4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 107 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Christian Knorrek Lehrstuhl und Institut für Massivbau, RWTH Aachen University, Deutschland Sven Bosbach Lehrstuhl und Institut für Massivbau, RWTH Aachen University, Deutschland Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger Lehrstuhl und Institut für Massivbau, RWTH Aachen University, Deutschland Zusammenfassung Im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Forschungsvorhabens wurden am Institut für Massivbau (IMB) der RWTH Aachen in enger Zusammenarbeit mit der Firma Nesseler Bau GmbH theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt und ein neuartiges Konzept für ein modulares Baukastensystem aus Betonfertigteilen entwickelt. Die entwickelte Systembrücke ermöglicht die Realisierung von ein- und zweifeldrigen Brücken mit Spannweiten bis 50 m und besteht überwiegend aus Betonvollfertigteilen mit nur geringem Einsatz von Ortbeton und Vergussmörtel, sodass die bei konventioneller Ortbetonbauweise übliche Bauzeit von 12 bis 15 Monaten bei der neuartigen Baukastenbrücke auf unter 100 Tagen reduziert wird. Im Zuge der Konzeptentwicklung wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zu den verschiedenen Detailpunkten der entwickelten Konstruktionen und möglichen Herstellmethoden in Klein- und Großversuchen durchgeführt. Zusätzlich wurde eine vollständige statische Bemessung des Gesamtbauwerks mit allen Bau- und Endzuständen angefertigt und ein Verkehrsführungskonzept für die Bauphase entwickelt. Diese optimierte modulare Systembrücke erfüllt somit alle technischen Anforderungen und wurde bereits experimentell erprobt. In der nächsten Phase sollen die großen Vorteile des entwickelten Gesamtkonzeptes in einem Pilotprojekt bestätigt werden. 1. Einleitung In den vergangenen Jahrzehnten haben sich die Anforderungen an Brückenbauwerke im Bestand aufgrund stark gestiegener Verkehrsaufkommen insbesondere durch größere Fahrzeuggesamtgewichte und steigende Achslasten im Güterverkehr deutlich erhöht und werden sich in den nächsten Jahren weiter verschärfen [1] - [3]. Nach aktuellen Untersuchungen muss deshalb in den nächsten Jahren eine große Anzahl der Brückenbauwerke Deutschlands saniert oder erneuert werden, um die jetzige Funktionalität der Verkehrswege zu erhalten. Um die Verkehrsbeeinträchtigungen durch Baumaßnahmen möglichst gering zu halten, sind besonders kurze Bauzeiten bei der Herstellung von Er-satzneubauten sinnvoll. Ein Lösungsansatz, der dieses Ziel verfolgt, ist die Nutzung von modularen Baukastensystemen, um tragfähige Brückenkonstruktionen mit kurzer Bau-/ Montagezeit zu realisieren und dadurch die Beeinträchtigungen des Verkehrs durch Sperrungen von Straßen und Autobahnen zu minimieren. Neben klassischen Stahlbetonlösungen bietet der Einsatz von neueren Materialen wie Hoch-leistungsbetonen oder nichtmetallischen Bewehrungen für die Fertigteile weitere Möglichkeiten. Durch die modulare Bauweise aus Fertigteilen mit nichtmetallscher Bewehrung und Hochleistungsbetonen können so besonders effiziente und qualitativ hochwertige Lösungen für schlanke Konstruktionen mit verkürzter Bauzeit und verbesserter Dauerhaftigkeit erreicht werden [4]. Im europäischen Ausland und Nordamerika wurde die Entwicklung der modularen Bauweise für Brücken-bauwerke in den letzten Jahren stark vorangetriebene und kommt inzwischen häufig zum Einsatz. Auch Fertigteilträger aus hochfestem bzw. ultrahochfestem Beton, die größere Spannweiten ermöglichen, wurden bereits ausgeführt [5], [6] (Bild 1 und 2). 108 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Bild 1: Montage von Spannbetonfertigteilen für eine Brücke aus hochfestem Beton [6] Bild 2: Fahrbahnplatte aus UHPC-Fertigteilträgern vor UHPC-Fugenverguss [7] Der Einsatz von Spannbetonfertigteilen aus UHPC stellte hierbei insbesondere bei der Überquerung bestehender Verkehrsstrecken eine wirtschaftliche Lösung dar [5]. Nichtmetallische Vorspannung spielt dabei ebenfalls eine immer wichtigere Rolle und wird in den USA inzwischen häufiger verwendet. Im Jahr 2001 wurde beispielsweise die erste mit carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) vorgespannte mehrfeldrige Straßenbrücke Bridge Street Bridge (Bild 3) in Michigan errichtet. Bild 3: Mit CFK vorgespannte Bridge Street Bridge in Southfield, Michigan [10] Es bestehen somit positive Langzeiterfahrungen mit Spannbetonfertigteilbrücken aus Stahlbeton und neuartigen Hochfesten Materialen [8],[9]. Diese Erfahrungen zeigen bereits, dass durch die Anwendung korrosionsbeständiger Hochleistungswerkstoffe eine höhere Lebensdauer für Brückenbauwerke mit niedrigen Folgekosten bei gleichzeitig kurzen Montagezeiten erreicht werden kann. In Deutschland ist, im Gegensatz zu vielen anderen Ländern, der Einsatz von Fertigteilen im Brückenbau bisher stark reglementiert. Die Forschung in diesem Bereich wird mittlerweile aber verstärkt ausgebaut und erste Pilotprojekte konnten bereits realisiert werden oder befinden sich zurzeit in der Bauphase. Zwei dieser innovativen Pilotprojekte sind beispielsweise die Bausteinbrücke Hammacherstraße über die A46 in Hagen (Bild 4) oder die Segmentbrücke Speelbergerstraße bei Emmerich über die A3 [11]. Bild 4: Bausteinbrücke Hammacherstraße über die A46 in Hagen [11] 2. Entwurf einer modularen Baukastenbrücke Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung eines modularen Baukastensystems mit eigenem Bemessungskonzept zur Herstellung von Spannbetonbrücken aus Fertigteilen unter Berücksichtigung moderner Hochleistungsbetone und Vergussmörtel, die für den Einsatz im deutschen Brückenbau geeignet sind. Hierzu wurden zunächst die Anforderungen an ein solches Brückenkonzept und sinnvolle geometrische und materielle Randbedingungen definiert, um einen späteren ökonomischen Einsatz für alle Beteiligte sicherzustellen. Die Kategorie der Ein- und Zweifeldbrücken mit einer Gesamtlänge von 2 - 50 m stellt einen Großteil der Bestandsbauwerke der Bundesfernstraßen dar [13], [14] (Bild 5). Zur schnellen Erstellung von Ersatzbauwerken unter Verkehr bietet sich für diese Stützweiten insbesondere die Verwendung von Fertigteilen an, da hier mit einer großen wiederkehrenden Anzahl von Konstruktionsdetails zu rechnen ist und dies somit die Entwicklung einer modularen Segmentbrücke wirtschaftlich sinnvoll macht. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 109 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Bild 5: Verteilung Brückenlängen im Bundesfernstraßennetz [14] Mit Spannweiten von bis zu 50 m können 6streifige Autobahnen ohne Mittelunterstützung zwischen den Richtungsfahrbahnen überbrückt werden. Durch eine schnelle Montage von Fertigteilbrücken wird die Beeinträchtigung des umgebenden Verkehrs insbesondere beim Ausbau von bestehenden Straßen minimiert. Neben dem Brückenneubau bieten sich Spannbetonfertigteile daher auch zum Ersatz von Bestandsbauwerken an, die zur Aufnahme der steigenden Verkehrslasten nicht geeignet oder aufwendig zu verstärken sind. Durch den möglichen Wegfall einer Mittelunterstützung werden zum einen Kosten für die Lagerkonstruktionen und zur Herstellung der Durchlaufwirkung reduziert und zum anderen die Flexibilität in der Verkehrsführung erhöht. Der Entwurf der neuartigen modularen Segmentbrücke wurde somit als einfeldrige Rahmenbrücke mit Stützweiten bis 50m konzipiert, um die Bauzeit und die Verkehrsbehinderungen möglichst gering zu halten. Um die Bauzeit noch weiter zu reduzieren, sollten die Widerlager der Brücke ebenfalls aus Fertigteilen errichtet und ein Bauablauf konzipierte werden, der mit möglichst wenigen Sperrungen und Verkehrsumlegungen durchführbar ist. Als Ziel wurde festgelegt, eine Bauzeit von unter 100 Kalendertagen für einen Ersatzneubau inklusive Abriss der vorhandenen Brücke zu realisieren. Eine weitere Anforderung an das entwickelte Konzept war der Einsatz von möglichst großen Vollfertigteilen, um die Fugenanzahl zu minimieren. Gleichzeitig sollte der Transport der einzelnen Fertigteile zur Baustelle mit einer möglichst geringen Anzahl von Sondertransportgenehmigungen auskommen. Dazu wurde das Gewicht der einzelnen Fertigteile auf maximal 40 t ausgelegt, hiervon ausgenommen sind lediglich die Brückenlängsträger des Überbaus. Die Anforderungen machten die Anwendung von hochfesten oder ultra-hochfesten Betonen unabdingbar, da sich mit diesen hochfesten Materialien schlanke Fertigteile ausführen lassen, die ein vertretbares Montagegewicht und eine hohe Tragfähigkeit aufweisen. Gleichzeitig ist aufgrund der im Vergleich zu üblichem Betonen geringeren Porosität eine erhöhte Dauerhaftigkeit zu erwarten. Ein hochfester Beton der Festigkeitsklasse C80/ 95 stellte sich dabei als besonders geeignet heraus. Dieser Beton erfüllt alle Anforderungen an die notwendige Tragfähigkeit und ist außerdem noch als Transportbeton für die späteren Betonergänzungen auf der Baustelle erhältlich. Die Erfahrungen aus vorangegangenen Pilotprojekten [11] zeigten bereits, dass die Herstellung der Rahmenecke zwischen Widerlager und Überbau bei Segmentbrücken von zentraler Bedeutung für die Gesamtkonstruktion ist und besonderes Augenmerk auf die Einhaltung von Maßgenauigkeit der Fertigteile für den reibungslosen Herstellungsprozess gelegt werden muss. Daher war eine weitere Zielvorgabe für das entwickelte Konzept eine einfache Ausbildung der Rahmentragwirkung und die Schaffung von Ausgleichsmöglichkeiten innerhalb der Konstruktion, um mögliche Toleranzen, die sich aufgrund von örtlichen Abweichungen auf der Baustelle ergeben, ausgleichen zu können. Die zuvor definierten Anforderungen und Randbedingungen für das entwickelte Konzept lassen sich auf folgende Punkte zusammenfassen: • Einfeldrige Rahmenbrücke aus Spannbeton (Spannweiten < 50 m) • Überbau und Unterbauten aus Fertigteilen • Bauzeit < 100 Tage, Verkehrsbehinderung möglichst minimieren • Möglichst große Vollfertigteile, Fugenanzahl minimieren • Robustere Toleranzen vorsehen • Einfache Ausbildung der Rahmentragwirkung • Maximales Transportgewicht der Fertigteile möglichst < 40 t • Einsatz von hochfestem Beton C80/ 95 Anhand dieser Kriterien wurde eine modulare einfeldrige Systembrücke mit Spannweiten bis 50 m entwickelt, die überwiegend aus Betonvollfertigteilen mit nur geringem Einsatz von Ortbeton und Vergussmörtel besteht, sodass die übliche Bauzeit von 12 bis 15 Monaten bei konventioneller Ortbetonbauweise auf unter 100 Tagen reduziert wird. In Bild 6 ist ein Modell der geplanten Systembrücke im Bauzustand abgebildet. 110 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Bild 6: Modell der entwickelten einfeldrigen modularen Segmentbrücke aus Betonfertigteilen Die Fundamente und aufgehenden Wände der Widerlager bestehen dabei aus gefügten Vollfertigteilen, welche horizontal und vertikal mit Gewindestangen ohne Verbund miteinander verspannt werden. Für die Fugen zwischen den Widerlagerfertigteilen wurde eine neuartige Kombination aus Nass- und Trockenfugen entwickelt, um einen kraftschlüssigen und wasserdichten Verbund zwischen den Fertigteilen sicherzustellen. Der Überbau wurde als vierstegiger Plattenbalken konzipiert (Bild 7). Die Längsträger bestehen dabei jeweils aus einem Spannbetonfertigteilträger mit einem Gewicht von jeweils ca. 70 t. Die Vorspannung der Längsträger erfolgt über Spannglieder im nachträglichen Verbund. 75% der erforderlichen Vorspannkraft werden dabei bereits im Werk aufgebracht. Die restliche Vorspannung erfolgt auf der Baustelle während der schrittweisen Montage der Fahrbahnplatten. Die Fertigteile der Fahrbahnplatten wurden ohne Längsfugen geplant und die Fugen in Querrichtung der Fahrbahnplatte werden als Trockenfugen ausgebildet. Nach der vollständigen Verlegung aller Platten werden diese mittels Monolitze ohne Verbund in Längsrichtung vorgespannt, um die Dichtigkeit und Tragfähigkeit der überdrückten Querfugen sicherzustellen. Die einzelnen Platten verfügen über mehrere Vergusstaschen, in denen die Anschlussbewehrung der Längsträger einbindet und der Überbau nach dem Vorspannen zum Verbundquerschnitt vergossen wird. Einen wichtigen Bestandteil der Konstruktion bildet das innovative Konzept der Rahmenecken zwischen dem Überbau und den Unterbauten. Diese wurde als nachträgliche Vergusstasche geplant, um mögliche Toleranzen auszugleichen. Die umliegenden Fertigteile dienen dabei als verlorene Schalung, so dass keine weiteren Schalarbeiten auf der Baustelle anfallen. Die Größe der Vergusstasche wurde dabei so gewählt, das ausreichend Platz zum Vorspannen der Überbaukonstruktion vorhanden ist. Die Längsträger verfügen im Widerlagerbereich zusätzlich über mehrere Pressenansatzpunkte, um Höhendifferenzen zwischen den Trägern auszugleichen. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Lagerung der Längsträger, die im Bauzustand gelenkig ausgeführt wird. Die Konstruktion ist so ausgelegt, dass auf eine komplizierte Teileinspannung der Längsträger im Bauzustand verzichtet werden kann und die Rahmentragwirkung erst im Endzustand aktiviert werden muss. Nach vollständiger Montage der Widerlager und der Überbaukonstruktion, wird die Vergusstasche mit üblichen Bewehrungseisen und GEWI-Stößen bewehrt und ausbetoniert. Die Kappen der Segmentbrücke werden ebenfalls als Vollfertigteil hergestellt (Bild 7), und mittels Stahlknaggen und Stirnanker mit den Fahrbahnplatten verbunden. Die Abdichtung und der Belagsaufbau der Fahrbahn erfolgen nach der ZTV-Ing. Teil 7 [15]. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 111 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Bild 7: Überbauquerschnitt der entwickelten einfeldrigen modularen Segmentbrücke aus Betonfertigteilen In Bild 8 ist das Bauprinzip und der Bauablauf der entwickelten Segmentbrücke veranschaulicht. Bei einem Ersatzneubau muss zunächst die vorhandene Brücke abgerissen werden, was üblicherweise innerhalb einer Wochenendsperrpause realisierbar ist. Anschließend erfolgt der Erdaushub und die Herstellung der Sauberkeitsschicht (Bild 8, Schritt 1-2) sowie die Montage und das Verspannen der Fertigteile für den Unterbau (Fundamente und Widerlager) (Bild 8, Schritt 2-3). In den Schritten 4 und 5 werden die Längsträger und Fahrbahnplatten montiert und vorgespannt, was vollständig in der einzigen Wochenendsperrpause, die zum Erstellen der Brücke notwendig ist, realisiert wird. Nach dem Ende dieser Sperrpause werden in Schritt 6 die Vergusstaschen der Platten vergossen und anschließend die Rahmenecke zwischen Widerlager und Überbau hergestellt. Im Anschluss werden in Schritt 7 Schleppplatten im Hinterfüllbereich der Widerlager eingebracht und die Entwässerungs- und Erdarbeiten im Wiederlagerbereich ausgeführt. Abschließend erfolgt die Montage der Fertigteilkappen, die Herstellung des Oberbaus und die Verkehrsfreigabe. Die Gesamtbauzeit für einen Ersatzneubau kann so in unter 100 Kalendertagen erfolgen wobei lediglich zwei Wochenendsperrpausen für Abriss und Montage des Überbaus erforderlich sind. Die Verkehrsbehinderung während der Bauphase können so im Vergleich zu üblichen Ortbetonbauweise erheblich reduziert werden, was einen enormen volkswirtschaftlichen Vorteil darstellt. 112 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Bild 8: Bauprinzip der entwickelten einfeldrigen modularen Segmentbrücke aus Betonfertigteilen Dieser entwickelte Entwurf konnte in einer vollständigen statischen Bemessung mit Hilfe von FE-Berechnungen in allen Bau- und Endzuständen nachgewiesen werden. Zusätzlich entwickelte die Firma Nesseler Bau GmbH. ein Verkehrsführungskonzept für die Bauphase und ein ausgeklügeltes modulares Stahlschalungskonzept für die Fertigteile. Diese optimierte modulare Systembrücke erfüllt somit alle technischen Anforderungen und könnte zeitnah in einem Pilotprojekt realisiert werden. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 113 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen 3. Experimentelle Untersuchung 3.1 Allgemeines Bei der Herstellung von Fertigteilkonstruktionen kommt der Verbindung der einzelnen Fertigteilelemente der Tragstruktur eine besondere Bedeutung zu. Die Verbindungen müssen in Abhängigkeit der Beanspruchung in der Lage sein, Druck-, Zug- und Querkräfte sowie eine kombinierte Belastung abtragen zu können. Die Ausbildung der Fuge zwischen zwei Fertigteilen zur Druckkraftübertragung kann sowohl in Form einer Trockenals auch einer Nassfuge erfolgen. Trockenfugen stellen erhöhte Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Segmente und erfordern nach [16] eine Begrenzung der Betondruckspannungen. Bei einer Nassfuge entstehen in den Bauteilen Querzugspannungen im Beton, die auf die Verankerung der Längsbewehrung im Stoßbereich und die Querdehnungsbehinderung des Fugenmaterials zurückzuführen sind. Diese Querzugbeanspruchungen sind durch eine entsprechende Querbewehrung aufzunehmen [17]. Die Wahl des Fugenmaterials, u.a. zum Ausgleich von Maßungenauigkeiten, ist abhängig von der Größe der zu übertragenden Druckkraft. Für zugtragfähige Verbindungen werden meistens Bewehrungsstäbe verwendet. Die Bewehrungsstäbe können hierbei sowohl durchlaufende Hauptbewehrungsstäbe als auch zusätzlich eingelegte Kurzstäbe im Bereich der Fuge sein. Ihr Verbund zum Bauteil kann entweder durch das Verpressen der Hüllrohre mit Zementmörtel oder Epoxidharz erfolgen. Unabhängig von der Herstellung sind die Verankerungslängen sowie die Umschnürung der Bewehrung sicherzustellen. Die Schubtragfähigkeit zwischen Betonfertigteilen kann durch Adhäsion, Reibung in der Stoßfuge, Oberflächenprofilierung und Verdübelung der Bauteile übertragen werde. Da die Adhäsionskraft einer größeren Streuung unterliegt, wird bei der Bemessung i.d.R. eine gerissene Fuge angenommen. Bei Relativverschiebungen stellt sich ein Reibverbund ein, der von der Oberflächenrauhigkeit und der Pressung zwischen den Bauteilen abhängt (Bild 9, links). Eine entsprechende Oberflächenausführung kann die übertragbare Reibkraft erhöhen. Bild 9: Querkraftübertragung durch Reibung (links), Verdübelung (Mitte) [18] und profilierter Fuge (rechts) Eine weitere Möglichkeit der Schubkraftübertragung stellt die Verdübelung der Fugen durch Bewehrung oder Bolzen dar (Bild 9, Mitte). Hierbei müssen allerdings lokal größere Einzelkräfte aufgenommen werden, die zu einer hohen Beanspruchung des Verbindungsmittels und des umgebenden Betons führen. Durch eine Profilierung der Stoßflächen, z. B. durch Schubnocken, wird eine zusätzliche Schubtragkomponente aktiviert (Bild 9, rechts). Diese Art der Verbindung wird sowohl bei Tunneln in Tübbingbauweise als auch im Brückenbau bei der Segmentbauweise verwendet [19]. Dieser Zusammenhang verdeutlich, dass die Berechnung der Schubtragfähigkeit je nach gewählter Konstruktion stark variieren kann. Um ein Verständnis für das Trag- und Verformungsverhalten der im Zuge des Forschungsvorhabens entwickelten Fugenkonstruktion der modularen Segmentbrücke zu erhalten, wurden am Lehrstuhl und Institut für Massivbau (IMB) der RWTH Aachen umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Mit den Ergebnissen dieser Untersuchung konnte im Anschluss die Konstruktion der Segmentbrücke hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit und des Herstellprozesses weiter optimiert werden. 3.2 Versuchsaufbau Im Rahmen der Untersuchungen zur Fugentragfähigkeit wurden elf Versuchsreihen an Kleinkörpern mit jeweils drei Versuchen durchgeführt. Hierbei wurden die Parameter Fugengeometrie und -ausbildung (Nass oder Trockenfugen), sowie die Vorspannung und die Schubnockenbewehrung variiert. Bild 10 zeigt den Versuchsaufbau der einzelnen Scherversuche. Die trocken gestoßenen Prüfkörper wiesen Außenmaße (L/ B/ H) von jeweils 60 x 20 x 30 cm auf. Die vermörtelten Prüfkörper sind aufgrund der zwei Mörtelschichten mit einer Dicke von jeweils 2 cm insgesamt 4 cm breiter. Die beiden äußeren Körper wurden dabei kontinuierlich gelagert. Der mittlere Körper wurde durch einen senkrecht nach unten wirkenden Hydraulikzylinder mit einer Prüfgeschwindigkeit von 0,3 mm/ min belastet und somit abgeschert. Die Scherflächen der Proben wiesen eine Fläche von 20 x 30 cm² auf und wurden für Versuchskörper mit Nassfuge mittels Oberflächenverzögerer aufgeraut. Mit Hilfe von Gewindestangen und starren Stahlplatten an den Seitenflächen der äußeren Betonkörper konnte eine zusätzliche Drucknormalspannung in das System eingeleitet werden. Somit wird eine mögliche Vorspannung im späteren Brückensystem simuliert. 114 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Bild 10: Versuchsaufbau Scherversuche: Versuchskörper im Versuchsstand (links), Ansicht (Mitte) und Draufsicht (rechts) Für die Nassfugen wurde ein hochfester Vergussmörtel verwendet, um der hohen Festigkeit des verwendeten Betons zu entsprechen. Hierfür wurde im Rahmen der Untersuchungen der Hochfestmörtel HF 10 der Firma Pagel genutzt. Eine Gesamtübersicht über alle durchgeführten Versuche ist in Tabelle 1 gegeben. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 115 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Tabelle 1: Übersicht der Scherversuche Aufbau Fugengeometrie Fugenausbildung Vorspannung Schubnockenbewehrung f cm,cyl E-Modul [-] [-] [-] [-] [-] [N/ mm²] [N/ mm²] -1 0,00 -2 0,00 -3 0,00 -1 1,00 -2 0,99 -3 0,98 -1 0,50 -2 0,50 -3 0,48 -1 0,51 -2 0,48 -3 0,66 -1 0,51 -2 0,50 -3 0,45 -1 0,68 -2 0,64 -3 0,48 -1 0,51 -2 0,53 -3 0,17 -1 0,46 -2 0,44 -3 0,50 -1 0,47 -2 0,43 -3 0,49 -1 0,51 -2 0,50 -3 0,50 -1 0,50 -2 0,46 -3 0,50 nein Name [-] S1 eben vermörtelt E0 nein S3 eben vermörtelt S2 eben vermörtelt nein E0,5 E1 nein S5 2 Schubnocken vermörtelt S2N0,5 S2T0,5 S4 2 Schubnocken trocken nein S2T0,5 nein S7 2 Schubnocken vermörtelt S6 2 Schubnocken trocken nein S2N0,5 nein S9 1 Schubnocke trocken S8 1 Schubnocke trocken ja S1T0,5B S1T0,5U nein S11 1 Schubnocke vermörtelt S10 1 Schubnocke vermörtelt ja S1N0,5B S1N0,5U 123,3 46630 118,3 45782 118,3 45782 117,6 45970 117,6 45970 122,7 47775 126,9 46849 126,9 46849 118,3 45782 124,9 45111 124,9 45111 Um die Verschiebung der drei Betonkörper gegeneinander zu erfassen, wurden induktive Wegaufnehmer an der Oberfläche der Prüfkörper angebracht. Insgesamt wurden pro Prüfkörper sechs Wegaufnehmer installiert. Vier davon ermitteln die horizontale Längsdehnung ∆u und zwei weitere Wegaufnehmer erfassen die vertikale Bewegung ∆v in der Fuge. Zusätzlich nahm ein Wegaufnehmer die Durchbiegung an der Prüfkörperunterseite ∆V auf. Die Anordnung der Messtechnik ist in Bild 11 für einen Prüfkörper mit ebener, vermörtelter Fuge schematisch dargestellt. 116 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Bild 11: Messtechnikplan der Scherversuche Neben der Erfassung relativer Bewegungen durch induktive Wegaufnehmer wurde zusätzlich das optische Kameramesssystem a raMiS genutzt, um Bauteilbewegungen zu erfassen. 3.3 Versuchsergebnisse Die erreichten Maximallasten sowie die weiteren Versuchsergebnisse der durchgeführten Scherversuche sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Tabelle 2: Versuchsergebnisse der Scherversuche Das Schubspannungs-Durchbiegungsverhalten der Versuchskörper ist stark von der jeweiligen Fugenaus-bildung abhängig. Das generelle Tragverhalten vermörtelter und trocken gestoßener Versuchskörper mit einer Vorspannung lässt sich jedoch unabhängig von der Fugenausbildung in mit Hilfe von verschiedenen Berei-che charakterisieren. Das Tragverhalten der vermörtelten Versuchskörper lässt sich in drei Bereiche unterteilen (Bild 12). Im ersten Bereich weisen die Versuchskörper bis zu einem bestimmten Lastniveau eine konstante Steifigkeit auf. Bild 12: Idealisiertes Tragverhalten vermörtelter und trocken gestoßener Versuchskörper Mit Bildung des ersten Risses im zweiten Bereich fällt die Traglast deutlich ab. Im anschließenden dritten Bereich weist der Versuchskörper verminderte Steifigkeit auf. Die trocken gestoßenen Versuchskörper verhalten sich je nach Geometrie der Schubnocken unterschiedlich. Bei einer guten Verzahnung ohne größere Spaltenbildung in der Fuge durch Maßungenauigkeiten weisen die Körper eine annähernd so hohe Steifigkeit wie die vermörtelten Versuchskörper auf (Bild 12). Ein Traglastabfall durch entstehende Risse tritt nicht auf, da sich die Fugen sukzessiv öffnen können. Die geringfügig kleinere Steifigkeit resultiert in einer höheren Durchbiegung. Zusätzlich können die trocken gestoßenen Versuchskörper nur geringere maximale Schubspannungen in der Fuge übertragen. Falls die Betonkörper und somit auch die Schubnocken nicht optimal ausgebildet sind und ein 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 117 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen Spalt zwischen den Schubnocken entsteht (Bild 12), resultiert ein abweichendes Tragverhalten. Bis zwischen zwei Schubnocken ein direkter Kontakt entsteht, weisen diese eine verminderte Steifigkeit auf. Stützen sich zwei Schubnocken durch die Relativverschiebung der Betonkörper aufeinander ab und bilden eine Druckstrebe aus. Diese ist gleichwertig oder geringfügig höher als die Steifigkeit eines trocken gestoßenen Prüfkörpers mit guter Verzahnung. Das zum Teil bilineare Tragverhalten der trocken gestoßenen Versuchskörper erschwerte die Auswertung, da die Genauigkeit der Schubnockenausbildung einen größeren Einfluss auf das Bauteilverhalten als die zu untersuchende Variation der Fugenausbildung hatte. Der Vergleich der absoluten Durchbiegung ist deshalb nicht immer zielführend. Sinnvoller ist ein Vergleich der Steifigkeiten nach Eintreten des direkten Schubnockenkontakts. In den Versuchen wurde beobachtet, dass eine Mörtelschicht die maximale Schubkraftübertragung in der Fuge erhöht, während die resultierende Durchbiegung nur minimal beeinflusst wird (Bild 13). Dieser Effekt ergibt sich unabhängig von der Fugengeometrie. Bild 13: Schubspannungs-Durchbiegungsdiagramm der vermörtelten (grau) und trocken gestoßenen Versuchskörper (schwarz) mit zwei Schubnocken und einer Drucknormalspannung von 0,5 N/ mm² Die trocken gestoßenen Versuchskörper mit einer Schubnocke weisen eine höhere Steifigkeit als die trocken gestoßenen Versuchskörper mit zwei Schubnocken auf. Im Gegensatz dazu weisen die mit zwei Schubnocken ausgebildeten Versuchskörper mit einer Mörtelschicht eine höhere Steifigkeit auf (Bild 14). Eine ebene Fugenoberfläche führt zu den größten Durchbiegungen. Die Steifigkeit zu Belastungsbeginn und das Eintreten des Erstrisses sind unabhängig von der Schubnockenausbildung. Eine erhöhte Vorspannung führt zu einer geringeren Durchbiegung und bei vermörtelten Versuchskörpern zu einem späteren Eintreten des Erstrisses. Die maximale Tragfähigkeit erhöht sich für eine ebene Fugenoberfläche mit steigender Vorspannung. Dieser Effekt zeichnet sich auch bei mit zwei Schubnocken ausgebildeten, vermörtelten Versuchskörpern ab. Bei Trockenfugen bewirkt die Erhöhung der Vorspannung keine signifikante Steigerung der Traglast. Bild 14: Schubspannungs-Durchbiegungsdiagramm der vermörtelten (grau) und trocken gestoßenen Versuchskörper (schwarz) mit zwei Schubnocken und einer Drucknormalspannung von 0,5 N/ mm² Eine Schubnockenbewehrung führt zu einer erhöhten Steifigkeit bei niedriger Belastung. Mit fortschreitender Beanspruchung entstehen mehrere Traglastabfälle, sodass der positive Effekt der erhöhten Steifigkeit aufgehoben wird. 4. Fazit und Ausblick Im vorliegenden Beitrag wurde das neuartige Konzept einer modularen Baukastenbrücke aus Betonfertigteilen vorgestellt, das im Rahmen eines Forschungsvorhabens am Institut für Massivbau der RWTH Aachen in enger Zusammenarbeit mit der Firma Nesseler Bau GmbH entwickelt wurde. Die entwickelte Systembrücke ermöglicht die Realisierung von ein- und zweifeldrigen Brücken mit Spannweiten bis 50 m und kann in unter 100 Kalendertagen errichtet werden. Hierbei sollte das Baukastensystem nicht als uniforme „Einheitsbrücke“ verstanden werden. Vielmehr wurden für häufig wiederkehrende Elemente und Verbindungen typische Konstruktionsprinzipien erarbeitet, die unter Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen kombinierbar und auf verschiedene Systeme, Stützweiten und Geometrien übertragbar sind. Die entwickelte Systembrücke ist somit adaptiv anpassbar und bietet hohe volkswirtschaftliche Kostenvorteile. Im Zuge der Konzeptentwicklung wurden außerdem umfangreiche experimentelle Scherversuche zu verschiedenen Fugenausbildungen zwischen den Fertigteilen durchgeführt. Die höchsten Tragfähigkeiten wiesen dabei Fugen mit profilierten Nassfugen auf. Durch eine ausreichende Verbundfestigkeit, die aufgebrachte Vorspannung und die Ausbildung von Druckstreben senkrecht zu den schräg geneigten Fugenoberflächen der Profilierung 118 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Untersuchungen zum Tragverhalten neuartiger modularer Baukastenbrücken aus Betonfertigteilen weisen diese Versuchskörper ein annähernd monolithisches Bauteilverhalten auf. Die Mörtelschicht sorgt für eine hohe Adhäsionskraft, weshalb ein hoher Widerstand überschritten werden muss, bis eine Schädigung der Fuge eintritt. Aufgrund der aufgebrachten Vorspannkraft konnte zudem der Traganteil der Reibung aktiviert werden. Die Belastung führt schließlich zu einem, durch starke Rissbildung angekündigtem, Versagen des Betons entlang der Druckstreben. Mit den Ergebnissen dieser Untersuchungen konnte in weiteren Großversuchen, die nicht Inhalt dieses Beitrags sind, die Fugenkonstruktion der Segmentbrücke hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit und des Herstellprozesses weiter optimiert und eine neuartige Kombination aus Nass- und Trockenfugen entwickelt werden, die einen kraftschlüssigen und wasserdichten Verbund zwischen den Fertigteilen sicherstellt. Zusätzlich wurde eine vollständige statische Bemessung des Gesamtbauwerks angefertigt und ein Verkehrsführungskonzept für die Bauphase entwickelt. Diese optimierte modulare Systembrücke erfüllt somit alle technischen Anforderungen und wurde bereits experimentell erprobt. In der nächsten Phase soll die entwickelte Segmentbrücke unter dem Namen n.Brücke von der Firma Nesseler Bau GmbH in einem Pilotprojekt realisiert werden. Danksagung Die vorgestellten und geplanten Untersuchungen werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) im Rahmen eines Forschungsprojektes des Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) gefördert, dem an dieser Stelle herzlich gedankt sei. Literaturverzeichnis [1] Naumann, J.: Brücken und Schwerverkehr - Eine Bestandsaufnahme. Bauingenieur 85 (2010), Heft 1, S.1-9 [2] Naumann, J.: Brückenertüchtigung jetzt - Ein wichtiger Beitrag zur Sicherung der Mobilität auf Bundesfernstraßen. Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V., 2011 [3] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Strategie zur Ertüchtigung der Straßenbrücken im Bestand der Bundesfernstraßen. 2013 [4] Bosbach, S.; Stark, A.: C³-V2.9: Modulare Bausysteme Ingenieurbau. In: Tagungsband der 10. 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