Brückenkolloquium
kbr
2510-7895
expert verlag Tübingen
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2022
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Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten
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Christian Dommes
Viviane Adam
Josef Hegger
Der Großteil der bestehenden Brücken in Deutschland wurde vor der Einführung des Eurocode 2 gebaut. Eine Nachrechnung dieser Brücken mit dem EC2 ergibt ein deutliches Defizit an vorhandener Querkraftbewehrung. Auch mit einer Reihe von Modifikationen, die in den früheren Normengenerationen üblich waren, kann eine ausreichende Schubtragfähigkeit rechnerisch nicht nachgewiesen werden. Daher besteht das Ziel eines von der BASt finanzierten Forschungsvorhabens darin, die Schubtragfähigkeit bestehender Spannbetonbrücken mit verfeinerten Bemessungsmodellen nachzuweisen, die zusätzliche Tragfähigkeitsreserven durch die günstigen Einflüsse aus dem statischen System, der Vorspannung und der Art der Belastung berücksichtigen. Zudem wird die Schubtragfähigkeit von Bauwerken mit niedrigen Schubbewehrungsgraden wesentlich durch den Betonbeitrag bestimmt, der von der Querschnittsform und dem Grad der Vorspannung abhängt. Zur Untersuchung der vorhandenen Traglastreserven werden daher acht großformatige vorgespannte Spannbetonkörper (16,5 m lange Durchlaufträger mit gleichmäßig verteilten Lasten und variierenden Schubschlankheiten) mit geringen Querkraftbewehrungsgraden und unterschiedlichen Querschnittsformen in jeweils zwei Teilversuchen untersucht.
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5. Brückenkolloquium - September 2022 467 Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten Christian Dommes M. Sc. Institut für Massivbau (IMB), RWTH Aachen University Dr.-Ing. Viviane Adam Institut für Massivbau (IMB), RWTH Aachen University Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger Institut für Massivbau (IMB), RWTH Aachen University Zusammenfassung Der Großteil der bestehenden Brücken in Deutschland wurde vor der Einführung des Eurocode 2 gebaut. Eine Nachrechnung dieser Brücken mit dem EC2 ergibt ein deutliches Defizit an vorhandener Querkraftbewehrung. Auch mit einer Reihe von Modifikationen, die in den früheren Normengenerationen üblich waren, kann eine ausreichende Schubtragfähigkeit rechnerisch nicht nachgewiesen werden. Daher besteht das Ziel eines von der BASt finanzierten Forschungsvorhabens darin, die Schubtragfähigkeit bestehender Spannbetonbrücken mit verfeinerten Bemessungsmodellen nachzuweisen, die zusätzliche Tragfähigkeitsreserven durch die günstigen Einflüsse aus dem statischen System, der Vorspannung und der Art der Belastung berücksichtigen. Zudem wird die Schubtragfähigkeit von Bauwerken mit niedrigen Schubbewehrungsgraden wesentlich durch den Betonbeitrag bestimmt, der von der Querschnittsform und dem Grad der Vorspannung abhängt. Zur Untersuchung der vorhandenen Traglastreserven werden daher acht großformatige vorgespannte Spannbetonkörper (16,5-m lange Durchlaufträger mit gleichmäßig verteilten Lasten und variierenden Schubschlankheiten) mit geringen Querkraftbewehrungsgraden und unterschiedlichen Querschnittsformen in jeweils zwei Teilversuchen untersucht. 1. Motivation und Problemstellung Die Anforderungen an die Infrastruktur der Straßen werden aufgrund des stets steigenden Güterverkehrs zunehmend höher [1; 2]. Während viele ältere Brücken in einem allgemein schlechten Zustand sind [3], verschärfen Änderungen in den Normen zu Lastannahmen und strengeren Anforderungen an das Sicherheitsniveau sowie robustere Ansätze für die Bauteilwiderstände die Situation. Dadurch ergeben sich häufig Defizite in der rechnerischen Querkraft- und Torsionstragfähigkeit vieler älterer Bestandsbrücken [2; 4]. Zur zutreffenden Bewertung der Tragfähigkeit von Brücken im Bestand ist die Frage nach einer möglichst realistischen Berechnung der Reserven der Bauteilwiderstände immer wichtiger geworden [5]. Insbesondere deswegen ist eine der ältesten Fragen der forschenden Ingenieure nach der Querkrafttragfähigkeit von Betonbauteilen (z. B. [6-10]) seit einigen Jahren wieder hoch aktuell. Durch die Umstellung von [11] auf [12] bzw. [13; 14] ergeben sich sowohl bei Querkraft, als auch Torsion bei Brückennachrechnungen die bekannten Defizite hinsichtlich der Bügel- und Torsionslängsbewehrung [15]. Da ein Großteil der für die Herleitung und Kalibrierung der Querkraftbemessungsansätze zugrunde gelegten Versuche an Einfeldträgern mit Einzellasten durchgeführt wurde [16], ergeben sich in realen Tragstrukturen oftmals erhebliche rechnerisch ungenutzte Tragfähigkeitsreserven. In experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass Mehrfeldträger mit Streckenlasten größere Querkräfte abtragen konnten. Die Interaktion von Biegemoment und Querkraft ist hierdurch nicht hinreichend abgedeckt und bedarf der weiteren Erforschung. Außerdem existieren nur sehr wenige Versuche an vorgespannten Durchlaufträgern mit geringen Querkraftbewehrungsgraden, wie es bei älteren Brücken häufig der Fall ist [17]. Durch die am IMB der RWTH geplanten theoretischen und experimentellen Untersuchungen soll das Querkrafttragverhalten von Spannbetondurchlaufträgern mit kleinen Querkraftbewehrungsgraden vertiefter betrachtet werden, um Ergebnisse zu erhalten, die möglichst direkt in die Praxis übertragbar sind. Das Ziel ist die Verbesserung der Beurteilung der Querkrafttragfähigkeit älterer Spannbetonbrücken durch genauere Nachweisverfahren, die eine zutreffendere Quantifizierung bislang rechnerisch ungenutzter Tragfähigkeitsreserven erlauben. Dabei sollen insgesamt die Kenntnislücken in Hinblick auf die Einflüsse aus Biege- und Schubschlankheit sowie dem Einfluss der Lagerungs- und Belastungsart adressiert werden. 468 5. Brückenkolloquium - September 2022 Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten 2. Experimentelle Untersuchungen 2.1 Versuchskonzipierung Insgesamt sind im Versuchsprogramm der RWTH Aachen acht Spannbetonträger mit je zwei Teilversuchen (TV) zur Untersuchung des Querkrafttragverhaltens geplant. Die wesentlichen Variationsgrößen sind die Querschnittsform, der Bügelbewehrungsgrad, der Einspanngrad am Auflager, die Schubschlankheit und die Belastungsart. Während die Querschnittsformen (Abb.-1) genauso ausgebildet werden sollen wie bei den Versuchen in FE 15.0591 [18], wird das Längssystem abweichend ausgeführt. Abb.-1: Darstellung der für die Spannbetonträger geplanten Querschnitte für die Versuche an der RWTH (Querschnitte entsprechend FE 15.0591 [18]) Zur Vergrößerung der Trägerschlankheit wird nur ein Feld vollständig abgebildet. Das zweite Feld wird mithilfe eines über ein Auflager hinausragenden Kragarms dargestellt, der durch einen separat steuerbaren Zylinder belastet wird. So können systematisch verschiedene im Nachbarfeld auftretende Situationen simuliert werden. Einfeldträger mit zusätzlich belasteten Kragarmen wurden bereits in anderen Versuchsprogrammen zielführend eingesetzt, bei denen Spannbetondurchlaufträger im Fokus der Untersuchungen standen (z. B. [19-23]) und auch bereits im Zuge anderer Forschungsvorhaben am IMB der RWTH Aachen umgesetzt (z. B. [24; 25]). Aufgrund des kürzeren zweiten Feldes kann die Spannweite des Feldes, das bei der Versuchsdurchführung betrachtet wird, entsprechend länger ausgeführt werden. Der erste Teilversuch wird an jedem der acht Träger am Innenauflager durchgeführt (siehe Abb.-2). Dazu wird der Kragarm im Achsabstand von 2,5-m vom Auflager durch eine Einzellast belastet. Im 13-m langen Feld, in dem der Untersuchungsbereich liegt, erfolgt gleichzeitig eine weitere Beanspruchung; je nach Konstellation durch eine weitere Einzellast, die in der Nähe des Innenauflagers angreift, oder durch eine Gleichlast, die durch mehrere, nah beieinander wirkende Einzellasten realisiert wird. Die Lasten im Feld und am Kragarm sollen während des Versuchs simultan gesteigert werden. Dazu wird ein Verhältnis zwischen den beiden Belastungen festgelegt, das sich entsprechend der Beanspruchungskonstellation und dem gewünschten Einspanngrad ändert, während eines Versuchs jedoch konstant bleibt. Abb.-2: Darstellung des Versuchsstandes mit Linienlast mit Kennzeichnung der Teilversuche und Bei allen Versuchen erfolgt die Lagerung unterhalb des Trägers, während die Belastung von oben aufgebracht wird. Dazu werden Zugstangen im Hallenboden verankert, die links und rechts des Trägers vertikal vorbeigeführt und oberhalb des Versuchskörpers mit Traversen verbunden werden. Durch einen Zusammenschluss aller Zylinder in einem Hydraulikkreislauf wird sichergestellt, dass die Belastung trotz unterschiedlicher Durchbiegung (und Zylinderwege) entlang des Trägers in jeder Lastachse stets gleich gehalten wird. Im zweiten TV soll der Bereich in der Nähe des Randauflagers im Fokus der Untersuchungen stehen. Dazu wird das zuvor als Innenauflager fungierende Auflager weiter ins Feld geschoben. Dadurch erfolgt zwar eine Verringerung der Schlankheit. Gleichzeitig wird jedoch der infolge des ersten TV querkraftgeschädigte Trägerbereich über das Auflager hinausgeführt, sodass er den zweiten TV nicht beeinflusst. Aufgrund der geringen Biege- und Querkraftbeanspruchung am Randauflager während des ersten TV, kann davon ausgegangen werden, dass der Prüf bereich am Randauflager bis zum zweiten TV weitestgehend ungerissen bleibt, wie es auch bei vergleichbaren Versuchen der Fall war, vgl. z. B.- [23]. Die Ergebnisse der zweiten TV im Vergleich mit denen der ersten TV ermöglicht eine Gegenüberstellung des Querkrafttragverhaltens von Ein- und Mehrfeldträgern und könnte eine differenzierte Bewertung der üblichen Querkraftversuche an Einfeldträgern (Vgl.- [26]) hinsichtlich der Übertragbarkeit auf reale Brücken zulassen. 5. Brückenkolloquium - September 2022 469 Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten Abb.-3: Momentenverlauf in TV1 (oben) und TV2 (unten) infolge Gleichlast-q In Tab. 1 sind die Parameterkombinationen je Versuch dargestellt. Der Schwerpunkt der Betrachtungen der ersten TV am Innenauflager (Schubfeld beinhaltet Bereiche mit positivem und negativem Moment, M + und M - , siehe Abb. 3 oben) ist die Schubschlankheit l, während der Fokus bei den zweiten TV (Schubfeld nur im Feldmomentenbereich M + , Abb. 3 unten) auf dem Einfluss des Querkraftbewehrungsgrads r w liegt. Eine Variation des Querkraftbewehrungsgrades erfolgt lediglich über die Veränderung des Bügeldurchmessers, während die Achsabstände der Bügel nicht verändert werden. Weiterhin werden der Querschnitt und die Belastungsart variiert, da hier bei einer verteilten Belastung und gleichbleibender Stützweite ansonsten keine Variation der Schubschlankheit möglich ist. Abb.-4: Träger 3 TV1 im Versuchsstand (oben) und maßgebender Schubriss (unten) 2.2 Messtechnik Zur kontinuierlichen Erfassung des Trag- und Verformungsverhaltens der Versuchskörper während der Belastung kommt verschiedene Messtechnik zum Einsatz. Mithilfe von Dehnungsmesstreifen (DMS, für Beton und Stahl) und induktiven Wegaufnehmern (IWA) können stellenweise genaue Messwerte infolge von Dehnungen und Verformungen infolge Betonstauchung, Rissbildung oder Durchbiegung erfasst werden. Dazu werden DMS auf den Bügeln und der Biegezugbewehrung und Beton- DMS auf den Außenflächen aufgebracht. Hinzu kommen einzelne IWA zur Aufzeichnung der Durchbiegung an ausgewählten Stellen. Der Einsatz eines optischen Messsystems zur Digitalen Bildkorrelation ermöglicht eine flächige Aufnahme im Bereich der Schubfelder, welche die tiefergehende Bewertung des Bauteilverhaltens im versagensmaßgebenden Bereich und eine detaillierte Auswertung in Hinblick auf die Schubrissbildung sowie die Interaktion von Fachwerk- und Betontraganteil erlaubt. Tab.-1: Versuchsmatrix Versuchskörper Querschnitt Lastart* Schubschlankheit (1.TV) [27] ρ w,vorh / ρ w,mi (1.TV) [14] ρ w,vorh / ρ w,min (2.TV) [14] Vorspanngrad s cp 1 q 4,4 0,5 (Ø6/ 25) 0,5 (Ø6/ 25) 2,5 2 F 3,5 0,5 (Ø6/ 25) 0,5 (Ø6/ 25) 2,5 3 q 4,2 0,5 (Ø6/ 25) 0,5 (Ø6/ 25) 2,5 4 F 3,4 0,5 (Ø6/ 25) 0,5 (Ø6/ 25) 2,5 5 q 3,4 0,5 (Ø6/ 25) 1,0 (Ø8/ 25) 2,5 6 q 3,6 0,5 (Ø6/ 25) 2,0 (Ø12/ 25) 2,5 7 q 3,4 0,5 (Ø6/ 25) 0,5 (Ø6/ 25) 1 8 q 3,9 0,5 (Ø6/ 25) 1,5 (Ø10/ 25) 2,5 * q: Gleichlast, F: Einzellast 2.3 Beton, Bewehrung und Spannstahl Zur Herstellung aller Träger wird C30/ 37 verwendet, was einem üblichen Wert bei Bestandsbrücken entspricht. Sowohl Biegezugals auch Bügelbewehrung werden mit einem B500B ausgebildet. Die Längsbewehrung wird stoßfrei über die komplette Länge des Trägers mit einem Durchmesser- Ø von 25- mm ausgebildet und wird von Bügeln umschlossen, die über die gesamte Querschnittshöhe reichen. Bei den Trägern mit I-Profil sind zusätzlich horizontale Bügel in den Flanschen eingesetzt. Der 470 5. Brückenkolloquium - September 2022 Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten Kragarm in TV1 sowie das nicht betrachtete Auflager in TV2 werden zur Vermeidung eines Querkraftversagens mit einer dichteren Bügelbewehrung ausgebildet. Im Endbereich der Spannkrafteinleitung ist eine verdichtete Bewehrung zur Aufnahme der Spaltzugkräfte ausgebildet. In den Schubfeldern in den Testbereichen werden die in Tab.-1 angegebene Schubbewehrungen eingebaut. Die Bügelbewehrung und der Spanngliedverlauf sind in Abb.-5 dargestellt. Die nachträgliche Vorspannung wird über zwei Spannglieder mit je drei Litzen der Festigkeitsklasse St-1570/ 1770 realisiert. In Abb.-4 ist Träger 3 nach Bildung des kritischen Schubrisses in TV1 abgebildet. Abb.-5: Anordnung der Bügelbewehrung (oben) und Spanngliedverlauf (unten) Abb.-6: Einfluss der Rissreibung auf den Druckstrebenwinkel bei einem querkraftbewehrten Stahlbetonbalken nach [28]: a) Darstellung der Kräfte an entlang des Schubrisses abgetrennten Träger; b)-d): Spannungszustände im Beton und zwischen den Rissen 2.4 Auswertungskonzept Im Folgenden wird das Konzept für die Auswertung der Versuche dargelegt und danach die Ergebnisse der Träger 1 bis 4 (Tab.-1) vorgestellt. Unter anderem werden Querkraft-Verformungsdiagramme erstellt und ausgewertet. Aus der aufgebrachten Pressenlast wird für alle Teilversuche die Querkraft im Abstand-d vom Auflagerrand berechnet. Die resultierenden experimentellen Querkraftbeanspruchungen sind in Tab.-2 dargestellt. Die Verformung des Versuchskörpers und der Auflager wird mithilfe von induktiven Wegaufnehmern dokumentiert. Die Positionen der unterschiedlichen Wegaufnehmer sind Abb.-7 zu entnehmen. Abb.-7: Positionen der IWA zur Dokumentation der Durchbiegungen, Bemaßung in mm Die Verformung des Versuchskörpers wird im Folgenden um die Auflagerstauchung bereinigt dargestellt. Diese Verformung wird nachfolgend Durchbiegung genannt. Die Querkraft wird in kN auf der y-Achse aufgetragen. Die Durchbiegung wird in mm auf der x-Achse in abgebildet. Für den Vergleich des Trag- und Verformungsverhaltens der Versuche werden die Ergebnisse der gleichen Wegaufnehmer Position dargestellt, wobei der Wegaufnehmer mit der maximalen Verformung präferiert wird. In der Legende wird in Abhängigkeit der dargestellten Versuche die Trägerbezeichnung, gefolgt von den Versuchsmerkmalen der Belastungsart (Einzellast: F, Linienlast: q), der Querschnittsform (Rechteck: R-QS, I-Profil: I-QS), des Einspanngrades in %, der Querkraftbewehrung (ØX/ 25) und des statischen Systems (DLT, EFT) wiedergegeben. Zugunsten der Übersichtlichkeit wird der erste Teilversuch als DLT abgekürzt, obwohl es sich dabei um einen EFT mit Kragarm handelt. Des Weiteren wird die Bezeichnung Träger X nachfolgend mit „TX“ ab- 5. Brückenkolloquium - September 2022 471 Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten gekürzt. Die Querkraft-Durchbiegungskurve ist bis zum Maximalwert der Belastung dargestellt. Tab.-2: Ergebnisse der exp. Untersuchung Versuchskörper Querschnitt Lastart* V max (TV1) [kN] x crit (TV1) V max (TV2) [kN] x crit (TV2) 1 q 460 d 579 0,7d 2 F 393 1,7d 418 1,3d 3 q 753 1,6d 808 1,2d 4 q 501 2,5d 549 1,8d 2.4.1 Einfluss der Querschnittsgeometrie Um den Einfluss der Querschnittsgeometrie zu untersuchen, werden im Folgenden die Querkraft-Durchbiegungsdiagramme der Träger 1 und 3 (Gleichstreckenlast) sowie der Träger 2 und 4 (Einzellast) jeweils für beide Teilversuche untersucht (siehe Abb.-8). Die ersten Teilversuche (EFT mit Kragarm) sind mit durchgezogenen Linien dargestellt, die zweiten Teilversuche (EFT) gestrichelt. Die Farbe der Linien kennzeichnet um welchen Träger es sich handelt. Die o.g. Träger unterscheiden sich ausschließlich durch die Querschnittsform, sodass deren Einfluss auf die Querkrafttragfähigkeit isoliert betrachtet werden kann. Die Querkrafttragfähigkeit der als I-Profil ausgeführten Träger 3 und 4 ist höher als die der korrespondierenden Rechteckträger. Zudem verhalten sich die I-Profile steifer als die Rechteckprofile. Die Tragfähigkeiten der ersten und zweiten Teilversuche können aufgrund der unterschiedlichen Schubschlankheiten nicht direkt miteinander verglichen werden. Des Weiteren wird aufgrund der Asymmetrie des Trägers im TV1 der breitere Flansch auf Zug belastet, während im TV2 der schmalere Flansch eine Zugbelastung erfährt. Die Lage des kritischen Schubrisses x crit (Tab.-2) entfernt sich für die profilierten Querschnitte weiter vom Auflagerrand als für die Rechteckprofile. Dieser Einfluss ist sowohl in TV1 als auch in TV2 erkennbar. Während sich der maßgebende Schubriss für das Rechteckprofil durchschnittlich im Abstand 1,1d zur Auflagerachse ausbildet, liegt dieser für die Träger mit profiliertem Querschnitt im Abstand 1,8d. Der Zuwachs der maximalen Querkrafttragfähigkeit im Abstand-d vom Auflagerrand in Abhängigkeit der Querschnittsform ist mit 63 % für die Kombination aus Gleichstreckenlast und DLT am größten. Für Gleichstreckenlast und EFT beträgt der Querkrafttragfähigkeitszuwachs 40 %. Unter der Einzellast fallen die Zuwächse geringer aus: Für den ersten Teilversuch (DLT) beträgt dieser 28 % und für den zweiten Teilversuch (EFT) beträgt er 32 %. Der gemittelte Querkrafttragfähigkeitszuwachs durch die Wahl eines gegliederten Querschnitts beträgt 40 %. 472 5. Brückenkolloquium - September 2022 Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten a) Träger 2 (R-QS) und 4 (I-QS) mit Einzellast-F b) Träger 1 (R-QS) und 3 (I-QS) mit Linienlast q Abb.-8: Vergleich der experimentellen Querkrafttragfähigkeit in Abhängigkeit der Querschnittsgeometrie a) Träger 1 (q) und 2 (F) mit R-Profil b) Träger 3 (q) und 4 (F) mit I-Profil Abb. 9: Vergleich der experimentellen Querkrafttragfähigkeit in Abhängigkeit der Querschnittsgeometrie 2.4.2 Einfluss der Lastart In der Versuchsreihe wird zwischen Belastung mit Einzellast und Gleichstreckenlast unterschieden. Um den Einfluss der Belastungsart zu untersuchen, werden im Folgenden die Träger 1 und 2 und die Träger 3 und 4 miteinander verglichen. Die erstgenannten sind als Rechteckquerschnitt ausgebildet und die Träger 3 und 4 als profilierte Querschnitte. Die Teilversuche 1 und 2 werden separat ausgewertet. Im ersten Teilversuch weicht die Schubschlankheit der Träger 2 und 4 um 20 % von Träger 1 und 3 ab, sodass der Einfluss der Belastungsart noch nicht vollständig isoliert betrachtet werden kann. Mit Beendigung der experimentellen Untersuchungen ist eine vertiefte Analyse möglich. Der Vergleich der schwarzen und blauen Linien zeigt, dass die Querkraftbelastung infolge der Gleichstreckenlast in Auflagernähe größer ist als infolge der Einzellast. Für die Einzellast ist die Querkraftbelastung im experimentell untersuchten Schubfeld konstant, während sie für die Gleichstreckenlast Richtung Feldmitte betragsmäßig abnimmt. Die Gleichstreckenlast hat einen positiven Einfluss auf die Querkrafttragfähigkeit. Dies ist u. a. darauf zurückzuführen, dass die Belastung der äußersten Zylinder über den Tragmechanismus einer direkten Druckstrebe ins Auflager abgetragen werden kann. Ein Teil der Belastung muss folglich nicht über den Schubriss abgetragen werden. Die Versuche mit Einzellast verhalten sich für beide statische Systeme zunächst steifer als die Versuche unter Gleichstreckenlast. Nach dem Übergang in Zustand II verlaufen die Verformungskurven nahezu parallel. Die Versuche mit Gleichstreckenlast weisen größere Durchbiegungen im Versagenszustand auf als die Einzellastversuche. Die Entfernung des maßgebenden Risses zum Auflager-x crit fällt unter Einzellast größer aus als unter Gleichstreckenlast. Der Tragfähigkeitszuwachs fällt für die Kombination aus profiliertem Querschnitt und EFT mit 53 % am größten aus. Auch für das DLT-System der profilierten Querschnitte werden 50 % Zuwachs erreicht. Für den Rechteckträger fallen die Zuwächse für den DLT mit 18 % und 44 % für den EFT geringer aus. Der Einfluss der Belastungsart ist demnach für die EFT stärker als für die DLT und für den profilierten Querschnitt signifikanter als für den Rechteckquerschnitt. 3. Analytische Querkrafttragfähigkeit 3.1 Querkraftbemessung nach aktueller Norm Die derzeitige Querkraftbemessung von Stahl- oder Spannbetonbauteilen unterscheidet zwischen drei Nachweisen: dem Nachweis für Bauteile ohne Querkraftbewehrung sowie den Nachweis der Querkraftbewehrung 5. Brückenkolloquium - September 2022 473 Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten und Druckstrebentragfähigkeit. Nach aktuellem EC2-2 [13] erfolgt die Querkraftbemessung für Träger mit Querkraftbewehrung über ein Fachwerkmodell mit variabler Druckstrebenneigung-q [29]. Entsprechend der Plastizitätstheorie kann der Druckstrebenwinkel innerhalb fester Grenzen frei gewählt werden. Im Nationalen Anhang für Deutschland wird hingegen ein Fachwerkmodell mit Rissreibung verwendet [28], das entlang der Schubrisse Rissreibungskraft übertragen kann (Abb.-6). In EC2-2/ NA(D) [14] wird der Druckstrebenwinkel entsprechend [12] auf knapp 30° begrenzt. 3.2 Querkraftbemessung gemäß Nachrechnungsrichtlinie Mit Einführung der NRR [30] wurde für die Bewertung von Bestandsbrücken ein vierstufiges Nachweisverfahren eingeführt, das in Stufe-2 erweiterte Bemessungsansätze und in Stufe-4 alternative wissenschaftlich basierte Berechnungsverfahren zulässt. So sind u. a. Modifikationen in der Querkraft- und Torsionsbemessung erlaubt, die in alten Normengeneration festgeschrieben waren (DIN-4227 vor 2003). In einem Forschungsvorhaben [15; 31; 32] wurden u.a. aufgrund mangelnder einheitlicher Vorschriften kurzfristige Lösungen zur Modifikation bestehender Bemessungsansätze auf Grundlage bisher durchgeführter Forschungsvorhaben und gesammelter Erfahrungen im Zuge von Nachrechnungen und Gutachten zur Bewertung von Bestandsbrücken erarbeitet, um auch Modifikationen zuzulassen, die bis dahin nur Anwendung in Gutachten fanden. Die Ergebnisse waren die Grundlage für die erste Ergänzung der NRR [33]. Dadurch wurde auch wieder ermöglicht, die Betonzugfestigkeit bei der Bemessung in Ansatz zu bringen. 3.3 Querkraftbemessung der Versuche In Abb.-10 und Abb.-11 sind die Quotienten V Test / V calc für die Bemessungsansätze nach EC2-2/ NA(D) [13; 14] und nach der NRR inkl. der 1. Ergänzung [34] für die Träger 1 bis 4 dargestellt (Tab.-1). Hohe Werte für V Test / V calc bedeuten, dass die experimentelle Tragfähigkeit deutlich über der analytischen Tragfähigkeit liegt, d.h. die Tragfähigkeit dieser Versuchskörper wird durch die Bemessungsansätze besonders unterschätzt. Da die dargestellten Träger jeweils mit einem Querkraftbewehrungsgrad ρ w, vorh / ρ w,min -=-0,5 in den Testbereichen ausgebildet wurden, wird sowohl nach EC22/ NA(D) als auch nach der NRR der Querkrafttraganteil des Betons maßgebend, weil eine Tragwirkung aus dem Fachwerk für Querkraftbewehrungen unterhalb der Mindestquerkraftbewehrung nicht angesetzt werden darf. Da die Querkrafttragfähigkeiten auf dem Mittelwertniveau, also ohne Berücksichtigung der Teilsicherheitsbeiwerte der Werkstoffe, ermittelt wurden, ergeben sich nach EC2- 2/ NA(D) und NRR identische Querkrafttragfähigkeiten. Abb.-10: Vergleich der experimentellen und analytischen Tragfähigkeiten von TV1 Abb.-11: Vergleich der experimentellen und analytischen Tragfähigkeiten von TV2 Abb. 10 und Abb. 11 zeigen, dass die experimentellen Traglasten die analytischen Traglasten in allen Versuchen übersteigen. Besonders ausgeprägt ergibt sich diese Tendenz sowohl in TV1 als auch in TV2 für die gegliederten Querschnitte (IProfile) im Vergleich zu den Vollquerschnitten (R-Profile) und für Beanspruchungen aus Gleichlasten q anstelle von Einzellasten F. 4. Zusammenfassung und Ausblick Die Notwendigkeit eines brauchbaren Ansatzes zur Tragfähigkeitsbewertung älterer Spannbetonbrücken ist unumstritten und wird durch die aktuellen experimentellen Untersuchungen nochmals hervorgehoben. In FE- 15.0591/ 2012/ FRB [18] konnte bereits anhand von Versuchsergebnissen gezeigt werden, dass das erweiterte Fachwerkmodell mit additivem Betontraganteil, wie es bereits im Model Code 2010 [35] für Bestandstragwerke vorgesehen ist, die Querkrafttragfähigkeiten von Spannbetonträgern mit geringem Bügelbewehrungsgrad wirtschaftlicher abbilden kann als aktuelle Ansätze auf Basis eines reinen Fachwerkmodells [36]. Zur realistischen Bewertung älterer Brücken sind weiterhin Bemessungsmodelle erforderlich, die zusätzliche Tragfähigkeitsreserven durch die günstigen Einflüsse aus dem statischen System, der Vorspannung und der Art der Belastung berücksichtigen. Zudem sollte der positive Einfluss gegliederter Querschnitte auf den Querkrafttraganteil des Betons berücksichtigt werden. 474 5. Brückenkolloquium - September 2022 Experimentelle Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von großformatigen Spannbetonbindern unter gleichmäßig verteilten Lasten Literatur [1] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Strategie zur Ertüchtigung der Straßenbrücken im Bestand der Bundesfernstraßen. Berlin 22.05.2013. [2] Naumann, J.: Brücken und Schwerverkehr - Eine Bestandsaufnahme. Bauingenieur 85 (2010), S. 1-9. [3] Zilch, K., Weiher, H.: Untersuchung des Zustands der deutschen Spannbetonbrücken. In: Zilch, K. (Hg.): Tagungsband zum 10. Münchner Massivbau- Seminar. 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[34] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Abteilung Straßenbau: Richtlinie zur Nachrechnung von Straßenbrücken im Bestand. Nachrechnungsrichtlinie inkl. 1. Ergänzung. Bonn (2011 und 2015). [35] Fédération internationale du béton (fib): fib Model Code for Concrete Structures 2010. Berlin: Ernst & Sohn (2013). [36] Hegger, J., Beutel, R., Karakas, A.: Handlungsanweisung für die Berechnung und konstruktive Durchbildung schubkraftgefährdeter Bauwerke. Bericht des Instituts für Massivbau Nr. 193/ 2007. Aachen 2007.
