Prof. Dr.-Ing. Karsten GeiÃler Stahlverbundbrücken EC4-2 im ... - VSVI
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Verbundbrücken nach Eurocode 4-2<br />
Konstruktion und Bemessung<br />
<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>.-<strong>Ing</strong>. <strong>Karsten</strong> Geißler, TU Berlin, FG Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
Tagung Berlin 15. Mai 2013<br />
TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen<br />
Fachgebiet EK – Stahlbau <strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>.-<strong>Ing</strong>. K. Geißler
Deckbrücken<br />
Stab- bzw. Netzwerkbögen<br />
Nessetalbrücke, Bauzustand<br />
Überführungsbauwerk A72 – A38 (2005)<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
Tagung Berlin 15. Mai 2013<br />
TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen<br />
Fachgebiet EK – Stahlbau <strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>.-<strong>Ing</strong>. K. Geißler
Stahl-Beton-Verbundbauteile<br />
seit der Einführung der 18800-5 (2005) innerhalb einer Vorschrift geregelt<br />
Verbundträger<br />
Verbundstützen<br />
Verbundmittel:<br />
- überwiegend Kopfbolzendübel,<br />
- evtl. Perfobondleisten (mit ZiE)<br />
(Verbunddecken)<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen<br />
Fachgebiet EK – Stahlbau <strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>.-<strong>Ing</strong>. K. Geißler
Bemessung nach EC 4<br />
Normen <strong>im</strong> Verbundbau<br />
EN 1994–1–1 (2010)<br />
Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Stahl und Beton, Teil<br />
1-1 Allgemeine Bemessungs- und Anwendungsregeln für den Hochbau<br />
löst ab DIN 18800–5 (März 2007)<br />
Verbundtragwerke aus Stahl und Beton – Bemessung und Konstruktion<br />
EN 1994–2 (2010)<br />
Bemessungs- und Anwendungsregeln für den Brückenbau<br />
löst ab DIN Fachbericht 104 (2009) - Verbundbrücken<br />
Wesentliche Bezugsnormen zu Eurocode 4:<br />
EC 2 Tragwerke aus Stahl und Beton<br />
EC 3 Tragwerke aus Stahl<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen<br />
Fachgebiet EK – Stahlbau <strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>.-<strong>Ing</strong>. K. Geißler
Sicherheitskonzept<br />
Teilsicherheitsbeiwerte der Widerstände <strong>im</strong> GZT<br />
Bemessungswerte ergeben sich durch Division der charakteristischen (5%-) Fraktile<br />
mit den Teilsicherheitsbeiwerten des jeweiligen Einzelwerkstoffs<br />
Baustahl<br />
a<br />
Grundkombination 1,0<br />
für Stabilitäts-<br />
Nachweise:<br />
Rd = 1,10<br />
außergewöhnliche<br />
Kombination<br />
Betonstahl<br />
s<br />
Beton<br />
c<br />
Verbundmittel<br />
v<br />
1,15 1,5 Abscheren KBD:<br />
1,25<br />
örtl. Betonfestigkeit:<br />
1,50<br />
1,0 1,0 1,3 1,0<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Querschnittseigenschaften<br />
Verbundträger - Querschnittseigenschaften<br />
mitwirkende Breite<br />
b eff = b 0 + b e,1 + b e,2<br />
b e,1 = L e / 8<br />
Beton in der <strong>Dr</strong>uckzone (K + S ): Gesamtquerschnittsverfahren<br />
reduzierter ideeller Gesamtquerschnitt<br />
Reduktionszahl n L = E St /E cm · [ 1 + y L · j(t,t 0 ) ]<br />
A i,L = A St + A c /n L<br />
Kriechzahl und Schwindmaß n. EC 2<br />
Beanspruchungsart<br />
für zeitlich konstante Beanspruchungen (Dauerlasten): y B = 1,10<br />
für zeitlich veränderliche Beanspruchungen (Schwinden): y S = 0,55<br />
für eingeprägte Zwängungen (z. B. Stützensenkungen): y A = 1,50<br />
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Querschnittseigenschaften<br />
Verbundträger - Querschnittseigenschaften<br />
Beton in der Zugzone:<br />
Biegesteifigkeit des ideellen Verbund-Querschnittes E a ∙I 2 ohne Berücksichtigung<br />
zugbeanspruchter Betonquerschnittsteile, Betonstahl innerhalb b eff berücksichtigen<br />
für Bereiche, wo erhöhte Steifigkeit durch das Mitwirken des Betons zwischen den<br />
Rissen ungünstig wirkt Mitwirkung des Betons zwischen Rissen berücksichtigen<br />
für mehrere NW: Zustand I und Zustand II- Querschnitt annehmen<br />
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Querschnittseigenschaften<br />
Verbundträger: Querschnittsklassen <strong>im</strong> GZT<br />
Klasse<br />
Tragfähigkeit<br />
1<br />
vollplastisch,<br />
Rotationsvermögen<br />
2 vollplastisch<br />
3 elastisch<br />
4<br />
elastisch,<br />
Beulen beachten<br />
- Verbesserung des Stabilitätsverhaltens druckbeanspruchter<br />
Stahlquerschnittsteile durch Anschluß an bewehrte Betonteile Qkl 1<br />
- für Qkl 3 dehnungsbegrenzte Bemessung möglich<br />
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Schnittgrößenermittlung nach EC 4<br />
Verbundträger: Schnittgrößenermittlung<br />
1) Elastische Schnittgrößenermittlung<br />
Berücksichtigung von:<br />
- Belastungsgeschichte<br />
- Kriechen und Schwinden<br />
- Rissbildung<br />
- Nachgiebigkeit der Verbindungsmittel kann vernachlässigt werden,<br />
wenn vollständige Verdübelung<br />
- fallweise Beanspruchungen infolge abfließender Hydratationswärme berücksichtigen<br />
(äquivalente Temperaturdifferenz 20 K)<br />
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Schnittgrößenermittlung nach EC 4<br />
2) Elastische Schnittgrößenermittlung mit Momentenumlagerung<br />
Methode I<br />
prozentuale Umlagerung<br />
10 – 40 % je nach<br />
Querschnittsklasse<br />
Methode II<br />
reduzierte Biegesteifigkeit<br />
auf jeweils<br />
15% der Feldlänge<br />
Methode II<br />
reduzierte Biegesteifigkeit,<br />
iterative Ermittlung<br />
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Schnittgrößenermittlung nach EC 4<br />
Schwindmaße teilweise deutlich modifiziert gegenüber DIN-Fb 102,<br />
zeitabh. Sicherheitsbeiwert für Trocknungsschwinden: t = lt = 1,20<br />
Beispiel:<br />
zeitlicher Verlauf der Kriechzahl j t und des Schwindmaßes t für C 35/45 (Zement N,<br />
h 0 = 580 mm , RH = 80 % , t 0 = 2 Tage)<br />
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Bemessung nach EC 4<br />
Verbundträger: Bemessung <strong>im</strong> GZT<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Bemessung nach EC 4 – Querschnittstragfähigkeit<br />
GZT - Momententragfähigkeit<br />
-vollplastisch<br />
-dehnungsbeschränkt<br />
-elastisch<br />
Betonfestigkeit ohne Vorfaktor 0,85, Dauerstandsfestigkeit<br />
allerdings <strong>im</strong> GZT gleiche Ergebnisse (Spannungsblock 0,85),<br />
<strong>im</strong> GZG höhere Ausnutzung möglich<br />
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Bemessung nach EC 4 – Querschnittstragfähigkeit<br />
GZT - Momententragfähigkeit (negatives Biegemoment)<br />
-vollplastisch<br />
-dehnungsbeschränkt<br />
-elastisch<br />
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Bemessung nach EC 4 – Querschnittstragfähigkeit<br />
Momententragfähigkeit<br />
Träger mit teilweiser Verdübelung – Verdübelungsgrad <br />
N c<br />
= ∙ N c,f<br />
<strong>im</strong> Brückenbau nicht zulässig<br />
Querkrafttragfähigkeit - s. Bemessung Stahlträger<br />
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Bemessung nach EC 4 – Stabilität<br />
GZT - Biegedrillknicken – detaillierter Nachweis<br />
<strong>Dr</strong>ehbettung durch stützende Betonplatte berücksichtigen<br />
1<br />
c<br />
<br />
<br />
1<br />
c<br />
P<br />
<br />
1<br />
c<br />
M<br />
<br />
1<br />
c<br />
A<br />
Ideales Biegedrillknickmoment n. Hanswille,Lindner,Münich:<br />
M<br />
<br />
cr,y<br />
<br />
Hilfswert<br />
B<br />
<br />
0B<br />
1<br />
k<br />
z<br />
<br />
2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
k<br />
z<br />
( y)<br />
<br />
n<br />
<br />
2<br />
E<br />
I<br />
D<br />
G I<br />
<br />
2<br />
T, eff<br />
B<br />
l<br />
<br />
<br />
<br />
z<br />
D<br />
z<br />
z<br />
<br />
1<br />
a<br />
<br />
<br />
e<br />
<br />
2<br />
M <br />
1<br />
<br />
<br />
i<br />
B<br />
2<br />
p<br />
<br />
n<br />
<br />
<br />
2 z<br />
1<br />
z<br />
e<br />
D<br />
<br />
r<br />
M<br />
<br />
N<br />
a<br />
a<br />
My<br />
I<br />
<br />
I<br />
<br />
z<br />
a, y<br />
st, y<br />
Iay<br />
A<br />
st, a<br />
a<br />
<br />
B<br />
<br />
c<br />
L<br />
E I<br />
4<br />
D<br />
Koeffizienten a, n 1<br />
und n 2<br />
abh. vom M- Verlauf<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Bemessung nach EC 4 – Stabilität<br />
Beulen infolge Längsspannungen<br />
- Verfahren mit Grenzbeulspannungen<br />
- NW mit „effektiven“ Querschnitten,<br />
nur für nicht längsausgesteifte Bleche<br />
s. Bemessung Stahlbrücken<br />
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Bemessung nach EC 4 – Stabilität<br />
Beulen infolge Schubspannungen<br />
V<br />
c, Rd<br />
<br />
<br />
v<br />
<br />
f<br />
yw<br />
3<br />
h<br />
<br />
w<br />
M1<br />
<br />
t<br />
w<br />
NW: s. Bemessung Stahlbrücken<br />
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Bemessung nach EC 4 – Verbundfuge<br />
NW der Schubtragfähigkeit in der Verbundfuge<br />
Übertragung der Längsschubkraft<br />
bereichsweise zw. kritischen Schnitten nachweisen:<br />
- in der Verbundfuge,<br />
- in weiteren Schnitten <strong>im</strong> Betongurt<br />
Nichtlinearität der Längsschubkräfte<br />
bei Ausnutzung<br />
der plast. Biegetragfähigkeit<br />
beachten<br />
NW Abscheren und örtliche<br />
Festigkeit Beton<br />
NW Lastausbreitung in<br />
Betonplatte<br />
(Dübelumrissfläche,<br />
Plattenanschnittsfläche)<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Bemessung nach EC 4 – Gebrauchstauglichkeit<br />
Nachweise <strong>im</strong> GZG<br />
- Spannungsnachweise: mit seltener Einwirkungskombination<br />
- Rissbreitennachweise<br />
abh. von definierter Anforderungsklasse, mit häufiger EWK,<br />
Grenzdurchmesser nach EC2-2<br />
- Verformungsnachweise<br />
für quasi-ständige Lasten unter Beachtung von Kriechen + Schwinden<br />
sowie der Belastungsgeschichte<br />
- Nachweise dynamischer Grenzwerte<br />
oft nur für Fußgängerbrücken relevant<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Bemessung nach EC 4 – Ermüdung<br />
NW gegen Materialermüdung<br />
Ermittlung der Spannungsdifferenz<br />
<strong>im</strong> Bereich mit der Betonplatte<br />
in der Zugzone<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Bemessung nach EC 4 – Ermüdung<br />
Ermüdungswiderstand<br />
für Stahlträger: nach Regeln für Stahlkonstruktionen<br />
für Kopfbolzendübel mit Längsschubbeanspruchung:<br />
2-Mio-Wert von c = 90 N/mm 2 ( m= 8 )<br />
Biegung ( c = 80 N/mm 2 ) und Schub in Biegezugbereichen überlagern<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Verbundbrücke <strong>im</strong> Taktschiebeverfahren<br />
298 m<br />
21,50 m<br />
Waltherstraßenbrücke in <strong>Dr</strong>esden<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Beton C35/45, Zemente CEM I sollten wegen hoher Hydratationswärmeentwicklung<br />
für Verbundbrücken möglichst nicht verwendet werden,<br />
hier aber Frühfestigkeit erforderlich<br />
(<strong>im</strong> Regeltakt Erstbelastung nach 3 Tagen)<br />
Fragestellung<br />
Ermittlung der Beanspruchungen durch Taktschieben in Längs- und<br />
Querrichtung ab dem Zeitpunkt der Herstellung,<br />
unter Beachtung der Temperaturentwicklung<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Hydratationswärme: Temperaturverlauf 3 Tage nach dem Betonieren<br />
Messwerte [°C]<br />
Beton 1d<br />
Beton 3d<br />
Stahl 1d<br />
Stahl 3d<br />
Lufttemperatur zur Messung:<br />
T 1d = 20°C; T Mittel 1d = 16.8°C<br />
T 3d = 19°C; T Mittel 1-3d = 17.1°C<br />
34.0<br />
Temperaturverlauf <strong>im</strong> Querschnitt nach<br />
dem Betonieren BA 8<br />
42.7 43.5<br />
47.3<br />
39.5<br />
23.8<br />
28.6 29.4<br />
31.3<br />
24.3<br />
Oberseite<br />
Folie<br />
d=25<br />
Unterseite<br />
Schalhaut<br />
34.2 26.4<br />
d=47 d=57 d=35<br />
28.5 35.2<br />
Wind<br />
21.2<br />
23.8<br />
19.3 22.2<br />
OK Gelände<br />
1 m<br />
aufgrund hoher Hydratationswärmeentwicklung und resultierender Krümmung der Träger<br />
Abheben von den Betonierunterstützungen <strong>im</strong> Bereich der Taktanlage<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Dehnungen der Betonplatte Takte 4 – 9<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Verbundbrücke <strong>im</strong> Taktschiebeverfahren<br />
Ergebnisse:<br />
- Hydratationswärmeentwicklung in beachtlicher Größenordnung<br />
- Stahlspannungen in Längsrichtung <strong>im</strong> elastischen Bereich<br />
- Spannungen bzw. Rissweiten in Querrichtung der Fahrbahnplatte maßgebender<br />
als in Längsrichtung, auch nicht komplett reversibel<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Bahretalbrücke - Verbundbrücke mit Ganzfertigteilen<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Bahretalbrücke – Ausbildung der Querstöße zwischen den Fertigteilen<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Bahretalbrücke – Ergebnisse der dynamischen Messungen<br />
Überfahrt eines Fahrzeuges <strong>im</strong> Rohbauzustand,<br />
Querschnitt bleibt <strong>im</strong> Zustand I<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Bahretalbrücke – Ergebnisse der Langzeitmessung<br />
Spannungen <strong>im</strong> Verbundquerschnitt an der Querfuge, sehr hohe Werte in Fugenbewehrung<br />
Ebenbleiben des QS gilt nicht uneingeschränkt<br />
(Sammelriss <strong>im</strong> Bereich der Querfuge)<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Besonderheiten - Beispiele<br />
Versuche mit Fertigteil- Verbundträgern – negatives Biegemoment<br />
aktuelle Versuchsreihe TU Berlin<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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Zusammenfassung<br />
- Stahlverbundkonstruktionen mit großem Potential be<strong>im</strong> Ersatzneubau:<br />
breitere Verbund-QS auf bestehenden Unterbauten, schnelle Bauzeiten<br />
- Bemessung und Konstruktion der Stahl- Verbundbauteile nach EC 4-2:<br />
i.W. analog wie nach DIN-Fb 104, nur wenige Änderungen in einzelnen<br />
Nachweisen<br />
- Fertigteile <strong>im</strong> Stahl-Verbundbau vorteilhaft, auch Ganzfertigteile<br />
möglich<br />
Einführung der Eurocodes <strong>im</strong> Brückenbau<br />
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