Nachrechnung von Brücken im Bestand > Nachrechnungsrichtlinie <

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1 Nachrechnung von Brücken im Bestand > Nachrechnungsrichtlinie < VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 1

2 Inhalt Grundsätzliches - Ausgangspunkt Konzept der Nachrechnungsrichtlinie Sicherheitskonzept Einwirkungsseite Widerstandsseite Ausblick VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 2

3 Grundsätzliches Ausgangspunkt Ausgangssituation Zunahme des Schwerverkehr Größere Beanspruchung der Bauwerke Es ist ein erheblicher Anteil älterer Bauwerke im Bestand vorhanden. Eine Reihe älterer Bauwerken hat, auf Grund der damaligen Vorschriftenlage, Probleme in den Tragfähigkeitsreserven (z. B. Koppelfugen, Temperatureinwirkungen, Spannungsrisskorrosion, Mindestquerkraftbewehrung). Die Nachrechnung älterer Bauwerke auf der Grundlager der DIN-Fachberichte ist im Allgemeinen nicht Erfolg versprechend. Ein Nachweis auf der Grundlage der alten Vorschriften ist häufig problematisch, da zusätzliche Nachweise erforderlich werden. VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 3

4 Grundsätzliches Ausgangspunkt Verteilung der LKW Fahrzeugtypen in % Auxerre (F) 18 t Brohltalbrücke BAB A 61 LKW; 23% PKW; 77% LKW > 12 t 1984: ca / 24 h 2005: ca / 24 h Δ = 1,46 1,50 40 t Häufigkeit in % Aus: Auswirkungen des Schwerlastverkehrs auf die Brücken der Bundesfernstraßen; Berichte der BAST, Heft B 68, 2009 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 4

5 Grundsätzliches Ausgangspunkt Abhängigkeit des Schädigungsfaktors vom PKW-Gewicht und der Art des LKW Aus: Auswirkungen von neuen Fahrzeugkonzepten auf die Infrastruktur des Bundesfernstraßenetzes; BAST 2006 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 5 in t

6 Grundsätzliches Ausgangspunkt Altersstruktur der Bauwerke BK 60 BK 60/30 LM 1 Bauwerksfläche in Mio m 2 Baujahr Aus: Joachim Naumann; Brücken und Schwerverkehr Eine Bestandsaufnahme; Straße und Autobahn, VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 6

7 Grundsätzliches Ausgangspunkt Regelwerke für Brücken in Spannbetonbauweise im Bereich der Mecklenburg-Vorpommern Es fehlen Regelungen für die Nachrechnung bestehender Bauwerke VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 7

8 Konzept der Nachrechnungsrichtlinie Inhaltliche Struktur der Nachrechnungsrichtlinie Abschnitt 1 bis 3 4 und 6 7 und und 14 Anhang Inhalt Grundsätzliches (Geltungsbereich, Normen, Begriffe) Grundkonzept; Bestandserfassung; Entscheidungsfindung Sicherheitsbeiwerte; Baustoff Regelungen zum Betonbau (Stahlbeton- + Spannbetonbau) Regelungen zum Stahl- und Stahlverbundbau Regelungen zum Mauerwerksbau Werkstoffuntersuchungen Bauzeitliche Verkehrsführung; Hinweise + Erläuterungen Koppelfugen; Spannungsrisskorrosion; Lastmodelle; usw. VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 8

9 Stufe 1 Standardberechnung Konzept der Nachrechnungsrichtlinie Gestuftes Verfahren der Nachrechnung DIN EN : 201X Einwirkung + Bemessung DIN-FB : 2009 Einwirkung + Bemessung Ohne Einschränkung der Restnutzungsdauer Stufe 2a Stufe 2b Stufe 2c DIN FB Nachrechnungsrichtlinie Ohne maßgebende Einschränkung im GZG 1.) DIN-FB Nachrechnungsrichtlinie mit Einschränkungen im GZG 2.) BK 60/30 charakteristische Einwirkung + Nachweise nach DIN-FB Nachrechnungsrichtlinie mit und ohne Einschränkung im GZG BK 60 charakteristische Einwirkung + Nachweise nach DIN-FB Nachrechnungsrichtlinie mit u. ohne Einschränkung im GZG 30 Jahre GZT GZG Geplanter Nutzungszeitraum 10 Jahre GZT GZG Einschränkung der Restnutzungsdauer ggf. + Kompensationsmaßnahmen GZT GZG Stufe 3 Stufe 4 Messwertgestützte Berechnung Verkehrseinwirk. + Anforderungen gemäß Stufe 2 Probabilistische Berechnung Verkehrseinwirk. + Anforderungen gemäß Stufe 2 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 9

10 Sicherheitskonzept Grundsatz des Nachweises der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit Einwirkung Widerstand? E < R VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 10

11 Sicherheitskonzept Nachweis der Tragfähigkeit bzw. Gebrauchstauglichkeit Globales Sicherheitskonzept (bis April 2003) R( chrakteristisch) γ(2,10;1,75;...; 1,00) E( chrakteristisch) Teilsicherheitskonzept (ab Mai 2003) * E d [ f E ; γ ; γ ; γ ; ψ )] R [ f ( R ; γ )] ( k G Q P d k M * Auch im Rahmen der TGL VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 11

12 Übergang vom Globalen- zum Teilsicherheitskonzept Beispiel: Versagen mit Vorankündigung Betonbau γ = 1,75 = γ γ Mit γ F M R( chrakteristisch) E( chrakteristisch) = f ( γ ; γ ; ρ ; f ; f ) = 1,21L1, 29 Hierbei gilt: γ = 1,50 und = 1, 15 γ M F = γ γ M c = s s ck yk (s. GruSiBau) Annahme: = 1,35 (s. GruSiBau) + G k /Q k = 65 % / 35 % γ G 1,75 1,25 c = 1,40 Sicherheitskonzept γ s γ F 1,25 E k R γ k M γ Q = 1,50 Unter diesen Annahmen ergibt sich nach dem Globalen- und dem Teilsicherheitskonzept, bei gleichen Einwirkungen und gleichen Bauteilwiderständen, die selbe Versagenswahrscheinlichkeit VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 12

13 Sicherheitskonzept Modifikation von Teilsicherheitsbeiwerte Die Sicherheitsbeiwerte dienen im Wesentlichen der Abdeckung folgender Unsicherheiten: System und Geometrie Belastung Materialeigenschaften (Festigkeiten, Dichte usw.) Sind Teile dieser Unsicherheiten bekannt so ist eine Reduktion der Teilsicherheitsbeiwerte möglich. VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 13

14 Sicherheitskonzept Modifikation von Teilsicherheitsbeiwerte Einwirkungsseite Die Teilsicherheitsbeiwerte setzen sich aus zwei Anteilen zusammen: γ F,i = γ f,i γ sys Widerstandsseite γ M = exp 1 k n V ( 2 ) 0,8 β V 0,5 V M M M γ f,i γ f,i Teilsicherheitsbeiwert für die Einwirkung Teilsicherheitsbeiwert für Ungenauigkeiten im mechanischen System und Systemempfindlichkeiten k n Fraktilfaktor (z. B. 1,645) V M Varianz (bei Beton ca. 0,2) β Sicherheitsindex (GTZ 4,7) VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 14

15 Einwirkungsseite Wesentliche Einflüsse auf das Verkehrslastmodell Fahrzeugtypen Verkehrsvolumen Verkehrszusammensetzung Dynamische Einflüsse (Fahrbahnbelag, Steifigkeit der Brücke, Fahrzeugtyp usw.) Schwerverkehrsanteil Breite der Bauwerke (Anzahl der Verkehrsstreifen) VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 15

16 Einwirkungsseite Verkehrslastmodellierung 40 t Fahrzeug Bimodale Normalverteilung Trimodale Normalverteilung Aus: Auswirkungen von neuen Fahrzeugkonzepten auf die Infrastruktur des Bundesfernstraßenetzes; BAST 2006 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 16

17 Einwirkungsseite Verkehrslastmodellierung DIN 1072 Belastung H1: 42 t - Fahrzeug mit 1 m Abstand und ϕ = 1,0 1,0 m Annahmen für Belastung H2: 42 t - Fahrzeug mit 10 m Abstand die Hauptspur und ϕ nach DIN m Aus: Lehmann, G.; Adam, J. Aktualisierung der Verkehrs-Regellasten für Straßenbrücken, Neufassung DIN 1072; Straße und Autobahn H.2/1983 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 17

18 Einwirkungsseite Vergleich der Einwirkungen DIN-FB 101 und DIN 1072 DIN-FB 101 Die Beanspruchungen wurden am Auxerre Verkehr (F) kalibriert. Die Verkehrszusammensetzung wurde am deutschen Schwerlastverkehr orientiert. In den Beanspruchungen sind dynamische Einflüsse berücksichtigt. DIN 1072 Die Beanspruchungen der DIN 1072 berücksichtigen den zu diesem Zeitpunkt zugelassenen Verkehr nach StVZO. Dynamische Einflüsse sind über einen Schwingbeiwert zu berücksichtigen In beiden Fällen handelt es sich um charakteristische Einwirkungen, welche den realen Verkehr widerspiegeln sollen! VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 18

19 Einwirkungsseite Möglichkeiten zur Ermittlung von Einwirkungen Restnutzungsdauer 10 Jahre oder Nachweis, dass das Lastmodell ausreicht Berücksichtigung des Schwingbeiwertes erforderlich Restnutzungsdauer 30 Jahre oder Nachweis, dass das Lastmodell ausreicht Lastmodel modifiziert (LMM) Teilsicherheitsbeiwerte: γ G = 1,35 γ Q = 1,50 Aus : Mahrzahn, G.: Sachstand Nachrechnungsrichtlinie, Ausgabe 201X γ Q = 1,35 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 19

20 Einwirkungsseite Modifikation des Teilsicherheitsbeiwertes γ G (Betonbau) Allgemein γ G = 1,35 Bestimmung der Eigenlast am Tragwerk (Aufmass + Bestimmung der Rohdichte des Materials) γ G = γ g γ sd γ G γ g Teilsicherheitsbeiwert für die Eigenlast mögliche Abeichung vom charakteristischen Wert (statistisch begründeter Anteil) γ g = 1,00 γ sd Modellunsicherheit (im Lastmodell) γ sd =1,15 γ G = 1,00 1,15 1,20 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 20

21 Einwirkungsseite Möglichkeiten der Schnittgrößenermittlung im Rahmen der Nachrechnungsrichtlinie Linear-elastische Berechnung im GZT und GZG (Elastizitätstheorie) Schnittgrößenumlagerung (Fließgelenktheorie) im GZT (Betonbau) Nachweis der plastischen Rotation erforderlich Schnittgrößenermittlung mittels nichtlinearer Verfahren im GZT (γ R -Verfahren) Abminderung von Zwangsschnittgrößen im GZT (Betonbau) VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 21

22 Widerstandsseite Materialkennwerte Gegenüberstellung Zuordnung von Betonfestigkeiten Schnell, J.; Loch, M.: Umrechnung historischer Baustoffkennwerte auf charakteristische Werte; Prüfingenieur; April 2009 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 22

23 Widerstandsseite Materialkennwerte Gegenüberstellung Charakteristische Streckgrenze und Duktilitäsklassen von Betonstählen Schnell, J.; Loch, M.: Umrechnung historischer Baustoffkennwerte auf charakteristische Werte; Prüfingenieur; April 2009 VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 23

24 Widerstandsseite Ermittlung der Materialkennwerte auf der Grundlage von Versuchen Ermittlung der charakteristischen Festigkeit: X k = m x (1-k n V x ) X k m x V x k n charakteristischer Wert der Festigkeit Mittelwert der Stichprobe Variationskoeffizient der σ Grundgesamtheit Vx = m Fraktilfaktor k n σ x x x Modifikation des Teilsicherheitsbeiwertes γ c Allgemein γ c = 1,5 Bestimmung an Bohrkernen aus dem Tragwerk γ c = 1,35 Bedingung: Bestimmung der Betonfestigkeit an einer ausreichender Anzahl von Bohrkernen, sowie einer flächigen Überprüfung durch Untersuchungen mit dem Schmidthammer VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 24

25 Erweiterte Nachweise im Betonbau (Beispiele) Alternative Nachweise im GZT Widerstandsseite Schubnachweis Flacherer Druckstrebenwinkel Θ = 18,4 Analog zur DIN u. DIN EN Nachweis der Begrenzung der Schubrissbreite erforderlich Torsion Flacherer Druckstrebenwinkel Θ = 30,0 Schubnachweis Anwendung des Sprengwerkmodells nach Hegger/Görtz derzeit nur bedingt anwendbar Forschungsbedarf Alternative Nachweise im GZG Keine Forderung nach einer Mindestrissbreitenbewehrung (sofern Rissbildung abgeschlossen) Beschränkung der Rissbreite w k = 0,30 mm bei Stahlbeton w k = 0,20 mm bei Spannbeton VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 25

26 Ausblick Ziel Fertigstellung der Nachrechnungsrichtlinie im 1. Quartal 2010 Es sind Forschungsvorhaben zur Weiterentwicklung der Richtlinie geplant: Auswirkungen einer begrenzten Nutzungsdauer auf die Größe der Sicherheitsbeiwerte Anwendung alternativen Nachweiskonzepten für Bauteile ohne ausreichende Mindestquerkraftbewehrung Zulassung von größeren Rissbreiten bei begrenzter Nutzungsdauer In den nächsten Jahren ist eine weitere Aktualisierung der Richtlinie erforderlich (Begleitung durch Arbeitsgruppe) Die Richtlinie kann nur den großen Rahmen vorgeben jedes Bauwerk ist ein Unikat, und somit ist, durch den Baulastträger, in jedem Einzelfall gesondert zu entscheiden. VSVI-Seminar Linstow 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 26

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