Indirekt gelagerte Betonbrücken – Interaktion Längs- / Quertragwirkung

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2008/002

Schlüsselwörter (Deutsch)

Indirekte Lagerung

Vorspannung

Sprödbruchrisiko

Traglastreserven

Plastizitätstheorie

Spannungsfeldmodelle

Schlüsselwörter (Englisch)

indirect support

prestress

risk of brittle failure

strength reserve

plasticity theory

stress field models

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Für Brückenneubauten aus Beton schreibt die aktuell gültige Norm SIA 262 bei indirekter Lagerung die Überprüfung des Kraftflusses mit Hilfe von Spannungsfeldern vor. Damit soll sichergestellt werden, dass eine ausreichende Aufhängebewehrung im Krafteinleitungsbereich vorgesehen wird. Wird die gesamte Querkraft mit einer Aufhängebewehrung übernommen, können die statischen Verhältnisse im Längs- und im Querträger unabhängig voneinander untersucht werden.

Viele ältere, indirekt gelagerte Brückentragwerke weisen insbesondere bei der Aufhängebewehrung ein Defizit auf, so dass eine Berücksichtigung der Interaktion zwischen Längs- und Quertragwirkung erforderlich wird. Die Traglast des Gesamtsystems ist stark von der Bewehrungsführung (Betonstahl und Vorspannung) des Querträgers und der daraus resultierenden Spannungsfeldmodelle im Längs- und Querträger abhängig. Für in der Praxis übliche Bewehrungsanordnungen und Vorspannkonzepte soll mit Hilfe von Spannungsfeldmodellen Ansätze zur Berechnung der Traglast bei indirekter Lagerung aufgezeigt werden.

Eine ähnliche Fragestellung ist bei Gerbergelenken gegeben. Auch für diesen Fall soll mit Hilfe von Spannungsfeldmodellen für übliche Bewehrungsanordnungen und Vorspannkonzepte die Traglast bestimmt werden und das Sprödbruchrisiko abgeklärt werden.

Kurzbeschreibung (Englisch)

For concrete bridge structures the currently valid code SIA 262 stipulates that in case of indirect support conditions force transfers need to be checked utilizing stress fields. This is necessary to guarantee that sufficient shear reinforcement is provided in load application areas. If the entire shear force is supported by shear reinforcement, it is possible to investigate static actions in the longitudinal and transverse beams independently of each other.

However, many older, indirectly supported bridge structures were designed with insufficient shear reinforcement, which necessitates that interactions between longitudinal and transverse static actions be considered. The strength of the entire system is strongly dependent on the arrangement of the reinforcement (reinforcement bars and prestress tendons) in the transverse beam and the resulting stress fields in the longitudinal and transverse beams. Hence, it is the goal to develop methods for calculating the strength of such systems for common reinforcement arrangements and presstress concepts utilizing stress field models.

A similar problem definition exists for Gerber joints and their strength and the risk of brittle failure will therefore also be investigated for common reinforcement arrangements and presstress concepts using stress field models.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Der Einfluss einer zur vollständigen Aufhängung der Querkraft nicht ausreichenden Aufhängebewehrung auf die Traglast und auf das Sprödbruchrisiko von indirekt gelagerten, längs und/oder quer vorgespannten Stahlbetonbrücken soll mit Hilfe von Spannungsfeldmodellen und den zugehörigen Betrachtungen zum Verformungsvermögen aufgezeigt werden. Zudem wird untersucht, inwiefern sich die fehlende Aufhängebewehrung im Bereich der Querschnittsänderung bei Gerbergelenken auf die Traglast bzw. das Sprödbruchrisiko auswirkt. Die Resultate werden in Form eines Sachstandberichtes aufbereitet.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Mit dem vorliegenden Forschungsprojekt werden folgende Ziele verfolgt:

1)     Analysieren der Sprödbruchgefahr bei indirekter Lagerung (Indirekte Brückenlagerung, Gerbergelenke).

2)     Sensibilisierung der projektierenden Ingenieure für die Problematik, da immer noch indirekte Lagerungen ohne ausreichende Aufhängebewehrung geplant und gebaut werden.

3)     Zur Verfügung stellen der Berechnungsalgorithmen für die statische Überprüfung – insbesondere sollen Modelle zur Bestimmung der Traglastreserven-/defizite zur Verfügung gestellt werden.

4)    Experimentelle Verifikation der theoretischen Ansätze.

Methoden (Deutsch)

Mit Hilfe von Spannungsfeldmodellen sollen Ansätze für die Berechnung der Traglast aufgezeigt werden. Schwerpunkt liegt dabei auf der Interaktion zwischen Längs- und Quertragwirkung.

Um die theoretischen Erkenntnisse verifizieren zu können, wird an der Hochschule Luzern – Technik & Architektur im Rahmen einer Masterarbeit ein Bauteilversuch durchgeführt.

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Unter der Leitung von Prof. Leonhardt wurden an der Technischen Universität Stuttgart indirekt gelagerte Bauteil Grossversuche durchgeführt, ausgewertet und publiziert [9],[24]. Das wesentliche Resultat dieser Untersuchungen war [24], dass im Falle einer vollständigen Aufhängebewehrung die Längstragwirkung und die Quertragwirkung entkoppelt sind bzw. dass die Traglast in diesen Fällen immer erreicht wurde. In den Versuchen mit reduzierter Aufhängebewehrung stellte sich immer ein frühzeitiger Bruch (Sprödbruch) im Bereich der Aufhängebewehrung ein, d.h. die theoretische Traglast wurde nicht erreicht.

Obschon die Versuche klare und eindeutige Schlussfolgerungen zuliessen, wurde diese nicht konsequent umgesetzt. In den Vorlesungsunterlagen von Prof. F. Leonhardt [10] und dem Buch "Stahlbetonbrücken" von Prof. Ch. Menn [3] wird ein Berechnungsansatz vorgeschlagen, bei welchem die Aufhänge-bewehrung über einen gewissen Bereich im Längs- und Querträger "verschmiert" angeordnet wird. Auf den Fall vorgespannter Systeme wird gar nicht eingegangen. Viele indirekt gelagerte Brücken sind nach diesem Ansatz bemessen und bewehrt, weshalb die Längs-/Quertragwirkung nicht entkoppelt sind. In diesen Fällen besteht ein nicht definiertes Traglastdefizit eingehend mit der Gefahr eines Sprödbruches.

Projektziele (Deutsch)

Der Einfluss einer zur vollständigen Aufhängung der Querkraft nicht ausreichenden Aufhängebewehrung auf die Traglast und auf das Sprödbruchrisiko von indirekt gelagerten, längs und/oder quer vorgespannten Stahlbetonbrücken soll mit Hilfe von Spannungsfeldmodellen und den zugehörigen Betrachtungen zum Verformungsvermögen aufgezeigt werden. Die theoretischen Erkenntnisse sollen anhand eines von der Hochschule Luzern – Technik & Architektur finanzierten Tastversuchs (indirekt gelagerter, längs- und quer vorgespannter Zweifeldträger) verifiziert werden. Zudem wird untersucht, inwiefern sich die fehlende Aufhängebewehrung im Bereich abrupter Querschnittsänderung, wie bei Gerbergelenken, auf die Traglast bzw. das Sprödbruchrisiko auswirkt.

Die Resultate werden in Form eines Sachstandberichtes aufbereitet.

Projektziele (Englisch)

It is the goal to demonstrate the influence of insufficient shear reinforcement on the strength and the risk of brittle failure of reinforced concrete bridges that are prestressed in longitudinal and/or transverse direction. Stress field models, including the required examination of ductilities, will be utilized to conduct these investigations. The theoretical findings will be verified through preliminary experimental tests (indirectly supported, longitudinally and transversely prestressed two-span beam), which are funded by the Hochschule Luzern – Technik & Architektur. Furthermore, investigations will be carried out to study how the lack of shear reinforcement at cross-section discontinuities (e.g. Gerber joints) affects the load capacity and the risk of brittle failure.

The results will be summarized in a status report.

Forschungsplan (Deutsch)

Für in der Praxis übliche Bewehrungsanordnungen und Vorspannkonzepte soll der Kraftfluss bei indirekter Lagerung von einzelligen Hohlkastenbrücken und Plattenbalken mit zwei Stegen sowie von Gerbergelenken untersucht werden. Im theoretischen Teil der Arbeit sind folgende Schwerpunkte vorgesehen:

· Bestimmung des Tragwiderstandes nach dem unteren Grenzwertsatz der Plastizitätstheorie (mit Hilfe von Spannungsfeldern)

· Bestimmung des Tragwiderstandes nach dem oberen Grenzwertsatz der Plastizitätstheorie (zur Eingabelung der Traglast)

· Erarbeiten von theoretischen Modellen zur Bestimmung des Verformungsvermögens

· Verfassen eines Sachstandberichts.

Es ist vorgesehen das Forschungsprojekt in drei Phasen zu bearbeiteten. Die Phasen sind so abgegrenzt, dass sie unabhängig voneinander und nacheinander bearbeitet sowie korreferiert werden können.

Phase 1 (Milestone 1):

· Zusammenfassen der Grundlagen.

· Definition und Diskussion des Problems.

Phase 2 (Milestone 2):

· Erarbeitung von Spannungsfeldmodellen zu praxisrelevanten Bewehrungsanordnungen (nach dem unteren Grenzwertsatz der Plastizitätstheorie). Primär werden die Versuche von Rostasy [24] ausgewertet und konkrete Beispiele für die Spannungsfeldanalysen verwendet.

· Vergleich der Versuche von Rostasy [24] mit den damals daraus abgeleiteten Bemessungsmethoden um den direkten Einblick auf die Schwächen der damaligen Modelle zu ermöglichen.

· Untersuchung von Mechanismen (nach dem oberen Grenzwertsatz der Plastizitätstheorie).

· Parameterstudie der relevanten Einflussgrössen

Phase 3 (Milestone 3):

· Verfassen des Sachstandberichts.

Im Rahmen einer Masterarbeit an der Hochschule Luzern – Technik & Architektur wird ein aus einem strategischen Fond der Hochschule Luzern finanzierter Bauteil-Grossversuch durchgeführt, um die theoretischen Erkenntnisse experimentell zu verifizieren. Geprüft wird ein längs vorgespannter Zweifeldträger mit einer indirekten Lagerung beim mittleren Lager. Der Querträger der indirekten Lagerung wird ebenfalls vorgespannt sein. Die Versuchsresultate werden in angemessener Form im Sachstandbericht erläutert.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Resultate werden in einem Sachstandbericht zusammengefasst

Berichtsnummer (Deutsch)

660

Literatur (Deutsch)

Vgl. Anhang