Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Stahl- und Verbundbrücken werden in Deutschland derzeit mit Hilfe der DIN-Fachberichte bemessen. Die DIN-Fachberichte enthalten zusammengefasst Regelungen der Eurocodes unter Berücksichtigung der nationalen Regelungen in einem Dokument. Dabei gilt für Stahlbrücken DIN-FB 103:2009 und für Verbundbrücken DIN-FB 104:2009. Die Einwirkungen auf Brücken sind im DIN-FB 101:2009 geregelt, der den bis dato gültigen DIN-FB 101:2003 ersetzt. Die DIN-Fachberichte wurden mit dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau Nr. 6/2009 eingeführt. Im Zuge der Überarbeitung des DIN-FB 101 (Einwirkungen) und dessen Anpassung an die endgültigen Eurocodes haben sich im Bereich der Anpralllasten auf Schutzeinrichtungen (Kapitel IV Absatz 4.7.3.3) gegenüber der Ausgabe DIN-FB 101:2003 wesentliche Änderungen ergeben, die nun in der aktuellen Ausgabe DIN-FB 101:2009 enthalten sind. Diese Änderungen ergeben sich aus den allgemein gestiegenen Sicherheitsanforderungen an Schutzeinrichtungen gemäß den aktuellen Normen und Richtlinien DIN EN 1317-2:2010 und RPS 2009 sowie aus den Ergebnissen durchgeführter Anprallprüfungen der BASt an unterschiedlichen Schutzsystemen. Während die bisher angesetzten Lasten aus DIN 1072:1985 auf der Basis von Anprallversuchen aus den 60er Jahren beruhen und in der Regel auf deutschen Brücken die einfache Distanzschutzplanke (EDSP) eingesetzt wird, wird in Zukunft für jede Schutzeinrichtung eine positive Prüfung nach den Anforderungen der neuen europäischen Norm DIN EN 1317 gefordert. Im Zusammenhang mit der Überarbeitung des DIN-Fachberichts 101 wurden von der BASt zahlreiche Anprallversuche durchgeführt und im Anschluss daran ein Verfahren entwickelt, das eine Einstufung der geprüften Fahrzeugrückhaltesysteme in die Lastklassen A-D nach DIN-FB 101:2009 ermöglicht. Dadurch existiert erstmalig ein standardisiertes und einheitliches Vorgehen für die Einstufung unterschiedlicher Fahrzeugrückhaltesysteme auf Grundlage von Anprallversuchen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Anprallversuche und das Einstufungsverfahren zusammengefasst, stichprobenhaft durch Vergleichsrechnungen geprüft und beurteilt. Auf Grundlage der Durchsicht der Unterlagen wird empfohlen, die bisher der Einstufung zugrunde gelegten statischen Gleichgewichtsansätze durch weitergehende dynamische Untersuchungen zu überprüfen. Weiterhin wird empfohlen, bei der Auswertung der Versuchsergebnisse und der Einstufung in die Lastklassen nach DIN-FB 101:2009 explizit ein definiertes Sicherheitselement anzuwenden. Anhand eines auf typische Querschnitte für Autobahnbrücken mit Betonfahrbahn erarbeiteten Musterkragarms wurden unterschiedliche Wege der Schnittgrößenermittlung miteinander verglichen. Verschiedene Handrechenansätze wurden dabei einer Lösung mittels eines FEM-Modells gegenübergestellt. Die Schnittgrößen die sich dabei aus den Handrechnungen ergaben waren im Großen und Ganzen mit der FEM-Lösung vergleichbar. Größere Unterschiede ergaben sich bei den Querkräften an der Einspannstelle. Hier liegt DAfStb 1991 sehr auf der sicheren Seite, während ein Lastausbreitungswinkel von 45-°, wie in der Praxis häufig üblich, zu unsicheren Ergebnissen führt. Für den Musterkragarm wurde die erforderliche Bewehrung nach DIN-FB 104:2009 für die unterschiedlichen Lastansätze berechnet. Durch die systematische Variation einzelner Parameter des Musterkragarms wurde deren Einfluss auf die resultierenden Schnittgrößen an der Einspannstelle untersucht. Es ergab sich, dass mit länger werdendem Kragarm der Einfluss der Anpralllast abnimmt, während der des Eigengewichts zunimmt. Sämtliche Prüfungen von Schutzeinrichtungen wurden bisher nach DIN EN 1317-2:2007 und aus Kostengründen an Betonkragarmen durchgeführt. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden Voraussetzungen hergeleitet, unter denen eine Übertragung des Systemverhaltens auf Stahlbrücken möglich ist. Am Beispiel des in (BASt H4b) mit "System E" bezeichneten Systems wurden die auf ein FEM-Modell des Gehwegausschnitts für den lokalen Nachweis anzusetzenden Lasten ermittelt. Die Übertragung der an Betonkragarmen ermittelten Lasten auf Stahlkragarmen sollte aufgrund des unterschiedlichen Tragmechanismus im Rahmen ergänzender Untersuchungen numerisch und gegebenenfalls experimentell zu untersuchen. Schließlich wurden vier konkrete Anwendungsbeispiele betrachtet mit Ansatz des beispielhaft gewählten Schutzsystems. Es wurden zwei Brücken mit Betonkragarm und zwei Stahlbrücken gerechnet, wobei jeweils eine bestehende und eine neue Brücke betrachtet wurden. Bei den beiden Betonkragarmen konnte der Nachweis am Kragarmschnitt erbracht werden, ebenso für die neue Stahlbrücke. Bei der bestehenden Stahlbrücke traten rechnerisch Plastizierungen unter den angenommenen Lasten auf, die ggf. durch entsprechende Verstärkungsmaßnahmen verhindert werden müssten. Es ergaben sich für den Kappenanschluss bei den betrachteten Betonkragarmen eine erforderliche Zulage von Bewehrungsstäben.
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Bei Wellstahlbauwerken handelt es sich um wirtschaftliche und dauerhafte Ingenieurbauwerke für die Unterführung von Verkehrswegen, die sich seit Jahrzehnten in der Anwendung bewährt haben. Hierbei werden wellprofilierte biegeweiche Stahlrohre in den Boden eingebettet und als Unterführungsbauwerke benutzt. Die Lastabtragung der eingebetteten biegeweichen Stahlrohre basiert auf einer Interaktion der Rohrschale mit dem umgebenden Boden und erfolgt deshalb hauptsächlich in Ringrichtung. Die Bemessung von Wellstahlbauwerken erfolgt in Deutschland derzeit gemäß den Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998. Die darin aufgeführten Bemessungsregeln stammen aus den 70iger Jahren und basieren auf der Veröffentlichung (KLÖPPEL & GLOCK, 1970). Diese Bemessungsregeln beruhen jedoch noch auf dem damals üblichen Globalsicherheitskonzepts für die Nachweisführung und genügen nicht mehr den Anforderungen der neuen europäischen Normengenerationen deren Sicherheitsphilosophie auf dem Teilsicherheitskonzept beruht. Im Zuge der nationalen Einführung der europäischen Bemessungsnormen (Eurocodes) im Straßenbau in Form der DIN-Fachberichte werden derzeit auch die bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überarbeitet und sollen zukünftig in die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV ING, Teil 9, Abschnitt 4) aufgenommen werden. Neben allgemeinen Änderungen und Anpassungen der Einwirkungen wird bei der Überarbeitung hinsichtlich der Bemessung hauptsächlich die Umstellung der Nachweise vom Globalsicherheitskonzept auf das Teilsicherheitskonzept vollzogen. Durch diese Überarbeitung der bestehenden Richtlinien für Wellstahlbauwerke werden im Hinblick auf die Bemessung von Wellstahlbauwerken wesentliche Änderungen herbeigeführt, die eine genauere Betrachtung und ggf. Anpassung der Bemessungsrichtlinien erfordern. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde daher auf Grundlage von vergleichenden Betrachtungen die Anwendung der neuen Bemessungsrichtlinien fuer Wellstahlbauwerke erprobt, sowie das vorliegende Sicherheitsniveau im Vergleich zu den bisher bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überprüft. Der Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchungen lag daher auf der Durchführung von umfangreichen Vergleichsberechnungen an unterschiedlichen Einbausituationen von Wellstahlbauwerken, anhand derer die Auswirkungen der Regelwerksumstellung aufgezeigt wurden. Ergänzend zu diesen Vergleichsberechnungen wurden separate Untersuchungen zum Nachweis der Schraubenverbindung und zum Nachweis am Schrägschnitt durchgeführt. Ferner wurde in Form von Stabwerksberechnungen nach Theorie II. Ordnung noch das Stabilitäts- und Beanspruchungsverhalten von Wellstahlbauwerken mit großen Spannweiten untersucht. Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen und Vergleichsberechungen konnten für Wellbauwerke nachfolgende wesentliche Erkenntnisse und Empfehlungen für die weitere Überarbeitung des Regelwerks abgeleitet werden: - Mit Ausnahme des Nachweises "Durchschlagen des Bauwerksscheitel für h/s < 0,7" führt die vorgenommen Umstellung des Nachweiskonzepts zu keinen wesentlichen Änderungen des Sicherheitsniveaus. Für diesen Nachweis wird empfohlen, auch zukünftig das höhere Sicherheitsniveau für gedrungene Querschnittsformen mit h/s < 0,7 aufrecht zu erhalten. - Die Anpassung bzw. Erhöhung der Verkehrslast von 45 kN/m2 auf 65 kN/m2 führt mit Ausnahme des Nachweises "Grundbruch im Scheitel" lediglich zu einer effektiven Vergrößerung der Beanspruchung von max. 13%. Dies begründet sich in erster Linie durch den Wegfall des Schwingbeiwertes im neuen Regelwerk. - Bezüglich der Schraubenverbindung wird empfohlen, die Festlegung der Tragfähigkeit gemäß den europäisch harmonisierten Regeln in DIN EN 1990:2002 durchzuführen. - Beim Nachweis "Grundbruch im Scheitel" kommt es infolge der Umstellung des Regelwerks zu größeren Änderungen des Sicherheitsniveaus, das in erster Linie das Ergebnis der Nachweisführung selbst und der Lastanpassung ist. Will man wie bei allen anderen Nachweisen, das bestehende Sicherheitsniveau beim Übergang vom alten ins neue Regelwerk weitestgehend aufrecht erhalten, so sind weitere Maßnahmen erforderlich. - Es wird empfohlen den im alten Regelwerk festgelegten Anwendungsbereich bzgl. der Spannweite und der Überdeckung auch im neuen Regelwerk bei zu behalten.
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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.
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In den letzten Jahren hat sich eine neue Konstruktionsform im Straßenbrückenbau etabliert. Hierbei handelt es sich um architektonisch anspruchsvolle, optisch ansprechende Verbundbrücken, die aus einem dreigurtigen Raumfachwerk mit Untergurt und Streben aus stählernen Rundhohlprofilen bestehen. Die Obergurte werden in die betonierte Fahrbahnplatte integriert. Als besonders günstig hat sich bei der Gestaltung des Raumfachwerks die Anordnung der Streben in Form von fallenden und steigenden Diagonalen erwiesen. Der Untergurt bildet bei einer solchen Anordnung zusammen mit den Streben jeder Fachwerkwand die Form eines liegenden Ks. Der komplette Raumfachwerkknoten wird daher als räumlicher K-Knoten oder KK-Knoten bezeichnet. Neuartig an der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchten Bauweise ist die Ausführung der Fachwerkknoten als Schweißknoten. Das heißt, es wird die Möglichkeit des direkten Verschweißens der Streben auf dem Gurtprofil untersucht. Bisher sind in Deutschland Rohrknoten im Brückenbau ohne Knotenbleche nur als Gussknoten ausgeführt worden. Schweißknoten besitzen gegenüber der Gussknotenausführung drei wesentliche Vorteile. Zum Ersten werden durch die direkte Verschweißung die Gussformstücke eingespart, die aufgrund ihrer individuellen Herstellung einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen. Zum Zweiten besitzt der Schweißknoten ein gutartiges Ermüdungsverhalten, da der Rissfortschritt nicht vom Inneren der Konstruktion ausgeht, sondern an der Außenseite beginnt. Damit bestehen die Möglichkeit einer frühzeitigen Detektion bei einer Brückenkontrolle und die Option für eine Ertüchtigung der ermüdungskritischen Tragwerksstellen durch eine Nachbehandlung. Zum Dritten wird der Planungs- und Ausführungsprozess gestrafft, da die relativ langen Vorlaufzeiten für die Gussknotenerstellung entfallen und mögliche Unterbrechungen bei Qualitätsmängeln an den Gussknoten, die durch den Neuguss entstehen, ausgeschlossen sind. Aus der Sicht der Materialermüdung bedarf der Schweißknoten im Vergleich zum Gussknoten zusätzlicher Untersuchungen. Im Bereich der Gurt-Streben-Verbindung kommt es durch die plötzliche Geometrieänderung zu hohen Spannungskonzentrationen. Zusätzlich erfährt der Ermüdungswiderstand in diesem Bereich aufgrund der metallurgischen Kerbe (Schweißkerbe) eine Reduzierung. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass bei einer Schweißknotenausführung der Ermüdungsnachweis in der Regel für die Ausbildung des Raumfachwerks im Straßenbrückenbau bemessungsbestimmend wird. Aufgrund der komplizierten Geometrie kann die Bewertung des Ermüdungsverhaltens eines KK-Knotens nicht auf der Grundlage des Nennspannungskonzeptes erfolgen, sondern muss auf der Ebene der Strukturspannungen (Hot-Spot-Konzept) geführt werden. Eine praxisnahe Ermittlung der Strukturspannungen setzt das Vorhandensein tabellarisch oder graphisch aufbereiteter Spannungskonzentrationsfaktoren (SCF-Werte) voraus. Für den KK-Knoten im Off-Shore-Bereich, Kranbau und Hochbau stehen solche SCF-Werte zur Verfügung. Wegen der starken Abhängigkeit der SCF-Werte von den Verhältnissen der Durchmesser und Wanddicken der Gurt- und Strebenprofile ist eine einfache Übertragung der existierenden SCF-Werte auf die im Straßenbrückenbau besonderen Durchmesser-Wanddicken-Verhältnisse jedoch nicht möglich. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird der KK-Knoten mit straßenbrückentypischer Geometrie einer ganzheitlichen Betrachtung aus der Sicht der Materialermüdung unterzogen. Für alle Phasen des Planungs- und Umsetzungsprozesses werden praxisnahe Empfehlungen gegeben. Die entwickelten Entwurfsempfehlungen fassen alle wesentlichen, entwurfsbestimmenden Grundsätze zusammen, die aus der unmittelbaren Abhängigkeit zwischen Stab- und Knotendimensionierung bei einem Fachwerk aus Hohlprofilen mit unversteiften KK-Knoten resultieren. Die Entwurfsempfehlungen stellen eine Synthese der besonders auch im europäischen Ausland gesammelten Erfahrungen an Pilot-Brückenvorhaben dar. Die Bemessungsempfehlungen geben dem Tragwerksplaner ein wirkungsvolles Werkzeug bei der Führung des Ermüdungsnachweises an die Hand. Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelten SCF-Werte ermöglichen eine sichere und wirtschaftliche Ermittlung der Strukturspannungen. In den Ausführungsempfehlungen werden Hinweise zur Qualitätssicherung zusammengefasst, die in den Bemessungsempfehlungen unterstellten Voraussetzungen am Bauwerk sicherzustellen. Durch alle Empfehlungen wird auch unter den anspruchsvollen Bedingungen im deutschen Straßenbrückenbau eine wirtschaftliche Realisierung von ästhetisch ansprechenden Verbundfachwerkbrücken aus Hohlprofilen mit geschweißten KK-Knoten möglich. Die Arbeiten erfolgten in Abstimmung mit dem FOSTA-Projekt P 591 "Wirtschaftliches Bauen von Straßen- und Eisenbahnbrücken aus Stahlhohlprofilen".