7. Brückenkolloquium - September 2026 369 VORB - Untersuchungen zur Optimierung der rissverteilenden Bewehrung in Verbundbrücken Bericht einer Monitoringmaßnahme an der Emscherbrücke Ost Felix Reuen, M. Sc. Bergische Universität Wuppertal, Lehr- und Forschungsgebiet Stahlbau und Verbundkonstruktionen Prof. Dr.-Ing. Bernd Naujoks Bergische Universität Wuppertal, Lehr- und Forschungsgebiet Stahlbau und Verbundkonstruktionen Zusammenfassung Der Bewehrungsgehalt in den Fahrbahnplatten von Verbundbrücken ist mit Einführung der Eurocodes kontinuierlich gestiegen und liegt heute häufig bei knapp 300 kg/ m³, was ein Nachhaltigkeitsproblem darstellt. Maßgebend für diese Bewehrungsmenge sind die Mindestbewehrung und die Rissbreitenbegrenzung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, die wesentlich auf die Schwinddehnungen des Betons zurückzuführen sind. Die Normen setzen dabei einen frei verformbaren Betonquerschnitt an und vernachlässigen die schwindbehindernde Wirkung von Bewehrung, Kopf bolzendübeln und Stahlobergurt, obwohl Untersuchungen eine Reduktion der Schwinddehnung um 30 bis 80 % belegen. Eine realitätsnähere Erfassung dieser Schwindbehinderung könnte die erforderliche Bewehrungsmenge deutlich verringern. Zur Überprüfung dieser These wird eine Monitoringmaßnahme durchgeführt, bei der die Betondehnungen mittels instrumentierter Bewehrungsstäbe und eines faseroptischen Messsystems erfasst werden. 1. Einführung Mit Einführung der Fachberichte und darauffolgend der Eurocodes ist der Bewehrungsgehalt in den Fahrbahnplatten von Verbundbrücken kontinuierlich gestiegen. Bei aktuellen Neubauprojekten liegt dieser häufig bei knapp 300kg/ m³ [1]. Daraus folgt für Verbundbrücken ein Wettbewerbsnachteil gegenüber Spannbetonbrücken. Darüber hinaus sind die Bewehrungsgehalte weder ressourcenschonend noch nachhaltig. Anforderungen an bewährte mechanische Ansätze zur Beschränkung der Rissbreiten wurden verschärft, ohne Berücksichtigung dieses immer wichtiger werdenden Aspektes. Die in der Fahrbahnplatte von Verbundbrücken erforderliche Bewehrung ergibt sich aus den Nachweisen im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) und im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG). Entgegen der intuitiven Vermutung, dass die die Bewehrungsmenge maßgeblich bestimmenden Anforderungen aus der Tragfähigkeit resultieren, sind hier die Anforderungen der Mindestbewehrung und des Nachweises der Rissbreitenbegrenzung im GZG maßgebend. 2. Rissbreitenbegrenzende Bewehrung in Verbundbrücken Die zur Rissbreitenbegrenzung benötigte Bewehrung in Verbundbrücken ergibt sich aus zwei Anforderungen. Dies sind zum einen Anforderungen an die Mindestbewehrung nach DIN EN 1994-2 7.4.2 [2] und zum anderen an den Nachweis der Rissbreitenbegrenzung im GZG nach DIN EN 1994-2 7.4.3. Für den Verbundbrückenbau in Deutschland ist die maximale Rissbreite auf w k = 0,2-mm in der häufigen Bemessungssituation begrenzt [8]. 2.1 Mindestbewehrung Um die Breite der entstehenden Erstrisse zu begrenzen, ist eine Mindestbewehrung vorzusehen. Die erforderliche Bewehrung ergibt sich hierbei aus der in dem Betonquerschnitt entstehenden Zugkraft und der zulässigen Stahlspannung. A s = k s · k c · k · f ct,eff · A ct / σ s Die zulässige Stahlspannung σ s der Bewehrung ist zur Wahrung der maximalen Rissbreite in Abhängigkeit des Bewehrungsdurchmessers abzumindern. Die Reduktionsterme k s , k c und k sollen die Nachgiebigkeit des Verbundes, die Spannungsverteilung innerhalb der Betonplatte sowie die vorhandenen Eigenspannungen in der Betonplatte berücksichtigen. In Abbildung 1 ist für verschiedene Betongurtdicken in Abhängigkeit des Abstandes der Schwereachsen z 0 die erforderliche Mindestbewehrung für einen C35/ 45 dargestellt. Die Betonstahlspannung wurde entsprechend Tabelle 1 durch den rechnerischen Grenzdurchmesser f = f * · f ct,eff / f c,0 begrenzt. Die Mindestbewehrung ist nach Norm [2] in allen Querschnittsteilen einzulegen, die infolge von Schwindbeanspruchungen und/ oder äußeren Einwirkungen Zugspannungen erfahren. Dies gilt somit sowohl für die Stützbereiche von Durchlaufträgern als auch für die Feldbereiche, die infolge der Schwinddehnungen des Betons auch Zugspannungen erfahren [3], [4]. Die Mindestbe- 370 7. Brückenkolloquium - September 2026 VORB - Untersuchungen zur Optimierung der rissverteilenden Bewehrung in Verbundbrücken wehrung ist somit in der Regel auf der gesamten Bauwerkslänge, unabhängig vom statischen System sowie den Spannungszuständen aus den weiteren Lasten, vorzusehen. Abb. 1: Mindestbewehrung für verschiedene Betongurtdicken Tab. 1: Zulässige Stahlspannungen in Abhängigkeit des Grenzdurchmessers und -abstandes [2] Stahlspannung σ s,grenz [N/ mm 2 ] Grenzdurchmesser f * [mm] Grenzabstand [mm] 160 25 200 200 16 150 240 12 100 280 8 50 2.2 Nachweis der Rissbreitenbegrenzung Zusätzlich zu der eingelegten Mindestbewehrung ist die in der Längsbewehrung auftretende Betonstahlspannung σ s infolge der häufigen Bemessungssituation im GZG auf einen vom Bewehrungsdurchmesser oder dem Stababstand abhängigen Grenzwert zu begrenzen. σ s setzt sich hierbei aus dem Anteil aus den äußeren Einwirkungen σ s,o und dem Anteil zur Berücksichtigung des Tension Stiffenings, also der Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen, Δσ s zusammen. Die Grenzspannung ergibt sich auch hier wieder für den Grenzdurchmesser f * nach Tabelle 1. σ s = σ s,o + Δσ s ≤ σ s,grenz Der zur Berücksichtigung des Tension Stiffenings von Hanswille [3] eingeführte Zusatzterm Δσ s kann für gängige Querschnittsabmessungen schnell 1/ 3 bis 1/ 2 der zulässigen Betonstahlspannung betragen [5]. 3. Schwinden 3.1 Grundlagen des Schwindens Unter dem Schwinden des Betons versteht man die lastunabhängige Volumenreduktion und damit einhergehende Verkleinerung beziehungsweise Verkürzung von Betonquerschnitten [6], [7]. Für die Volumenänderung ist während der Hydratation des Betons das Binden des Wassers im Zementgel, auch autogenes Schwinden genannt, verantwortlich. Beim anschließenden Trocknungsschwinden, bei dem es sich um einen sehr langsamen Diffusionsprozess handelt, verdunstet das chemisch nicht gebundene Wasser langsam und wird an die Umgebung abgegeben [8], [9]. Bis zum Erreichen des so genannten Endschwindmaßes, also dem rechnerischen Maximalwert, vergehen mehrere Jahre [9]. Die auftretenden Schwinddehnungen sowie die Geschwindigkeit der zeitlichen Entwicklung sind abhängig von der umgebenden Luftfeuchte, der Zementart sowie der wirksamen Bauteildicke h 0 = 2A c / u. In Abbildung 2 sind für ein Außenbauteil (RH = 80 %) in C35/ 45 die nach DIN EN 1992-1-1: 2025 [10] zu erwartenden Schwinddehnungen dargestellt. Abb. 2: Schwinddehnung für einen C35/ 45 gemäß dem aktuellen und kommenden Eurocode 2 3.2 Einfluss der Schwinddehnungen in Verbundbrücken Beim Gesamtquerschnittsverfahren wird der Einfluss des Schwindens wie auch des Kriechens über die Abminderungsfaktoren n L , welche abhängig von der Belastungsart und der Kriechzahl sind, durch eine E-Modul-Transformation des Betons berücksichtigt [4], [11], [12]. Die Schwindverkürzung des Betons verursacht sowohl Zugeigenspannungen im Beton selbst, als auch daraus resultierende Druckspannungen in der Betonstahlbewehrung [13]. Durch die Zugspannung in dem Beton (siehe A in Abbildung 3) steigt zwangsläufig auch die Rissanfälligkeit beziehungsweise die für das Entstehen des Erstrisses notwendige Risskraft in dem Betongurt nimmt ab [14]. Diese, auch als primäre Beanspruchung bezeichnete, Schwindnormalkraft verursacht infolge der Exzentrizität zum Schwerpunkt des Querschnittes noch eine zusätzliche Momentenbeanspruchung M Sh = N Sh · z ic,S , die auf den gesamten Querschnitt wirkt (vgl. B in Abbildung 3). In statisch unbestimmten Systemen verursacht diese sekundäre Beanspruchung Zwangsschnittgrößen, die wiederrum Spannungen am Gesamtquerschnitt erzeugen. Hingegen sind in statisch bestimmten Systemen ausschließlich die primären Beanspruchungen zu berücksichtigen, da sich hier keine Zwangsschnittgrößen einstellen können [4], [15]. 7. Brückenkolloquium - September 2026 371 VORB - Untersuchungen zur Optimierung der rissverteilenden Bewehrung in Verbundbrücken Abb. 3: Primäre und sekundäre Beanspruchung am Verbundquerschnitt [4] Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Mindestbewehrung in sämtlichen Querschnittsteilen vorzusehen, die Zugspannungen erfahren unabhängig davon, ob diese aus primären oder sekundären Zwangsbeanspruchungen oder äußeren Einwirkungen resultieren. Dies bedeutet, dass für sämtliche Brückenbauwerke, unabhängig vom statischen System, die Mindestbewehrung einzulegen ist. Nicht berücksichtigt werden hierbei die späteren Last- und Spannungszustände der Brücke. So ist offensichtlich, dass die infolge Schwindens auftretenden Zugspannungen in einem Einfeldträger infolge der weiteren Ausbaulasten (bspw. Fahrbahnbelag, Lärmschutzwand) und durch die auftretenden Verkehrslasten später bereichsweise überdrück und somit die Risse geschlossen werden. Bei Mehrfeldträgersystemen kann diese Aussage nicht pauschal getroffen werden. Infolge der Wechselwirkung zwischen den Feldern kann ein Auftreten von Zugspannungen in der Betonfahrbahnplatte, auch wenn hier die Ausbaulasten dem entgegenwirken, nicht ausgeschlossen werden. Je nach System kann man also sagen, dass die Mindestbewehrung im Wesentlichen auf die Schwinddehnungen des Betons zurückzuführen ist. Es ist jedoch zu hinterfragen, ob die normativ angesetzten Schwinddehnungen des Betons den in-situ auftretenden Dehnungen entsprechen. Hier könnte die Bewehrung wie auch die im Bereich der Hauptträger vorhandenen Kopf bolzendübel und der Stahlobergurt einen schwindreduzierenden Einfluss haben. Eine Reduktion der für die Berechnung anzusetzenden Schwinddehnung des Betons könnte die erforderliche Bewehrungsmenge in den Fahrbahnplatten von Verbundbrücken reduzieren. 4. Schwindbehinderung Die Berücksichtigung der im vorangegangenen Kapitel erläuterten Einflüsse des Schwindens auf Verbundbrücken erfolgt gemäß der Norm nicht unter Ansatz einer möglichen Schwindbehinderung infolge der Bewehrung innerhalb der Betonfahrbahnplatte oder der für den Verbund notwendigen Kopf bolzendübel. Es wird vielmehr von einem reinen, frei verformbaren Betonquerschnitt ausgegangen. Dies entspricht jedoch nicht dem wirklichen Materialverhalten der Verbundquerschnitte. Es konnte durch verschiedene Veröffentlichungen gezeigt werden, dass sowohl die Bewehrung als auch die Kopfbolzen einen Einfluss auf die Schwinddehnungen von Beton haben. 4.1 Einfluss der Stabstahlbewehrung Infolge des Verbundes zwischen dem Beton und der Stabstahlbewehrung kann der Beton nicht mehr frei schwinden, sondern ist verformungsbehindert. Die Schwindverkürzung des Betonträgers verursacht Druckspannungen in der Bewehrung und der Beton hält sich infolge der Verbundwirkung an dem Bewehrungsstab fest. Dieses Verhalten lässt sich mechanisch gut erklären und wurde in zahlreichen Publikationen bestätigt [16], [17], [18], [19]. Der Einfluss der Bewehrung auf die Schwindverformung nimmt innerhalb des Querschnittes linear mit der Entfernung zur betrachteten Stelle ab, bis dieser komplett entfällt und sich die freie Schwinddehnung einstellt [17]. Abb. 4: Schematische Darstellung der Spannungsverteilung innerhalb eines durch die Bewehrung schwindbehinderten Betonquerschnittes [18] Je nach Bewehrungsgehalt kann die Schwinddehnung des Betons um 30 bis 80 % reduziert werden [18], [20], [21]. Die beschränkte Schwinddehnung ε r eines Betonkörpers kann wie folgt berechnet werden [18]: Hierbei sind ε f die ungestörte Schwinddehnung, ρ der Bewehrungsgrad und E s beziehungsweise E c die E-Moduln des Bewehrungsstahls und des Betons. In Abbildung 5 ist für einen C35/ 45 für verschiedene Bauteilhöhen und Bewehrungsdurchmesser (obere und untere Lage) der Abminderungsbeiwert dargestellt. Die schwindbehindernden Eigenschaften der Bewehrung sind deutlich erkennbar. Für eine im Brückenbau gängige Fahrbahnplatte aus C35/ 45 mit 30cm Dicke und einer Bewehrung von oben und unten Ø20/ 15 (p ≈ 1,3 %) ergibt sich hiermit eine Reduktion auf knapp 93 % der freien Schwinddehnung. 372 7. Brückenkolloquium - September 2026 VORB - Untersuchungen zur Optimierung der rissverteilenden Bewehrung in Verbundbrücken Abb. 5: Schwinddehnung für einen C35/ 45 unter Berücksichtigung der Schwindbehinderung 4.2 Einfluss der Kopfbolzen und des Baustahlobergurtes Neben der Stabstahlbewehrung hat auch der Baustahlobergurt sowie die zur Verbundsicherung verwendeten Kopf bolzendübel (KBD) einen Einfluss auf die Schwinddehnungen der Fahrbahnplatte. In Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass das reine Stahlblech in Kombination mit den KBD die Dehnungen des Betons reduzieren kann [22], [23]. Hierbei spielt die Geometrie der KBD (Höhe, Durchmesser und Abstand) wie auch der Abstand des Betrachtungspunktes zum KBD eine Rolle. Mit größeren KBD und einer höheren Anzahl sinkt die Schwinddehnung des Betons. Analog gilt dies für den Abstand zum Kopf bolzendübel: Beton, der näher an dem KBD ist, schwindet weniger als Beton, der weiter entfernt ist. Jedoch steigt durch die schwindbehindernden Einflüsse der KBD das Risspotential des Betons [22]. Der Einfluss der Stahlplatte ist in der Schubspannung in der Kontaktfläche zwischen Stahl und Beton begründet. Infolge des Schwindens des Betons werden in die KBD Biegespannungen eingetragen und in den Baustahlquerschnitt Druckspannungen. In Abbildung 6 ist eine qualitative Darstellung der Spannungszustände in einem Betonquerschnitt mit Stahlplatte und KBD dargestellt. Um den Einfluss der Schwindbehinderung infolge der Stahlplatte und der KBD abzuschätzen, hat Hua auf Basis der Kapillarzugtheorie ein Modell entwickelt. In Versuchen konnte gezeigt werden, dass das Modell eine quantitative Prognose des Schwindverhaltens ermöglicht [23]. Abb. 6: Schematische Darstellung der Spannungsverteilung innerhalb eines durch Kopf bolzendübel und Stahlplatte schwindbehinderten Betonquerschnittes [23] 5. Monitoringmaßnahme Emscherbrücke Ost 5.1 Bauwerk Die Monitoringmaßnahme wird an der Emscherbrücke Ost in Recklinghausen durchgeführt. Hier wird im Zuge des 6-streifigen Ausbaus der A43 der so genannte Emscherbrückenzug erneuert. Es handelt sich hier um einen Brückenzug aus 3 Brücken, der Bahnbrücke (Stahlfachwerkbrücke) und der Emschersowie Kanalbrücke als Stahlverbundbrücken. Die Emscherbrücke ist eine 4-feldrige Brücke mit Feldlängen von 44m - 55m - 34m - 55m. Sie besteht aus zwei Hohlkästen mit 3516mm x 2515mm (BxH) und einer im Mittel 40cm starken Betonfahrbahnplatte. In Abbildung 7 und 9 sind die Längsansicht sowie der Regelquerschnitt (Feldbereich) dargestellt. Abb. 7: Längsansicht der Emscherbrücke 7. Brückenkolloquium - September 2026 373 VORB - Untersuchungen zur Optimierung der rissverteilenden Bewehrung in Verbundbrücken 5.2 Durchführung Um die während des Schwindvorgangs entstehenden Betondehnungen zu erfassen, wird die Stahlbetonplatte der Emscherbrücke mit zwei unterschiedlichen Messsystemen ausgestattet. Zum einen werden in der Platte Bewehrungsstäbe mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen (BrotherBars) verlegt, zum anderen wird ein faseroptisches Messsystem (DFOS) eingebaut. Die BrotherBars (BB) bestehen aus Bewehrungsstäben (Ø20 mit L = 200cm), auf die in der Mitte drei radialverteilte DMS aufgeklebt sind (siehe Abbildung 8). Für jede BB wird aus den drei DMS ein Mittelwert gebildet, wodurch Effekte aus lokaler Biegung der BBs herausgerechnet werden können. An zwei Messstellen entlang der Brückenlängsachse (Stützbereich Achse 60 und in Feldmitte zwischen Achse 40 und 60) werden jeweils 6 BBs eingebaut. Es werden jeweils drei BBs in der oberen und drei in der unteren Lage der Längsbewehrung eingebaut. Einmal zwischen den Hauptträgern, über dem Hauptträger und im Kragarm, wie in Abbildung 9 mittels der grünen Punkte dargestellt. Zusätzlich werden an insgesamt sechs der BBs noch Temperatursensoren angebracht, um eine Temperaturkompensation der Messergebnisse vornehmen zu können. Die BBs sind mittels in der Fahrbahnplatte in Hüllrohren verlegter Kabel an dem im Hohlkasten befindlichen Messschrank angeschlossen. Die Messungen der Dehnungen und Temperaturen erfolgen alle 30 Minuten mit einer Messdauer von 5 Minuten. Aus den Messdaten wird dann, unter Ausschluss der obersten und untersten 5 % der Daten, der Mittelwert gebildet. Abb. 8: BrotherBar mit radial aufgeklebten DMS Abb. 9: Verteilung der BrotherBars im Brückenquerschnitt (Feldbereich) Abb. 10: Verteilung der DFOS-Messstränge im Brückenquerschnitt (Feldbereich) - Quelle: Firma FOLAB 374 7. Brückenkolloquium - September 2026 VORB - Untersuchungen zur Optimierung der rissverteilenden Bewehrung in Verbundbrücken Abb. 11: Verteilung der DFOS-Messstränge in der Draufsicht - Quelle: Firma FOLAB Das faseroptische Messsystem wird von der Firma FOLAB 1 eingebaut. Innerhalb der Fahrbahnplatte werden, ausgehend von der Achse 60, mehrere Glasfaserstränge über den Brückenquerschnitt jeweils in der oberen und unteren Lage verteilt eingebaut. Als Sensorkabel werden EpsilonSensoren (Ø3mm mit Rippen) verwendet und bis auf die Stränge S09 und S10 verlaufen alle Stränge über die gesamte Brückenlänge (vergleiche Abbildung-11). Mittels der Glasfasertechnik ist es möglich, entlang der Brücke in 5 mm Intervallen die Betondehnungen zu messen und somit auch Risse eindeutig zu erkennen. Die Messungen erfolgen als Einzelmessungen nach Betonage der Fahrbahnplatte. Das genaue Messregime ist in Abschnitt 6 aufgeführt. 6. Ergebnisse & Fazit Da der Einbau der Messtechnik sowie die Betonage des Bauwerkes erst nach der Einreichungsfrist des Manuskriptes erfolgen, können an dieser Stelle keine Ergebnisse vorgestellt werden. Das fertige Manuskript steht allen Konferenzteilnehmenden nach der Tagung zum Download auf der virtuellen Tagungsplattform der TAE zur Verfügung. Literatur [1] B. Naujoks, „Baupraktische Umsetzung der Technischen Regeln am Beispiel von deri ausgeführten Stahlverbundbrücken“, gehalten auf der VDI-Wissensforum, 1. Dezember 2021. [2] Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), DIN EN 1994-2, DIN EN 1994-2: 2010, 2010. [3] G. Hanswille, „Zur Rissbreitenbegrenzung bei Verbundträgern“, Institut für konstruktiven Ingenieuerbau Ruhr-Universität Bochum, Bochum, 1986. [4] G. Hanswille, M. Bergmann, und M. 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