Mots-clé
(Allemand)
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Fahrbahnplatten, Ermüdung, zyklische Biegebeanspruchung, Überprüfung bestehender Brücken, Restnutzungsdauer
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Mots-clé
(Anglais)
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bridgedecks, fatigue strength, cyclic flexural loading, strength reserve of bridges, remaining useful life
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Description succincte
(Allemand)
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Mit der Einführung der Norm SIA 26xff wurde der Ermüdungsnachweis für die Bemessung von Betontragwerken aus Stahl-/Spannbeton verschärft. Der Bemessungsansatz ist bezüglich Einwirkung, Ermüdungsfestigkeit und statischer Modellierung bewusst konservativ, sodass ein Ermüdungsversagen während der Lebensdauer der Infrastrukturanlagen nahezu ausgeschlossen werden kann. Bei der statischen Überprüfung von bestehenden Stahl-/Spannbetontragwerken bereitet der Ermüdungsnachweis hingegen grosse Probleme. In Folge des konservativen Bemessungsansatzes kann die normgemässe Ermüdungssicherheit im Falle einer statischen Überprüfung oder einer Kapazitätserweiterung (Umnutzung, Verbreiterung) nicht nachgewiesen werden und kostenintensive Verstärkungsmassnahmen werden erforderlich. Zur Ermittlung von Traglastreserven im Grenzzustand Typ 4 (Ermüdung) ist folgendes Vorgehen vorgesehen:
- Auswertung von mit vergleichbarer Zielsetzung durchgeführten Ermüdungsversuchen in der Literatur.
- 4 Ermüdungsversuche an Stahlbetonplatten (unterschiedliche Längs-Normalkraft-Beanspruchung (Druck) und Bewehrungsverteilungen) im Massstab 1:1. Vergleich von Versuchsresultaten mit theoretischen Untersuchungen und Ableitung von vereinfachten Methoden zur Bestimmung der orthotropen Steifigkeitsmatrix als Grundlage von Stahlspannungsberechnungen und Aktivierung von Traglastreserven.
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Description succincte
(Anglais)
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With the introduction of the code, SIA 26xff, fatigue strength design checks for reinforced concrete structures became more stringent. The design approach was deliberately chosen to be conservative with respect to fatigue strength and static modelling. This guarantees that fatigue failures during the life span of an infrastructure are highly unlikely. However, in terms of the static re-evaluation of existing reinforced concrete structures, fatigue strength checks can cause significant difficulties. Due to the conservative design approach, it is often not possible to satisfy the fatigue safety design checks which are mandated by the code. This can lead to expensive strengthening measures in the case of static re-evaluation and/or capacity extension projects.
To determine such strength reserves for the limit state type 4 (fatigue), the following tasks are proposed:
- Review and evaluate the literature on fatigue testing with similar research objectives.
- Perform 3 to 4 fatigue tests on full-scale reinforced concrete slabs with varying longitudinal compression loads and reinforcement distributions. The comparison of the experimental results with the theoretical investigations forms the basis for deriving simplified methods to determine orthotropic stiffness matrices which are required to calculate reinforcement stresses.
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Description du projet
(Allemand)
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Ausgangslage
Im Rahmen der statischen Überprüfung von Stahl-/Spannbetontragwerken bereitet der Nachweis des Grenzzustands Typ 4 (Ermüdung) [9] i.d.R. grosse Probleme. Diese Probleme resultieren mehrheitlich auf Grund folgender Sachverhalte:
1. Einwirkung:
Die SIA 261 (2003) [10] sieht eine Anordnung der Achslastgruppe 1 des Lastmodells 1 d.h. des fiktiven Fahrstreifens 1 in ungünstiger Laststellung vor. Dies resultiert in sehr grossen Spannungsamplituden in den massgebenden Bewehrungen, weshalb die Ermüdungssicherheit kaum nachgewiesen werden kann. Das ASTRA hat daraufhin die Auslegung der Norm dahingehend präzisiert, dass die Achslastgruppe des Lastmodells 1 symmetrisch zur rechten Fahrspur anzuordnen ist, wobei die Lage der rechten Fahrspur in der Nutzungsvereinbarung festzuhalten ist. Diese Präzisierung trägt dem Umstand Rechnung, dass der ermüdungsrelevante Verkehr, d.h. die LKW-Spur in der Regel die rechte Fahrspur ist. In [5] ist für die statische Überprüfung von Strassenbrücken (Grenzzustand Typ 2) die Anordnung und der Beiwerte des Lastmodells 1 präzisiert. Die Anwendung dieser Richtlinie für den Grenzzustand Typ 4 (Ermüdung) wird jedoch ausdrücklich ausgegrenzt.
2. Widerstand:
Die Ermüdungsfestigkeit [13] für Betonstahl und Spannstahl wurde in den Normen SIA 262 (2003) [4] bewusst konservativ angesetzt, sodass ein Ermüdungsversagen der Infrastrukturanlagen während der festgelegten Nutzungsdauer nahezu ausgeschlossen werden kann. Auf Grund der festgelegten Ermüdungsfestigkeiten wird der Grenzzustand Typ 4 (Ermüdung) bei der Bemessung von Fahrbahnplatten auf Biegung und Querkraft oft massgebend.
3. Statische Modellierung:
Die statischen Randbedingungen von Fahrbahnplatten sind oft schwierig zu bestimmen (z.B. Einspanngrad der Fahrbahnkastenplatte in die Stege oder Einfluss von Konsolköpfen) [2]. Zudem schreibt die SIA 262 (2003) [11] vor, dass isotrope Werkstoffbeziehungen verwendet werden müssen, was teilweise zur Überschätzung der Spannungsamplituden der Bewehrung führt.
Relevanz
Werden bestehende Strassenbrücken, welche im Besitze des ASTRA sind,
1. im Rahmen einer Instandsetzung statisch überprüft,
2. im Rahmen einer Kapazitätserweiterung umgenutzt oder verbreitert,
kann die Ermüdungssicherheit der Biegebewehrung der Fahrbahnplatten oft nicht nachgewiesen werden.
Zielsetzung
Die Ermüdungssicherheit von Fahrbahnplatten soll hinsichtlich der:
· statischen Modellierung (statisches Modell, Membranspannungen aus Längsbiegung (Druck) und Vorspannung, Bewehrungsgehalt),
· Auswirkungen einer Ermüdungsschädigung auf die Tragsicherheit (Grenzzustand 2), unter Berücksichtigung bekannter Theorien und Ansätze diskutiert und präzisiert werden. Empfehlungen für die statische Berechnung und Überprüfung sollen erarbeitet werden.
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Connaissances attendues / utilisation / bénéficiaire
(Allemand)
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Mit Hilfe des Projekts sollen Empfehlungen zur statischen Modellierung von ermüdungsbeanspruchten Fahrbahnplatten angegeben werden, welche es erlauben, mögliche Tragreserven zu aktivieren.
Es sollen mögliche Phasen der Schädigung bzw. Schädigungsentwicklung (Rissbild, Rissweiten, Durchbiegungen, Versagensmechanismus) von ermüdungsbeanspruchten Fahrbahnplatten aufgezeigt werden. Mit Hilfe dieser Resultate kann die Diskussion zur Anwendung der Beobachtungsmethode angeregt werden.
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Méthodes
(Allemand)
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Im theoretischen Teil der Arbeit sind folgende Schwerpunkte vorgesehen:
· Auswertung von mit vergleichbarer Zielsetzung durchgeführten Ermüdungsversuchen in der Literatur.
· Vergleich mit theoretischen Untersuchungen und Ableitung von vereinfachten Berechnungsmethoden zur Berechnung von Stahlspannungen.
Im experimentellen Teil der Arbeit sind folgende Schwerpunkte vorgesehen:
· 4 Ermüdungsversuche an Stahlbetonplatten (Unterschiedliche Längs-Normalkraft-Beanspruchung und Bewehrungsverteilungen) im Massstab 1:1. Ermittlung der Wöhlerkurve der verwendeten Bewehrung.
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Equipements spéciaux
(Allemand)
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Die Versuche werden im Labor der Hochschule Luzern – Technik & Architektur durchgeführt. Der Versuchsaufbau wurde an bereits durchgeführten statischen Plattenversuchen erprobt: Länge = 8.80 m; Breite = 4.40 m, h = 0.20 m.
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Etat de la recherche
(Allemand)
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Der Stand der Forschung in der Schweiz zum Thema Ermüdungssicherheit von Betontragwerken fokussiert auf das Ermüdungsversagen von Beton- und Spannstählen und ist in der SIA D076 [8] und der SIA D 0133 [7] zusammengefasst. Bezüglich des Ermüdungsverhaltens von Beton ist die Arbeit von Schäfli [6] umfassend. Zum Ermüdungsverhalten alter Betonstähle wurden an der ETH Zürich [1] kürzlich einige Versuche durchgeführt – dies im Zusammenhang mit einem Forschungsvorhaben von Prof. Th. Vogel zum Ermüdungsverhalten von SSB-Trassee-Durchlässen. Zur statischen Modellierung von ermüdungsbeanspruchten Bauteilen fehlt die experimentelle Basis – auch im Vernehmlassungsentwurf der Norm SIA269/2 „Erhaltung von Tragwerken – Betonbau“ [12] sind keine spezifischen Hinweise enthalten. In Deutschland befasste sich Prof. G. König mit der Ermüdungssicherheit von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen in Bezug auf den CEB-FIP Model Code 1990 [4]. Bezogen auf Brücken-Fahrbahnplatten ist die Arbeit von Herwig [3] erwähnenswert, in welcher die Verstärkung von Fahrbahnplatten mit Hilfe von ultra hochfesten Faserbetonen zur Gewährleistung der Ermüdungssicherheit untersucht wird.
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Objectifs du projet
(Allemand)
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Für bestehende Tragwerke bzw. Fahrbahnplatten kann der Ermüdungsnachweis basierend auf der Norm SIA26xff oft nicht erbracht werden, weil der Bemessungsansatz hinsichtlich Einwirkung, Widerstand und statischer Modellierung konservativ ist. Werden bestehende Strassenbrücken im Rahmen
- einer Instandsetzung statisch überprüft,
- einer Kapazitätserweiterung umgenutzt oder verbreitert,
kann die Ermüdungssicherheit der Biegebewehrung der Fahrbahnplatten in vielen Fällen nicht nachgewiesen werden, weshalb kostenintensive Verstärkungsmassnahmen zu erwarten wären. Es gilt daher Tragreserven zu berücksichtigen bzw. zu aktivieren, um die Verstärkungsmassnahmen zu minimieren. Ziel des Projekts ist die Bestimmung von Traglastreserven ermüdungsbeanspruchter Fahrbahnplatten bestehender Strassenbrücken in Fokussierung auf Biegung. Insbesondere soll der Einfluss einer orthotropen Tragwirkung der Platte (Bewehrungsgehalt, Lagerungsbedingung, Rissbildung) unter Berücksichtigung des Membranspannungszustandes aus Längstragwirkung experimentell und theoretisch untersucht werden.
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Objectifs du projet
(Anglais)
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Based on the valid code, SIA26xff, it is often not possible to calculate the structural safety in terms of fatigue strength of bridge decks. If an existing bridge
- is being reexamined during retrofitting measures,
- is under consideration for a capacity extension,
the fatigue strength of the bridge deck reinforcement can in many cases not be verified, resulting in expensive strengthening measures. To minimize strengthening costs, it is necessary to account for the strength reserve of the deck slabs. This study shall research, in theory as well as experimentally, the influence of orthotropic load transfers due to reinforcement ratios, support conditions and the cracking of the concrete while accounting for membrane forces.
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Plan de recherche
(Allemand)
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Projektphase |
1. Jahr |
2. Jahr |
3. Jahr |
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1. Auswertung von mit vergleichbarer Zielsetzung durchgeführten Ermüdungsversuchen der Literatur. |
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2. Theoretische Diskussion. |
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3. Versuchsplanung, Versuchsaufbau und Durchführung. |
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4. Auswertung der Versuchsresultate und Vergleich mit theoretischen Resultaten. |
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5. Schlussbericht mit Folgerungen und Empfehlungen. |
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Mise en oeuvre et application
(Allemand)
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Die Forschungsergebnisse werden über die Lehre, Publikationen und die Berichterstattung in Fachgremien sowie über die Begleitung von Projekten in der Praxis umgesetzt.
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No du rapport
(Allemand)
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695
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Littérature
(Allemand)
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[1] Fehlmann, P., Vogel, Th., Versuche zur Ermüdungsfestigkeit alter Betonstähle, Beton- und Stahlbetonbau, Heft 7, 2009, pp. 416-423.
[2] Fernandez Ruiz, M., Vaz Rodriges, R., Muttoni, A., Bemessung und Nachweis der Fahrbahnplatten von Strassenbrücken (französisch), Bundesamt für Strassen, Bericht Nr. 636, 2009, 53 pp.
[3] Herwig, A., Ermüdungsversuche mit Mischbauteilen aus ultra-hochleistungsfähigem Faserfeinkornbeton und Stahlbeton – Verlängerung der Nutzungsdauer hoch beanspruchter Fahrbahnplatten, Forschungskolloquium des DAfStb, Beton- und Stahlbetonbau, 100. Jahrgang, 2005, pp. 93-96.
[4] König, G. und Danielewicz, I., Ermüdungsfestigkeit von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen mit Erlauterungen zu den Nachweisen gemäss CEB-FIP Model Code 1990, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 439, 1994,67 p.
[5] Meystre, T., Hirt, A., Überprüfung bestehender Strassenbrücken mit aktualisierten Strassenlasten (deutsch), Bundesamt für Strassen, Dokumentation, 2006, 80 pp.
[6] Schläfli, M., Ermüdung von Brückenfahrbahnplatten aus Stahlbeton, Dissertation Nr. 1998; EPFL, Lausanne, 1999, 113 pp.
[7] SIA, D 0133, Ermüdung von Betonbauten, Dokumentation, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, Februar 1997, 51 pp.
[8] SIA, D 076, Grundlagen und Annahmen für den Nachweis der Ermüdungssicherheit in den Tragwerksnormen des SIA, Dokumentation, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, November 1991, 102 pp.
[9] SIA, Norm 260 – Grundlagen der Projektierung von Tragwerken, Norm Ausgabe 2003, Schweizer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, 44 pp.
[10] SIA, Norm 261 – Einwirkungen auf Tragwerke, Norm Ausgabe 2003, Schweizer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, 114 pp.
[11] SIA, Norm 262 – Betonbau, Norm Ausgabe 2003, Schweizer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, 90 pp.
[12] SIA, Norm 269/2 – Erhaltung von Tragwerken - Betonbau, Vernehmlassungsentwurf, Ausgabe 2010, Schweizer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, 48 pp. Wöhler, A., Ueber die Festigkeits-Versuche mit Eisen und Stahl, Zeitschrift für Bauwesen, Jahrg. XX, 1870, pp. 73-106.
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