auswahl der Option „gerissener Beton“ und Anzeige geeigneter Dübel für die Bemessung in der Hilti PROFIS Engineering Suite

5. Fazit

Gerissener Beton ist im Stahlbetonbau keine Ausnahme, sondern Regelfall – insbesondere in Zugzonen, in denen nachträglich installierte Dübel zum Einsatz kommen. Bemessungsnormen wie die DIN EN 1992-4 fordern daher, standardmäßig von gerissenem Beton auszugehen – es sei denn, der ungerissene Zustand kann nachweislich über die gesamte Nutzungsdauer gewährleistet werden.
Die Tragfähigkeit geeigneter Dübel reduziert sich im gerissenen Beton je nach Versagensart um 30 % bis 50 %. Bei ungeeigneten Systemen ist das Tragverhalten im gerissenen Beton nicht vorhersagbar, was sicherheitsrelevante Risiken birgt.
Die normgerechte Planung setzt voraus, dass der Betonzustand realistisch eingeschätzt und rissgeeignete Systeme verwendet werden. Planungs- und Bemessungssoftware wie Hilti PROFIS Engineering unterstützt dabei gezielt, indem sie eine Auswahl geeigneter Dübel für gerissenen Beton unter Berücksichtigung aller Randbedingungen bereitstellt.

Tragwerksplaner sollten bei Verankerungen in Zugbereichen grundsätzlich vom Zustand gerissenen Betons ausgehen – und entsprechend zugelassene Systeme wählen und nachweisen.

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[1] R. Eligehausen, R. Mallee and J. Silva, Anchorage in Concrete Construction, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 2006.
[2] EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.
[3] S2C Handbook: Steel to concrete connections using post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.