Druckfestigkeit

Die Ermittlung der Druckfestigkeit erfolgt in der Praxis durch zerstörende Prüfung in einer kontrollierten Laborumgebung. Dabei verwendet man genormte Probekörper. Bei Betonmischungen werden diese Proben direkt während der Betonierphase aus dem Mischer entnommen und in Formen gegossen, meist Würfel mit 150 Millimetern Kantenlänge oder Zylinder mit spezifischen Abmessungen. Nach einer vorgeschriebenen Aushärtungsperiode unter konditionierten Bedingungen, in der Regel 28 Tage, findet der eigentliche Krafteinbruch statt. Eine hydraulische Presse übt eine stetig ansteigende, axiale Belastung auf den Probekörper aus. Keine Stöße. Reine statische Druckbelastung.

• Zentrierung des Probekörpers unter dem Pressenstempel für eine gleichmäßige Spannungsverteilung.
• Aufzeichnung der Höchstlast im Moment des Versagens oder bei einer vorab definierten Verformung.
• Berechnung des Werts durch Bezug der Bruchkraft auf die Kontaktfläche.

Bei bestehenden Konstruktionen ändert sich die Methodik hin zu In-situ-Tests oder der Entnahme von Bohrkernen. Die Bohrkernel werden im Labor plan geschliffen, um eine parallele Druckfläche zu gewährleisten, da jede Unregelmäßigkeit in der Kontaktfläche zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Tragfähigkeit führt. Für Mauerwerk wird die Druckfestigkeit häufig indirekt bestimmt, indem die Einzelfestigkeit der Steine und des Mörtels in Rechenmodellen kombiniert wird, wobei auch hier Prüfwände unter einer Pressvorrichtung angeordnet werden können, um das Zusammenspiel von Fuge und Stein unter realer Belastung zu beobachten. Die Ergebnisse dieser Verfahren sind maßgeblich für die Freigabe von Konstruktionsphasen oder die Validierung des eingesetzten Mischungsentwurfs.

Die eine Druckfestigkeit ist nicht die andere. In der Baupraxis unterscheiden wir entscheidend zwischen der theoretischen Kraft, die ein Material tragen kann, und dem Wert, mit dem der Tragwerksplaner tatsächlich rechnet. Der Unterschied liegt oft in der Form des Materials oder der Richtung der Belastung.

Bei Beton arbeiten wir mit genormten Festigkeitsklassen nach dem Eurocode, bezeichnet mit dem Buchstaben C. Eine Bezeichnung wie C25/30 verwirrt den Laien oft. Die erste Zahl steht für die charakteristische Zylinderdruckfestigkeit, während die zweite Zahl die Würfeldruckfestigkeit repräsentiert. Ein Zylinder ist schlanker und zeigt während des Tests weniger seitliche Behinderung durch die Pressplatten, wodurch der gemessene Wert niedriger ausfällt als bei einem Würfel derselben Mischung. Tragwerksplaner nutzen diese Doppelwerte, um den Einfluss des Formfaktors direkt in ihre Berechnungen einzubeziehen.

Holz ist aufgrund seiner anisotropen Natur ein besonderer Fall. Hier hängt die Druckfestigkeit vollständig von der Faserrichtung ab:

• Druckfestigkeit parallel zur Faser: Der Widerstand gegen Kräfte in Längsrichtung des Stamms. Diese ist relativ hoch.
• Druckfestigkeit senkrecht zur Faser: Auch Querdruckfestigkeit genannt. Hierbei wird die Zellstruktur zusammengedrückt. Der Wert liegt deutlich niedriger; das Holz 'weicht' eher nach, als dass es bricht.

Bei Mauerwerk wird zwischen der normierten Druckfestigkeit des einzelnen Steins (fb) und der charakteristischen Druckfestigkeit des gesamten Mauerwerks (fk) unterschieden. Der Mörtel fungiert dabei oft als begrenzender Faktor. Ein sehr fester Stein in Kombination mit einem schwachen Mörtel ergibt eine Wand, die deutlich weniger Last tragen kann, als die Summe der Teile vermuten ließe.

Schließlich gibt es den Unterschied zwischen dem charakteristischen Wert und dem Bemessungswert. Der charakteristische Wert ist eine statistische Größe, bei der 95 % der Proben den Test bestehen. Der Bemessungswert (fcd oder fkd) ist der Wert, der verbleibt, nachdem Sicherheitsbeiwerte für Materialunsicherheit und Belastungsdauer vom charakteristischen Wert abgezogen wurden. Auf dieser Zahl ruht die Sicherheit der Bewohner.

Eine massive Betonstütze im Untergeschoss einer Tiefgarage trägt das Gewicht von acht darüberliegenden Geschossen. Der Beton wird hier buchstäblich zwischen Decke und Fundament eingeklemmt. Die Stütze gibt nicht nach. Das ist reine Druckfestigkeit in Aktion. Bei der Sanierung eines denkmalgeschützten Gebäudes sieht man den gegenteiligen Effekt, wenn ein neuer, schwerer Stahlträger direkt auf eine alte Ziegelwand gelegt wird. Ohne Verteilungsplatte ist die Punktlast oft zu groß für die alten Steine. Die Steine unter dem Balken versagen und werden buchstäblich zu Grus zermahlen, weil die Druckfestigkeit des alten Mörtels und Steins der Krafteinleitung nicht standhält.

• Bodendämmung: Harte Dämmplatten unter einem schweren Zementestrich in einer Fabrikhalle, in der Gabelstapler fahren. Die Dämmung muss dem Druck ohne Setzungen widerstehen, damit der Boden nicht reißt.
• Holzständerwerk: Eine vertikale Eichenstütze, die auf einer horizontalen Schwelle ruht. Die Stütze selbst kann enorme Druckkräfte in Faserlängsrichtung aufnehmen, doch die darunterliegende horizontale Schwelle kann bei zu hoher Last einfach zerdrückt werden; die Querdruckfestigkeit ist hier das schwächste Glied.
• Mauerwerk: Eine tragende Innenwand aus Kalksandstein in einem Mehrfamilienhaus. Die untersten Blöcke tragen die Last aller darüber gestapelten Wände und Decken. Bei einem Rechenfehler entstehen hier die ersten vertikalen Risse: das Zeichen dafür, dass die Materialspannung sich der maximalen Druckfestigkeit nähert.

Betrachten Sie auch den Dünnbettmörtel unter einer vorgefertigten Betonwand. Diese dünne Schicht muss die gesamte Masse der Wand auf das Fundament übertragen. Wenn dieser Mörtel eine geringere Druckfestigkeit als die Wand selbst aufweist, entsteht eine Schwachstelle, die die Standsicherheit der gesamten Konstruktion untergräbt.

Die Beziehung zwischen Recht und Praxis wird durch die Bauproduktenverordnung (BauPVO) bekräftigt. Materialien, die eine konstruktive Funktion erfüllen, müssen mit einer CE-Kennzeichnung versehen sein. Damit erklärt der Hersteller, dass die angegebene Druckfestigkeit nach den harmonisierten europäischen Prüfnormen ermittelt wurde. In Deutschland ergänzt die DIN 1045 die europäische Betonnorm DIN EN 206, um spezifische lokale Anforderungen und Umgebungsbedingungen abzusichern.