Brückenkolloquium
kbr
2510-7895
expert verlag Tübingen
91
2022
51
UHPC-Traverse für die Querkraftverstärkung von Brückenstegen
91
2022
Hermann Weiher
Für die Herstellung eines hochbelasteten Trägers, der als Traverse oder Brücke für hohe Kräfte dienen kann, wird ultrahochfester Beton (UHFB oder UHPC) verwendet. Eine typische Anwendung für diese Traverse ist die Verankerung und Lastweiterleitung der Ankerkräfte von externen Spanngliedern bei der Querkraftverstärkung von Brückenstegen. Üblicherweise kommen hier Doppel-U Träger zum Einsatz, die für jedes Bauwerk individuell abgelängt und mit angeschweißten Steifen und Blechen versehen werden. Diese Stahlkonstruktionen sind i.d.R. sehr schwer und großer Aufwand ist für das Schweißen, das Handling und den Korrosionsschutz (i.d.R. mehrlagige Beschichtung) erforderlich. V.a. bei längeren Brücken mit massiven Querkraftdefiziten können durchaus mehrere Hundert dieser Träger zum Einsatz kommen. Für diese Anwendung wurde ein modularer Fachwerkträger aus UHPC entwickelt. Dieser hat zwei identische, geneigte Druckstreben an der Außenseite und mittig horizontale Druck- und Zugstrebe. Letztere erlauben eine flexible Geometrie, da ihre Länge für jedes Projekt individuell variiert werden kann. Der Träger hat eine ausgezeichnete Ökobilanz und ist sehr wettbewerbsfähig hinsichtlich Gewicht, Preis und Dauerhaftigkeit. Er kann für verschiedene Stabspannverfahren zum Einsatz kommen, z.B. [4] und [5]. Er wurde bemessen nach EC2, [1], zusammen mit der DAfStb-Richtlinie für ultra-hochfesten Beton (Entwurf 2019, [2]) und darüber hinaus wurden Lasteinleitungsversuche nach EAD160004 (Richtlinie für die Prüfung von Spannverfahren, [3]).
kbr510273
5. Brückenkolloquium - September 2022 273 UHPC-Traverse für die Querkraftverstärkung von Brückenstegen Entwicklung und Einsatz eines Bauprodukts Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Hermann Weiher matrics engineering GmbH, München, Deutschland Zusammenfassung Für die Herstellung eines hochbelasteten Trägers, der als Traverse oder Brücke für hohe Kräfte dienen kann, wird ultrahochfester Beton (UHFB oder UHPC) verwendet. Eine typische Anwendung für diese Traverse ist die Verankerung und Lastweiterleitung der Ankerkräfte von externen Spanngliedern bei der Querkraftverstärkung von Brückenstegen. Üblicherweise kommen hier Doppel-U Träger zum Einsatz, die für jedes Bauwerk individuell abgelängt und mit angeschweißten Steifen und Blechen versehen werden. Diese Stahlkonstruktionen sind i.d.R. sehr schwer und großer Aufwand ist für das Schweißen, das Handling und den Korrosionsschutz (i.d.R. mehrlagige Beschichtung) erforderlich. V.a. bei längeren Brücken mit massiven Querkraftdefiziten können durchaus mehrere Hundert dieser Träger zum Einsatz kommen. Für diese Anwendung wurde ein modularer Fachwerkträger aus UHPC entwickelt. Dieser hat zwei identische, geneigte Druckstreben an der Außenseite und mittig horizontale Druck- und Zugstrebe. Letztere erlauben eine flexible Geometrie, da ihre Länge für jedes Projekt individuell variiert werden kann. Der Träger hat eine ausgezeichnete Ökobilanz und ist sehr wettbewerbsfähig hinsichtlich Gewicht, Preis und Dauerhaftigkeit. Er kann für verschiedene Stabspannverfahren zum Einsatz kommen, z.B. [4] und [5]. Er wurde bemessen nach EC2, [1], zusammen mit der DAfStb-Richtlinie für ultrahochfesten Beton (Entwurf 2019, [2]) und darüber hinaus wurden Lasteinleitungsversuche nach EAD160004 (Richtlinie für die Prüfung von Spannverfahren, [3]). 1. Konzept Es wurde ein Fachwerkträger konzipiert mit Spanngliedverankerungen an der Unterseite. Die Kraft wird über Muttern (und je nach Spannsystem ggf. zusätzlich eine Ankerplatte) in den Träger eingeleitet. Der unmittelbare Lasteinleitungsbereich ist basierend auf der ‚Hybridanker- Technologie‘ sehr kompakt ausgeführt - nach ETA, z.B. [4] oder [5]. Aufgesetzte Platten sind zu verwenden, sofern ein Neigungsausgleich (oftmals sind Brückenstege etwas geneigt) erforderlich ist. Hybridankerplatten können sehr einfach geneigt hergestellt werden. Die Vorspannkraft wird vom Ankerbereich entlang der diagonalen Druckstreben zum Kontaktbereich zwischen Träger und Brückensteg geleitet. Um Abplatzungen zu vermeiden sollte ein gewisser Abstand zum Rand eingehalten werden. Die horizontale Lastkomponente der Diagonalstrebe wird an der Oberseite von einer horizontalen Druckstrebe übernommen. Auch über Reibung Beton-Mörtel-Beton an den Kontaktstellen kann ein nennenswerter Anteil übertragen werden. An der Unterseite ist eine horizontale Zugstrebe angeordnet. Darin werden hochfeste Gewindestäbe mit einer Streckgrenze von 670 N/ mm² angeordnet, die außerhalb der Spanngliedverankerungen mechanisch verankert werden. Der stahlfaserbewehrte ultrahochfeste Beton hat eine Druckfestigkeit von ca. 175 MPa und ist sehr gut geeignet für die Ausbildung der Druckstreben. Zusätzlich werden Betonstahlbügel in den Lasteinleitungsbereichen zur Aufnahme von Spaltzugkräften eingesetzt. 274 5. Brückenkolloquium - September 2022 UHPC-Traverse für die Querkraftverstärkung von Brückenstegen Abbildung 1: Einsatzbeispiel UHPC-Traverse Abbildung 2: UHPC-Traverse Abbildung 3: Einbausequenz Abbildung 4: Fachwerkmodell 2. Bemessung Die Schnittgrößen der Druck- und Zugstreben können sehr einfach ermittelt werden (siehe Abbildung 4). Die Bemessungslast der Spannstäbe im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) werden als Maximum aus 135% x F pm0 (mit F pm0 als Vorspannkraft nach Absetzen der Mutter zum Zeitpunkt 0) und Pressenspannkraft vor dem Absetzen der Mutter. Das Vorspannen der Stäbe muss simultan mit einer gleich großen Last erfolgen. Die Spannstäbe können auch geneigt sein, was zu einer höheren Zugkraft in der Druckstrebe führt. Im Folgenden werden aber nur vertikale Stäbe betrachtet. Im GZT dürfen die Spannungen in den Druckstreben den Bemessungswert der einaxialen Druckfestigkeit des Be- 5. Brückenkolloquium - September 2022 275 UHPC-Traverse für die Querkraftverstärkung von Brückenstegen tons f cd nicht überschreiten. Für die Zugstreben wirken zwei Bewehrungsstäbe (Spannung < f sd = f sy / γ s mit γ s =1,15) und die Zugfestigkeit des faserbewehrten ultrahochfesten Betons zusammen. Der Nachweis der direkten Lasteinleitungszone (Abmessungen, Spaltzugbewehrung etc.) kann entweder durch Bemessung (insbesondere wenn externe Ankerplatten eingesetzt werden) oder experimentell durch Lasteinleitungsversuche nach EAD160004, [3]. Diese Richtlinie definiert dabei eindeutig Prüflasten (mit einigen Druckschwellzyklen) und erforderliche Widerstände sowohl für die Gebrauchstauglichkeit (z.B. Rissbreite) als auch Tragfähigkeit (Mindestbruchlast für Verankerungen mit Spaltzugbewehrung: 110 % x F pk (mit F pk als Nennbruchlast des Spannstahl). Die experimentelle Prüfung ist ebenso geeignet, das einfache Fachwerkmodell zu bestätigen, insbesondere, da das Fachwerk durch die biegesteifen Knoten kein ideales Fachwerk ist. Ebenso kann die Variation der Länge der horizontalen Druck/ -Zugstreben zu leicht unterschiedlichem Verformungsverhalten führen. Die Versuche sollen innerhalb gewisser Toleranzen zeigen, dass diese Ungenauigkeiten in der Modellbildung kompensiert werden können. Als Bauprodukt liegt eine immer gleiche Geometrie mit sehr kleinen Toleranzen und durch werkseigene Produktionskontrolle überwachte, gleichförmige Materialeigenschaften vor, so dass die experimentellen Untersuchungen jederzeit auch reproduzierbar sind. Für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZT) kann die Ankerkraft zum jeweiligen Zeitpunkt angesetzt werden 100 % x F pmt . Grundsätzlich müssen die zulässigen Spannungen in Beton (Druck) und Bewehrung (Zug) eingehalten werden. Aufgrund der geringen Gesamtabmessungen und der niedrigen Kriechbeiwerte (insbesondere bei Wärmebehandlung) für ultrahochfesten Beton kann der Einfluss von Kriechen vernachlässigt werden. Für die Dauerhaftigkeit des Bauteils sind die Rissbreiten relevant. Dabei könnte man der Richtlinie des DAfStb folgen. Dort wird für die Exposition mit Chloriden (XD) eine rechnerische Rissbreite von maximal w max = 0,05 mm gefordert (die Wirkung der Fasern darf dabei angesetzt werden) - dies erscheint angesichts des extrem dichten Gefüges des UHPC selbst bei einer Betondeckung von 25 mm sehr konservativ, ist aber ggf. mit erwarteten Lebensdauern von 100 Jahren zu erklären. Für kürzere Lebensdauern könnten etwas größere Rissbreiten toleriert werden, z.B. w max = 0,10 mm für maximal 50 Jahre oder w max = 0,15 mm für maximal 20 Jahre. Folgt man dem Prinzip der Richtlinie EAD160004 - so ist dort eine maximale Rissbreite nach 10 Zyklen bis 80% der Nennbruchlast F pk (bzw. ca. 15 % über dem Gebrauchstauglichkeitsniveau) von w max = 0,25 mm einzuhalten bei einer Betondeckung im Prüfkörper von 10 mm. Für Stahlbetonbauteile aus Normalbeton mit werksseitig vollständig geschützten Spanngliedern (z.B. PE Hüllrohr) wird im Rahmen der Bemessung eine maximale rechnerische Rissbreite von w max = 0,30 mm gefordert. Die Traverse weist eine deutlich dichtere und damit wirksamere Betondeckung auf auch wenn sie mit nominal 30 mm (für Fertigteile aufgrund eines geringeren Vorhaltemaßes auf 25 mm reduzierbar) für chloridbeanspruchte Bauteile etwas geringer ist als die Deckung von Normalbeton bei Brücken. Für die UHPC-Traverse wird im Bereich der Zugstrebe rechnerisch eine Rissbreite von w max = 0,10 mm nachgewiesen. Für den Fall extremer Exposition oder sehr hoher Lebensdauer kann örtlich (Zugstrebe) ein Oberflächenschutzsystem aufgebracht werden. Damit ist eine ausgezeichnete Dauerhaftigkeit sichergestellt. 3. Versuche Zusätzlich zur Bemessung wurden die Traversen auch experimentell untersucht. Einerseits war das Ziel, die Bemessung zu bestätigen - andererseits sollten auch lokale Effekte geprüft werden, die durch die einfache Modellierung nicht abgedeckt werden (z. B. Spaltzug bei der Lasteinleitung oder biegesteife Knoten etc.). Für die Versuche wurde der Ablauf von Lasteinleitungsversuchen nach EAD160004 gewählt, [3]. 3.1 Prüfkörper Die experimentelle Prüfung wurde mit zwei verschiedenen Größen durchgeführt - nur die Länge der horizontalen Streben wurde dabei variiert. Abbildung 5 zeigt einen Prüfkörper (kurze Länge). Für die Herstellung wurde UHPC mit einer Festigkeit von ca. 175 MPa und Fasergehalt von 2 % (gerade Kurzfasern), Betonstahl B500B und Gewindestahl B670B. Es wurden Verankerungen für Spannstahlstäbe Durchmesser 32 mm und Nennbruchspannung i.H.v. 1050 N/ mm² gewählt. Die einbetonierte Verankerung aus Gusseisen für flache Muttern stellt die ungünstigste Verankerungsart dar und wurde bei den Prüfkörpern ausgeführt. Aufgesetzte Verankerungsplatten (z. B. für Kugelbundmuttern oder bei Neigung) stellen immer einen Zustand mit geringerer Belastung dar (Pressung und Spaltzug). 276 5. Brückenkolloquium - September 2022 UHPC-Traverse für die Querkraftverstärkung von Brückenstegen Abbildung 5: Prüfkörper nach dem Ausschalen 3.2 Versuchsaufbau Für die Druckschwellprüfung wird eine Druckprüfmaschine mit Kalottenlagerung eines Querhaupts benötigt. Bei gemeinsamer Prüfung von zwei Traversen kann die Last über die kurzen Seiten eingeleitet werden. Die maximale Größe der Prüflinge ist durch die Abmessung des Querhaupts limitiert, siehe Abbildung 6. 3.3 Versuchsablauf Es wurde der Versuchsablauf nach EAD160004 befolgt, [3]. Dabei wird die Last stufenweise auf 80% der Nennbruchlast F pk gesteigert (basierend auf Nennbruchspannung f pk = 1050 MPa, so dass die Versuche für Spannstahl St835/ 1030 als auch St950/ 1050 verwendet werden können). Danach folgen mindestens 10 Zyklen zwischen 80 % und 12 % x F pk . Nach den Zyklen wird die Last bis zum Bruch gesteigert, siehe Abbildung 7. Abbildung 6: Versuchsaufbau, Druckprüfmaschine an der TU Braunschweig Abbildung 7: Prüfablauf nach EAD160004 (Auszug, [3]) 5. Brückenkolloquium - September 2022 277 UHPC-Traverse für die Querkraftverstärkung von Brückenstegen 3.4 Messungen Folgende Messungen wurden durchgeführt (siehe Tabelle 1): Tabelle 1 - Messungen Messgröße Messgerät Toleranz Kraft Messdose 1 % Verformung Wegaufnehmer 0,1 mm Rissbreite Risslupe 0,01 mm Dehnung Wegaufnehmer 0,01 mm Abbildung 8: Rissbreitenmessung mit optischer Risslupe (hier dargestellt ein Riss der Breite 0,08 mm) 3.5 Ergebnisse Nach Durchführung der Zyklen erreichten alle vier Prüfkörper eine Bruchlast von mindestens 142% F pk > 110 % F pk . Das Versagen trat in den diagonalen Druckstreben infolge einer kombinierten Druck-/ Schubbeanspruchung auf. Sobald die horizontale Zugstrebe größere Dehnungen erleidet (plastische Dehnung der Bewehrung) wird mehr und mehr Schub über die Druckstrebe übertragen bis schließlich ein Versagen eintritt. Die erreichte Bruchlast aller Prüfgrößen war annähernd gleich - auch die Rissbreiten und Dehnungsverhalten waren vergleichbar. Der sehr hohe Wirkungsgrad erlaubt eine höhere Ausnutzung im GZT - z. B. durch Neigung der Stäbe nach außen oder durch Wahl größerer Stabdurchmesser. Für den GZG sind die höheren Kräfte jedoch nachzuweisen (Spannungen/ Rissbreiten). Mithilfe der eingesetzten Kurzfasern konnte die Rissbreite bis zur letzten Oberlast unter 0,13 mm verbleiben, was deutlich von der nach EAD-160004 geforderten zulässigen Rissbreite von 0,25 mm liegt. Zudem lag eine Betondeckung von 25 statt der im Versuch nur notwendigen 10 mm vor, was zu eher größeren Rissbreiten führt. Berücksichtigt man zudem die niedrigeren Lasten im GZG im Vergleich zu 80% F pk Oberlast, so kann auch experimentell eine Rissbreite von ≤ 0,10 mm gezeigt werden. Die Rissbreiten traten nur in der horizontalen Zugstrebe auf. Abbildung 9: Rissbreite in mm während eines Druckschwellversuchs mit Kriterien nach EAD160004 Abbildung 10: Bruchbild kurze Traverse Abbildung 11: Bruchbild Detail/ Auszug lange Traverse 278 5. Brückenkolloquium - September 2022 UHPC-Traverse für die Querkraftverstärkung von Brückenstegen 4. Pilotanwendung 2021 und 2022 wurde die Isarbrücke in Bad Tölz im Zuge der B472 ertüchtigt und instandgesetzt. Das Bauwerk ist eine längs- und quer vorgespannte Betonbrücke mit Plattenbalkenquerschnitt und wurde in den 1970er Jahren gebaut. Die Nachrechnung des Bauwerks für ein höheres Lastmodell offenbarte u.a. Schubwiderstandsdefizite insbesondere für den Zustand des Lageraustausches. Für die Verstärkung wurden die Stege mit Spanngliedpaaren des Typs BBV Macalloy 32 mm vertikal vorgespannt. Für die unten liegende Verankerung und Lastweiterleitung in die Längsträger der Brücke wurden erstmals die beschriebenen UHPC Traversen eingesetzt. Der Einbau der ca. 60 kg schweren Traversen erfolgte mit 2 Arbeitern - die Standardlösung mit Stahlträgern und Ankerplatten hätte ca. 180 kg gewogen, wofür zusätzliche Hebegräte erforderlich gewesen wären. Der Kontakt zum Längsträger wurde mit Unterstopfmörtel ausgebildet. Nach dem Aushärten des Mörtels wurden die Spannglieder simultan vorgespannt und verankert. Abbildung 12: Isarbrücke, Hauptprüfung nach DIN1076 Abbildung 13: Isarbrücke, Ertüchtigung mit Stabspanngliedern Typ BBV Abbildung 14: Isarbrücke, Querkraftverstärkung Abbildung 15: Isarbrücke, Traversen Abbildung 16: obere Verankerung der Stäbe in der Brückenplatte mit Festanker Typ BBV Abbildung 17: Einbringen des Unterstopfmörtels 5. Brückenkolloquium - September 2022 279 UHPC-Traverse für die Querkraftverstärkung von Brückenstegen 5. Ökobewertung Eine vereinfachte Betrachtung der CO 2 -Bilanz kann basierend auf folgenden Äquivalenten erfolgen: - Walzprofile und Bleche, z.B. S355: 1,5 kg CO 2 -Äquivalent je kg - Beton- und Gewindestahl (Elektroschrott): 0,35 kg CO 2 -Äquivalent je kg - Hochfeste Kurzstahlfasern 2,5 kg CO 2 - Äquivalent je kg - Ultrahochfester Beton 0,25 kg CO 2 -Äquivalent je kg - Gusseisen 1,5 kg CO 2 -Äquivalent je kg - Korrosionsschutz (Feuerverzinken oder Mehrlagiges Beschichten) 0,2 kg CO 2 - Äquivalent je kg exponierter Stahl Damit kann ein Vergleich der entwickelten Lösung mit der Standardlösung aus Stahlprofilen und -ankerplatten erfolgen. Die UHPC Traverse kann nahezu 90 % Einsparung CO 2 ermöglichen (siehe Abbildung 18). Dies ist zum einen auf die optimierte Form und damit einhergehend geringen Materialbedarf zurückzuführen - aber auch die Verwendung von ultrahochfestem Beton zum Ersatz von Stahl ist sehr vorteilhaft trotz dem verwendeten „Klimakiller“ Zement. Die in der UHPC Traverse verwendeten Stahlteile sind entweder sehr gering im Gewicht oder aber im Falle von Betonstahl, der aus Schrott im Elektroofen hergestellt wird, mit relativ günstigem CO 2 -Ausstoß. Je Traverse können mit vereinfachter Berechnung über 250 kg CO 2 - Äquivalent eingespart werden. Bei einem Projekt mit 400 Traversen landet man bei einer Einsparung von 100 Tonnen. Damit kann ein Pkw mit Verbrennungsmotor (z. B. Mercedes Benz C Klasse Diesel, 150 g/ kg) über 600.000 km fahren. Alternativ sind das etwa 80 Langstreckenflüge von Stuttgart nach New York in der Economy Klasse. Abbildung 18: CO 2 -Äquivalent bei UHPC Traverse 6. Fazit Mit ultrahochfestem Beton kann man sehr widerstandsfähige und dauerhafte Bauteile nachbilden. Die UHPC Traverse ist ein einfaches Bauteil, bei dem die Materialien entsprechend ihren besonders positiven Eigenschaften und zudem in einer relativ freien Form eingesetzt werden. Durch die variable Länge der horizontalen Streben und der Verwendung einer Standardgröße für die Stabspannglieder kann eine effiziente und wirtschaftliche Herstellung auch bei geringen Stückzahlen gelingen. Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit können zwar durch Bemessung nach Eurocode und DAfStb Richtlinie für UHFB gezeigt werden aufgrund des hohen Standardisierungsgrades und der Herstellung als Fertigteil bietet sich allerdings eine versuchsgestützte Nachweisführung an. Dadurch lassen sich noch Reserven ausnutzen bzw. nachweisen. Besonders erfreulich ist auch die Ökobilanz des Bauteils insbesondere durch die stark reduzierte Nutzung von Stahl - ein reiner Vergleich der eingesetzten Materialien führt schon zu fast 90 % weniger CO 2 -Ausstoß. Beim Primärenergieverbrauch ist der Vorteil ähnlich groß. Literatur [1] EN 1992-1/ 2: Eurocode 2: Design of concrete structures, 2011 [2] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Richtlinie für UHFB (Entwurf), Stand 2019 [3] EOTA: EAD160004-00-0301: Post-tensioning kits for prestressing of structures, Brussels, 2016 [4] OIB: ETA-16/ 0726 matrics 1030 pt bar tendon system, nominal diameter 32 to 50 mm, 2016 [5] OIB: ETA-13/ 0463 Post-tensioning bar tendon system with hybrid anchor plate, nominal bar diameter 17.4 to 47 mm, 2013/ 2018
