Steigende Beanspruchungen insbesondere durch Schwerlastverkehr und altersbedingte Tragfähigkeitsdefizite älterer Brückenbauwerke führen dazu, dass zahlreiche Betonbrücken instand gesetzt oder verstärkt werden müssen. Um einen Beitrag zur konstruktiv und wirtschaftlich erfolgreichen Durchführung zukünftiger Verstärkungsmaßnahmen zu leisten, wurde im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine Erfahrungssammlung zu "Verstärkungen älterer Beton†und Spannbetonbrücken" erstellt. In der Dokumentation wird ein Überblick über den Stand der Technik der im Massivbrückenbau eingesetzten Verstärkungstechniken gegeben, und insgesamt 76 durchgeführte Verstärkungsmaßnahmen werden ausgewertet. Repräsentative Verstärkungsmaßnahmen werden in anonymisierter Form detailliert vorgestellt. Der vorliegende Bericht gibt einen Überblick über die in Kürze erscheinende Erfahrungssammlung, wobei die wesentlichen Erfahrungen der ausgewerteten Anwendungsfälle vorgestellt werden.
Viele ältere Betonbrücken im Zuge der Bundesfernstraßen müssen wegen massiver Schäden in den nächsten Jahren instandgesetzt, verstärkt oder ersetzt werden. Angesichts dieser Herausforderungen an die Straßenbauverwaltungen und der damit verbundenen Minimierung der Kosten kommt der zielgerichteten Auswahl geeigneter Verstärkungstechniken besondere Bedeutung zu. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) hat daher die Erfahrungssammlung "Verstärkung älterer Beton- und Spannbetonbrücken" in Auftrag gegeben. Es wird ein Überlick über die Erfahrungssammlung (siehe AN 01596101) gegeben. In der Dokumentation wird der Stand der Technik der im Massivbrückenbau eingesetzten Verstärkungsmaßnahmen auf der Grundlage von 76 Anwendungsfällen gegeben. Außerdem werden repräsentative Verstärkungsmaßnahmen in anonymisierter Form detailliert beschrieben. Unter dem Oberbegriff "Verstärkungsmaßnahmen" sind Methoden zur Wiederherstellung oder Erhöhung der Tragfähigkeit oder Gebrauchstauglichkeit zu verstehen, während die unterschiedlichen technischen Lösungen zur Umsetzung dieser Maßnahmen als "Verstärkungstechniken" bezeichnet werden. Eine Ertüchtigung liegt dann vor, wenn man die Tragfähigkeit über den Ursprungszustand hinaus steigert. Zu den beschriebenen Verstärkungstechniken zählen: zusätzliche Vorspannung, Querkraftverstärkung mit Stabspanngliedern oder Schublaschen aus Stahl, schubfest aufgeklebte, in Schlitze eingeklebte oder vorgespannte CFK-Lamellen und aufgeklebte Stahllaschen. Verstärkungstechniken sind auch Querschnittsergänzungen mit verdübeltem Beton, mit Zusatzbewehrungen in Nuten oder zusätzlicher Betonstahlbewehrung. Ebenso zählen dazu Querschnittsergänzungen durch Spritzbeton mit zusätzlicher Betonstahlbewehrung. Einige dieser Verstärkungstechniken werden detailliert beschrieben. Des Weiteren wird zu 34 repräsentativen Maßnahmen ein Überblick gegeben. Als Erweiterung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbestimmungen und Richtlinien für Ingenieurbauwerke (ZTV-ING) wurde auf der Basis der Erfahrungssammlung ein Regelwerkentwurf zum Verstärken von Betonbauteilen erstellt.
Durch die steigenden Verkehrszahlen haben sich die Anforderungen an Brückenbauwerke im Bestand in den letzten Jahren deutlich erhöht. Gleichzeitig ergeben sich heute durch Veränderungen in den Normen geringere rechnerische Querkrafttragfähigkeiten und höhere erforderliche Mindestquerkraftbewehrungen. Dadurch kann die Querkrafttragfähigkeit des Längssystems von bestehenden Brückenbauwerken häufig nicht mehr nachgewiesen werden, sodass Verstärkungsmaßnahmen erforderlich werden. In diesem, von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten Forschungsvorhaben, wurden daher am Institut für Massivbau der RWTH Aachen experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Einfluss einer externen Längsvorspannung auf die Querkrafttragfähigkeit bestehender Spannbetonbrücken durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden sechs Teilversuche an drei Zweifeldträgern mit parabelförmigem internen Spannglied und einer Stützweite von jeweils 5,5 m durchgeführt. Zwei der drei Träger wurden zusätzlich durch gerade externe Spannglieder vorgespannt. Durch die Versuche wurde der Einfluss der externen Vorspannung auf die Erstrisslasten und Bruchlasten untersucht. Die Träger wurden zusätzlich in beiden Feldern jeweils unterschiedlich bewehrt, wobei eine Trägerhälfte in etwa mit der nach DIN-FB 102 erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung bewehrt war und die andere mit der Hälfte davon. Dadurch konnte auch das Tragverhalten bei nicht vollständig vorhandener Mindestquerkraftbewehrung untersucht werden. Parameterstudien mit Finite Elemente Modellen ergänzen die Versuche, um die Einflüsse aus Vorspanngrad, Querkraftbewehrungsgrad, Betonfestigkeit, Querschnitt und Spanngliedführung auf die Querkrafttragfähigkeit näher zu untersuchen. Auf Grundlage der experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden dann bestehende Bemessungs- und Ingenieurmodelle überprueft und modifiziert.
Die Anforderungen an Brückenbauwerke haben sich in den vergangenen Jahren infolge der steigenden Verkehrszahlen deutlich erhöht. Gleichzeitig hat sich mit der Umstellung der Normen der rechnerische Querkraftwiderstand von Bauteilen ohne Querkraftbewehrung verringert. Daher lässt sich für Brückenbauwerke im Bestand mit Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung nach derzeitigen technischen Regeln oft nicht eine ausreichende Querkrafttragfähigkeit nachweisen. Allerdings sind die berechneten Tragfähigkeiten aufgrund einer Unterschätzung der mitwirkenden Plattenbreite konservativ. Der derzeit gültige Ansatz zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung nach DIN-Fachbericht 102 (2009) wurde anhand einer Querkraftdatenbank kalibriert, die hauptsächlich aus Versuchen an Balken besteht. Bislang wurden nur wenige Versuche zur Querkrafttragfähigkeit von Platten unter punktförmiger Belastung durchgeführt. Im vorliegenden von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten und am Institut für Massivbau der RWTH Aachen durchgeführten Forschungsvorhaben wurde durch experimentelle und theoretische Untersuchungen das Querkrafttragverhalten von Platten genauer analysiert. Die experimentellen Untersuchungen bestanden aus insgesamt 17 Bauteilversuchen in zwei Versuchsserien. In der ersten Versuchsserie wurde die Fragestellung der sich einstellenden Lastverteilungsbreite bei Platten ohne Querkraftbewehrung im Zustand II untersucht. Hierzu wurde durch Variation der Plattenbreite (0,5 m bis 3,5 m) an Einfeldsystemen gezielt der Übergang von der Balkentragwirkung zur Plattentragwirkung analysiert. Anschließend wurde der Einfluss der Schubschlankheit (2,9 bis 5,4) auf das Querkrafttragverhalten überprüft. In der zweiten Versuchsserie wurde an Kragarmen von zweistegigen Plattenbalken der Einfluss der Vouten sowie des Momenten-Querkraftverhältnisses untersucht. Aufbauend auf den Versuchen der ersten Versuchsserie wurden nichtlineare Finite-Elemente-Berechnungen zur Untersuchung weiterer Einflüsse (z. B. Betonfestigkeit, Längs- und Querbewehrungsgrad, Druckbewehrung, Plattendicke, Stützweite) durchgeführt. Auf Grundlage der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurden abschließend die bestehenden Bemessungsansätze modifiziert und anhand von Versuchen aus der Literatur überprüft.
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.
