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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.
Aktuell werden Brücken intensiv in festgelegten Zyklen untersucht, wodurch hohe Kosten entstehen, jedoch das Zusammenwirken der Konstruktionsteile und Systemabhängigkeiten nur unzureichend berücksichtigt werden. Durch eine risikobasierte Bauwerksprüfung ist es möglich, den Prüfumfang jeder Bauwerksprüfung auf Basis wissenschaftlich basierter Risikobetrachtungen auf Schadensebene festzulegen und nur bei Vorliegen einer entsprechenden Schädigungswahrscheinlichkeit zu prüfen. Hierzu wird das betrachtete Bauwerk mithilfe mehrerer Untergliederungsebenen bis zu den möglichen Schäden aufgegliedert. Für sämtliche Schäden werden auf Grundlage mechanischer oder physikalischer/chemischer Überlegungen Schädigungsmodelle definiert und für alle Schäden verschiedene Schädigungsniveaus, bezogen auf die Auswirkungen auf die Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit, festgelegt. Durch eine Darstellung der Schäden mittels probabilistischer Modelle, lässt sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schaden ein bestimmtes Schädigungsniveau erreicht, errechnen. Wenn die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schaden ein bestimmtes Schädigungsniveau erreicht hat, eine zugehörige Grenzwahrscheinlichkeit erreicht, ist eine Bauwerksprüfung zur Bestätigung dieses Schadensniveaus durchzuführen. Es wird eine Systematik vorgeschlagen, die für jedes Schädigungsniveau, die Ermittlung der Grenzwahrscheinlichkeit ermöglicht. Durch die Bauwerksprüfung kann der tatsächliche Bauwerkszustand festgestellt und die Schädigungsprognose durch Einbezug dieser Erkenntnisse in die Schädigungsmodelle, angepasst werden. Durch das vorgeschlagene Modell ist es möglich, beim Umfang der Bauwerksprüfung den tatsächlichen und den prognostizierten Bauwerkszustand zu berücksichtigen. Die für die Bauwerksprüfung bereitstehenden Mittel lassen sich effizienter einsetzen und "Schwachpunkte" eines Bauwerks werden gemäß ihrer Schädigungswahrscheinlichkeit häufiger geprüft.
Ziel des bearbeiteten Forschungsvorhabens war die Untersuchung des Verhaltens von Brücken aus hochfestem Beton. Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens wurden drei bestehende Brücken aus hochfestem Beton hinsichtlich der visuell zu bewertenden Oberflächenbeschaffenheit und der mit Hilfe von Messungen ermittelten Karbonatisierungstiefe und Chlorideindringung bewertet: eine Brücke im Zuge der Straße nach Wölkau über die BAB A 17, BW-Nr. 5048569; die Überführung des Eigentümerweges "Freihamer Allee" über die BAB A 96/99, BW-Nr. 7834699; sowie Bauwerk 27-1 Überführung eines Wirtschaftsweges, Buchloe, BW-Nr. 7930585. Dabei konnte festgestellt werden, dass sich der hochfeste Beton hinsichtlich der Karbonatisierungstiefen wie erwartet als sehr dauerhaft erweist. Durch seine dichte Struktur ist nahezu keine Karbonatisierung an den Bauteilen aus hochfestem Beton zu verzeichnen. Lediglich die aus hochfestem Beton hergestellten Pfeiler der Brücken Buchloe und Freihamer Allee zeigen Netzrisse, die auf ungenügende Nachbehandlung der Bauteile zurückgeführt werden könnte. Weiterhin wurde an der Muldebruecke Glauchau der bereits vor Verkehrsfreigabe durchgeführte Belastungstest wiederholt, bei der die damaligen Lastpositionen erneut aufgebracht wurden. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich das hervorragende Tragverhalten auch nach acht Jahren der Nutzung unverändert zeigt. Die große Steifigkeit des Überbaus ist unverändert. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass die untersuchten Brücken aus hochfestem Beton die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Tragverhalten erfüllen. Eventuell wäre zu überprüfen, inwieweit andere Bauteile (insbesondere Pfeiler) aus hochfestem Beton eine ähnliche Netzrissbildung aufweisen. Bei einem Vergleich der Bautagebücher ließen sich möglicherweise Rückschlüsse auf die Einflussfaktoren auf die Rissbildung ziehen.
Die gegenwärtigen DIN-Fachberichte basieren auf den ENV-Fassungen der Eurocodes unter Berücksichtigung der nationalen Regelungen. Bis zur Einführung der Europäischen Normen mit den zugehörigen Nationalen Anwendungsdokumenten werden in Deutschland Brücken auf der Grundlage der DIN-Fachberichte 101 "Einwirkungen auf Brücken", 102 "Betonbrücken", 103 "Stahlbrücken" und 104 "Verbundstahlbrücken" in den Ausgaben 03:2009 berechnet, bemessen und konstruiert. Aus der Anwendung der DIN-Fachberichte für den Brückenbau seit 2003 liegen überwiegend positive Erfahrungen vor. Mit ihrer Anwendung wurde ein hoher Qualitätsstandard sicher gestellt. Insgesamt soll mit der Einführung der EN-Normen das bisher in Deutschland erreichte hohe Qualitätsniveau im Brückenbau gehalten werden. Das Schwerverkehrsaufkommen auf den Straßen in Deutschland ist in den letzten Jahrzehnten überproportional angewachsen, und auch für die Zukunft werden weitere Steigerungen prognostiziert. Die Festlegungen aktueller Verkehrslastmodelle für Straßenbrücken beruhen auf Messungen aus der Mitte der 1980er Jahre. Im Vergleich dazu wurde durch neuere Verkehrserfassungen eine Verdopplung des Schwerverkehrsaufkommens festgestellt. Aus diesem Grund war es erforderlich, die Verkehrslasten auf Straßenbrücken hinsichtlich des aktuellen und des zukünftigen Schwerverkehrs zu überprüfen und anzupassen. Mit der geplanten Einführung der Eurocodes im Brückenbau werden im Vergleich zu den derzeitigen Regelwerken neben Änderungen bei den Straßenverkehrslasten auch Anpassungen zu den jeweiligen Eurocodes für die Bemessung von Brücken vorgeschlagen, um das gebotene Sicherheitsniveau einerseits sowie die Wirtschaftlichkeit andererseits zu wahren. Im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben wurden die Auswirkungen dieser Änderungen für Beton-, Stahl- und Stahlverbundbrücken untersucht.
Der Bericht liefert einen Überblick über die Gefährdung von stählernen Fahrbahnplatten hinsichtlich Ermüdungsschäden, ordnet diese Gefährdungen in Gefährdungskategorien ein und gibt Strategien und Verfahren zu einer nachhaltigen Instandsetzung vor allem von Deckblechschäden und Schäden an der Verbindung zwischen Längsrippe und Deckblech an. Im Einzelnen geht der Bericht auf die Entwicklung stählerner Fahrbahnplatten bis zur heutigen Standardlösung ein, auf deren Weg sich einige Konstruktionen als besonders schadensanfällig erwiesen haben. Eine Aufgabe ist es daher, bestehende Brücken und die heutige Standardlösung zukunftssicher zu machen. Für die Zukunftssicherung ist besonders die Dauerhaftigkeit des Deckblechs und seiner Verbindungen zu Rippen und Querträgern wichtig. Zur Verringerung der Ermüdungsbelastung des Deckblechs gibt es Verfahren zur direkten Deckblechverstärkung und zur Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags zur Verbesserung der Verbundwirkung mit dem Deckblech. Die vorgestellten und untersuchten Verfahren zur direkten Deckblechverstärkung sind: - Aufbringen einer Elastomersandwichstruktur mit einem neuen zusätzlichen Stahldeckblech (Sandwich Plate System (SPS) , Pilotprojekt in NRW), - Stahlfaserbewehrter hochfester Beton mit Stahlbewehrungseinlagen (Pilotprojekte in den Niederlanden), - Aufkleben von Zusatzblechen (Versuchsstadium). Zur Effizienzsteigerung des Fahrbahnbelags ist es nötig, eine Optimierung zwischen zwei sich widersprechenden Zielsetzungen zu erreichen: 1. Dauerhaftigkeit des Belages durch ausreichende Elastizität des Belags und Reduktion der Verbundwirkung, 2. Dauerhaftigkeit des Stahlblechs und der Verbindungsnaht mit der Längsrippe durch höhere Steifigkeit des Belags und Verbesserung der Verbundwirkung. Dazu sind Versuche mit Belägen mit modifiziertem Bitumen (PmB25A) und mit hohlraumreichem Asphalttraggerüst mit nachträglichem Verguss (HANV) durchgeführt worden, die Tendenzen zu Verbesserungen erkennen lassen. Für eine weitere Optimierung der beiden Varianten sind gezielte Kleinteilversuche zur Bestimmung von temperatur- und frequenzabhängigen Stoffeigenschaften, die sich für Grenzzustandsberechnungen eignen, erforderlich. Die Berechnungsmodelle müssten an bauteilähnlichen Prüfkörpern überprüft werden. Der Bericht gibt Empfehlungen wie eine Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Stahldeckblech Asphaltbelag erreicht werden kann.
Bei Statistischen Vorbeifahrt-Messungen werden die Geräusche vieler einzelner Fahrzeuge während der Vorbeifahrt gemessen, um die akustische Qualität der Straße zu bestimmen. Dies ist im dichten Verkehr oft nicht mehr möglich, da sich die Geräusche zu stark überlappen. Statt der Verwendung nur eines Mikrofons soll hier der Einsatz von Mikrofonarrays mit 6, 10 und 20 Mikrofonen zur Trennung der Geräusche von verschiedenen Fahrzeugen untersucht werden, um auch im dichten Verkehr messen zu können. Für die Extrahierung der gesuchten Pegel wurde als Referenz ein Verfahren zur Quellentrennung (SIA) eingesetzt. Ein zweites Verfahren (BeamSolve) wurde im Rahmen des Projekts entwickelt. Die Pegel eines einzelnen Fahrzeugs ließen sich auch dann noch vom folgenden Fahrzeug trennen, wenn die Lücke zwischen den Fahrzeugen deutlich unter einer Fahrzeuglänge lag. Abweichungen zur Referenzmessung der einzelnen Fahrzeuge (Pkw und Lkw) ergeben sich systematisch durch die Mittelung des Pegels über mehrere Mikrofonpositionen, was den Maximalpegel um 0,6 Dezibel senkt und als Korrekturfaktor berücksichtigt werden kann. Das SIA-Verfahren liefert im Mittel eine weitere Unterschätzung dieses Pegels um minus 0,2 Dezibel bei einer Streubreite von plus minus 0,2 Dezibel. Das neue BeamSolve-Verfahren liefert im Mittel einen Pegel der 0,8 Dezibel unter dem SIA-Verfahren liegt, also insgesamt 1,6 Dezibel unter den Referenzpegeln mit einem Mikrofon. Die Streuung beträgt dabei plus minus 0,6 Dezibel, wenn 20 Mikrofone verwendet werden. Während das SIA-Verfahren schon mit 6 Mikrofonen stabile Ergebnisse liefert, sind für das BeamSolve 20 Mikrofone vorteilhaft. Damit stehen nun Messverfahren zur Verfügung, mit denen auch im dichten Verkehr die Statistische Vorbeifahrt-Messung angewendet werden kann.
Das Längsebenheitsauswerteverfahren "Bewertetes Längsprofil (BLP)" soll für die turnusmäßige Zustandserfassung/ -bewertung und für bauvertragliche Zwecke angewendet werden. Zur Absicherung dieser Anwendungsoptionen sollen Feinabstimmungen des BLP für den Wellenlängenbereich und die Welligkeit sowie für Ziel-, Abnahme-, Warn- und Schwellenwert erfolgen. Als zusätzliche Überprüfung waren neben Vergleichsanalyse mit dem "International Roughness Index" (IRI) und dem österreichischen BLP-Verfahren auch Praxiserprobungen auf ausgewählten Straßen unter Einbeziehung der zuständigen Straßenbauverwaltungen der Länder vorgesehen. Darüberhinaus sollten die Ergebnisvorschlaege zum BLP für die Gesamtnetze der ZEB 2005/2006 der Bundesautobahnen und die ZEB 2007/2008 der Bundesstraßen angewendet werden. Im Ergebnis sollte ein im Vergleich zum bisherigen Bewertungsverfahren deutlich verbesserter Ebenheitsindex für bauvertragliche Zwecke und für die ZEB zur Verfügung stehen. Für die Feinabstimmung des BLP konnte auf vorliegende Daten sowie auf Daten eines "Untersuchungskollektivs I" mit Streckenabschnitten im Neubauzustand beziehungsweise innerhalb der Gewährleistungsfrist ("AGB-Strecken") und Streckenabschnitten mit mittelmäßigem/schlechtem Erhaltungszustand ("ZEB-Strecken") zurückgegriffen werden, an den größtenteils Zweifachmessungen der Längsprofildaten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) erfolgten. Nach den Feinabstimmungen zum BLP ist ein gutes Längsebenheitsauswerteverfahren für eine umfassende und ortsgenaue Bewertung der Unebenheitscharakteristik verfügbar. Das entwickelte Bewertungskonzept erscheint plausibel und für die ZEB der Bundesfernstraßen anwendungsreif. Die abgeleiteten Abnahme- und Gewährleistungswerte für bauvertragliche Zwecke müssen noch abgestimmt werden.
Im Forschungsvorhaben wurde eine vergleichende Analyse der Baulastträgerkosten von Einhausungsbauwerken und Tunneln in offener Bauweise über den Lebenszyklus durchgeführt. Betrachtet wurden die Einhausungsarten oben offene Einhausungen, seitlich offene Einhausungen (Galerien) und geschlossene Einhausungen mit Verglasungen im Decken- und/oder Wandbereich. Der Analyse wurden mittlere Kostensätze für die Erhaltung (Erneuerung und Unterhaltung) der Bauwerke zugrundegelegt, die aus vorliegenden Objektdaten von Einhausungen und Tunneln gewonnen wurden. Die Gegenüberstellung der Kosten erfolgte für fiktive Gegen- und Richtungsverkehrsbauwerke mit einer Länge von 100 bis 6.000 Metern. Die bauliche Gestaltung sowie die betriebs- und sicherheitstechnische Ausstattung der Einhausungen wurden aus den Ergebnissen einer parallel durchgeführten Risikoanalyse (FE 15.492/2010/FRB) abgeleitet. Ziel der Gegenüberstellung war insbesondere die Ermittlung des Kosteneinflusses der Beleuchtungs- und Lüftungsauslegung. Als Vergleichsgröße wurden nach dem Modell der Ablösebeträge-Berechnungsverordnung (ABBV) kapitalisierte Erhaltungskosten verwendet. Im Ergebnis zeigte sich, dass alle Einhausungsarten mit geringeren Kosten als nach RABT 2006 ausgestattete Vergleichstunnel verbunden sind. In Abhängigkeit von Bauwerkslänge und Betriebsform ergaben sich für seitlich offene Einhausungen um 35 bis 45 %, für oben offene Einhausungen um 15 bis 40 % und für geschlossene Einhausungen um 10 bis 20 % niedrigere Erhaltungskosten. Auf Grundlage der ermittelten Kostensätze und dem Modell der ABBV wurde ein Softwaretool erstellt, mit dem die verschiedenen Einhausungsarten einem Vergleichstunnel gegenübergestellt werden können und das die zu erwartenden Kostendifferenzen ausgibt. Basierend auf den Ergebnissen wurden Standardisierungskonzepte für das Regelwerk erarbeitet, die unter Beibehaltung des Sicherheitsniveaus nach RABT 2006 eine wirtschaftlich optimierte Ausstattung von Einhausungen ermöglichen sollen.
Ziel des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens war es, für bauliche Engstellen in Ortsdurchfahrten geeignete Lösungsansätze abzuleiten. Die verschiedenen erhobenen Entwurfslösungen an Engstellen wurden insbesondere bezüglich der verkehrlichen Aspekte (Verkehrsablauf, Verkehrssicherheit, straßenverkehrsrechtliche Einordnung) und der städtebaulichen Aspekte untersucht. Resümierend kann festgehalten werden, dass verkehrlich und gestalterisch gute Lösungen bewusste Entscheidungen auf Grundlage der örtlichen Gegebenheiten verlangen. So müssen Engstellen gut erkennbar, begreifbar und eindeutig ausgeführt sein. Im Rahmen des Vorhabens wurden Entwurfs- und Abwägungsgrundsätze aufgestellt und Ausstattungselemente beschrieben, die in die Weiterentwicklung des Regelwerks einfließen können. So sollte die Ausbildung von Engstellen mit Borden ohne Begegnungsverkehr (3,50 m Fahrbahnbreite) der Standardfall sein. Engstellen ohne Begegnungsverkehr sind bis zu 400 Kfz/h (Länge bis zu 50 m) ohne Signalisierung und bis zu 1.200 Kfz/h (Länge bis zu 300 m) mit Signalisierung problemlos zu betreiben. Ausbildungen ohne Begegnungsmöglichkeit sind eventuell bei Verkehrsmengen zwischen 400 und 800 Kfz/h ebenfalls möglich. Verkehrsmengen, die an diese Belastungsgrenzen heranreichen, können hohe Halteraten verzeichnen. In solchen Fällen sollte im Einzelfall entschieden werden, ob die betreffenden Engstellen ohne oder mit Begegnungsverkehr zu regeln sind. Bei Verkehrsbelastungen über 1.200 Kfz/h sind Lösungen mit Begegnungsverkehr zu wählen. Das Mindestmaß für Fahrbahnen mit Begegnungsverkehr liegt unter der Voraussetzung eines geringen Schwerverkehrsanteils bei 4,50 m.