Das neue Teilsicherheitskonzept im Tunnelbau Auswirkungen auf das Sicherheitsniveau der Konstruktion und Empfehlungen zur Anwendung

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1 Das neue Teilsicherheitskonzept im Tunnelbau Auswirkungen auf das Sicherheitsniveau der Konstruktion und Empfehlungen zur Anwendung Dr.-Ing. Axel Städing/Dipl.-Ing. Tina Krocker, Ingenieurbüro Prof. Duddeck + Partner GmbH, Braunschweig/D Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Friebel, Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Bonn/D Dr.-Ing. Frank Heimbecher, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach/D Kurzfassung Zur Überprüfung der Auswirkungen aus der Einführung der neuen Regelwerke auf Basis der neuen europäischen Regelungen im Grund- und Straßentunnelbau in Deutschland wurden Vergleichsberechnungen nach dem neuen Teilsicherheitskonzept und nach dem bisherigen Globalsicherheitskonzept durchgeführt. Der Bericht erläutert an drei praxisnahen Beispielen einem Trogbauwerk, einem Tunnel in offener Bauweise und einem Tunnel in geschlossener Bauweise die bei der Berechnung und Bemessung von Straßentunnelbauwerken anzusetzenden Einwirkungen, die Wahl der Teilsicherheiten, den Berechnungsgang und die Ergebnisse. Die Auswirkungen des Teilsicherheitskonzeptes hinsichtlich Sicherheit und Wirtschaftlichkeit werden durch Vergleich mit den Ergebnissen nach dem Globalsicherheitskonzept dargelegt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die ZTV-ING und die zugehörigen fachspezifischen Vorschriften, insbesondere DIN 1054 und die DIN-Fachberichte 101 und 102, zusammen eine hinreichende und zweckmäßige Grundlage für die Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes im Tunnelbau darstellen. 1 Aufgabenstellung Die seit Mai 2003 im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW) eingeführten Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Brückenund Ingenieurbauwerke (ZTV-ING [3]) schreiben die Anwendung der neuen Vorschriftengeneration vor. Für Tunnelbauwerke in geschlossener und offener Bauweise (ZTV-ING, Teil 5, Abschnitte 1 und 2 siehe Bild 1) sind dies in erster Linie die DIN 1054 Baugrund Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau, die DIN-Fachberichte 101 Einwirkungen auf Brücken und 102 Betonbrücken sowie die fachspezifischen europäischen Normen, z. B. DIN EN 1536 (Bohrpfähle). Daneben sind selbstverständlich auch die übrigen diesbezüglichen Vorschriften in ihrer neuesten Fassung zu berücksichtigen, z. B. DIN 4085 (Erddruckberechnung), DIN (Böschungs- und Geländebruchberechnungen), EAB-100. Bild 1: Zuordnung des Teils 5 Tunnelbau zur ZTV-ING The new concept of partial safety coefficients for road tunnelling Effects on the safety level of the construction and recommendations for the application Abstract In order to verify the effects of the introduction of new standards in the area of foundation works and road tunnelling in Germany on the basis of new European regulations, comparing calculations have been established according to the new concept using partial safety coefficients on the one hand and the previous one of global safety coefficients on the other hand. On the basis of three realistic examples a trough construction, a cut and cover tunnel and a tunnel driven by underground means the report illustrates the impacts and the choice of partial safety coefficients, which have to be applied in the calculation and dimensioning of road tunnels, and it shows the calculation process and the results. The effects of the concept using partial safety coefficients with regard to safety and profitability are exemplified by a comparison with the results based on the concept using global safety coefficients. The calculations have proved that the ZTV-ING (Additional technical contract conditions and guidelines for constructional engineering) and the respective specific standards, especially DIN 1054 and the technical reports 101 and 102 are a sufficient and appropriate basis for the application of the concept of partial safety coefficients for foundation works and road tunnelling. Für den Entwurf und die Bemessung von Straßentunnelbauwerken, aber auch für die Herstellung der Baugruben und Gründungen geregelt im Teil 2 Grundbau der ZTV-ING wurden damit eine Reihe von neuen Vorschriften maßgebend, mit deren Anwendung bisher kaum Erfahrungen vorlagen. Aus diesem Grund wurde ein Forschungsprojekt [2] im Auftrag des BMVBW, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), initiiert, welches folgende Zielsetzungen hatte: Anwendung der neuen ZTV-ING und der zugehörigen fachspezifischen Normen auf die Berechnung und Bemessung repräsentativer Tunnel- und Grundbauwerke Überprüfung der Auswirkungen des Teilsicherheitskonzeptes hinsichtlich Sicherheit und Wirtschaftlichkeit durch Vergleichsberechnungen mit dem bisherigen Globalsicherheitskonzept Ableitung von Empfehlungen für die Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes bei der statischen Berechnung von Tunnel- und Grundbauwerken. Zur Durchführung des Projektes wurden für die Berechnung der Tunnelbauwerke die folgenden praxisnahen Bauwerksbeispiele gewählt: 40 Forschung + Praxis 97

2 Stahlbetontrogbauwerk (Straßenquerschnitt RQ 26T) Tunnelbauwerk in offener Bauweise als zweizelliger Stahlbetonrahmen (Straßenquerschnitt RQ 26T) Zweischaliger Tunnel in geschlossener Bauweise (Spritzbeton, Straßenquerschnitt RQ 10,5T). Nachfolgend werden die Standsicherheitsnachweise für die o.g. Beispiele nach dem Teilsicherheitskonzept erläutert, die Ergebnisse mit den Resultaten nach dem Globalsicherheitskonzept verglichen und Empfehlungen zur Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes im Straßentunnelbau gegeben. 2 Standsicherheitsnachweis für ein Trogbauwerk 2.1 Berechnung nach dem Teilsicherheitskonzept Die Abmessungen des betrachteten Stahlbetontrogs, die Baugrundverhältnisse und der für den Endzustand maßgebende Grundwasserspiegel sind Bild 2 zu entnehmen. Globale Sicherheitsbeiwerte Einwirkungen Teilsicherheitsbeiwerte und Kombinationsbeiwerte Verkehr = 1,0 allgemein G = 1,35 akt. Erddruck, Wasserdruck G = 1,35 Erdruhedruck G = 1,20 veränderliche Verkehr i. Trog Q = 1,50 Doppelachse TS O = 1,50 Streifenlast UDL O = 0,40 Temperatur = 1/1,75 Temperatur Q = 1,00 Widerstände Betonstahl S = 1,75 Betonstahl S = 1,15 Beton B = 2,10 Beton C = 1,50 Tabelle 1: Sicherheits- und Kombinationsbeiwerte für die Tragfähigkeitsnachweise des Trogbauwerks Bild 2: Trogbauwerk Für dieses Bauwerk sind die Regelungen entsprechend ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2 sinngemäß anzuwenden. Für die baugrundspezifischen Nachweise gilt die DIN 1054 und hinsichtlich der Verkehrslasten der DIN-Fachbericht 101. Auf der Grundlage dieser Vorschriften sind für die Bau- und Endzustände die Tragfähigkeit inkl. Auftriebssicherheit und die Gebrauchstauglichkeit nachzuweisen. Für die statische Berechnung werden die folgenden Grundlagen zusammengestellt: Die charakteristischen Baugrundkennwerte werden in der Regel im geotechnischen Bericht angegeben. Sie entsprechen den beim Globalsicherheitskonzept zu Grunde zu legenden Rechenwerten der Baugrundkennwerte. Die Materialkennwerte für den Beton und den Betonstahl sowie die zugehörigen Teilsicherheitsbeiwerte sind dem DIN-Fachbericht 102 bzw. DIN 488 zu entnehmen. Das statische System wird mit seinen wahren Abmessungen und charakteristischen Steifigkeiten im Berechnungsmodell abgebildet. Als Einwirkungen auf das Trogbauwerk werden angesetzt: das Eigengewicht nach DIN 1055, der Wasserdruck gemäß geotechnischem Bericht, der minimale und der maximale Erddruck nach E DIN 4085 unter Berücksichtigung des aktuellen Bearbeitungsstandes, die Verkehrslast auf der Hinterfüllung sowie die Temperaturbeanspruchungen nach Abschn. 2 der ZTV-ING, Teil 5 und die Verkehrslasten im Trog nach DIN-Fachbericht 101. Als Bauwerk, welches maßgebend durch Erd- und Wasserdruck belastet wird, liegt der Trog definitionsgemäß im Anwendungsbereich der DIN 1054 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau. Für den Tragfähigkeitsnachweis sind die Teilsicherheiten für die Einwirkungen daher in erster Linie der DIN 1054 zu entnehmen. Hinsichtlich der Ver- kehrslasten ist der DIN-Fachbericht 101 anzuwenden, für die Temperatur, die in diesem Beispiel die vorherrschende veränderliche Einwirkung darstellt, ist der Wert nach ZTV-ING anzusetzen. Zusätzlich zu den Teilsicherheiten erhalten die nicht vorherrschenden veränderlichen Einwirkungen einen Kombinationsbeiwert. Dieser wird im DIN- Fachbericht 101 angegeben. Er ergibt sich für die Verkehrslasten im Trog zu 0,75 bzw. 0,4, siehe Tabelle 1. Um Überbeanspruchungen des endgültigen Bauwerks aus Bauzuständen zu vermeiden, werden auch die Bauzustände mit den Teilsicherheiten des Lastfalles 1 (Endzustand) berechnet. Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit, d. h. für die Begrenzung der in den ZTV-ING vorgegebenen Rissbreiten, sind die Einwirkungen mit ihren charakteristischen Werten und die Kombinationsbeiwerte nach DIN-Fachbericht 101, Tabelle 9.4 und C.2 heranzuziehen. Die anzusetzende Einwirkungskombination häufig ergibt sich aus der Tabelle des DIN-Fachberichtes 102, da das schlaff bewehrte Bauwerk in die Anforderungsklassen D und E fällt (Dekompression entfällt) und D maßgebend wird. Die Schnittgrößen im Bauwerk werden mithilfe eines Stabwerkprogrammes für alle Lastfallkombinationen berechnet. Dazu werden die aus den einzelnen charakteristischen Einwirkungen resultierenden Schnittgrößen bei linearer Berechnung mit den o.g. Teilsicherheitsund Kombinationsbeiwerten multipliziert und miteinander überlagert. Die Bemessung für den Grenzzustand der Tragfähigkeit erfolgt nach DIN-Fachbericht 102. Im Unterschied zur bisherigen Biegebemessung nach DIN 1045 darf dabei die Verfestigung des Betonstahls bis zu einer Zugfestigkeit von f tk,cal = 525 N/mm 2 berücksichtigt werden (anstatt s = 500 N/mm 2 ). Die Bemessung der Schubbewehrung erfolgt wie bisher in Anlehnung an ein Fachwerkmodell, wobei die Druckstrebenneigung in Abhängigkeit von der Größe der Querkraft zwischen 18,4 und 60 anzunehmen ist. Die Bemessung für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit besteht in der Beschränkung der Rissbreite, die in ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 2 für Wasserundurchlässige Betonkonstruktionen (WUB- KO) vorgegeben ist (w k,cal = 0,2 mm bzw. w k,cal = 0,15 mm). Dabei braucht die aus Temperatur resultierende Stahlspannung nur berücksichtigt zu werden, wenn die Stahlspannung im Gebrauchszustand ohne Temperatureinwirkung kleiner ist als die Anrissspannung im betrachteten Querschnitt. Diese kann mit den Gleichungen Forschung + Praxis

3 und im DIN-Fachbericht 102, Kap. II unter Ansatz von s = sr ermittelt werden. 2.2 Vergleich der Ergebnisse nach dem Teil- und dem Globalsicherheitskonzept Im Bild 3 sind die für die Tragfähigkeit erforderlichen Bewehrungsquerschnitte nach beiden Sicherheitskonzepten gegenübergestellt. Demnach führen die Berechnungen nach dem Teilsicherheitskonzept in der Wand zu weniger Biegebewehrung als die Berechnungen nach dem Globalsicherheitskonzept. Aus den Teilsicherheiten für die Einwirkungen Erd- und Wasserdruck multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert für den Betonstahl ergibt sich ein Gesamtwert von etwa 1,20 x Bild 4: Bewehrungsquerschnitte aus dem Gebrauchstauglichkeitsnachweis Bild 3: Bewehrungsquerschnitte aus dem Tragfähigkeitsnachweis 1,15 = 1,38 bzw. 1,35 x 1,15 = 1,55. Nach dem Globalsicherheitskonzept ist ein pauschaler Sicherheitsbeiwert für diese Fälle von 1,75 anzusetzen. Zusätzlich ergibt sich aus der neuen Biegebemessung bei geringer bis mäßiger Biegebeanspruchung durch den Ansatz einer höheren rechnerischen Stahlzugfestigkeit (f tk,cal = 525 N/mm 2 ) eine weitere Verringerung des erforderlichen Bewehrungsquerschnittes ( 5 %). Darüber hinaus ist der resultierende Verdichtungserddruck nach dem aktuellen Bearbeitungsstand der E DIN 4085 etwas kleiner als nach alter Vorschrift. Diese Einflüsse werden nur unwesentlich verkleinert durch den um 15 % höheren Teilsicherheitsbeiwert für die Temperaturbeanspruchungen ( = 1,15 auf der Materialseite). Im Hinblick auf die zu erwartende hohe Wahrscheinlichkeit, dass der tatsächliche Erddruck nicht größer wird als der angesetzte Erdruhedruck, werden die Ergebnisse aus den Wasser- und Erdruhedruckbeanspruchungen als akzeptabel eingestuft. Die etwas höheren Bewehrungsquerschnitte aus den Temperaturbeanspruchungen sind für das Gesamtergebnis der Bemessung von untergeordneter Bedeutung und ebenfalls akzeptabel. Der für das Teilsicherheitskonzept größere Bewehrungsquerschnitt auf der Sohloberseite resultiert im Wesentlichen aus dem ungünstigeren Ansatz für Wintertemperaturen (Innenseite 25 C anstatt 20 C) nach ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 2 gegenüber den bisherigen Ansätzen nach ZTV-Tunnel, Teil 2. Bei der Schubbemessung ergeben sich nach den neuen Vorschriften ebenfalls kleinere Bewehrungsquerschnitte. Auch hier ist das Produkt der Teilsicherheiten kleiner als die Globalsicherheit von 1,75. Darüber hinaus wird beim neuen Bemessungskonzept bei vergleichbaren Schubbeanspruchungen mit flacheren Druckstreben gerechnet. Die Schubbewehrung in der Sohle ergibt sich aus der Definition von Balken und Platten nach DIN-Fachbericht 102. Für das Verhältnis von Breite zu Dicke < 5 (10 m/2,35 m = 4,26) gilt die Sohle als Balken, welcher der Vorschrift nach eine Mindestbewehrung erhält. Die aus dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit resultierenden Bewehrungsquerschnitte nach beiden Konzepten sind in Bild 4 dargestellt. In der Wandmitte ergibt sich hier nach neuem Konzept deutlich weniger Bewehrung, da für diesen Punkt nach neuem Rissbreitennachweis die Stahlspannung ohne Temperatureinwirkung größer ist als die Anrissspannung, sodass die Temperaturschnittgrößen nicht in die Bewehrungsberechnung eingehen. Für die Sohlmitte, Unterseite führt das gegenüber dem Globalkonzept kleinere Bemessungsmoment aus Temperatur (Faktor 0,5 statt 0,7) bei etwa gleicher Normalkraft aus Erddruck zu einem deutlich kleineren Bewehrungsquerschnitt. Der Vergleich mit den statisch erforderlichen Bewehrungsquerschnitten macht deutlich, dass die Formeln zur Rissbreitenbeschränkung unter Umständen sensibel reagieren und Bemessungssprünge ( s < oder > sr ) möglich sind. 3 Standsicherheitsnachweis für ein Tunnelbauwerk in offener Bauweise 3.1 Berechnung nach dem Teilsicherheitskonzept Das betrachtete Tunnelbauwerk ist mit seinen Abmessungen, den Baugrund- und Grundwasserverhältnissen in Bild 5 dargestellt. Die hierfür maßgebenden Vorschriften sind dieselben, wie die für das Trogbauwerk genannten. Damit ergeben sich für den Tunnelrahmen die dem Trog entsprechenden Eingangswerte für die statische Berechnung, vgl Zusätzlich sind für den Tunnelrahmen die außergewöhnlichen Einwirkungen Fahrzeuganprall und Brand nach DIN- Fachbericht 101, Kap. IV bzw. ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 2 anzusetzen. Für diese beiden Einwirkungen sind die Lastfallkombinationen für außergewöhnliche Situationen zu untersuchen (DIN-Fachbericht 101, Kapitel II, ). Bild 5: Tunnel in offener Bauweise, Querschnitt 40 Forschung + Praxis 99

4 Bild 6: Bewehrungsquerschnitte aus dem Tragfähigkeitsnachweis Die Nachweise der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit für das Bauwerk werden analog zum Vorgehen beim Trogbauwerk geführt, vgl Vergleich der Ergebnisse nach dem Teil- und dem Globalsicherheitskonzept Der Vergleich der für die Tragfähigkeit erforderlichen Bewehrungsquerschnitte zeigt auch für dieses Beispiel, dass das Teilsicherheitskonzept in allen Querschnitten etwa 7 bis 16 % weniger Biegebewehrung erfordert als das Globalsicherheitskonzept, siehe Bild 6. Die Ursachen wurden bereits am Beispiel des Trogbauwerks erläutert. Im Hinblick darauf, dass Überschüttung, Wasserdruck und Eigengewicht mit hoher Wahrscheinlichkeit zutreffend erfasst werden können, wird das Ergebnis als akzeptabel eingestuft. Auch die Schubbewehrungsquerschnitte sind nach dem Teilsicherheitskonzept kleiner als nach den alten Vorschriften. Die Ursachen kleinere Gesamtsicherheit und flachere Druckstreben wurden bereits unter 2.2 erläutert. Die aus dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit resultierenden Bewehrungsquerschnitte nach beiden Konzepten weichen mit Ausnahme der Werte in der Außenwand nur mäßig voneinander ab, siehe Bild 7. In diesen beiden Punkten überschreitet die nach DIN-Fachbericht errechnete Stahlspannung die Anrissspannung bereits ohne Temperatureinwirkung, sodass diese bei der Rissbreitenbemessung nicht berücksichtigt zu werden braucht. Im Gegensatz dazu muss die Temperatur bei der Bemessung nach dem Globalsicherheitskonzept (DAfStb-Heft 400) im vorliegenden Fall mit angesetzt werden. Bild 8: Tunnel in bergmännischer Bauweise, Querschnitt 4 Standsicherheitsnachweis für ein Tunnelbauwerk in geschlossener Bauweise 4.1 Berechnung nach dem Teilsicherheitskonzept Der betrachtete Straßentunnel wird in bergmännischer Bauweise aufgefahren. Er liegt mit einer Überlagerung von 18 m in unverwitterten bis schwach verwitterten Tonstein-Sandstein-Wechselfolgen. Der Grundwasserspiegel wird im Bauzustand bis auf Höhe der Tunnelsohle abgesenkt und liegt im Endzustand 10 m über der Tunnelfirste. Die Gesamtkonstruktion und die Abmessungen sind Bild 8 zu entnehmen. Abweichend von der dränierten Regelbauweise [1] wird für das Beispiel ein undränierter Tunnel gewählt, um sämtliche Bemessungssituationen erfassen zu können. Für dieses Bauwerk gelten die Regelungen des Abschnittes 1 der ZTV-ING, Teil 5. Für die Ansätze im Einzelnen gelten dieselben fachspezifischen Vorschriften wie für die vorangegangenen Beispiele. Globale Sicherheitsbeiwerte Teilsicherheitsbeiwerte Einwirkungen Verkehr = 1,0 allgemein, Eigengewicht, Erd- und Wasserdruck G = 1,35 veränderliche Temperatur = 1/1,75 Temperatur Q = 1,0 Widerstände Betonstahl S = 1,75 Betonstahl S = 1,15 Beton B = 2,10 Beton C = 1,50 Bild 7: Bewehrungsquerschnitte aus dem Gebrauchstauglichkeitsnachweis Tabelle 2: Sicherheitsbeiwerte für Tragfähigkeitsnachweise der Tunnelinnenschale Forschung + Praxis

5 Ebenso ergeben sich die Eingangswerte für die statische Berechnung entsprechend den Ansätzen für den Trog und den Tunnelrahmen. Als statisches System wird für diesen Tunnel ein Finite-Elemente-Modell (FE-Modell) gewählt, in welchem Bauwerk und Baugrund mit ihren wahren Abmessungen und mit ihren charakteristischen Steifigkeiten abgebildet werden. Darüber hinaus wird mit dem FE-Modell auch der Baufortschritt mit den daraus resultierenden Lastumlagerungen erfasst. Die Anforderungen an das Berechnungsmodell sind Abschnitt 1 der ZTV-ING, Teil 5 zu entnehmen. Hinsichtlich der Sicherheitsnachweise ist festzustellen, dass Tunnel in geschlossener Bauweise in der DIN 1054 nicht ausdrücklich als Anwendungsbereich genannt werden. Da jedoch auch diese Bauwerke in erster Linie durch Wasserdruck und Erd- oder Gebirgsdruck belastet werden und es keine diesbezügliche Vorschrift für bergmännische Tunnel gibt, erscheint es zweckmäßig, auch für diesen Tunnel die Sicherheitsnachweise nach DIN 1054 zu führen. Die Einwirkungen Eigengewicht, Gebirgsdruck und Wasserdruck werden dabei mit ihren charakteristischen Werten auf das System angesetzt. Für die Bemessung werden die Schnittgrößen anschließend mit den in Tabelle 2 dargestellten zugehörigen Teilsicherheitsbeiwerten nach DIN 1054, Tabelle 2 multipliziert. Der Ansatz erhöhter Lasten auf das FE-Modell ist wegen des nicht linearen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens des Baugrundes nicht praktikabel. Lediglich die Temperatureinwirkungen werden für den Tragfähigkeitsnachweis mit dem Faktor 1/ G multipliziert und auf das System aufgebracht, um bei der Bemessung als Ergebnis die Temperaturteilsicherheit von 1,0 zu erreichen. Bei der Ermittlung der Schnittgrößen für den Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit werden die Temperatureinwirkungen entsprechend den Vorgaben der ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 2 mit einem Kombinationsbeiwert von = 0,5 multipliziert. Die Bemessung der Außen- und der Innenschale für den Grenzzustand der Tragfähigkeit erfolgt nach DIN-Fachbericht 102. Ein Nachweis der Gebrauchstauglichkeit wird in Abschn. 1 der ZTV- ING, Teil 5 nur für Wasserundurchlässige Betonkonstruktionen (WUB- KO) gefordert. Im Hinblick auf die korrosionsfördernden Einflüsse, denen die Tunnelinnenflächen ausgesetzt sind (z. B. Tausalz), wird zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit im betrachteten Beispiel für die Bild 9: Bewehrungsquerschnitte aus dem Tragfähigkeitsnachweis Innenschale entsprechend den Anforderungen an Tunneln in offener Bauweise eine Rissbreite von w k,cal 0,20 mm als zweckmäßig angesehen und zu Grunde gelegt. 4.2 Vergleich der Ergebnisse nach dem Teil- und dem Globalsicherheitskonzept Wesentliche Biegebeanspruchungen infolge Gebirgsdruck treten bei dem gewählten Beispiel nicht auf, siehe Bild 9. Der Tragfähigkeitsnachweis für die Außenschale ergibt daher nur in einem Punkt eine geringe Biegebewehrung. Auch für die Innenschale liefert er nur kleine Bewehrungsquerschnitte, die sich überwiegend aus dem Lastfall Eigengewicht und Temperatur ergeben. Hierbei tritt die Besonderheit auf, dass die Temperatureinwirkungen Winter als weit überwiegende Einwirkungen beim Teilsicherheitskonzept zu größeren Bewehrungsquerschnitten auf der Innenseite führen als beim Globalsicherheitskonzept, da die Temperatureinwirkungen hier mit dem Faktor 1/1,35 und beim Globalsicherheitskonzept mit 1/1,75 auf das System angesetzt werden. Im Lastfall Sommer dagegen ergibt sich aus der Temperatureinwirkung neben der Biegebeanspruchung auch eine wesentliche Ringdruckkraft, da Spritzbetonschale und Gebirge eine Ausdehnung der Innenschale behindern. Darüber hinaus ist nach ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 1 sowohl für Winter als auch für Sommer eine um jeweils 5 C größere Änderung der mittleren Bauteiltemperatur anzunehmen als nach den bisherigen Vorgaben der ZTV-Tunnel, Teil 1 (neu: T 0 = + 10 C/ 15 C, alt: T 0 = + 5 C/ 10 C). Daraus resultiert beim Teilsicherheitskonzept (größere Ringdruckkraft) auf der Außenseite ein kleinerer Bewehrungsquerschnitt als beim Globalsicherheitskonzept. Eine Übersicht der Bemessungssicherheiten nach beiden Konzepten für die wesentlichen Einwirkungen (Erd- und Wasserdruck) erhält man aus der Gegenüberstellung des Produktes der Teilsicherheiten und des Globalsicherheitswertes: Für den Bauzustand: Stahlversagen: Teil,Gesamt Einw. x Mat = 1,20 x 1,15 = 1,38 ( Glob. = 1,75) Betonversagen: Teil,Gesamt 1,20 x 1,50 = 1,80 ( Glob. = 2,10) Bild 10: Bewehrungsquerschnitte aus dem Gebrauchstauglichkeitsnachweis 40 Forschung + Praxis 101

6 Für den Endzustand: Stahlversagen: Teil,Gesamt 1,35 x 1,15 = 1,55 ( Glob. = 1,75) Betonversagen: Teil,Gesamt 1,35 x 1,50 = 2,03 ( Glob. = 2,10) Die vereinfachte Darstellung zeigt, dass sich das Produkt der Teilsicherheiten für den Bauzustand deutlich und für den Endzustand mäßig bzw. geringfügig von dem Globalsicherheitsbeiwert unterscheidet. Bei der Bewertung der oben dargestellten Faktoren ist das Tragverhalten des bergmännischen Tunnels besonders zu beachten. Wegen der vollständigen Einbettung der Tunnelschalen ist sowohl für die Außen- als auch für die Innenschale die Ringdrucktragfähigkeit das maßgebende Tragelement und die Biegetragfähigkeit von deutlich geringerer Bedeutung. Für den Endzustand ist damit die nach dem Teilsicherheitskonzept bemessene Haupttragsicherheit (= Ringdruck) nahezu genauso groß wie die nach dem Globalsicherheitskonzept ( = 3,3 %). Die für den Endzustand verringerte Biegetragsicherheit ( 11 %) ist im Hinblick auf die oben erläuterte geringere Bedeutung der Biegemomente akzeptabel. Für den Bauzustand sind die Unterschiede der Tragsicherheiten deutlich größer: 14 % bei der Normalkraftsicherheit und 21 % bei der Biegetragsicherheit. Im Hinblick auf die Unsicherheiten bei der Abschätzung der wirksamen Gebirgsdrücke und die oft lange Standzeit der vorläufigen Sicherung sollten auch die Nachweise für die Spritzbetonschale in Lastfall 1 (Endzustand) eingestuft werden. Beim Nachweis der Rissbreiten werden ebenfalls die Lastfälle Eigengewicht und Temperatur Winter (Innenseite) bzw. Sommer (Außenseite) maßgebend, siehe Bild 10. Hierbei liefert in allen Bemessungspunkten das Teilsicherheitskonzept kleinere Bewehrungsquerschnitte als das Globalsicherheitskonzept. Die Ursache hierfür liegt in den unterschiedlichen Formeln zur Rissbreitenberechnung und in den unterschiedlichen Abminderungsfaktoren für die anzusetzenden Temperaturunterschiede (0,50 x T nach ZTV-ING, Teil 5 Abschn. 2 und 0,70 x T nach ZTV-Tunnel, Teil 2). 5 Ergebnisse der Untersuchungen Die Ergebnisse der Erprobung des neuen Teilsicherheitskonzeptes mit den gewählten Beispielen und der Vergleich mit Berechnungen nach dem bisherigen Globalsicherheitskonzept lassen sich wie folgt zusammenfassen: Bzgl. des Rissbreitennachweises bietet sich an, den Nachweis zu vereinfachen, z.b. mittels tabellarischer Zuordnung von Stabdurchmessern und Stahlspannungen. Tunnel in geschlossener Bauweise Erd- und Wasserdrücke sind die vorherrschenden Einwirkungen auf das Tunnelbauwerk. Für die Teilsicherheitsbeiwerte dieser Lasten wird daher DIN 1054 zu Grunde gelegt. Die Bemessung der Bauzustände mit Teilsicherheiten nach DIN 1054 ergibt für die Außenschale kleinere erforderliche Ringdruckund Biegetragsicherheiten als das Globalsicherheitskonzept. Im Hinblick auf die Unsicherheiten bei der Abschätzung der auf die Schale wirkenden Gebirgsdrücke und die oft lange Standzeit der vorläufigen Sicherung wird empfohlen, die Tragfähigkeitsnachweise für die Spritzbetonschale in Lastfall 1 einzustufen. Im Hinblick auf die Streuung der Berechnungsansätze und Ergebnisse bietet sich auch hier an, den Rissbreitennachweis zu vereinfachen, z. B. mittels tabellarischer Zuordnung von Stabdurchmessern und Stahlspannungen. Bei der Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes auf Tunnel in geschlossener Bauweise ist ein geringfügiges Absinken der Biegetragfähigkeit der Tunnelschalen möglich. Die Ergebnisse der vorgenannten Untersuchungen wurden im Wesentlichen bei der Erstellung der Abschnitte 1 und 2 des Teils 5 Tunnelbau der ZTV-ING berücksichtigt. Zusammen mit den neuen fachspezifischen Vorschriften stellen die ZTV-ING eine hinreichende und zweckmäßige Grundlage für die Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes im Tunnelbau dar. Literatur [1] Naumann, J.; Friebel, W.-D.: Straßentunnel planen, bauen und verwalten. Taschenbuch für den Tunnelbau 2002 (26. Jahrgang). Essen: Verlag Glückauf [2] Städing, A.; Krocker, T.: Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes im Tunnelbau. Forschungsbericht im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach 03/1993 [3] ZTV-ING Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten. Sammlung Brücken- und Ingenieurbau, Verkehrsblatt Verlag, Dortmund Trog und Tunnel in offener Bauweise Erd- und Wasserdrücke sind die vorherrschenden Einwirkungen auf Tröge und Tunnel in offener Bauweise. Die Teilsicherheitsbeiwerte für alle ständigen Lasten werden daher nach DIN 1054 angesetzt. Die errechnete Biege- und Schubbewehrung des Trogbauwerkes und des Tunnels ist bei Bemessung nach dem neuen Sicherheitskonzept etwas geringer als nach dem bisherigen Konzept. Im Hinblick darauf, dass die wesentlichen Einwirkungen mit hoher Wahrscheinlichkeit genau erfasst werden können, werden diese Ergebnisse als zutreffend bewertet und entsprechen der Zielsetzung des probabilistischen Sicherheitskonzeptes. Abweichend vom DIN-Fachbericht 102 unterscheidet DIN 1054 zwischen Bau- und Endzuständen. Im Hinblick auf die oben erläuterte Reduktion der Tragsicherheit bei Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes wird empfohlen, für die Trog- und Tunnelbauwerke in offener Bauweise nur Teilsicherheiten für LF 1 (Endzustand) nach DIN 1054 anzusetzen Forschung + Praxis