Brückenfertigteile aus hochfestem Beton

  • Im Brückenbau ist aktuell der Einsatz von Betonen auf eine Festigkeit von ≤C50/60 beschränkt, da für die einwandfreie Herstellung von Bauteilen aus hochfestem Beton deutlich höhere Anforderungen an die Betonherstellung, die Verarbeitung und die Nachbehandlung zu stellen sind. Diese Beschränkung soll für Fertigteile von Brückenbauwerken, deren Herstellung unter werksmäßigen Bedingungen erfolgt, aufgehoben werden. Ziel des Projektes war eine systematische Untersuchung zu den Auswirkungen der Planung von Brücken mit Fertigteilen aus hochfestem Beton. Es sollte insbesondere die Frage nach Grenzen dieser Bauweise zur Vermeidung einer dynamischen Anregung unter Verkehr oder zur Sicherstellung der Stabilität beantwortet, Einsparpotential bei Querschnittsabmessungen und Gewicht quantifiziert und ergänzende Regeln bzw. Entwurfsparameter für die Planung von Straßenbrücken erarbeitet werden. Es wurden zunächst Typenentwürfe für ein einfeldriges Brückenbauwerk zur stützenfrei Überführung eines achtspurigen Autobahnquerschnitts (RQ 43,5) erarbeitet. Das Bauwerk wird als vorgespannte Fertigteilkonstruktion mit normalfester Ortbetonergänzung ausgeführt. Zur Quantifizierung des Einflusses des hochfesten Betons werden Entwürfe mit Fertigteilträgern aus hochfesten Beton und Normalbeton gegenübergestellt. Grundlegendes Regelwerk für die Querschnittsausbildung ist der Entwurf der BEM-ING mit Angaben zu Mindestabmessungen und Empfehlungen zum maximalen Gewicht von Fertigteilträgern. So ist für Einfeldträger mit Spannweiten bis zu 45 m als Anhaltswert die Schlankheit des Gesamtquerschnitts auf einen Wert zwischen L/H=15 und L/H=25 und das Fertigteileigengewicht auf ca. 110 to zur Gewährleistung des Transportes und der Montage zu begrenzen. Die Untersuchungen zeigten, dass der Einsatz von hochfesten Beton zu einer deutlichen Reduktion der Trägerhöhe und des -gewichts führt, so dass auch bei großen Spannweiten Konstruktionshöhen von L/25 machbar sind. Insbesondere im Hinblick von Ersatzneubauten mit vorgegebener Gradiente und einzuhaltendem Lichtraumprofil bietet der Einsatz von hochfesten Beton somit ganz neue Möglichkeiten. Mit wachsender Biegeschlankheit der Spannbetonträger kommt der Kippsicherheit, der dynamischen Beanspruchbarkeit und der statischen Verformungen im Gebrauchszustand unter Verkehr eine immer größere Bedeutung zu. Auf Basis der Typenentwürfe wurden die Auswirkung des hochfesten Betons auf das Systemverhalten untersucht. Im Endzustand ist ein Kippversagen der Fertigteilträger durch ein seitliches Ausweichen des Druckgurtes aufgrund der Ortbetondecke nicht maßgebend. Auch ein Knicken der Stege kann aufgrund der internen Vorspannung ausgeschlossen werden. Die Untersuchungen konzentrieren sich daher auf die Bewertung der Kippstabilität im Bauzustand. Es zeigte sich, dass der Zustand des aufgehängten Trägers während des Hebens maßgebend ist. Als wesentliche Einflussfaktoren auf die Kippsicherheit wurde neben der Größe der Vorverformungen des Trägers infolge Herstell- und Montagetoleranzen, der Abstand der Hebepunkte vom Trägerende und die Druckgurtbreite v.a. der Vorspanngrad identifiziert. So wird bei schlanken Trägern die geringere Biegesteifigkeit des Trägers durch einen höheren Vorspanngrad kompensiert, um die vertikalen Verformungen zu reduzieren und/oder eine Rissbildung im Endzustand unter Verkehr zu vermeiden. Im Bauzustand steigt jedoch die Gefahr der Rissbildung im Obergurt, was die Querbiegetragfähigkeit herabsetzt und damit die Kippsicherheit signifikant reduziert. Die Wahl einer Vorspannung im nachträglichen Verbund oder eine Mischbauweise mit Spanngliedern im sofortigen Verbund ist in Hinblick der der Kippstabilität im Bauzustand daher zu empfehlen. Insgesamt konnte bei allen Entwürfen eine ausreichende Kippsicherheit nachgewiesen werden. Eine weitere Erhöhung der Anhaltswerte der Schlankheit oder der Spannweite bei Einfeldbrücken gemäß BEM-ING wird auch in Hinblick einer Verformungsbegrenzung nicht empfohlen. Für den Nachweis der Kippsicherheit der Bauzustände wird statt der Überprüfung eines Grenzkriteriums die Vewendung des Verfahrens nach Robert F. MAST (1993) empfohlen. Die dynamischen Untersuchungen zeigten, dass eine starke dynamische Vergrößerung der Verkehrslasten nur stattfindet, wenn sich der für die Bemessung maßgebliche Lastfall aus wenigen schweren Lastwagen zusammensetzt, welche mit bedeutender Geschwindigkeit fahren. So ist bei Brücken mit großer Spannweite die Belastung durch ein Einzelfahrzeug für die Brückenträger unerheblich, auch wenn es zu massiver dynamischer Vergrößerung kommt. Dies spiegelt sich auch im mit wachsender Spannweite sinkenden Schwingbeiwert gemäß DIN1072 wider, der bei Spannweiten ≥ 50 m den Wert 1,0 annimmt. Es konnte gezeigt werden, dass das normative Lastmodell LM1 gemäß EC1 die dynamische Vergrößerung aus Verkehr ausreichend abdeckt und auf eine dynamische Untersuchung von Brücken mit Trägern gemäß dem aktuellen Entwurf der BEM-ING verzichtet werden kann.
  • In bridge engineering the concrete strength is actually limited to the class C50/60. Since control of temperature during production, placement and curing plays a crucial role in the quality, strength and durability of high-strength concrete, this restriction shall be lifted for prefabricated parts of bridge structures that are manufactured under factory conditions. The project aims at systematically investigating the effects of planning bridges with prefabricated parts made of high-strength concrete. In particular, the question of the limits of this construction method to avoid dynamic excitation under traffic or to ensure stability, should be answered, potential savings in cross-sectional dimensions should be quantified and additional rules or design parameters for the planning of road bridges should be worked out. In the first step, standartizied designs of a single-span bridge allowing a column-free transfer of an eight-lane motorway (RQ 43.5) were developed. The structure consists of a prefabrictaed prestressed girder using high-strength concrete with a cast-in-place concrete deck built out of normal concrete. In order to quantify the influence of the high-strength concrete, designs with precast girders made of high-strength as well as normal concrete are compared. The cross-section design was developed based on the draft of the BEM-ING which gives information on minimum dimensions as well as recommendations on the maximum weight of prefabricated beams. For example, for single-span girders with spans up to 45 m, the slenderness of the overall cross-section should be between L/H=15 and L/H=25 and and the overall weight should exceed 110 tons to ensure transport and assembly. The investigations show that the use of high-strength concrete leads to a significant reduction of the beam’s height and weight, so that construction heights of L/25 are feasible even with large spans. Thus, the use of high-strength concrete offers new possibilities, particularly with regard to the replacement of older bridges with given requirements concerning the given gradient and clearance profile. With increasing bending slenderness of the beam, the lateral torsional stability and the dynamic excitation under traffic are becoming increasingly important. Thus, based on the developed bridge constructions of the design study, the effect of the high-strength concrete on the system behavior such as the stability of the structure, the dynamic excitability as well as the deformation under service loads were considered. The lateral stability of the finished structure is seldom a problem once the beam is integrated with a deck. Buckling of the webs can also be ruled out due to the internal prestressing. Thus, the investigations concentrate on the assessment of the lateral stability during construction. It turned out that the state of the hanging beam during lifting is decisive. The lateral stability during lifting is mainly depending on the initial imperfection due to sweep and lifting loop placement tolerances, the distance of the lifting loops to the girder‘s ends, the width of the compressive flange and, above all, the grade of prestressing. The decreasing laterial bending stiffness of slender beams is usually compensated by a higher degree of prestressing in order to reduce the vertical deformations or to avoid cracking in the final state under traffic. Consequently, during construction, there is a higher risk of cracks in the top flange which reduces the lateral bending load-bearing capacity and thus significantly reduces the lateral stability. Choosing prestressing with subsequent bonding or a mixed construction with tendons with immediate bonding is therefore recommended to ensuring stability during construction. Overall, a sufficient lateral stability could be demonstrated for all designs. It could be shown that the recommendations for the limitation of slenderness and span width for single-span bridges pursuant to the BEM-ING also, regarding a limitation of the deformations under service loads are justified. Hence, a further increase in slenderness or of the span is not recommended. To prove stability during construction, it is recommended to use the method according to Robert F. Mast (1993). The dynamic investigations habe shown that a significant dynamic increase in the traffic loads only occurs if the load case relevant for the design consists of a few heavy trucks driving at a significant speed. But in case of bridges with large spans, the load from a single vehicle is completely meaningless for the bridge girders, even if there is a massive dynamic amplification. This is also reflected in the vibration coefficient according to DIN1072, which decreases with increasing span leading to a value of 1.0 for spans ≥ 50 m. It was shown that the normative load model LM1 according to EC1 adequately covers the dynamic excitation and, thus, a dynamic investigation of bridges with girders according to the current draft of the BEM-ING can be omitted.

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  • Zu diesem Forschungsprojekt werden nur die Kurzfassung und der Kurzbericht veröffentlicht. Die Langfassung des Schlussberichts kann auf Anfrage an verlag@bast.de zur Verfügung gestellt werden.

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Metadaten
Author:Katrin Runtemund, Marco Zanetti, Michael Werner, Hermann Weiher
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-30189
DOI:https://doi.org/10.60850/fv-b2
Parent Title (English):Precast bridges using high-strength concrete
Place of publication:Bergisch Gladbach
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2024/11/04
Date of first publication:2024/11/04
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Release Date:2024/11/04
Number of pages:18
Comment:
Fachveröffentlichung zu Forschungsprojekt: 15.0689
Brückenfertigteile aus hochfestem Beton
Fachbetreuung: Dieter von Weschpfennig
Referat: Betonbau
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoBASt / Link zum Urhebergesetz

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