Scherfestigkeit

Die Scherfestigkeit beschreibt den Widerstand eines Materials gegen das Abscheren entlang einer potenziellen Gleitebene. In der Praxis des Betonabbruchs, des Felsabbaus und der Natursteingewinnung bestimmt sie maßgeblich, wie sich Beton, Stahlbeton und Gestein unter Scherkraft, Druck und Zug verhalten. Für Anwendungen mit Betonzangen für kontrollierten Rückbau sowie Stein- und Betonspaltgeräte im Rückbau der Darda GmbH ist das Verständnis der Scherfestigkeit grundlegend, um Bruchmechanismen vorherzusagen, Arbeitsfolgen zu planen und kontrollierte Trennungen mit möglichst geringer Randbeschädigung zu erreichen.

Definition: Was versteht man unter Scherfestigkeit

Unter Scherfestigkeit versteht man die maximal aufnehmbare Schubbeanspruchung eines Werkstoffs, bevor es entlang einer Ebene zum Scherbruch kommt. Sie wird in der Regel als Grenzwert der Scherspannung definiert und hängt vom inneren Verbund (Kohäsion), der Oberflächenrauheit potenzieller Risse und der Normalspannung auf der Scherebene ab. In Beton und Gestein beeinflussen zusätzlich Kornstruktur, Feuchtegehalt, Alterung, Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit die resultierende Schertragfähigkeit. Stahlbeton zeigt ein komplexes Verhalten, weil Bewehrung, Zuschlagrauhigkeit und Rissverzahnung (Aggregate Interlock) die Schubtragwirkung mitbestimmen.

Mechanische Grundlagen und Einflussfaktoren

Die Scherfestigkeit mineralischer Baustoffe ergibt sich aus dem Zusammenspiel von kohäsiven Kräften und Reibungsanteilen auf mikroskopischen Trennebenen. Unter steigender Normalspannung nimmt die Reibungskomponente zu, sodass höhere Scherkräfte aufgenommen werden können. In heterogenen Materialien wie Beton oder Naturstein bilden sich bevorzugte Gleitebenen entlang von Übergängen mit geringerer Verbundfestigkeit, etwa an Korn-Grenzflächen, Mikrorissen oder Klüften.

Zentrale Einflussgrößen

• Materialaufbau: Zementsteinmatrix, Zuschlagkörnung, Porenstruktur und eventuelle Gefügeanisotropie bestimmen die Schertragfähigkeit.
• Feuchte und Temperatur: Feuchte reduziert oft die Kohäsion; Frost-Tau-Wechsel begünstigen Mikroschäden.
• Belastungsgeschwindigkeit: Schnellere Lastaufbringung kann scheinbar höhere Festigkeiten liefern, aber sprödere Bruchbilder hervorrufen.
• Normalspannung: Höhere Anpressung erhöht den Reibungsanteil und damit die Scherfestigkeit entlang rauer Bruchflächen.
• Rissrauhigkeit: Verzahnung an aufgerauten oder gezahnten Trennebenen steigert den Schubwiderstand.
• Bewehrung (bei Stahlbeton): Querkraftbewehrung, Dübelwirkung und Verbund beeinflussen Schubtragwiderstand und Rissbildung.

Scherfestigkeit in Beton und Stahlbeton

Beton weist eine spröde Bruchcharakteristik auf; Schubrisse entstehen bevorzugt entlang Zonen geringer Zugfestigkeit und an Übergängen zwischen Zuschlag und Matrix. In Stahlbeton kommen Querkraftbewehrung, Verbund- und Verzahnungswirkung hinzu, die die Schertragfähigkeit erhöhen. Für den Abbruch bedeutet dies: Rissinitiierung, Kerbwirkung und kontrolliertes Nachführen der Scherebene bestimmen, wie effizient und planbar Bauteile getrennt werden.

Relevanz für Betonzangen

• Die Anordnung der Schneid- und Brechzonen der Betonzangen zielt darauf, Schubrisse zu induzieren und entlang der schwächsten Ebenen fortzuleiten.
• Durch Vorbrüche und definierte Angriffsstellen kann die wirksame Scherfestigkeit eines Bauteils lokal reduziert werden, wodurch geringere Kräfte zum Trennen erforderlich sind.
• Bei stark bewehrten Querschnitten beeinflusst die Verbundwirkung zwischen Beton und Stahl das Schertragverhalten; das Vorgehen berücksichtigt daher das Zusammenspiel aus Scheren, Brechen und Herauslösen der Bewehrung.

Scherfestigkeit von Natur- und Felsgestein

Gesteine besitzen material- und lagerungsabhängige Scherfestigkeiten. Neben der Intaktfestigkeit bestimmt die Kluftraumstruktur die reale Schertragfähigkeit des Felsverbandes: Rauheit, Verfüllungen, Wassergehalt und die Orientierung der Diskontinuitäten sind ausschlaggebend. Im Felsabbruch und Tunnelbau wird die natürliche Schwächung genutzt, um Trennebenen zu aktivieren.

Bezug zu Stein- und Betonspaltgeräten

• Spaltkeile erzeugen lokale Zug- und Druckfelder, die vorhandene Kluftsysteme aktivieren; entlang dieser Ebenen bricht der Fels durch kombinierte Zug- und Scherbeanspruchung.
• Durch gezielte Keilpositionierung lässt sich die erforderliche Spaltkraft senken, weil die Scherfestigkeit entlang bereits geschwächter Ebenen geringer ist.
• In der Natursteingewinnung ermöglicht die Berücksichtigung von Lagerung und Schubwiderstand saubere Trennflächen mit geringer Randabplatzung.

Prüfverfahren zur Bestimmung der Scherfestigkeit

Die Ermittlung der Scherfestigkeit erfolgt je nach Material und Projektziel mit unterschiedlichen Labor- und Feldversuchen. Die Auswahl orientiert sich an der Struktur des Baustoffs, der erforderlichen Genauigkeit und den Randbedingungen des Einsatzortes.

Direktscher- und Ringscher-Versuche

Bei Direktscher- oder Ringscherversuchen wird eine Probe unter kontrollierter Normalspannung abgeschert. So lassen sich Kohäsions- und Reibungsanteile trennen und Parameter für rechnerische Abschätzungen ableiten.

Triaxial- und äquivalente Verfahren

Konfinede Prüfungen unter seitlicher Einspannung liefern Informationen über Scherwiderstand bei unterschiedlichen Spannungszuständen, wie sie im Bauwerk oder Felsverband auftreten können.

Bauteilnahe Tests

Push-off-, Verbund- oder Kerbversuche an Betonteilen erfassen realistische Schubtragmechanismen, einschließlich Verzahnung, Verbund und Bewehrungsmitwirkung. Vor Ort können orientierende Rückbauproben helfen, Bruchverhalten und Rissverlauf für die Geräteführung abzuschätzen.

Scherfestigkeit im Betonabbruch und Spezialrückbau

Im Rückbau entscheidet die Scherfestigkeit über Wahl der Trennung, Reihenfolge der Schnitte und die Führung der Lastpfade. Ziel ist, Schubrisse kontrolliert zu initiieren und entlang definierter Ebenen fortzusetzen, um Bauteile abschnittsweise zu lösen und Folgeschäden zu vermeiden.

Einsatz von Betonzangen

• Vorritz- oder Vorpressschritte schwächen Querschnitte, reduzieren die lokale Scherfestigkeit und erleichtern das anschließende Abtrennen.
• Bei Platten, Wänden und Trägern wird die Lage möglicher Schubrisse (z. B. Schrägrisszonen) genutzt, um Angriffsrichtungen und Etappen festzulegen.
• In entkernten Bereichen kann eine geringere Zwangsbeanspruchung die Schertragfähigkeit senken und das Abheben von Segmenten erleichtern.

Stein- und Betonspaltgeräte im Rückbau

• Keilstellungen quer zu erwarteten Gleitebenen unterstützen die gezielte Rissführung, wodurch Scherbruch kontrolliert abläuft.
• In massiven Fundamenten lässt sich der Schubwiderstand abschnittsweise reduzieren, indem Spaltpunkte in einem Raster gesetzt werden.
• Die Kombination aus Spalten (Rissinitiierung) und Zangenarbeit (Rissfortschritt) nutzt das abgesenkte Schertragvermögen optimal aus.

Entkernung und Schneiden: Schnittführung vs. Scherwiderstand

Beim Entkernen und Trennen von Bauteilen ist die Schnittführung so zu wählen, dass verbleibende Restquerschnitte keine ungewollten Schubrisse erzeugen. Schnittfugen, Kernbohrungen und Vortrennungen dienen dazu, Schubpfade zu entlasten und kontrollierbare Bruchkanten vorzugeben. Betonzangen können anschließend entlang vorbereiteter Schwächezonen mit reduzierter Scherfestigkeit arbeiten.

Planungshilfen für Felsabbruch und Tunnelbau

Die Anordnung von Spaltpunkten, die Ausrichtung von Angriffsrichtungen und die Sequenz der Schritte richten sich nach Kluftsystemen und ihrem Scherwiderstand. Ziel ist, Scherebenen zu aktivieren, ohne unkontrollierte Abplatzungen oder Umlenkungen des Rissverlaufs zu provozieren.

Bewährte Vorgehensweisen

1. Gefügeanalyse: Orientierung und Rauheit vorhandener Diskontinuitäten bestimmen.
2. Vorkonditionierung: Vorbelastungen oder Vorbohrungen schaffen definierte Startpunkte.
3. Kraftpfadführung: Spalt- und Scherkräfte so einleiten, dass Risse entlang geplanter Ebenen laufen.
4. Abschnittsweise Trennung: Kleine Schritte reduzieren ungewollte Scherumlagerungen.

Einfluss des Hydrauliksystems auf die Scherbeanspruchung

Hydraulikaggregate liefern die Druck- und Volumenstromparameter, die das Verhältnis aus Kraft, Weg und Geschwindigkeit bestimmen. Für Betonzangen sowie Stein- und Betonspaltgeräte sind reproduzierbare Druckniveaus wesentlich, um die Rissinitiierung und den Scherbruch kontrolliert zu steuern. Eine feinfühlige Regelung erleichtert das Arbeiten nahe an der Schergrenze, ohne sprunghafte Brüche zu provozieren.

Typische Schadensbilder bei Überschreitung der Scherfestigkeit

• Schrägrisse in Balken- und Wandbereichen als Ausdruck kombinierter Biege- und Schubbeanspruchung.
• Abscheren entlang Fugen oder Kontaktflächen mit geringem Verbund (z. B. Konstruktionsfugen, Einbindungen).
• Risssprünge an Inhomogenitäten, wenn lokale Scherfestigkeit stark variiert.
• Abplatzungen an Kanten, wenn Schubreibung zusammenbricht und Querzug dominiert.

Arbeits- und Sicherheitsaspekte

Die Annäherung an die Schergrenze erfordert umsichtiges Vorgehen. Lastumlagerungen, Resttragreserven und Randbedingungen auf der Baustelle sind fortlaufend zu beobachten. Entscheidungen zu Vorgehensweise und Reihenfolge sollten projektspezifisch erfolgen, wobei Messungen, Sichtkontrollen und erprobte Arbeitsabläufe helfen, unkontrollierte Scherbrüche zu vermeiden. Rechtliche Vorgaben und anerkannte Regeln der Technik sind generell zu beachten.

Bezug zu weiteren Produkten und Einsatzbereichen

Kombischeren, Multi Cutters, Stahlscheren und Tankschneider arbeiten je nach Werkstoff mit unterschiedlichen Mischformen aus Schneiden, Reißen und Scheren. Auch hier ist die Scherfestigkeit des Zielmaterials – ob Beton, Stein, Stahl oder Verbund – ein maßgeblicher Parameter für Schnittfolge, Angriffsrichtung und Kraftbedarf. In Sondereinsätzen mit begrenztem Zugang oder sensibler Umgebung spielt die präzise Steuerung der Schubbeanspruchung eine zentrale Rolle, um Vibrationen, Lärm und Randbeschädigungen gering zu halten.

Praxisorientierte Hinweise zur Vorbereitung

• Bauteil- und Gefügeanalyse, inklusive potenzieller Gleitebenen und Verbundbereiche.
• Festlegung von Angriffsstellen, die die lokale Scherfestigkeit gezielt reduzieren (Vorbohrungen, Kerben).
• Abstimmung von Werkzeuggeometrie und Kraftniveau auf das erwartete Schertragverhalten.
• Schrittweises Vorgehen mit Kontrolle des Rissfortschritts nach jedem Lastschritt.
• Dokumentation der Bruchbilder, um den weiteren Ablauf zu optimieren.