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Forschungsstelle
ASTRA SBT
Projektnummer
AGB2003/014
Projekttitel
Erdbebensicherheit bestehender Brücken
Projekttitel Englisch
Seismic Safety of Existing Bridges

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Projektbeschreibung
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Methoden
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Spezielle Geräte und Installationen
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Stand der eigenen Forschung
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Projektziele
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Forschungsplan
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Umsetzung und Anwendungen
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Berichtsnummer
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Literatur
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Deutsch)
Balkenbrücken, Erdbebeneinwirkung, Verformungsbasierte Berechnungsverfahren, Numerische Simulationen, Grossmassstäbliche Versuche
Schlüsselwörter
(Englisch)
Girder Bridges, Seismic Action, Displacement-based Design Methods, Numerical Simulations, Large Scale Tests
Kurzbeschreibung
(Deutsch)

Die seit Januar 2003 gültige Norm SIA 261 basiert auf den neuesten Forschungsergebnissen und schreibt für Neubauten die Annahme wesentlich höherer Erdbebeneinwirkungen vor als bisher. Somit sind 90% der schweizerischen Brücken gar nicht oder nur nach veralteten Regeln für Erdbeben bemessen und besitzen deshalb eine nicht näher bekannte Erdbebensicherheit. Das mögliche Schadensausmass während eines Erdbebens ist deshalb noch unbekannt.

Um dieser Situation gerecht zu werden hat das ASTRA ein zweistufiges Beurteilungsverfahren der Erdbebensicherheit bestehender Brücken entwickelt. In der ersten Phase werden alle Brücke beurteilt und diejenigen, die das Potential für eine übermässige Verletzbarkeit aufweisen, identifiziert. Anschliessend sollen diese Brücken im Rahmen einer zweiten Phase vertieft analysiert werden. Die vertiefte Analyse soll am Besten verformungsbasiert durchgeführt werden.

Das vorgeschlagene Forschungsprojekt soll die Grundlagen zur verformungsbasierten Überprüfung bestehender Balkenbrücken vorbereiten. Das Projekt besteht aus vier Teilen:

1) Quantifizierung der seismischen Beanspruchung der Brückenbauteile anhand nichtlinearen Zeitverlaufsberechnungen.

2) Experimentelle Untersuchung des Verformungsvermögens von konventionell-bemessenen Brückenstützen.

3) Einerseits die Entwicklung von Modellen, um den Verformungsbedarf und das Verformungsvermögen von Balkenbrücken realistisch zu bestimmen und einander gegenüber zu stellen. Andererseits die Entwicklung von Regeln zur optimalen Überprüfung von Balkenbrücken.

4) Entwicklung von Regeln und Kalibrierung von Modellen zur numerischen Simulation von Balkenbrücken unter seismische Einwirkung.

Kurzbeschreibung
(Englisch)
The new Swiss standard SIA 261 prescribes seismic design actions significantly lager than in the past. Therefore, 90% of the Swiss bridges isn’t properly designed or isn’t designed at all to withstand an earthquake. Such bridges are characterized by an unknown seismic performance and their vulnerability is also mostly unknown.

To overcome this problem ASTRA developed a two stages assessment procedure for existing girder bridges. In the first stage the all bridges are assessed and the ones showing excessive vulnerability identified. Such bridges are analyzed in depth during the second stage. To accomplish this task it is recommended to make use of displacement-based procedures.

The proposed research project aims the development of the bases needed for the displacement-based assessment of existing girder bridges. The project is made up of four parts:

1) Numerical investigation of the seismic behavior of typical girder bridges.

2) Experimental investigation of the displacement capacity of conventional concrete bridge piers.

3) Development of guidelines, based on experimental and numerical evidence, to perform
displacement-based assessment of existing girder bridges.

4) Development of guidelines to perform a realistic numerical simulation of girder bridges
under seismic action.
Projektbeschreibung
(Deutsch)

Einleitung

Bis vor kurzer Zeit wurde die Erdbebeneinwirkung in der Schweiz stark unterschätzt. Erste Normenvorschriften bezüglich Erdbeben, die jedoch aus späterer Sicht völlig ungenügend waren, wurden 1970 eingeführt. Die Fassung von 1989 der Norm SIA 160 stellte einen wesentlichen Fortschritt dar, aber sie entsprach dem Wissensstand der frühen 80er-Jahre. Die seit Januar 2003 gültige Norm SIA 261 basiert auf den neuesten Forschungsergebnissen und schreibt für Neubauten die Annahme von wesentlich höheren Erdbebeneinwirkungen vor als bisher und ist nach Ablauf der Übergangsfrist ab Mitte 2004 zwingend anzuwenden.

Gemäss dem Bundesamt für Strassen (ASTRA) stellt das Schweizerische Strassennetz eine Investition von vielen Milliarden Schweizer Franken dar. Nur rund 10% der bestehenden Brücken dieses Strassennetzes sind nach aus heutiger Sicht modernen Erdbebennormen seit 1989 gebaut worden. Die restlichen 90% der Brücken wurden somit gar nicht oder nur nach veralteten Regeln für Erdbeben bemessen und besitzen deshalb eine nicht näher bekannte Erdbebensicherheit. Das mögliche Schadensausmass während eines Erdbebens ist deshalb noch unbekannt.

Um dieser Situation gerecht zu werden hat das ASTRA ein zweistufiges Beurteilungsverfahren der Erdbebensicherheit bestehender Brücken entwickelt. In der ersten Phase (Stufe 1) werden alle Brücke beurteilt und diejenigen, die das Potential für eine übermässige Verletzbarkeit aufweisen, identifiziert. Anschliessend sollen diese Brücken im Rahmen einer zweiten Phase (Stufe 2) vertieft analysiert werden

Die Bedeutung der Verkehrswege nach einem Erdbeben kann sehr unterschiedlich sein. Einige Verkehrswege, die sogenannten Lifelines, sollen nach einem Erdbeben ihre uneingeschränkte Gebrauchstauglichkeit aufweisen, sodass die Zugänglichkeit des Erdbebengebiets zwecks Rettung, Bergung, Räumung und unmittelbarem Wiederaufbau gewährleistet ist. Andere Verkehrswege dürfen hingegen während eines Erdbebens starke Schäden erfahren, aber nicht einstürzen. Im ersten Fall werden strenge Anforderungen gestellt. Unter Berücksichtung der mässigen Seismizität in der Schweiz, sollte aber deren Einhaltung bei Neubaten mit eher niedrigen Kosten verbunden sein. Bei bestehenden Brücken könnten hingegen gegebenfalls grosse Kosten entstehen. Die Anforderungen im Bezug auf Erdbebenverhalten für nicht-Lifeline Bauten sind viel lockerer und deren Einhaltung ist typischerweise mit geringeren Kosten verbunden. Die Identifizierung der Lifelines im schweizerischen Strassennetz ist eine politische Aufgabe und stellt den ersten wesentlichen Schritt bei der Beurteilung der Erdbebensicherheit bestehender Brücken dar. Diese Aufgabe wird bei den Kantonen wahrgenommen und die Identifizierung geschieht in Absprache mit dem ASTRA.

Aufgabe des Erdbebeningenieurwesens ist nicht nur “erdbebensichere” sondern auch “erdbebengerechte” Tragwerke sicherzustellen. Dabei soll neben der Einsturzsicherheit auch die Verletzbarkeit des Tragwerks berücksichtigt werden. Die Verletzbarkeit ist als Beziehung zwischen Erdbebenstärke und auftretenden Schäden definiert. Heute sind Bauwerke, Einrichtungen und Betriebsunterbrüche so kostspielig, dass schon bei der Bemessung aus wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Gründen zu entscheiden ist, bei welcher Einwirkungsgrösse welcher Schadensgrad zugelassen wird. Die Verwirklichung von diesen beiden Zielen bei erdbebengerechten Bauwerken, nämlich Einsturz verhindern und Schäden begrenzen, ist heute als “Performance Based Design” oder - als ad hoc Übersetzung - als “Verhaltensbasierter Entwurf” bekannt.

Problemstellung

In der Einleitung wurde festgestellt, dass die Erdbebensicherheit der Mehrheit der Brücken des schweizerischen Strassennetzes unbekannt ist, weil sie vor 1989 nach veralteten Normen gebaut worden sind. Anhand von einfachen Überlegungen wird im Folgenden versucht, die Situation bei den Balkenbrücken grob abzuschätzen. Die Beschränkung auf Balkenbrücken erfolgt deshalb, weil sie die am meisten verbreitete Brückenart sind und weil sie ein Erdbebenverhalten aufweisen, das einigermassen einfach zu erfassen ist. Schäden an Balkenbrücken können wie folgt unterschieden werden:

  1. Absturz des Brückenträgers
  2. Schäden an Lagern
  3. Schäden an Widerlagern
  4. Schäden an Brückenstützen

Während zur Abschätzung der Schäden des Typs 1 und 2 sehr gute Grundlagen bereits vorhanden sind, fehlen entsprechende Angaben zu den Schäden des Typs 4, die bei schweizerischen Verhältnissen auftreten können. Schäden an Stützen entstehen typischerweise dann, wenn die Balkenbrücke schwimmend gelagert ist, oder wenn bei einer festen Lagerung die oft für Erdbeben unterbemessenen Lagern versagen. Im ersten Fall sind die Erbebenkräfte fast immer für die Bemessung der Stützen in Brückenlängsrichtung massgebend. Im zweiten Fall wird das statische System der Brücke komplet geändert und vor allem die Stabilität der Stützen könnte gefährdet sein.

Es ist bekannt, dass Stahlbetonbauteile normalerweise eine gewisse “natürliche Duktilität” besitzen, auch wenn keine speziellen duktilitätsfördernden Massnahmen getroffen worden sind. Das bedeutet, dass solche Bauteile gewisse zyklisch-plastische Verformungen mitmachen können, ohne dabei zu versagen.

Wenn ein gewisses Verformungsvermögen der Bauteile zuverlässig angenommen werden kann, ist die Anwendung moderner verformungsorientierter oder verformungsbasierter Berechnungsverfahren besonders sinnvoll, da bei der in der Schweiz vorherrschenden mässigen Seismizität nur relativ kleine spektrale Verschiebungen zu erwarten sind. Bei diesen Berechnungsverfahren werden anstelle der Erdbebenersatzkräfte die Verformungen infolge Erdbebeneinwirkung betrachtet. Unter möglichst genauer Berücksichtigung des Verformungsverhaltens des Tragwerks kann so die komplexe nichtlineare dynamische Antwort infolge Erdbebeneinwirkung wirklichkeitsnah erfasst werden.

Es ist zu erwarten, dass das aufwendigere verformungsbasierte Berechnungsverfahren in vielen Fällen zu einer günstigeren Beurteilung der Erdbebensicherheit eines bestehenden Tragwerks führen wird und, dass damit für die grosse Mehrheit der Balkenbrücken in der Schweiz eine ausreichende Erdbebensicherheit ohne bauliche Verstärkung nachgewiesen werden kann.

Forschungsbedürfnisse

Zur verformungsbasierten Überprüfung von Balkenbrücken fehlen heute folgende Grundlagen:

  1. Es wurden noch praktisch keine bestehenden Brücken für die neue Erdbebeneinwirkung nach der Norm SIA261 überprüft. Es fehlt somit eine Grössenordnung für die seismische Beanspruchung der verschiedenen Brückenbauteile.
  2. Das Verformungsvermögen von konventionell bemessenen Tragwerken ist von den konstruktiven Details und den Materialeigenschaften der Bauteile abhängig. Diese variieren von Land zu Land und Angaben über das Verformungsvermögen von konventionell bemessenen Schweizer Stahlbetonbrückenstützen fehlen.
  3. Es fehlen Angaben über die Verletzbarkeit von Schweizer Balkenbrücken, um eine verhaltensbasierte Beurteilung durchzuführen. Die Verletzbarkeit setzt sich zusammen aus dem Erdbebenverhalten von Fundamenten, Stützen, Lagern, Auflagern, Gelenke, Überbau und aus der Interaktion dieser Bauteile untereinander.
  4. Es fehlen numerische Modelle zur Erfassung des dynamischen Verhaltens von Stahlbetonbalkenbrücken, die speziell auf in der Schweiz herrschende Verhältnisse kalibriert sind.
Methoden
(Deutsch)
Das Forschungsprojekt beginnt mit einer Literaturstudie. Anschliessend wird anhand von numerischen Simulationen und Experimenten das seismische Verhalten von Balkenbrücken untersucht. Schliesslich werden anhand von theoretischen Untersuchungen praktische Bemessungsregeln hergeleitet.
Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
Zur Durchführung des Forschungsprojekts wird das Forschungslabor des Instituts für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich und seiner Einrichtung benötigt. Alle benötigten Infrastrukturen und Einrichtungen sind bereits vorhanden (siehe Forschungsgesuch im Anhang 1)
Stand der eigenen Forschung
(Deutsch)
Der Gesuchsteller war in mehreren Gebieten tätig, die zum Forschungsprojekt gehören, und zwar:

1) Die Entwicklung von verformungsorientierten vereinfachten Methoden zum Entwurf, Bemessung und Beurteilung von Stahlbetongebäuden;

2) Die experimentelle Untersuchung des Erdbebenverhaltens von grossmassstäblichen Stahlbetonstrukturen mit spezieller Berücksichtigung der Schadenanalyse im Sinne von verhaltensbasierten Bemessungsprinzipien (performance based design principles);

3) Die Vorhersage des Erdbebenverhaltens von Tragwerken anhand von State-of-the-Art numerischen Modellen mit Schwergewicht auf dem Vergleich zwischen experimentellen und numerischen Resultaten.

Die ausführliche Beschreibung dieser Forschungsgebiete ist im Forschungsgesuch (Anhang 1) zu finden.
Projektziele
(Deutsch)
Zielsetzung des Forschungsprojekts ist die Analyse des Erdbebenverhaltens von bestehenden Balkenbrücken anhand von nichtlinearen Zeitverlaufsberechnungen und grossmassstäblichen Versuchen, um die Entwicklung von Grundlagen zur verformungsbasierten Überprüfung dieser Brücken zu ermöglichen. Verformungsbasierte Verfahren sind vor allem in Ländern mässiger Seismizität besonders zu empfehlen, weil sie in vielen Fällen zu einer günstigeren Beurteilung der Erdbebensicherheit eines bestehenden Tragwerks führen. Damit kann vermutlich für die grosse Mehrheit der Balkenbrücken in der Schweiz eine ausreichende Erdbebensicherheit ohne bauliche Verstärkung nachgewiesen werden.
Projektziele
(Englisch)
Goal of the research project is the numerical and experimental analysis of existing girder bridges. The analysis aims the development of displacement based assessment procedures for this kind of bridges. Such assessment procedures are particularly suited for regions of moderate seismicity. In many cases they allow a more favorable assessment of the available seismic safety. Hence, it is expected that the seismic safety of the majority of Swiss girder bridges is suitable even without retrofitting.
Forschungsplan
(Deutsch)

Das gesamte Forschungsprojekt besteht aus vier etwa gleich langen Teilen:

Teil 1: Erdbebenverhalten von Balkenbrücken
Viele Brücken sind im Rahmen des Baus der Nationalstrassen zwischen etwa 1960 und 1985 entstanden. Sie weisen somit ähnliche Konstruktionsgrundlagen (Fassungen 1956 und 1970 der SIA Normen) und ähnliche Eigenschaften der verwendeten Baustoffe auf. Es sollen einige wenige “Musterbrücken” definiert werden, die repräsentativ für das Gros der betrachteten Brücken sind. Diese “Musterbrücken” werden dann mittels geeigneten Finite-Elemente-Programmen numerisch modelliert und nicht-linear dynamisch analysiert. Bei der Modellierung der nicht-linearen Eigenschaften der Brückenbauteile, v.a. der Stützen, werden Annahmen aus der Literatur, die im Rahmen des Teils 4 dieses Forschungsprojektes zu überprüfen sind.
Die “Musterbrücken” werden aufgrund der Resultate der Stufe 1 und vor allem der Stufe 2 der Probeanwendungen des Beurteilungsverfahren des ASTRA in den Pilotkantonen Wallis, St. Gallen und Schwyz ausgewählt, die bis Ende 2004 vorliegen werden. Ferner wird auch die Datenbank “Kuba DB” ausgewertet und in das Auswahlverfahren einbezogen. Die definitive Festlegung der “Musterbrücken” erfolgt zusammen mit Vertreter des ASTRA und anderen erfahrenen
Brückeningenieuren.

Teil 1 dient zur Quantifizierung der Erdbebenbeanspruchung der Brückenbauteile.

Teil 2: Verformungsvermögen konventionell bemessener Brückenstützen

Das Verformungsvermögen konventionell bemessener Brückenstützen wird experimentell untersucht. Anhand der Erkenntnisse aus Teil 1 wird eine “Musterstütze” in Bezug auf Geometrie, Bemessung, konstruktive Details, Belastung und Materialeigenschaften definiert. Anschliessend wird eine Versuchsmatrix mit ungefähr 6 Versuchskörpern aufgestellt, um den Einfluss wichtiger Parameter zu untersuchen. Die berücksichtigten Parameter werden anhand der Ergebnisse aus Teil 1 festgelegt.

Die Versuchskörper werden anschliessend quasi-statisch zyklisch getestet und die Resultate in Bezug auf das Verformungsverhalten der Versuchskörper ausgewertet.

Teil 3: Verformungsbasierte Überprüfung von Balkenbrücken

In Teil 3 werden die Stützenbeanspruchungen aus Teil 1 und das Stützenverhalten aus Teil 2 gegenübergestellt und Grundsätze zur verformungsbasierten Überprüfung von Balkenbrücken hergeleitet. Die Grundsätze beziehen sich sowohl auf die Tragsicherheit (Stützenversagen, Absturz des Brückenträgers bei Widerlagern und Gelenken) als auch auf die Gebrauchstauglichkeit der Brücken (Rissebildung und bleibende Verformungen der Stützen, Verschiebungsbedarf bei den Dehnwegen um Schäden zu vermeiden, usw.).

Teil 4: Kalibrierung und Weiterentwicklung von numerischen Modellen

Die numerischen Modelle, die im Rahmen der Analysen von Teil 1 zur Anwendung kamen, werdenin Teil 4 kalibriert, und gegebenfalls modifiziert, um die Resultate aus den Versuchen möglichst genau simulieren zu können. Dabei soll speziell auf die Definition von klaren und konsistenten Versagenskriterien Rücksicht genommen werden, bekanntlich eine Schwachstelle bei der numerischen Modellierung von Stahlbetonbauteilen.

Gliederung und Zeitplan

Das Forschungsprojekt wird in zwei Etappen gegliedert und in der ersten Phase wird nur die erste Etappe beantragt. Es ist vorgesehen die zweite Etappe zu einem späteren Zeitpunkt zu beantragen.

Damit auch die erste Etappe als abgeschlossenes Forschungsprojekt betrachtet werden kann, soll sie analytische, numerische und experimentelle Komponenten beinhalten. Die beantragte erste Etappe ist auf drei Jahre ausgelegt und wird im Rahmen einer Doktorarbeit an der ETH Zürich durchgeführt. Teil 1 wird im ersten Jahr durchgeführt, Teil 2 im zweiten und Teil 3 im dritten Jahr bearbeitet. Die Einteilung und der genaue Zeitplan des Forschungsprojektes sind in den Tabellen 1 und 2 des Anhangs 1 zu finden.

Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
Es ist vorgesehen die Grundlagen zur verformungsbasierten Überprüfung bestehender Balkenbrücken so zu formulieren, dass sie direkt in der Praxis verwendet werden können.
Berichtsnummer
(Deutsch)
663
Berichtsnummer
(Englisch)
663
Literatur
(Deutsch)
ASTRA: Beurteilung der Erdbebensicherheit bestehender Strassenbrücken. Wenk Th. für Bundesamt für Strassen (ASTRA), Bern 2004.

Brühwiler E., Menn Ch.: Stahlbetonbrücken. Dritte, aktualisierte und erweiterte Auflage. Springer Verlag, Wien 2003.


Dazio A., Hines E.M., Parker D., Seible F.: Numerical Prediction of the Large Scale Proof Tests on Reinforced Concrete Key Structural Components of the New San Francisco-Oakland Bay Bridge. Proceedings of the Second MIT Conference on Computational Fluid and Solid Mechanics. Cambridge, MA, 2003.

Dazio A.: Entwurf und Bemessung von Tragwandgebäuden unter Erdbebeneinwirkung. IBK Bericht Nr. 254. Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK), Eidgenössische Technische Hochschule (ETH). Birkhäuser Verlag Basel, 2000.

Dazio A., Seible F.: Structural Testing of the San Francisco-Oakland Bay Bridge Main Span Pier W2. SSRP Report 2002/11. Department of Structural Engineering. University of California, San Diego. La Jolla, CA, 2003.

Dazio A., Wenk Th., Bachmann H.: Versuche an Stahlbetontragwänden unter zyklisch-statischer Einwirkung. IBK Bericht Nr. 239. Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK), Eidgenössische
Technische Hochschule (ETH). Birkhäuser Verlag Basel, 2000.

Fajfar P.: Capacity Spectrum Method Based on Inelastic Demand Spectra. Earthquake Engineering
and Structural Dynamics, Vol 28, pp.979-993. 1999

Priestley M.J.N., Seible F., Calvi G.M.: Seismic Design and Retrofit of Bridges.
John Wiley & Sons, New York 1996.

Priestley M.J.N.: Displacement-Based Seismic Assessment of Reinforced Concrete Buildings.
Journal of Earthquake Engineering Vol.1, No.1, 1997.

Somaini D.R., Bachmann H.: Erdbebenverhalten von Balkenbrücken mit fester Lagerung in
Längsrichtung. IBK Bericht Nr. 171. Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK),
Eidgenössische Technische Hochschule (ETH). Birkhäuser Verlag Basel, 1985.

Somaini D.R.: Erdbebenverhalten schwimmend gelagerter Balkenbrücken bei
Berücksichtigung der Boden-Struktur-Interaktion und der horizontal wandernden Wellen.
IBK Bericht Nr. 147. Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK),
Eidgenössische Technische Hochschule (ETH). Birkhäuser Verlag Bas