Kontakt

M. Sc.
Matthias Hillebrand
Mies-van-der-Rohe-Str. 1
Halle G, Raum 103
52074 Aachen

Tel.: +49 (0)241 80-25057
Fax: +49 (0)241 80-22055
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Veranlassung und Zielsetzung

Die Anforderungen an Brückenbauwerke im Bestand haben sich in den letzten Jahren infolge des steigenden Verkehrsaufkommens, vor allem im Bereich des Güterverkehrs, deutlich erhöht. Ein Nachweis der statischen Querkrafttragfähigkeit dieser Brücken nach den DIN-Fachberichten bzw. dem Eurocode 2 ergibt in vielen Fällen eine höhere erforderliche Querkraftbewehrung, als in den Stegen vorhanden ist. Da ein Querkraftversagen unter den derzeit einwirkenden Verkehrslasten bisher nicht beobachtet wurde, sind die Brücken offensichtlich noch in der Lage, diese gestiegenen Lasten trotz rechnerisch zu geringer Querkraftbewehrung aufzunehmen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Beschreibung des Ermüdungsverhaltens der Querkraftbewehrung von profilierten Spannbetonträgern unter zyklischer Beanspruchung sowie die Entwicklung eines Ingenieurmodells zur Beschreibung dieses Verhaltens.

Experimentelle Untersuchungen

Im Rahmen der Versuchsprogramme werden Untersuchungen des Ermüdungsversagens an Spannbetonbalken mit T- und Doppel-T-Querschnitten durchgeführt (Bild 1). Dabei erfolgen Versuche ohne Querkraftbewehrung sowie Versuche mit unterschiedlichen Querkraftbewehrungsgraden. Neben der Veränderung des Querkraftbewehrungsgrades werden außerdem unterschiedliche Belastungsniveaus getestet.

Bild 1: Querschnitt (oben links) und Längsschnitt (unten links) eines Doppel-T-Trägers mit Querkraftbewehrung; Träger im Versuchsstand (rechts)

 

Die Spannbetonträger werden zunächst in einem Vier-Punkt-Biegeversuch mit einer Spannweite von 6,0 m bis zum Versagen einer Trägerhälfte zyklisch mit einer Frequenz zwischen 3 Hz und 6 Hz belastet. Nach Abschluss des ersten Teilversuchs wird der Versuchsstand umgebaut, um die zweite Trägerhälfte in einem Drei-Punkt-Biegeversuch mit einer Spannweite von 4,0 m zu belasten (Bild 2).

 

Bild 2: Versuchsaufbau im Vier-Punkt- (oben) bzw. Drei-Punkt-Biegeversuch (unten)

 

Während der Versuche wurde das Tragverhalten durch elektronische Messungen und visuelle Beobachtungen kontinuierlich erfasst. Durch induktive Wegaufnehmer und Dehnungsmessstreifen werden zum Beispiel globale Verformungen des Trägers sowie lokale Dehnungen und Rissbildung dokumentiert (Bild 3).

 

Bild 3: induktive Wegaufnehmer und nachgezeichnete Rissbildung am Steg eines Doppel-T-Trägers

 

Bei Trägern mit Querkraftbewehrung werden auf den Querkraftbügelschenkeln im kritischen Bereich Dehnungsmessstreifen aufgebracht. Bei ausgewählten Versuchen erfolgt neben der konventionellen Messtechnik zusätzlich eine Messung mit dem photogrammetrischen Messsystem Aramis. Hierbei wird durch softwaregestützte optische Vergleiche eines Messfeldes die Rissentstehung und entwicklung ausgewertet (Bild 4).

 

Bild 4: Photogrammetrisch ermittelte Dehnungen eHF eines Messfeldes zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten

Versuchsergebnisse

Das zyklische Querkraftversagen der Doppel-T-Träger ohne Querkraftbewehrung erfolgt schlagartig durch eine Schubrissbildung ohne augenscheinliche Vorankündigung. Die T-Träger wiesen zuerst Biegerisse in Trägermitte auf, bevor sich geneigte Schubrisse bildeten. Durch die Biegerisse zeigte sich eine Vorankündigung des Versagens. Bei Einsatz von Querkraftbewehrung führt die zyklische Belastung zu einem sukzessiven Versagen der Bügelbewehrung mit gleichzeitiger Umlagerung der Querkräfte sowie Zunahme der Verformungen und Rissbreiten. Dadurch liegt eine ausgeprägte Versagensankündigung vor.

Bild 5 beschreibt beispielhaft für einen Träger mit Querkraftbewehrung den Verlauf der Schubrissbreitenentwicklung und die gemessene Bügelspannung während eines Versuchs. Mit zunehmender Lastwechselzahl erhöht sich die Rissbreite kontinuierlich. Der Bruch eines Bügelschenkels führt zu einem sprunghaften Spannungsabfall des betroffenen Bügels und einer gleichzeitigen Kraftumlagerung auf die verbleibende Querkraftbewehrung.

Bild 5: Schubrissbreitenentwicklung (oben) und gemessene Bügelspannung (unten)

Ergebnis und Ausblick

Eine Nachrechnung der Versuche hat gezeigt, dass die aktuellen Normen die zyklische Querkrafttragfähigkeit der Träger deutlich unterschätzen. Weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen dienen zur Herleitung eines Ingenieurmodells, das eine genaue Vorhersage der Versagensart und des Versagenszeitpunkts unter zyklischer Belastung ermöglicht. Hierzu sind zur weitergehenden Interpretation der Versuchsergebnisse und zur Vergrößerung der Datenbasis Parameterstudien durch numerische Simulation durchzuführen.

Die Ergebnisse der Forschungsvorhaben liefern einen wichtigen Beitrag sowohl zur Nachrechnung und Ermittlung von Traglastreserven von Bestandsbrücken als auch für eine sichere und wirtschaftliche Bemessung bei der Entwicklung neuer Brücken.

Dank

Die vorgestellten Untersuchungen sind Teil mehrerer Forschungsvorhaben im Auftrag der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG (DFG, HE 2637/12-1 sowie DFG, HE 2637/25-1) und dem Hessischen Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen HLSV (HLSV, 38 c2-25). Den Forschungsförderern sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

 

DFG HE 2637/12-1

IMB F-2009-012:

Förderdauer: 2009 - 2012

Bearbeiter: Frederik Teworte

 

DFG HE 2637/25-1

IMB F-2013-032

Förderdauer: 2015 - 2017

Bearbeiter: Matthias Hillebrand

 

HLSV 38 c2-25

IMB F-2009-019

Förderdauer: 2009 - 2011

Bearbeiter: Frederik Teworte

Literatur

  1. Teworte, F.; Hegger, J.: Querkraftermüdung von Spannbetonträgern ohne Querkraftbewehrung. In: Beton- und Stahlbetonbau (108), 1/2013, S. 34-46.
  2. Teworte, F.; Hegger, J.: Ermüdung von Spannbetonträgern mit Bügelbewehrung unter Querkraftbeanspruchung. In: Beton- und Stahlbetonbau (108), 7/2013, S. 475-486.
  3. Teworte, F.; Hegger, J.: Fatigue of Prestressed Concrete Beams with low Shear Reinforcement Ratios - Experimental Investigations. In: 18th IABSE Congress 2012 "Innovative Infrastructures - Toward Human Urbanism", Seoul, Südkorea, September 2012.
  4. Teworte, F.: Zum Querkrafttragverhalten von Spannbetonträgern unter Ermüdungsbeanspruchung. Dissertation, RWTH Aachen, 2014