BASt Brücken- und Ingenieurbauwerke

Der vorliegende Forschungsbericht behandelt die
Zukunftssicherheit des aktuell normativ geregelten
Nachweises schädigungsaquivalenter Spannungsschwingbreiten
basierend auf dem Ermüdungslastmodell
ELM 3 inklusive λ-Faktoren nach DIN
EN 1991-2:2010-12 und DIN EN 1992-2:2010-12
in Verbindung mit DIN EN 1991-2/NA:2012-08 und
DIN EN 1992-2/NA:2013-04.
Dazu werden Verkehrslastsimulationen an sowohl
idealisierten als auch realistischen Beispielbrücken
durchgeführt. Bei Ersteren liegt der Fokus auf einer
systematischen Untersuchung an einem weiten
Spektrum möglicher Brückensysteme. Bei Letzteren
steht die wirklichkeitsnahe Erfassung der nichtlinearen
M-σ-Beziehung im Vordergrund, welche
großen Einfluss auf die Ermüdungsnachweise hat.
Weiterhin werden unterschiedliche Verkehrsszenarien
untersucht, darunter Grundszenarien des aktuellen
Verkehrs sowie Prognose-Szenarien eines
möglichen zukünftigen Verkehrs.
Im Ergebnis wird aufgrund von Defiziten der aktuellen
normativen Regelung, sowohl hinsichtlich der
Grund- als auch Prognose-Szenarien, ein Vorschlag
für eine zukunftssichere Anpassung der λ-
Faktoren ausgearbeitet. Diesbezüglich wird auch
ein Defizit der bisherigen Methode zur Ermittlung
der λ-Faktoren in Bezug auf die Erfassung der M-
σ-Beziehung identifiziert und durch einen zusätzlichen
Korrekturfaktor kompensiert.

Das Projekt "Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Querkraft- und Torsionstragfähigkeit
von Betonbrücken im Bestand" hatte zum Ziel, auf der Grundlage experimenteller und theoretischer
Untersuchungen Möglichkeiten für eine zutreffendere Abschätzung der Querkraft- und Torsionstragfähigkeit
von Spannbetonbrücken im Bestand mit geringen Querkraftbewehrungsgraden zu entwickeln. Dabei erfolgte einerseits die Weiterentwicklung der bestehenden Bemessungsverfahren auf Stufe 2 der BEM-ING Teil 2. Andererseits wurden Handlungsempfehlungen für vertiefte Berechnungsmodelle, die in Stufe 4 der BEM-ING Teil 2 Anwendung finden können, erarbeitet, um eine Entscheidungs- und Anwendungshilfe zur Bewertung der Standsicherheit für Querkraft und Torsion der betreffenden Brückenbauwerke bereitzustellen.

Um die realen Systemeigenschaften der Brückenüberbauten hinsichtlich der Biege- und Schubschlankheit
sowie der Belastungsart möglichst repräsentativ abzubilden, wurden großformatige nachträglich
vorgespannte Versuchskörper an drei verschiedenen Forschungseinrichtungen getestet. Während an
der RWTH Aachen University an 16,5 m langen Durchlaufträgern und an der TU München an 4,5 m
langen Substrukturen Querkraftversuche mit den Einflussparametern Querschnittsform, Querkraftbewehrungsgrad,
Vorspanngrad, Durchlaufwirkung, Belastungsart und Verbundbedingung der Längsbewehrung
durchgeführt wurden, sind an der TU Dortmund Querkraftversuche mit zusätzlicher Torsion an
12 m langen Durchlaufträgern unter Variation der Querschnittsform, der Interaktion von Momenten-,
Querkraft- und Torsionsbeanspruchung, der Druckstrebenneigung und der Bügelformen untersucht
worden.

Im Schlussbericht wurden die Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Untersuchungen dargestellt.
Dazu wurde zunächst eine Zusammenfassung der Bemessung von Spannbetonbauteilen für
Querkraft sowie Querkraft mit zusätzlicher Torsion nach aktueller Norm sowie der verfeinerten Bemessungsansätze
auf Stufe 2 der BEM-ING Teil 2 gegeben und das Sicherheitskonzept der Bemessung im
Bauwesen erläutert. Im darauffolgenden Abschnitt wurden die experimentellen Untersuchungsprogramme
der drei teilnehmenden Universitäten in Aachen, München und Dortmund dargestellt. Um die
analytischen und numerischen Verfahren auf Stufe 2 und Stufe 4 der BEM-ING Teil 2 anzuwenden und
zu vergleichen, wurden anschließend weitere experimentelle Untersuchungen aus der Literatur und
ausgewählten Bauwerke dokumentiert, die anschließend zur Nachrechnung mit verschiedenen Modellen
herangezogen wurden. Auf Grundlage der umfangreichen experimentellen Untersuchungen sowie
einer Datenbankauswertung mit knapp 1300 Querkraftversuchen an Stahl- und Spannbetonträgern mit
und ohne Querkraftbewehrung erfolgte eine Erweiterung der Querkraft- und Torsionsmodelle der
Stufe 2 der BEM-ING Teil 2. Dadurch konnte eine realistischere Erfassung der günstigen Einflüsse gegliederter
Querschnittsformen (bV,eff), einer Beanspruchung infolge verteilten Lasten (ΔVEd) und einer
Vorspannung samt Spannungszuwachs (P+ΔP) ermöglicht werden. Anhand der durchgeführten Versuche
mit Querkraft und zusätzlicher Torsion konnte gezeigt werden, dass durch Umlagerungen der inneren
Kräfte eine Rotation der Druckstrebe im Bereich 1,75 ≤ cotθ ≤ 2,5 möglich und die freie Wahl der
Druckstrebenneigung cotθ daher gerechtfertigt ist. Weiterhin dürfen unterschiedliche θ für die Nachweise
für Querkraft sowie Querkraft und Torsion angesetzt werden. Allerdings wird empfohlen, den Beiwert
der Betondruckfestigkeit ν abhängig vom Überbauquerschnitt abzumindern. Der Nachweis gegen
Betondruckversagen bei kombinierter Beanspruchung erfolgt dann auf Basis einer linearen Interaktion
aus Querkraft und Torsion (V + T). Die Anwendung der vorgeschlagenen Weiterentwicklung der Querkraft-
und Torsionsbemessung auf vier bestehende Brücken verdeutlicht den in der Praxis dringend
benötigten Mehrwert des verfeinerten Bemessungsansatzes auf Stufe 2 der BEM-ING Teil 2.

Neben der Vorstellung in Stufe 4 der BEM-ING Teil 2 gängiger Verfahren zur Brückennachrechnung
wurden jeweils die wesentlichen Schritte der Berechnung bzw. Modellierung erläutert. Auf Basis einer
anschließenden Bewertung der wissenschaftlichen Verfahren wurden Empfehlungen für eine breitere
und trotzdem ausreichend sichere Anwendung für die Praxis gegeben. Hierbei wurde u.a. die Art der
Modellierung, der Ansatz der Materialkennwerte, ein angepasstes Sicherheitskonzept für nichtlineare
Verfahren einschließlich der Modellunsicherheit, der Umgang mit nicht normkonformer Bügel- und Auswahl der betrachteten Verfahren wurden durch vertiefte Untersuchungen Handlungsempfehlungen
erarbeitet, die im Format und Wording an die BEM-ING Teil 2 angepasst wurden. In einem abschließenden
Benchmark-Test wurde eine Auswahl an Versuchen und deren Nachrechnung dokumentiert,
sodass in Zukunft die Eignung weiterer wissenschaftlicher Verfahren zur Nachrechnung von Betonbrücken
bewertet werden kann.