Ermüdung von Fahrbahnplatten verstärkt mit Stahl-UHFB

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2008/005
• Projekttitel Englisch: Fatigue of bridge deck slabs strengthened with reinforced UHPFRC

Schlüsselwörter (Deutsch)

Ermüdung, Ultra-Hochleistungsfähiger Faserbeton, Stahl-UHFB, Fahrbahnplatten, Verstärkung

Schlüsselwörter (Englisch)

Fatigue, Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete, reinforced UHPFRC, bridge deck slabs, strengthening

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Mit dem Auftreten von höheren und häufigeren Achslasten auf den Strassen werden vor allem die Fahrbahnplatten der bestehenden Strassenbrücken stärker durch Ermüdungseinwirkungen beansprucht. Um aufwändige Eingriffe bei der Verstärkung von Fahrbahnplatten zu vermeiden, wird ein verbesserter Baustoff, der Ultra-Hochleistungsfähige Faserbeton mit Betonstahl als Hauptbewehrung (=Stahl-UHFB), eingesetzt, indem eine dünne (3 bis 5cm) Schicht Stahl-UHFB auf die Fahrbahnplatte aufgetragen und so die erforderliche Ermüdungsfestigkeit und Tragfähigkeit wieder hergestellt wird.

Das Ziel des Forschungsprojekts besteht darin, das Ermüdungsverhalten von Stahl-UHFB Probekörpern und Plattenbalken in Mischbauweise (Stahl-UHFB und Stahlbeton) zu untersuchen. Daraus werden Modelle zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens entwickelt und verifiziert, um danach für die Anwendung Regeln für die Bemessung des Stahl-UHFB und den entsprechenden Ermüdungsnachweis abzuleiten.

Bei einer Verstärkung mit Stahl-UHFB ist der Eingriff vergleichsweise gering, denn die Eigenlasten der Brücke werden nicht oder nur unwesentlich erhöht. Auch ist es denkbar, dass mit dieser neuartigen Bauweise die Dauer der Baustelle und damit die Benutzerkosten reduziert werden können.

Kurzbeschreibung (Englisch)

With the occurrence of higher and more frequent axle loads on roads, in particular bridge deck slabs are more severely solicitated by fatigue loading. To avoid heavy interventions for strengthening of deck slabs, an improved building material is used, namely Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete with reinforcing bars (=reinforced UHPFRC), by adding a thin (3 to 5cm) layer on top of the deck slab such as to restore the required fatigue resistance and load carrying capacity.

The objective of the research project consists in investigating the fatigue behaviour of reinforced UHPFRC and of slab-like beams in composite construction (made of reinforced UHPFRC and reinforced concrete). Models to describe the fatigue behaviour are developed and validated using the experimental results. For the application, rules are deduced for the dimensioning of the reinforced UHPFRC layer and the corresponding fatigue safety verification.

Strengthening of bridge deck slabs using reinforced UHPFRC is a relatively gentle intervention since the bridge dead load is not increased. Also there is a potential inherent with this novel construction method to limit the duration of the working site and thus to reduce the user costs

Projektbeschreibung (Deutsch)

Fragestellung : Mit dem Auftreten von höheren und häufigeren Achslasten auf den Strassen werden vor allem die Fahrbahnplatten der bestehenden Strassenbrücken stärker beansprucht. Diese erhöhte Beanspruchung könnte eine Ermüdung des Bauteils zur Folge haben. Insbesondere bei relativ dünnen Fahrbahnplatten sowie bei wenig ermüdungsfesten Bewehrungsdetails ist der Nachweis der Ermüdungssicherheit nicht ohne weiteres zu erbringen. Dies kann eine Verstärkung der Fahrbahnplatte erforderlich machen. In herkömmlicher Betonbauweise ausgeführt, ergeben sich relativ aufwändige Eingriffe, denn das Eigengewicht der Konstruktion nimmt wegen der wesentlich dickeren Fahrbahnplatte deutlich zu, was nicht selten auch zu Verstärkungsmassnahmen in Längstragrichtung der Brücke (und im Fundamentbereicht) führt.

Diese schwerfälligen Eingriffe für die Verstärkung könnten vermutlich vermieden werden, indem mit einer dünnen Schicht eines verbesserten Baustoffs die erforderliche Tragfähigkeit der Fahrbahnplatte hergestellt wird, ohne dass in Haupttragrichtung ein Eingriff erforderlich wird.

Projektidee und Ziel : Verglichen mit herkömmlichem Stahlbeton weisen ultra-hochleistungsfähige Faserfeinkornbetone (UHFB) eine hohe Zugfestigkeit mit einem ausgeprägten Verformungsvermögen sowie eine sehr hohe Dichtigkeit auf. Die Projektidee besteht darin, nach dem Betonabtrag eine etwa 30 bis maximal 50mm starke UHFB Schicht, welche mit einer Betonstahl-Bewehrung versehen ist und somit „Stahl-UHFB“ genannt wird, auf die Fahrbahnplatte aus Stahlbeton aufzubringen und mit ihr monolithisch zu verbinden, um so die erforderliche Tragfähigkeit hinsichtlich Ermüdung (und Tragsicherheit) herzustellen. Auch ist bei dieser Bauweise denkbar, dass die UHFB Schicht die Schutzfunktion (Abdichtung) erfüllen kann.

Das Ziel des Forschungsprojekts besteht darin, das Ermüdungsverhalten von Plattenstreifen in Mischbauweise (Stahl-UHFB und Stahlbeton) besser kennenzulernen und daraus Regeln für die Bemessung des Stahl-UHFB und den entsprechenden Ermüdungsnachweis herzuleiten.

Dieses Forschungsprojekt wäre ein weiterer Schritt in der bereits seit mehr als 9 Jahre dauernden Forschungstätigkeit am MCS-EPFL zum Thema UHFB. Im Projekt AGB 2005/004 „Hochleistungsfähiger Faserfeinkornbeton zur Effizienzsteigerung bei der Erhaltung von Kunstbauten aus Stahlbeton“ wurden das Potential und die Anwendungsmöglichkeiten von UHFB und der Mischbauweise aufgezeigt.

Vorgehen : Tastversuche am MCS-EPFL haben gezeigt, dass sich UHFB für die Verstärkung stark ermüdungsbeanspruchter Fahrbahnplatten von Stahlbetonbrücken und die Verlängerung deren Nutzungsdauer eignen. Ausgehend von diesen Tastversuchen gliedert sich das Projekt in drei Teile:

- Ermüdungsversuche an Stahl-UHFB Probekörpern und Plattenbalken in Mischbauweise, wobei der Stahl-UHFB unter Zug- und Druck- sowie unter vorwiegend Schubbeanspruchung „ermüdet“ werden soll.

- Phänomenologische und analytische Modellbildung des beobachteten Ermüdungsverhaltens

- Herleiten von Bemessungsregeln und Nachweisen der Ermüdungssicherheit (Festlegen eines Grenzwerts der UHFB-Dehnung als Dauerfestigkeit)

Als Grundlage dienen neben der Literatur und den bisherigen Forschungsergebnissen am MCS-EPFL zum Thema UHFB auch die beiden Dissertationen von Max Schläfli (1999) und Andrin Herwig (2008), die bisher am MCS-EPFL zum Thema Ermüdung abgeschlossen wurden:

Nutzen : Im Hinblick auf den Einsatz von UHFB zur Verstärkung von ermüdungsgefährdeten Fahrbahnplatten von Brücken muss das Ermüdungsverhalten bekannt sein und Regeln für die Bemessung und den Nachweis der Ermüdungssicherheit zur Verfügung stehen. Das Projekt hat zum Ziel, diese Fragestellung zu bearbeiten.

Der Einsatz von UHFB zur Verstärkung von Fahrbahnplatten im Zusammenhang mit der Erhöhung von Achslasten ist eine interessante Anwendung, denn der Eingriff führt zu keiner Erhöhung der ständigen Einwirkungen. Auch ist bei dieser Bauweise denkbar, dass neben der Tragfunktion auch die Schutzfunktion (Abdichtung) im gleichen Arbeitsgang hergestellt werden kann. Insgesamt ergibt sich ein interessantes Potential, um die Dauer der Baustelle zu verkürzen und die Benutzerkosten entsprechend zu reduzieren.

Mit dem Forschungsprojekt kann die Anwendung einer vielversprechenden neuartigen Technologie weiter abgesichert werden.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Mit dem Einsatz von Stahl-UHFB zur Verstärkung von Fahrbahnplatten im Zusammenhang mit der Erhöhung von Achslasten können die Tragfunktion als auch die Schutzfunktion (Abdichtung) in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Der Eingriff führt zu keiner Erhöhung der ständigen Einwirkungen, und die Dauer der Baustelle kann verkürzt (und die Benutzerkosten entsprechend reduziert) werden. Mit dem Projekt sollen diese neuartige Technologie weiter abgesichert und Bemessungsregeln für die Ermüdung von Fahrbahnplatten mit einer Stahl-UHFB Verstärkung erhalten werden.

Methoden (Deutsch)

Tastversuche am MCS-EPFL haben gezeigt, dass sich UHFB für die Verstärkung stark ermüdungsbeanspruchter Fahrbahnplatten von Stahlbetonbrücken und die Verlängerung deren Nutzungsdauer eignen. Ausgehend von diesen Tastversuchen gliedert sich das Projekt in vier Module. Zunächst werden die Grundlagen aufbereitet (Modul 0). Anhand von Ermüdungsversuchen an Stahl-UHFB Probekörpern und Plattenbalken in Mischbauweise wird das Ermüdungsverhalten experimentell untersucht (Modul 1), um aus den Ergebnissen (analytische) Modelle zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens herzuleiten (Modul 2), die numerisch verifiziert werden sollen. Für die Anwendung (Modul 4) werden Regeln für die Ermüdungsbemessung von Stahl-UHFB und den Nachweis der Ermüdungssicherheit hergeleitet.

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Die erforderlichen Versuchseinrichtungen sind an der EPFL vorhanden.

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

International nimmt UHFB eine bedeutende Stellung in der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet des Betonbaus ein. Die Kenntnisse sind heute genügend weit fortgeschritten, sodass die Umsetzung dieses neuartigen Baustoffs in die Bauindustrie erfolgen kann (siehe Kapitel 4 der Beilage „Ausführliche Projektbeschreibung“).

Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben stützt sich auf eine bereits mehr als 9 Jahre dauernde Forschungstätigkeit am MCS-EPFL in der Thematik von UHFB und UHFB-Beton-Verbundbauteilen (siehe Literaturliste mit den wichtigsten Publikationen, Kapitel 5 der Beilage „Ausführliche Projektbeschreibung“).

Projektziele (Deutsch)

Mit dem Auftreten von höheren und häufigeren Achslasten auf den Strassen werden vor allem die Fahrbahnplatten der bestehenden Strassenbrücken stärker durch Ermüdungseinwirkungen beansprucht. Ultra-Hochleistungsfähiger Faserbeton mit Betonstahl (=Stahl-UHFB) wird als dünne (3 bis 5cm) Schicht zur Verstärkung auf die Fahrbahnplatte aufgebracht. Das Projekt hat zum Ziel, das Ermüdungsverhalten von Verbundkörpern Stahl-UHFB und Stahlbeton zu untersuchen und daraus Regeln für die Bemessung des Stahl-UHFB und den entsprechenden Ermüdungsnachweis herzuleiten.

Projektziele (Englisch)

With the occurrence of higher and more frequent axle loads on roads, in particular bridge deck slabs are more severely solicitated by fatigue loading. Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete with reinforcing bars (=reinforced UHPFRC) are used as a thin (3 to 5cm) layer on top of the deck slab for strengthening. The objective of the project consists in investigating the fatigue behaviour of composite sections made of reinforced UHPFRC and reinforced concrete to deduce rules for the dimensioning of the reinforced UHPFRC layer and the corresponding fatigue safety verification.

Forschungsplan (Deutsch)

Der Forschungsplan beinhaltet vier Module, die über eine Dauer von 3 Jahren bearbeitet werden sollen. Die Module und Meilensteine sowie das Arbeitsprogramm sind in Kapitel 3 der beiliegenden „Ausführlichen Projektbeschreibung“ dargestellt

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Eine neuartige Baumethode mit dem Einsatz von Stahl-UHFB zur Verstärkung von ermüdungsgefährdeten Fahrbahnplatten von Brücken wird verifiziert. Gegenüber herkömmlichen Baumethoden ermöglicht der Einsatz von Stahl-UHFB einen sanfteren Eingriff.

Berichtsnummer (Deutsch)

675

Literatur (Deutsch)

Siehe Kapitel 4 und 5 der Beilage „Ausführliche Projektbeschreibung"