Bei der Nachrechnung bestehender Spannbetonbrücken auf Grundlage aktueller Normen zeigen sich i.A. erhebliche Defizite bei der erforderlichen Querkraftbewehrung. Dies ist zum einen auf höhere Verkehrslasten infolge des kontinuierlich gestiegenen Schwerverkehrs und zum anderen auf die Weiterentwicklung der Verfahren zum Nachweis der Querkrafttragfähigkeit zurückzuführen. Zudem erfolgte in Deutschland erst im Jahr 1966 die Festlegung einer erforderlichen Mindestquerkraftbewehrungsmenge. Die Nachweisverfahren für die Querkrafttragfähigkeit von Spannbetonbalken beruhen im Wesentlichen auf Versuchen an Einfeldträgern und sind bekanntlich sehr konservativ. Daher wurden am Lehrstuhl Betonbau der TU Dortmund in einem Großversuch experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit an einem vorgespannten Zweifeldträger durchgeführt, mit dem Ziel, Grundlagen für ein genaueres Nachweisverfahren zu schaffen. Von besonderem Interesse war das Tragverhalten im Bereich der Innenstütze. Die Gesamtlänge des Versuchsträgers betrug 12,0 m, die Stützweiten ergaben sich zu 5,75 m. Die Querkraftbewehrung des Balkens entsprach der rechnerisch erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung nach DIN-Fachbericht 102. Lediglich in einem begrenzten Bereich unmittelbar neben der Innenstütze eines Feldes entsprach sie der doppelten Mindestquerkraftbewehrung. Da bisher kaum experimentelle Untersuchungen zum Querkrafttragverhalten an Innenstützen durchgeführt wurden, wurden die Verformungen in diesem Bereich während der Versuchsdurchführung zusätzlich mit einem optischen Messverfahren aufgezeichnet. Zur kontinuierlichen Erfassung des Tragverhaltens des gesamten Bauteils wurden zudem an der Querkraft- und Längsbewehrung des Versuchsträgers über 250 Dehnungsmessstreifen aufgebracht. Die Versuchsauswertung enthält eine umfangreiche Darstellung der Messwerte und zusätzlich Versuchsnachrechnungen unter Anwendung des Druckbogenmodells sowie mittels numerischer Simulationen.
Untersuchungen zur Querkraftbemessung von Spannbetonbalken mit girlandenförmiger Spanngliedführung
(2011)
Die Literaturrecherche zeigte, dass seit Beginn der Spannbetonbemessung der innere Hebelarm z auf der Grundlage von Annahmen bestimmt wird, die zum Teil stark variieren. Dies liegt vor allem daran, dass die Querkraftbemessung ursprünglich an Stahlbetonbauteilen hergeleitet wurde. Für Spannbetonbauteile wird in der Literatur ein Hebelarm von z=0,67d bis z=0,90d vorgeschlagen. Alle Quellen sind sich darüber einig, dass der Querkrafttraganteil der geneigten Spannglieder zu berücksichtigen ist. Des Weiteren sind Unterschiede in den aktuellen Normen zu finden. Während im DIN FB 102 im Allgemeinen der innere Hebelarm z aus dem Nachweis im GZT infolge Biegung mit oder ohne Längskraft im gleichen Querschnitt aus dem zugehörigen Moment verwendet werden soll, wird in der DIN 1045-1 nichts dergleichen erwähnt, sondern es darf z=0,9d angesetzt werden, sofern eine ausreichende Längsbewehrung aus Betonstahl vorhanden ist. Der EC 2 erlaubt hingegen den inneren Hebelarm z aus dem maximalen Biegemoment im betrachteten Bauteil zu berechnen. In einigen Literaturquellen, so auch im EC 2 wird außerdem gefordert, dass bei Bauteilen mit geneigten Spanngliedern ausreichend Betonstahllängsbewehrung im Zuggurt einzulegen ist. Die Auswertung der Stuttgarter Versuche zeigte, dass bei der Frage nach dem korrekten Ansatz für z zwei Bereiche zu unterscheiden sind. In dem Bereich, in dem die Schubrisse aus Biegeanrissen am Querschnittsrand entstehen ändert der Schubriss auf Höhe der Spannglieder seine Neigung. Die Änderung des Neigungswinkels ist abhängig von den Steifigkeitsverhältnissen der Zugbänder. Für diesen Bereich wird ein Ansatz vorgeschlagen, bei dem die Querschnittsflächen des Spannstahls Ap und Betonstahl As mit den für den Schub maßgebenden Spannungen gewichtet werden. Der Bereich, in dem die Spannglieder überdrückt sind und die flacher verlaufenden Schubrisse ohne Neigungswechsel kurz über die Spannglieder hinweg verlaufen, erstreckt sich horizontal vom Auflager bis zu ca. 1,5h. Hier wird das Stegfachwerk wesentlich entlastet durch den Druckbogen, der sich bei den hier untersuchten Trägern aufgrund der sehr schwachen schlaffen Zuggurtbewehrung zusammen mit der sich bis zum Auflager durchlaufenden Druckstrebe fast ausschließlich auf den Spannanker abstützt. Die Größe der gegebenenfalls erforderlichen schlaffen Zuggurtbewehrung für die Abdeckung der Zugkraft am Auflager muss noch untersucht werden.
Die für die Bemessung von Neubauten maßgebenden DIN-Fachberichte mit dem darin enthaltenen Sicherheitskonzept sind nicht geeignet, die tatsächliche Tragsicherheit bestehender älterer Spannbetonbrücken zu beurteilen. Die seinerzeit für die Bemessung und Konstruktion gültigen Normen wurden sowohl was die Einwirkungsseite als auch was die Widerstandsseite betrifft ständig weiterentwickelt und an neue hinzugewonnene Erkenntnisse angepasst. Dies hat zwangsläufig zur Folge, dass sich bei der Nachrechnung älterer Bestandsbrücken auf der Grundlage neuerer Normen die höhere Anforderungen beinhalten, häufig keine Nachweise mit normgemäßen Sicherheitsfaktoren führen lassen. Im Rahmen des FE-Vorhabens wurde objektbezogen an zwei Brücken untersucht, welche möglichen Tragreserven sich unter Einbeziehung des Entwurfs der Nachrechnungsrichtlinie identifizieren lassen. Die betrachteten Talbrücken Lützelbach (Hohlkasten) und Volkersbach (Plattenbalken) waren zuvor bereits normgemäßen Nachrechnungen unterzogen worden, bei denen sowohl im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, wie auch im Grenzzustand der Tragfähigkeit Defizite festgestellt wurden. Unter anderem wurden gegenüber dem für Neubauten konzipierten Sicherheitskonzept modifizierte Teilsicherheitsbeiwerte für die Besonderheiten bei der Nachrechnung des Bestands in Ansatz gebracht. Für die realitätsnahe Ermittlung der jeweiligen Tragwiderstände wurden alternative und genauere Verfahren auf ihre Eignung hin untersucht und in Ansatz gebracht. Die Tragwerke wurden in größerem Umfang als allgemein üblich auf Umlagerungsmöglichkeiten und Systemredundanzen hin untersucht. Insgesamt kann festgestellt werden, dass bei Anwendung eines für die Nachrechnung bestehender Bauwerke angepassten Sicherheitskonzepts und geeigneter alternativer Nachweisverfahren, Tragreserven bei den beiden betrachteten Brückenbauwerken identifiziert und genutzt werden können. Die bei normgemäßen Nachrechnungen festgestellten Defizite konnten in weiten Bereichen reduziert oder sogar ganz aufgehoben werden. Ein hoher Aufwand bei der Nachrechnung bestehender Brückenbauwerke scheint zielführend und gerechtfertigt, vor allem wenn sich dadurch der noch höhere Aufwand für Planung und Ausführung von Verstärkungsmaßnahmen vermeiden lässt.
