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Weiterentwicklung der Nachrechnungsrichtlinie – Validierung erweiterter Nachweisformate zur Ermittlung der Schubtragfähigkeit bestehender Spannbetonbrücken

Further development of the recalculation guideline – validation of extended verification formats for the determination of the shear capacity of existing prestressed concrete bridges

  • Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Validierung neu entwickelter Nachweisformate im Zuge der Fortschreibung der Nachrechnungsrichtlinie. Hierzu wird in einem theoretischen Arbeitspaket das Fachwerkmodell mit additivem Betontraganteil anhand repräsentativer Beispielbauwerke und Versuche bewertet. Neben analoger Anwendung an Beispielbauwerken wird auch das Sicherheitsniveau der kanadischen Norm CSA A.23 diskutiert und darauf aufbauend werden Entscheidungshilfen zur Anwendung bei der Nachrechnung formuliert. Parallel dazu werden im Rahmen experimenteller Untersuchungen an vorgespannten Balkenelementen mithilfe der Substrukturtechnik mögliche Effekte aus einer Variation des Längsbewehrungsgrades analysiert. Anhand eines Durchlaufträgers wird die Substrukturtechnik validiert. Wesentliche Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Untersuchungen werden im Folgenden vorgestellt. Für weiterführende, im Detail erläuternde Informationen wird auf den Schlussbericht verwiesen. Das beobachtete Versagen geprüfter Balkenelemente kann als klassisches Biegeschubversagen bei teilweise unterschiedlicher finaler Ausprägung klassifiziert werden. Die Plattenbalkenquerschnitte zeigen vor Erreichen der Bruchlast zusätzliche, unmittelbare Schubzugrisse in bereits gerissenen Druckspannungsfeldern in Feld- und Stützbereichen. Mit Erreichen der Bruchlast lokalisiert sich in einem kritischen Biegeschubriss bzw. einschießendem Schubzugriss die finale Bruchkinematik. Die freiwerdende Energie kann nur durch die Steifigkeit der Gurte bzw. das kreuzende Spannglied gedämpft werden, weshalb das Bruchverhalten der Versuche mit dem geringsten Längsbewehrungsgrad besonders abrupten Charakter zeigt. Die Systemduktilität eines Querkraftversagens wird somit nicht unmittelbar und ggf. nicht vorrangig durch den Schubbewehrungsgrad gesteuert, auch der Längsbewehrungsgrad sollte hierfür berücksichtigt werden. Im Rahmen der betrachteten Versuchsreihe beeinflusst ein reduzierter Längsbewehrungsgrad die Schubtragfähigkeit nicht nachteilig. Dies wird durch einen signifikanten Dehnungszuwachs der initial moderat vorgespannten Spannglieder ermöglicht. Die Neigung kritischer Schubrisswinkel verläuft bei allen Versuchen flacher als der zulässige Schubrisswinkel βr nach Nachrechnungsrichtlinie (βr ≤ 25,45°). Die Mobilisierung derart flach geneigter Druckspannungsfelder ermöglicht die im Bericht ausgewiesenen erreichten Traglasten. Vor dem Hintergrund der Nachrechnung von Bestandsbrücken ist – neben der begrenzten Datengrundlage – von einer weiteren Anpassung hin zu flacher ansetzbaren Schubrisswinkeln abzusehen, da damit implizit eine ausreichende Duktilität der Querkraftbewehrung angenommen wird. Dieser Umstand wird aber nicht geprüft, meist ist dies auf Basis der Bestandsunterlagen ohnehin nicht möglich. Die theoretische Betrachtung unter Verwendung des Fachwerkmodells mit additivem Betontraganteil zeigt eine gute Abbildung der Tragfähigkeit, weitgehend unabhängig vom Querkraftbewehrungsgrad. Für Durchlaufträger unter Streckenlasten konnte gezeigt werden, dass die Tragfähigkeit bei Nachweis im Abstand 2d vom Auflager besser abgebildet werden kann. Hinsichtlich des Einflusses des Längsbewehrungsgrades zeigt sich, dass alle zur Bewertung herangezogenen Ansätze (DIN FB, NRR, CSA A23.3) mit abnehmendem Längsbewehrungsgrad eine zunehmend konservative Abbildung der Tragfähigkeit ergeben. Bei Anwendung diskutierter Nachweisformate auf repräsentative Brückenbauwerke erlaubt das Fachwerkmodell mit additivem Betontraganteil signifikant höhere Tragwiderstände und erlaubt damit oftmals eine erfolgreiche Nachweisführung, insbesondere bei schwachem Schubbewehrungsgrad. Bei großen Querkraftbewehrungsgraden kann hier die – zusätzlich explizit abgeminderte – rechnerische Druckstrebentragfähigkeit maßgebend werden. Es wurden im Zuge der Berechnungen keine kritischen Punkte identifiziert, die gegen eine Anwendung des Fachwerkmodells mit additivem Betontraganteil im Zuge einer Brückennachrechnung sprechen. Aus-wirkungen aus einer Interaktion zwischen Querkraft- und Torsionsbeanspruchung wurden nicht betrachtet. Neben einer Evaluierung des Teilsicherheitskonzeptes und anzusetzender Lastmodelle der kanadischen Norm CSA A23.3 im Vergleich zu DIN FB 102 konnte ein kritischer Punkt identifiziert werden. Die Spannung im Spannstahl darf zum Zeitpunkt der Dekompression vereinfachend zu 70 % der Zugfestigkeit des Spannstahls pauschal angesetzt werden, was im Hinblick auf das Gros deutscher Bestandsbrücken eine nichtkonservative, verfälschende Annahme darstellt. Eine Nachrechnung nach kanadischer Norm kann damit nur in Fällen ausreichender Vorspannung (εx(H/2) ≤ 0) empfohlen werden. Abschließende Betrachtungen zur Tragfähigkeit nach prEC2 zeigen, dass selbige stets größer ist als nach aktuellem EC2 und EC2+NA(D), die sich in den Vorwerten CRd,c unterscheiden. Eine mögliche Anwendung des CSCT Ansatzes als additiver Betontraganteil erfordert weiterführende systematische Untersuchungen.
  • The purpose of this research project is to validate recently developed design formats in the course of updating the bridge assessment standards. For this purpose, in a theoretical task, the truss model with an additive concrete load-bearing component is evaluated on the basis of representative bridge systems and tests. In addition to analogous application, the safety level of the Canadian standard CSA A.23­ is discussed and, based on this, decision making guidelines are formulated for use in the recalculation. In parallel, possible effects from a variation of the degree of longitudinal reinforcement are analysed within the framework of experimental investigations on prestressed beam elements with the help of the substructure technique. The substructure technique is validated on the basis of a continuous beam. Essential results of the experimental and theoretical investigations are presented in the following. For more detailed information, please refer to the final report. The observed failure of tested beam elements can be classified as classical bending shear failure with partly different final characteristics. Before reaching the­ ultimate­ load­ capacity, the­ T-shaped­ cross sections show additional immediate shear tensile cracks in the already cracked compressive stress fields in the field and support areas. When the failure load is reached, the final failure kinematics is localised in a critical bending shear crack or an impinging shear tensile crack. The released energy can only be damped by the stiffness of the chords or the crossing tendon, which is why the failure of the tests with the lowest degree of longitudinal reinforcement shows a particularly abrupt character. The system ductility of a shear force failure is thus not directly and possibly not primarily controlled by the shear reinforcement ratio; the longitudinal reinforcement ratio should also be taken into account for this. In the series of tests considered, a reduced degree of longitudinal reinforcement does not adversely affect the shear capacity. This is made possible by a significant increase in strain of the initially moderately prestressed tendons. The inclination of critical shear crack angles is shallower than the allowable shear crack angle βr according to the post-calculation guideline (βr ≤ 25.45°) in all tests. The mobilisation of such shallowly inclined compressive stress fields enables the ultimate loads shown in the report to be achieved. Against the background of the recalculation of existing bridges – in addition to the limited data basis – a further adjustment towards flatter shear crack angles is not recommended, as this implicitly assumes a sufficient ductility of the shear force reinforcement. However, this circumstance is not checked; in most cases this is not possible on the basis of the as-built documents anyway. The theoretical investigations using the truss model with an additive concrete load-bearing component show a good representation of the load-bearing capacity, largely independent of the degree of shear reinforcement. For continuous beams under line loads, it could be shown that the load-bearing capacity can be better represented with verification at a distance 2d from the support. With regard to the influence of the longitudinal reinforcement level, all approaches used for the evaluation (DIN FB, NRR, CSA A23.3) show an increasingly conservative representation of the load-bearing capacity with decreasing longitudinal reinforcement level. When applying discussed verification formats to representative bridge structures, the framework model with additive concrete load-bearing component allows significantly higher load-bearing resistances and thus often allows a successful verification, especially with a weak shear reinforcement ratio. In the case of large shear reinforcement ratios, the – additionally explicitly reduced – calculated compression strut load-bearing capacity can become decisive. In the course of the calculations, no critical points were identified that speak against the application of the truss model with an additive concrete load-bearing component in the course of a bridge recalculation. Effects from an interaction between shear force and torsional stress were not considered. Besides an evaluation of the partial safety factor concept and the load models of the Canadian standard CSA A23.3 in comparison to DIN FB 102, a critical point could be identified. The stress in the prestressing steel at the time of decompression may be simplified to 70% of the tensile strength of the prestressing steel, which is a non-conservative, falsifying assumption with regard to the majority of existing German bridges. A recalculation according to the Canadian standard can therefore only be recommended in cases of sufficient prestressing (εx(H/2) ≤ 0). Concluding observations on the load-bearing capacity according to prEC2 shows that the same is always greater than according to the current EC2 and EC2+NA(D), which differ in the prevalent values CRd,c. A possible application of the CSCT approach as an additive concrete load-bearing component requires further systematic investigations.

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Metadaten
Author:Oliver Fischer, Sebastian Thoma, Josef Hegger, Maximilian Schmidt
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-27789
ISBN:978-3-95606-730-3
Series (Serial Number):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau (189)
Publisher:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Place of publication:Bremen
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2023/06/22
Date of first publication:2023/06/22
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Release Date:2023/06/22
Tag:Bemessung; Berechnung; Brücke
Number of pages:119 Seiten
Comment:
Bericht zum Forschungsprojekt 15.0661

Validierung erweiterter Nachweisformate zur Ermittlung der Schubtragfähigkeit und experimentelle Beurteilung der Tragfähigkeit alter Konstruktionen


Fachbetreuung
Matthias Müller

Referat
Betonbau
Institutes:Abteilung Brücken- und Ingenieurbau
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (English):License LogoBASt / Copyright Law (German)

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