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Keywords
- Brücke (2)
- Bemessung (1)
- Berechnung (1)
- Bridge (1)
- Lateral force (1)
- Querkraft (1)
- Spannbeton (1)
- prestressed concrete bridges (1)
Das Projekt "Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Querkraft- und Torsionstragfähigkeit von Betonbrücken im Bestand" hatte zum Ziel, auf der Grundlage experimenteller und theoretischer Untersuchungen Möglichkeiten für eine zutreffendere Abschätzung der Querkraft- und Torsionstragfähigkeit von Spannbetonbrücken im Bestand mit geringen Querkraftbewehrungsgraden zu entwickeln. Dabei erfolgte einerseits die Weiterentwicklung der bestehenden Bemessungsverfahren auf Stufe 2 der BEM-ING Teil 2. Andererseits wurden Handlungsempfehlungen für vertiefte Berechnungsmodelle, die in Stufe 4 der BEM-ING Teil 2 Anwendung finden können, erarbeitet, um eine Entscheidungs- und Anwendungshilfe zur Bewertung der Standsicherheit für Querkraft und Torsion der betreffenden Brücken-bauwerke bereitzustellen. Um die realen Systemeigenschaften der Brückenüberbauten hinsichtlich der Biege- und Schubschlankheit sowie der Belastungsart möglichst repräsentativ abzubilden, wurden großformatige nachträglich vorgespannte Versuchskörper an drei verschiedenen Forschungseinrichtungen getestet. Während an der RWTH Aachen University an 16,5 m langen Durchlaufträgern und an der TU München an 4,5 m langen Substrukturen Querkraftversuche mit den Einflussparametern Querschnittsform, Querkraftbewehrungsgrad, Vorspanngrad, Durchlaufwirkung, Belastungsart und Verbundbedingung der Längsbewehrung durchgeführt wurden, sind an der TU Dortmund Querkraftversuche mit zusätzlicher Torsion an 12 m langen Durchlaufträgern unter Variation der Querschnittsform, der Interaktion von Momenten-, Querkraft- und Torsionsbeanspruchung, der Druckstrebenneigung und der Bügelformen untersucht worden. Im Schlussbericht wurden die Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Untersuchungen dar-gestellt. Dazu wurde zunächst eine Zusammenfassung der Bemessung von Spannbetonbauteilen für Querkraft sowie Querkraft mit zusätzlicher Torsion nach aktueller Norm sowie der verfeinerten Bemessungsansätze auf Stufe 2 der BEM-ING Teil 2 gegeben und das Sicherheitskonzept der Bemessung im Bauwesen erläutert. Im darauffolgenden Abschnitt wurden die experimentellen Untersuchungspro-gramme der drei teilnehmenden Universitäten in Aachen, München und Dortmund dargestellt. Um die analytischen und numerischen Verfahren auf Stufe 2 und Stufe 4 der BEM-ING Teil 2 anzuwenden und zu vergleichen, wurden anschließend weitere experimentelle Untersuchungen aus der Literatur und ausgewählten Bauwerke dokumentiert, die anschließend zur Nachrechnung mit verschiedenen Modellen herangezogen wurden. Auf Grundlage der umfangreichen experimentellen Untersuchungen sowie einer Datenbankauswertung mit knapp 1300 Querkraftversuchen an Stahl- und Spannbetonträgern mit und ohne Querkraftbewehrung erfolgte eine Erweiterung der Querkraft- und Torsionsmodelle der Stufe 2 der BEM-ING Teil 2. Dadurch konnte eine realistischere Erfassung der günstigen Einflüsse gegliederter Querschnittsformen (bV,eff), einer Beanspruchung infolge verteilten Lasten (ΔVEd) und einer Vorspannung samt Spannungszuwachs (P+ΔP) ermöglicht werden. Anhand der durchgeführten Versuche mit Querkraft und zusätzlicher Torsion konnte gezeigt werden, dass durch Umlagerungen der inne-ren Kräfte eine Rotation der Druckstrebe im Bereich 1,75 ≤ cotθ ≤ 2,5 möglich und die freie Wahl der Druckstrebenneigung cotθ daher gerechtfertigt ist. Weiterhin dürfen unterschiedliche θ für die Nach-weise für Querkraft sowie Querkraft und Torsion angesetzt werden. Allerdings wird empfohlen, den Beiwert der Betondruckfestigkeit ν abhängig vom Überbauquerschnitt abzumindern. Der Nachweis gegen Betondruckversagen bei kombinierter Beanspruchung erfolgt dann auf Basis einer linearen Interaktion aus Querkraft und Torsion (V + T). Die Anwendung der vorgeschlagenen Weiterentwicklung der Querkraft- und Torsionsbemessung auf vier bestehende Brücken verdeutlicht den in der Praxis dringend benötigten Mehrwert des verfeinerten Bemessungsansatzes auf Stufe 2 der BEM-ING Teil 2. Neben der Vorstellung in Stufe 4 der BEM-ING Teil 2 gängiger Verfahren zur Brückennachrechnung wurden jeweils die wesentlichen Schritte der Berechnung bzw. Modellierung erläutert. Auf Basis einer anschließenden Bewertung der wissenschaftlichen Verfahren wurden Empfehlungen für eine breitere und trotzdem ausreichend sichere Anwendung für die Praxis gegeben. Hierbei wurden u.a. die Art der Modellierung, der Ansatz der Materialkennwerte, ein angepasstes Sicherheitskonzept für nichtlineare Verfahren einschließlich der Modellunsicherheit, der Umgang mit nicht normkonformer Bügel- und Längsbewehrung sowie die Vergleichbarkeit mit den anderen Stufe 4-Verfahren berücksichtigt. Für eine Auswahl der betrachteten Verfahren wurden durch vertiefte Untersuchungen Handlungsempfehlungen erarbeitet, die im Format und Wording an die BEM-ING Teil 2 angepasst wurden. In einem abschließenden Benchmark-Test wurde eine Auswahl an Versuchen und deren Nachrechnung dokumentiert, sodass in Zukunft die Eignung weiterer wissenschaftlicher Verfahren zur Nachrechnung von Betonbrücken bewertet werden kann.
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.
