Querkrafttragfähigkeit bestehender Spannbetonbrücken

Im Bestand befindliche Brückenbauwerke sind durch die in den vergangenen Jahren angestiegenen Verkehrszahlen höheren Anforderungen ausgesetzt. Gleichzeitig stellt sich die Frage, ob die bestehenden für den Neubau konzipierten Normen die tatsächlichen Tragreserven bestehender älterer Spannbetonbrücken realistisch abbilden. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ließ den Einfluss einer zusätzlichen externen Vorspannung in Bauwerkslängsrichtung experimentell untersuchen, um diesen zu quantifizieren und rechnerisch nutzbar zu machen. Hierdurch lassen sich bislang rechnerisch nicht in Ansatz gebrachte Tragreserven bestehender Spannbetonbrücken aktivieren, ohne das geforderte Zuverlässigkeitsniveau einzuschränken.

Schubrissbildung im Versuchsträger (Bild: RWTH Aachen)

Aufgabenstellung

Die Anforderungen an Brückenbauwerke im Bestand haben sich durch die steigenden Verkehrszahlen in den letzten Jahren deutlich erhöht. Zudem ergeben sich durch Veränderungen in den Normen geringere rechnerische Querkrafttragfähigkeiten und höhere erforderliche Mindestquerkraftbewehrungen. Unter Berücksichtigung des Einflusses einer nachträglichen externen Vorspannung wurde im Auftrag der BASt ein modifizierter Bemessungsansatz zur Bestimmung der Querkrafttragfähigkeit von Spannbetonträgern entwickelt. Von besonderem Interesse war, ob gegenüber den heute geltenden Normen zusätzliche Tragreserven existieren, die bei der Bemessung von Spannbetonbrücken genutzt werden können und welche Unterschiede bei der Bemessung von Durchlaufträgern gegenüber Einfeldträgern zu beachten sind.

Untersuchungsmethode

Zunächst wurden Brücken im Bestand untersucht, um einen Überblick über deren Bauweise und Geometrie zu erhalten. Hieraus wurde ein Versuchsaufbau abgeleitet, der auf bestehende Bauwerke übertragbar ist. Für die experimentellen Untersuchungen wurden sechs Teilversuche an drei Zweifeldträgern mit parabelförmigem internen Spannglied und einer Stützweite von jeweils 5,5 m durchgeführt. Zwei der drei Träger wurden zusätzlich durch gerade externe Spannglieder vorgespannt. Durch die Versuche wurde der Einfluss der externen Vorspannung auf die Erstrisslasten und Bruchlasten untersucht. Die Träger wurden zusätzlich in beiden Feldern jeweils unterschiedlich bewehrt, wobei eine Trägerhälfte in etwa mit der nach DIN-FB 102 erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung bewehrt war und die andere mit der Hälfte davon. Dadurch konnte auch das Tragverhalten bei nicht vollständig vorhandener Mindestquerkraftbewehrung untersucht werden. Parameterstudien mit Finite Elemente Modellen ergänzten die Versuche, um die Einflüsse aus Vorspanngrad, Querkraftbewehrungsgrad, Betonfestigkeit, Querschnitt und Spanngliedführung auf die Querkrafttragfähigkeit näher zu untersuchen. Auf Grundlage der experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden dann bestehende Bemessungs- und Ingenieurmodelle überprüft und modifiziert.

Ergebnisse

Die Ansätze des DIN-FB 102 zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit unterschätzten die Tragfähigkeit der untersuchten Versuchsträger deutlich. Dies betrifft sowohl die Versuche ohne, als auch mit der nach DIN-FB 102 erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung. Bei den Versuchen, die nur über die halbe der nach DIN-FB 102 erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung verfügten, ergaben sich nach der Schubrissbildung zum Teil noch erhebliche Tragreserven. Auf Grundlage der Versuche wurden daher Ingenieurmodelle entwickelt, die eine zutreffende Ermittlung der Querkrafttragfähigkeiten ermöglichen. Der Vergleich mit den im Versuch ermittelten Tragfähigkeiten sowie den Ergebnissen der Parameterstudie der nichtlinearen FE-Berechnungen lieferte eine gute Übereinstimmung.

Folgerungen

Die Untersuchung belegt, dass die Verfahren zur Ermittlung der Querkraftragfähigkeit derzeitiger Regelwerke zu sehr konservativen Befunden für vorgespannte Träger führen. Die im Projekt untersuchten Berechnungsverfahren erbringen Ergebnisse, die näher an den tatsächlichen Bedingungen liegen. Diese Verfahren werden derzeit validiert, um kurzfristig ein realitätsnahes Nachweiskonzept für die Stufe 2 der Nachrechnungsrichtlinie verfügbar zu machen.