24 Brückenentwurf
Rekonstruktion des Bestandsplans im Zuge der Nachrechnung der Brücke über die Leine bei Schwarmstedt
(2019)
Der aktuell im Rahmen der Nachrechnungsrichtlinie geforderte Nachweis von Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Ermüdung der Brückenbauwerke im Bestand der Länder und des Bundes stellt eine enorme Herausforderung dar. Insbesondere bei unvollständigen oder fehlenden Bestandsplänen der Bauwerke sind Maßnahmen erforderlich, um die erforderlichen Informationen zu beschaffen. Ein wirkgungsvolles Instrument könne hierfür die zerstörungsfreien Prüfverfahren des Bauwesens sein. In dem präsentierten Forschungsprojekt erfolgte die Rekonstruktion eines Bestandsplanes direkt auf die Anforderungen des mit der Nachrechnung beauftragten Ingenieurbüros. Darüber hinaus wurde der Entwurf eines Leitfadens erstellt, der im Falle von unvollständigen oder fehlenden Bestandsplänen die Grundlagen für die Beauftragung und Durchführung der Nachrechnung schafft.
Bei der Nachrechnung älterer Spannbetonbruecken mit Hohlkastenquerschnitt werden derzeit häufig grosse rechnerische Defizite beim Nachweis der schubfesten Verbindung zwischen gedrückter Bodenplatte und den Stegen im Bereich der Zwischenunterstützungen festgestellt. Neben erhöhten Beanspruchungen als Folge stetig wachsender Verkehrslastzahlen sind diese Defizite im Wesentlichen auf die mit Einführung der DIN-Fachberichte für den Brückenbau im Jahr 2003 geänderten Bemessungsvorschriften zurückzuführen. In Deutschland erfolgt die Ermittlung des Tragwiderstands im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GTZ) seither auf Grundlage des Fachwerkmodells mit Rissreibung. In den vorgestellten Untersuchungen wird gezeigt, dass die Übertragung dieses für Stegquerschnitte entwickelten Modells auf Druckgurte mechanisch nicht begründet ist und zu sehr konservativen Ergebnissen führt. Auf Basis der Ergebnisse numerischer und analytischer Betrachtungen werden Bemessungsmodelle entwickelt, die das Tragverhalten vorwiegend gedrückter Gurtbereiche realitätsnäher erfassen. Die Kalibrierung und Verifikation der Finite Element-Modelle erfolgt in den durchgeführten Untersuchungen stets durch den Vergleich mit Ergebnissen gut dokumentierter Versuche aus der Literatur.
Teil 1: Gewölbebrücken stellen mit einer Anzahl von etwa 32 Prozent und einer Brückennutzfläche von 19 Prozent einen beachtlichen Anteil des Straßenbrückenbestandes der neuen Bundesländer dar. Für diese bestehenden Brücken sind Tragfähigkeitseinstufungen nach DIN 1072 erforderlich. Zielstellung der vorliegenden Untersuchung ist es, Besonderheiten der Nachrechnung bestehender Gewölbebrücken Anforderungen einer Neuplanung gegenüberzustellen. Hieraus sollen Vereinfachungen in der Nachweisführung abgeleitet werden. Im einzelnen werden die für die Nachrechnung maßgebenden Regelungen der Technischen Güte- und Lieferbedingungen (TGL) mit den entsprechenden jetzt gültigen DIN-Vorschriften verglichen. Weitere Betrachtungen gelten der Verteilung der Verkehrslasten sowie der mitwirkenden Gewölbebreite, zu denen Regelungen in den DIN-Vorschriften fehlen. Es wird nachgewiesen, dass sich unterschiedliche Annahmen der Lastverteilung und Mitwirkung nur unwesentlich auf die für die Nachweisführung des Gewölbestreifens maßgebende Lastintensität auswirken. Weitere Angaben zur Nachrechnung behandeln: - Hinweise zur statischen Modellierung, - mögliche Nachweisvereinfachungen, - vorhandene Hilfsmittel (Tabellenwerke, Rechenprogramme) und ihren rationellen Einsatz sowie - einzuhaltende Grundsätze und Bedingungen. rnTeil 2: In den letzten 30 Jahren wurde in den neuen Bundesländern eine Vielzahl von Fertigteilbrücken errichtet. Zwischenzeitliche Vorschriftenänderungen sind somit bei den Fertigteilträgern der Serien BT 70 und BT 50, die zwischen 1966 und 1979 verwendet wurden, nicht berücksichtigt worden. Es wurden Untersuchungen zur Schubsicherung an repräsentativ ausgewählten Fertigteilbauwerken vorgenommen. Weitergehende Betrachtungen dienten dazu, Tragreserven zu erschließen und damit auch die Anforderungen nach DIN 4227 zu erfüllen. Aufgrund der Ergebnisse wird vorgeschlagen, die Tragfähigkeitsangaben für die Fertigteilträger BT 70 und BT 50 entsprechend den vorliegenden Typenkatalogen und der BMV-Richtlinie zur Tragfähigkeitseinstufung beizubehalten, ohne dass ein Nachweis der schiefen Hauptzugspannungen erbracht werden muss. Voraussetzung dafür ist, dass bauwerksseitig alle angegebenen Bedingungen eingehalten sind und keine Nutzungserweiterung durch Erhöhung der ständigen Lasten oder der Verkehrslasten vorgesehen ist.
Zur Vereinheitlichung der Vorgehensweise bei der Nachrechnung von Straßenbrücken wurde in Deutschland im Mai 2011 die "Nachrechnungsrichtlinie" eingeführt. Im Rahmen des vorliegenden, von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) initiierten Forschungsvorhabens wurden in den vergangenen Monaten die Ergebnisse zu insgesamt etwa 150 nachgerechneten Stahlbeton- und Spannbetonbrücken aus ganz Deutschland gesammelt und systematisch ausgewertet. Wesentliches Ziel des Projektes ist es, Grundlagen für eine noch effizientere Nachrechnung mit aussagekräftigen Ergebnissen zu schaffen. In diesem Bericht werden zunächst typische "rechnerische Defizite" benannt, welche Zusatzbetrachtungen erforderlich machen, die über die Anwendung der Sonderregelungen der Nachweisstufe 2 hinausgehen. Anschließend werden Empfehlungen zur Nachrechnung allgemein sowie zum Umgang mit typischen, rechnerischen Stufe-2-Defiziten gegeben und es werden Vorschläge zur Aufbereitung von Nachrechnungsergebnissen vorgestellt und diskutiert.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Verbesserungsbedarf für Ermüdungsnachweise gemäß Nachrechnungsrichtlinie zu identifizieren und darauf aufbauend Anpassungs- und Ergänzungsvorschläge zu formulieren sowie weiteren Forschungsbedarf zu benennen. Da die Gesamtheit aller für den Ermüdungsnachweis an Stahl- und Verbundbrücken in Frage kommenden Nachweisverfahren und Anwendungsfälle sehr umfangreich ist, wurden Untersuchungen zu den verschiedenen Nachweiskonzepten an einer repräsentativen Auswahl vorhandener Straßenbrücken durchgeführt und hieraus entsprechende Verbesserungsvorschläge für die Regelungen der Nachrechnungsrichtlinie abgeleitet. Nachfolgend werden die wesentlichen Ergebnisse stichpunktartig zusammengefasst: 1) Die Verwendung von bauwerksspezifischen Daten (z.B. Daten aus Verkehrszählungen) kann die Nachweisgenauigkeit erheblich verbessern. Jedoch bleiben folgende Fragen bisher unbeantwortet: - Wie kann das zukünftig steigende Verkehrsaufkommen bzw. das gegenüber der Zählung geringere Verkehrsaufkommen vergangener Jahrzehnte berücksichtigt werden? - Wie können die Daten einer Verkehrszählung auch im Zusammenhang mit dem bisherigen Konzept des modifizierten ELM 4 der Nachrechnungsrichtlinie verwendet werden? 2) Um das Nachweiskonzept der Nachrechnungsrichtlinie in Stufe 3 nachhaltig zu verbessern, wird die Einführung eines messdatenbasierten Schadensäquivalenzfaktors lambda meas vorgeschlagen. Mit Hilfe dieses Faktors könnten bauwerksspezifische Daten aus einfachen Dehnungsmessungen am Bauwerk unter Berücksichtigung des prognostizierten Verkehrszuwachses in den Nachweis eingehen und erheblich zur Verbesserung der Nachweisgenauigkeit beitragen. 3) Die Anwendung des Strukturspannungskonzeptes ist nur zu empfehlen, wenn folgende Punkte berücksichtigt werden: - Das Strukturspannungskonzept sollte aufgrund des hohen Modellierungsaufwandes nur zur Anwendung kommen, wenn keine eindeutige Kerbfallzuordnung nach dem gängigen Nennspannungskonzept möglich ist. - Für die Ermittlung der Hot-Spot-Spannungen ist die Art der Elementierung von entscheidender Bedeutung. Somit sollte die Nachrechnungsrichtlinie grundsätzliche Regelungen zur Elementierung und zur Spannungsextrapolation enthalten oder zumindest auf entsprechende Regelwerke verweisen. - Sind die Spannungspunkte bzw. Stützstellen über die Blechdicke (entlang von Blechkanten) oder entlang nicht flächiger Bauteile (wie z.B. Rundstahlhänger) anzuordnen, sollten Volumenmodelle mit feiner Elementierung und einem quadratischen Extrapolationsansatz (mit 3 Parametern) zur Anwendung kommen. - Bei einer Anordnung der Stützstellen über die Blechbreite / oder -länge können die Hot-spot-Spannungen auch anhand eines Flächenmodels sowie auf Grundlage eines groben FE-Netzes bestimmt werden. Zur Unterscheidung zwischen grober und feiner Elementierung. - Bei tragenden und nicht voll durchgeschweißten Nähten ist ergänzend zum Nachweis des Grundmaterials stets der Ermüdungsnachweis für ein Versagen der Schweißnaht selbst zu führen, da dieser Fall nicht mit dem Strukturspannungskonzept abgedeckt wird. 4) Da Stahlbrücken im Straßenbrückenbau häufig große Stützweiten aufweisen, erscheint es lohnenswert, mit Hilfe von Vergleichsrechnungen für verschiedene Systeme und Stützweiten eine einfache Ausschlussregelung auf Grundlage der Brückenklassen 60 und 60/30 zu entwickeln, bei welcher der Ermüdungsnachweis in Haupttragrichtung generell entfallen kann. Für Neubauten existiert eine derartige Regelung bereits im DIN Fachbericht 103 für Hauptträger von Straßenbrücken mit Einflusslinienlängen von L ≥ 45 m und mit Kerbfällen von ΔσC ≥71 N/mmÌ£2. 5) Bezüglich probabilistischer Nachweismethoden enthält die Nachrechnungsrichtlinie bisher weder nähere Angaben zum Ansatz von Lastkollektiven auf Basis von Verteilungen, noch finden sich Angaben zu statistischen Parametern auf der Widerstandsseite wie zum Beispiel der Streuung der Wöhlerlinien oder der Grenzschadensumme. Gerade um eine Vergleichbarkeit und Prüfbarkeit für probabilistische Nachweise zu ermöglichen, ist die Festlegung bestimmter Eingangsgrößen in der Richtlinie unabdingbar.
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.
Aufgrund der Altersstruktur des Brückenbestands und der zunehmenden Verkehrsbelastung besteht die dringende Notwendigkeit viele ältere Brücken im Bundesfernstraßennetz zukunftsfähig zu ertüchtigen. Im Rahmen der Ressortforschung des BMVI und der BASt werden die wesentlichen Aspekte analysiert und erforderliche Verfahren entwickelt. Dies betrifft eine netzweite Risikoanalyse hinsichtlich des Erfordernisses von objektbezogenen Betrachtungen, die Weiterentwicklung der Nachrechnungsformate und Entscheidungshilfen zur Unterstützung der Straßenbauverwaltungen im Hinblick auf die Ertüchtigung des Bestands.
Bei der Nachrechnung von Straßenbrücken aus Beton werden häufig rechnerische Tragfähigkeitsdefizite festgestellt. Neben stetig steigenden Beanspruchungen infolge zunehmender Verkehrslastzahlen und einer gleichzeitig alternden Bausubstanz sind diese zum Teil auch auf die mit der Weiterentwicklung der Bauweise fortgeschriebenen bzw. geänderten Nachweisformate zurückzuführen. Im Rahmen der Ressortforschung des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) und der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden die Ursachen für die rechnerischen Defizite systematisch analysiert und Lösungsansätze entwickelt. Die Ergebnisse in Form von Berichten, Erfahrungssammlungen bzw. konkreten Richtlinientextvorschlägen fließen kontinuierlich in die Arbeit der Gremien zur Fortschreibung der Regelwerke ein.
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.
Gegenwärtig wird in den neuen Bundesländern der vorhandene Straßenbrückenbestand einer umfassenden Tragfähigkeitsbewertung unter Erfassung und Berücksichtigung des aktuellen Bau- und Erhaltungszustandes unterzogen.Im Zuge der Nachrechnung kann bei der Einstufung älterer Plattentragwerke in Lastklassen nach DIN 1072 die Nebentragrichtung bei gleichzeitig vorhandenen Tragreserven der Hauptspannrichtung tragfähigkeitsbestimmend werden. Dies trifft vor allem für solche Bauwerke zu, deren Bemessung auf die Betrachtung eines "Meterstreifens" zurückgeführt wurde, und die aus heutiger Sicht oftmals eine zu geringe Querbewehrung erhielten. Mit einem veränderten Rechenmodell zur Schnittgrößenbestimmung gelingt es, vorhandene Bauwerksreserven zu erschließen. Dazu werden dem Benutzer Hilfsmittel in Form von Schnittgrößentafeln sowie Erläuterungen und Hinweise zur Anwendung des Berechnungsverfahrens zur Verfügung gestellt. Ein Beispiel veranschaulicht die durchzuführenden Bearbeitungsschritte. Die Anwendung der aufgestellten Berechnungshilfsmittel darf auf andere plattenartige Bauweisen, wie nicht randverstärkte Balkenreihen oder Platten mit Stahlträger in Beton, ausgedehnt werden, wenn deren Steifigkeitsverteilungen den getroffenen Festlegungen näherungsweise entsprechen. Das beschriebene Berechnungsmodell erfasst die tatsächliche Tragwirkung der zu untersuchenden Bauwerke mit schwacher Querbewehrung realitätsnäher und unterstützt so eine unter Beachtung des Bau- und Erhaltungszustandes zutreffendere Tragfähigkeitsbewertung bei Einhaltung des vorgeschriebenen Sicherheitsniveaus.