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Frank Purtak, Florian Möbius, TragWerk Ingenieure, Döking+Purtak GmbH, Dresden
46 Seiten
Erscheinungsjahr: 2022
Projektnummer: 15.0668
Preis: 0,00 €
Dieser Bericht steht ausschließlich kostenfrei im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.
Die Anpassung von Bestandsbrücken für zukünftige Verkehrsbelastungen ist häufig mit der Veränderung oder Erneuerung der Fahrbahn verknüpft. Der geänderten Situation entsprechend sind statische Nachweise zur Tragsicherheit erforderlich. Die Nachrechnungsrichtlinie [1] für den Teil Mauerwerk soll mit der Nachrechnung bestehender Gewölbebrücken validiert sowie auf den aktuellen Stand der computerunterstützten Nachweisführung angepasst werden.
Bei Bogenbrücken aus Mauerwerk und unbewehrtem Beton ist das sogenannte Stützlinienverfahren vorteilhaft anwendbar, da hiermit die Strukturnichtlinearität infolge der belastungsabhängigen Rissbildung mit klaffenden Fugen berücksichtigt wird.
Beim Nachweis von Mauerwerksstrukturen sind im Allgemeinen die drei folgenden Nichtlinearitäten zu berücksichtigen:
Die Analyse nichtlinearer Aufgabenstellungen erfordert deshalb vertiefte Fachkenntnisse des Ingenieurs. Im Gegensatz zur linear-elastischen Berechnung sind hier Sensitivitätsuntersuchungen notwendig, damit sich die Einflüsse bestimmter Eingangswerte besser beurteilen lassen.
Das Baumaterial Mauerwerk lässt sich bei genauerer Analyse nicht mehr als elastisches Kontinuum abbilden, da sich die Struktur entsprechend der Einwirkungskombination durch Rissbildung mit sich öffnenden Fugen verändert. Mithilfe der Methode der finiten Elemente entsteht mit Einbau von Kontaktelementen zwischen den Fugenrändern der Steine das sogenannte Diskontinuumsmodell. Die verknüpften Kontaktelemente übertragen nur Druck- und Reibungskräfte. Dieses wichtige Detail ermöglicht die realitätsnahe Modellierung von Mauerwerk mit Rissbildung unter Laststeigerung.
Die Tragfähigkeit von Mauerwerk wird neben der Steindruckfestigkeit im Besonderen von der Steinzugfestigkeit bestimmt. Bei Bogenbrücken aus quaderförmigem Natursteinmauerwerk spielt wegen der verhältnismäßig geringen Fugendicke die Mörteldruckfestigkeit eine untergeordnete Rolle. In der aktuellen Normung wird vereinfachend auf der Widerstandsseite nur ein einziger Sicherheitsbeiwert gM festgelegt. Zur rechnerischen Erschließung weiterer Tragreserven lassen sich aber auch die Einzelkomponenten auf der Widerstandsseite absichern.
Die Teilsicherheitsfaktoren basieren auf folgendem Nachweisprinzip:
Am Beispiel von fünf Gewölbebrücken aus Mauerwerk wird die Nachrechnungsrichtlinie für den Einsatz aktueller Rechentechnik und dem aktuellen Stand der Normung validiert. Im Zuge dieses Forschungsvorhabens sind für die praktikable Nachweisführung Vorschläge zur Aktualisierung der Richtlinie dokumentiert.
Dabei wurden folgende Parameter untersucht:
Die Ausnutzungsgrade für die Nachweise wurden dokumentiert:
Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT)
Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG)
Die Beispielbrücken ließen sich auf Grundlage der ergänzten Nachrechnungsrichtlinie nachweisen, wobei alle geforderten Grenzzustände eingehalten sind.
The adaptation of existing bridges for future traffic loads is often linked to the modification or renewal of the carriageway. According to the changed situation, static verifications of the structural safety are required. The recalculation guideline [1] for the masonry section shall be validated by recalculating existing arch bridges and adapted to the current state of computer-aided verification.
In the case of arch bridges made of masonry and non-reinforced concrete, the so-called support line method is applicable advantageously, since it accounts for the structural non-linearity due to the load-dependent crack formation with gaping joints.
When verifying masonry structures, the following three non-linearities must generally be taken into account:
The analysis of non-linear mathematical problems therefore requires in-depth specialist knowledge from the engineer. In contrast to the linear-elastic calculation, sensitivity investigations are necessary here so that the influences of certain input values can be better assessed.
On closer analysis the building material masonry can no longer be depicted as an elastic continuum, since its structure changes according to the combination of the actions, through crack formation with joints opening up. Using the finite element method, the so-called Discontinuum Model is created by installing contact elements between the joint edges of the stones. The linked contact elements transmit only pressure and frictional forces. This important detail enables the realistic modelling of masonry with crack formation under increased loading.
The load-bearing capacity of masonry is determined not only by the compressive strength of the stone but also, and in particular, by the tensile strength of the stone. In the case of arched bridges made of brick shaped natural stone masonry, mortar compressive strength plays a subordinate role due to the relatively small thickness of the joints. In the current standardisation, only a single safety factor gM is defined on the resistance side for simplification. However, for the mathematical calculation of further load-bearing reserves, the individual components can also be secured on the resistance side.
The partial safety factors are based on the following verification principle:
Using the example of five masonry arched bridges, the recalculation guideline [1] is validated for the use with current computer technology and the current standards. In the course of this research project, proposals for updating the guideline for its use as an analysis method are documented.
The following parameters were investigated:
The utilisation rates for the verifications were documented:
Ultimate limit state <ULS>
Serviceability limit state <SLS>
The example bridges could be verified on the basis of the recalculation guideline, whereby all required boundary conditions were met.
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Die Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen stehen ab dem Jahrgang 2003 zum Teil als kostenfreier Download im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.