2 Verbundlose Spannglieder im Brückenbau

Transkript

1 2 Verbundlose Spannglieder im Brückenbau o. Univ.-Prof. Dr. techn. Dr.-Ing. h. c. Manfred Wicke Institut für Betonbau der Leopold-Franzens-Universität Innsbruck 2.1 Einleitung Die Anfänge der Verwendung von Spanngliedern ohne Verbund reichen im Brückenbau weit zurück. Ein Vortrag zu diesem Thema in der Landeshauptstadt von Sachsen muss mit der Bahnhofsbrücke in Aue in Sachsen beginnen [1]. Die bereits 1936 von Dischinger eingeleitete Entwicklung wurde jedoch durch den Krieg unterbrochen und nachher nicht wieder aufgegriffen. Aus den seinerzeitigen Veröffentlichungen kann man entnehmen, dass die Frage des dauerhaften Korrosionsschutzes von wesentlichem Einfluss war. Es bestand die Erwartung, mit im Verbund liegenden Spanngliedern diese Frage endgültig gelöst zu haben. Die negative Rückmeldung kam mehr als zwei Jahrzehnte später, als durch die umfassende Bestandsprüfung der Straßenbrücken eine Reihe von Korrosionsschäden an Spanngliedern entdeckt wurden [2]. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Diskussion um den Korrosionsschutz neu aufgenommen. Dabei zeichneten sich zwei erfolgversprechende Lösungen ab. Eine ist die Verbesserung der Technologie des Verpressens der Spannkanäle und die Andere die Rückbesinnung auf die von Dischinger begonnene Verwendung von externen Spanngliedern. In den zwischenzeitlich verstrichenen vier Jahrzehnten wurden Spannlitzen mit doppeltem, werksmäßig aufgebrachten Korrosionsschutz entwickelt. Damit wurde eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem seinerzeit auf der Baustelle vorgenommenen Anstrich mit einem Rostschutzmittel erzielt. Diese Monolitzen eignen sich nicht nur für externe sondern auch für interne Spannglieder. Mit beiden Arten der verbundlosen Vorspannung befasst sich die nachstehende Arbeit. Durch die Verwendung vorgespannter Bewehrungen wird vornehmlich eine Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit von Stahlbetontragwerken angestrebt. Diese betrifft die Rissebildung und die Durchbiegungen. Weiters sind insbesondere im Brückenbau die konstruktiven Vorteile erwünscht, die sich durch die Möglichkeit der kraftschlüssigen Koppelung von Spanngliedern ergeben. Damit werden die häufigsten Bauverfahren, wie beispielsweise feldweiser Aufbau, Taktschiebeverfahren und freier Vorbau wirtschaftlich durchführbar. Die Auswirkung der Spannbewehrung auf die Tragsicherheit ist von vergleichsweise untergeordneter Bedeutung. Allerdings können durch die mit der Vorspannung zwingend verbundene Vordehnung hochfeste Stähle im Stahlbetonbau eingesetzt werden. 2.2 Verbundlose Spannglieder Spannglieder ohne Verbund verhalten sich in mehreren Bereichen anders als solche mit Verbund. Der fehlende Verbund führt zunächst dazu, dass beim Nachweis der Tragsicherheit die Spannbewehrung nicht mit ihrer Fließkraft ausgenützt werden kann. Dies ist jedoch kein entscheidender Nachteil, da die allenfalls fehlende Fließkraft durch Zulage von Bewehrungsstahl wett gemacht werden kann. Die Vorteile der verbundlosen Spannglieder liegen in den wichtigen Bereichen der Dauerhaftigkeit und der Gebrauchstauglichkeit. Der Korrosionsschutz der Spannbewehrung wird auch durch Risse nicht 27

2 beeinträchtigt. Die zulässige Rissbreite kann deshalb nach den niedrigeren Anforderungen für den Bewehrungsstahl festgelegt werden. Weiters treten am Riss keine Spannungsspitzen im Spannstahl auf, da die Rissbreite auf die weite Strecke bis zu den nächst gelegenen Festpunkten (Verankerung bzw. Umlenkstelle) abgearbeitet wird und somit nur geringe Zusatzdehnungen weckt. Dies wirkt sich günstig auf die Höhe des Spannungssprungs und folglich auch auf die Ermüdungssicherheit aus Interne Spannglieder Interne Spannglieder liegen innerhalb des Betonquerschnitts. Sie kommen überwiegend als Monolitzen zum Einsatz. Zwei oder vier Monolitzen werden auch zu Bändern (CMM: Compact Multi Mono) zusammen gefasst (Bild 2.1). Es können jedoch auch einzelne Monolitzen durch Kunststoffklammern miteinander verbunden werden. Die Bänder verringern den Platzbedarf und senken die Verlegekosten. Interne verbundlose Spannglieder eignen sich besonders für Fahrbahnplatten, da sie ausreichend auch gegen den Chloridangriff der Tausalze geschützt sind. Die Platte bietet sich auch für die freie Spanngliedführung an. Bei dieser entfallen Zwischenunterstellungen der Spannglieder zwischen der oberen Lage über den Stegen und ihrer unteren Lage im Feld bzw. der Verankerung an den Enden der Konsolen (Bild 2.2). Ein weiteres Anwendungsfeld ist in den Hauptträgern zur Abdeckung der Bauzustände. Dadurch können im Verbund liegende Spannglieder vermieden werden, die bei der Mischbauweise, d. h. die gemeinsame Verwendung von Spanngliedern ohne und mit Verbund, dazu führen, dass durch die strengeren Anforderungen an letztere bezüglich der Rissbreiten ein wichtiger Vorteil der verbundlosen Spannglieder verloren geht. In den Hauptträgern gleicht die Spanngliedführung der Monolitzen bzw. Litzenbänder jener der Spannglieder mit Verbund. Auch die konstruktive Durchbildung der Unterstellungen der Spannglieder ist die Gleiche Externe Spannglieder Externe Spannglieder liegen außerhalb des Betonquerschnitts, jedoch praktisch innerhalb der Konstruktionshöhe der Tragwerke (Bild 2.3). Dadurch unterscheiden sich diese von abgespannten oder unterspannten Balken, bei denen zusätzliche Anforderungen zu erfüllen sind. Im Brückenbau kommen externe Spannglieder zur Vorspannung der Haupttragwerke zum Einsatz. Externe Spannglieder sind nur an den Verankerungen und Umlenkstellen mit dem Tragwerk verbunden. Zwischen diesen Punkten sind sie praktisch geradlinig geführt. Der Durchhang der Spannglieder auf der freien Strecke ist wegen der hohen Zugkräfte vernachlässigbar klein. Die Umlenkung erfolgt somit nicht wie bei internen Spanngliedern kontinuierlich, sondern ist in den Umlenkstellen konzentriert. Litze Korrosionsschutzmasse PE - Hüllrohr Bild 2.1: Querschnitte iinterner Spannglieder, Monolitze und CMM-Bänder 28

3 Spannlitze Bild 2.2: Quer vorgespannte Fahrbahnplatte, Freie Spanngliedlage wahlweise Bild 2.3: Externe Spanngliedführung Externe Spannglieder sind in einer Vielfalt von Ausformungen am Markt verfügbar. Die Unterschiede betreffen die Ausbildung des Querschnitts und des Korrosionsschutzes in der freien Strecke sowie die bauliche Durchbildung der Umlenkstellen. Die Verankerungen können bezüglich der mechanischen Beanspruchungen von den Spanngliedern mit nachträglichem Verbund übernommen werden. Abweichungen bestehen jedoch hinsichtlich des Korrosionsschutzes im Bereich der Trompete, im Keilsitz und im Vorkopf des Spanngliedes Freie Strecke Anordnung im Querschnitt: Die Spannstähle können durch Abstandhalter in geordneter Lage fixiert oder frei im Querschnitt angeordnet sein. Die geordnete Lage findet sich beim DYWIDAG- Spannverfahren und bei den CMM-Bändern der Firma Vorspanntechnik. Beide Verfahren verwenden 7- drähtige Litzen. Alle übrigen Verfahren führen die Spannstähle frei innerhalb des Hüllrohres (Bild 2.4). Im Bereich der geradlinigen Spanngliedführung zwischen den Umlenkungen bzw. Verankerungen gibt es keine nennenswerten Unterschiede der beiden Anordnungen, wohl aber an den Umlenksätteln. Darauf wird in Abschnitt 2.4 näher eingegangen. Bei Litzenspannverfahren kommen sowohl blanke Litzen als auch Monolitzen zum Einsatz. Manche Verfahren können auch wahlweise die eine oder die andere Litzenart verwenden. Dann sind für die Auswahl die Reibungsverluste und die geforderte Lebenserwartung maßgeblich. Ummantelungen: Die meisten Spannverfahren verwenden kreisrunde Hüllrohre zur Ummantelung der Spannstähle. Vorwiegend bestehen sie aus HDPE (High Density Polyethylene). Wegen der Anwendung im Freien wird UV-Beständigkeit des Kunststoffs gefordert. Bei manchen Verfahren wird das Kunststoffhüllrohr insbesondere im Bereich der Umlenkungen durch ein stählernes Innenfitting gepanzert. Anfänglich waren auch stählerne Hüllrohre im Einsatz. Bei diesen besteht jedoch die Möglichkeit der Bildung eines elektrochemischen Elements zwischen Hüllrohr und Spannstahl, weshalb den elektrisch isolierenden Kunststoffrohren der Vorzug zu geben ist. Wirtschaftliche Gründe sprechen ebenfalls für die Kunststoffrohre. Um einen ausreichenden Schutz gegen mechanische Einwirkungen zu gewährleisten, sollen die Kunststoffrohre mindestens 5 mm Wandstärke aufweisen. 29

4 Einpreßmörtel (EPM) HDPE oder Stahl Korrosionsschutzmasse (KSM) oder EPM KSM inneres PE - Hüllrohr äußerer HDPE - Mantel Monolitzen GEORDNET Monolitzen Litzen oder Drähte FREI CMM-BAND Bild 2.4: Querschnitte und Korrosionsschutz externer Spannglieder Eine besondere Form der Ummantelung weisen die Compact-Multi-Mono-Bänder, kurz CMM- Bänder genannt, auf. Ein inneres Hüllrohr gleicht jenem der Monolitzen, wobei jedoch auch zwei oder vier Monolitzen durch einen Polyethylene-Steg fest miteinander verbunden sind. Ein zweites, nämlich das äußere HDPE-Hüllrohr, umschließt die Mono-, Zwillings- oder Vierlingslitze in rechteckiger Ummantelung. Die derart gebildeten Bänder können übereinander zu Spanngliedern mit rechteckigem Querschnitt gestapelt werden. Diese Spannglieder sind gebrauchsfertig und bedürfen keiner nachträglichen Injektion. Korrosionsschutz: Externe Spannglieder weisen zumindest einen doppelten, in der Regel jedoch einen mehrfachen Korrosionsschutz auf (Bild 2.4). Doppelter Korrosionsschutz ist beispielsweise gegeben bei blanken Drähten oder Litzen in einem dichten Hüllrohr, sobald der Spannkanal mit Einpreßmörtel oder Korrosionsschutzmasse verpreßt ist. Dies stellt die einfachste und billigste Art eines externen Spanngliedes dar. Werden bei dem beschriebenen Spannglied die blanken Litzen durch Monolitzen ersetzt, dann liegt bereits ein vierfacher Korrosionsschutz vor, da die Monolitzen ihrerseits bereits über einen doppelten Korrosionsschutz verfügen. Die CMM-Bänder verfügen über einen dreifachen Korrosionsschutz, nämlich die Korrosionsschutzmasse, den inneren PE-Mantel und die äußere HDPE-Hülle Umlenkstellen Als neues Konstruktionselement treten die Umlenkstellen hinzu. Diese werden durch die Umlenkkräfte (u = P/R) aus der Krümmung des Spanngliedes belastet. Beim Spannen werden die Spannglieder über die Umlenksättel gezogen, wodurch Reibungskräfte geweckt werden. Die Konstruktion der Umlenksättel muß alle anfallenden Kräfte sicher in den Betonteil übertragen können, was im Einzelfall nachzuweisen ist. Es gibt sehr unterschiedliche konstruktive Durchbildungen der Umlenkungen. Die konkrete Ausformung hängt von der Art des externen Spanngliedes ab, sowie von den Relativbewegungen, die zwischen Spannglied und Umlenksattel ermöglicht werden sollen. Der Krümmungsradius wird gerne mit dem Kleinstwert der betrachteten Spannglieder gewählt, damit die Länge des Sattels so klein wie möglich wird. Die Länge der planmäßigen Umlenkung beträgt (Bild 2.5) 30

5 l =2R sin (α/2+ α). Unvermeidbare Ungenauigkeiten beim Einbau der Sättel würden dazu führen, dass das Spannglied an den Enden auf der Kante aufreitet, abknickt und beim Spannen durchgescheuert wird. Es müssen deshalb entsprechende Ausrundungen vorgesehen werden. Es reicht jedoch nicht aus, die Kante zu brechen oder auszurunden, vielmehr muss der Mindestradius weitergeführt werden. Die gängige Strategie ist es, den gewollten Umlenkwinkel um einen Zuschlag α an beiden Enden zu erhöhen und damit die Sattellänge zu berechnen. Die Größe des erforderlichen ungewollten Umlenkwinkels hängt von den Besonderheiten des jeweiligen Spannverfahrens ab. Eine einfache und kostengünstige Lösung ist es, die Umlenkung durch vorgebogene, in die Querträger einbetonierte Rohre auszubilden. Je nach dem Querschnitt des externen Spanngliedes werden für die Durchführung durch den Querträger kreisrunde Rohre oder Rechteckrohre verwendet (Bild 2.6). Die Rohre können aus Stahl oder Kunststoff sein. Falls die Umlenkung an einem oberen oder unteren Rand eines Querträgers zu liegen kommt, reichen auch Halbrohre zur Bildung von Umlenksätteln aus (Bild 2.7). In diesem Fall kann das Halbrohr auch nur als Schalung dienen und nach dem Erhärten des Betons wieder entfernt werden. Das Spannglied wird dann in einer Betonrinne geführt. Die Konstruktion der Umlenksättel kann stahlbaumäßig erfolgen, wobei bevorzugt rostfreie Stähle Verwendung finden. Die Verschieblichkeit des Spanngliedes kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Bei Verwendung von Monolitzen kann die Gleitung in der Korrosionsschutzmasse jeder einzelnen Litze vor sich gehen. Es kann aber auch das gesamte Spannglied über den Sattel gezogen werden. In diesem Fall ist darauf zu achten, dass der Reibungsbeiwert nicht zu groß ist. Die Verwendung von reibungsmindernden Einlagen, wie beispielsweise Teflon, ist zweckdienlich. Weiters muss die Gleitfläche nicht nur den Umlenkkräften sondern auch den einschneidenden Beanspruchungen durch das Darüberziehen des Spanngliedes beim Spannvorgang widerstehen können. Dies ist in Versuchen im Zusammenhang mit der Zulassung zu überprüfen (Bild 2.8). Bei der Berechnung ist zu untersuchen, ob an einer Umlenkstelle allfällige Differenzkräfte der anschließenden Spanngliedabschnitte über Reibung in den Sattel eingetragen werden können. Falls dieser Nachweis gelingt, können die Spannglieder nicht nur an den Verankerungen sondern auch an den Umlenksätteln mit dem Tragwerk fix verbunden angenommen werden. Andernfalls ist die Verschieblichkeit und die Reibung in das Rechenmodell einzuführen Spanngliedführung Aus den konstruktiven Vorgaben folgt für externe Spannglieder eine abschnittsweise oder zur Gänze geradlinige Spanngliedführung. Bei einfeldrigen Tragwerken kommen achsparallele, dreiecksförmige, trapezförmige oder polygonale Spanngliedführungen zur Ausführung. Je mehr Umlenkstellen vorgesehen sind, umso besser lassen sich die Vorspannmomente den parabelförmig verteilten Lastmomenten anpassen (Bild 2.9 a). Die achsparallele Spanngliedführung bewirkt die größte Durchbiegung nach oben; die polygonale (Bild 2.9 d) wird vornehmlich in der Segmentbauweise eingesetzt, da bei ihr die Umlenkkräfte am besten den Lasten das Gleichgewicht halten. Für durchlaufende Träger kommen einige weitere Ausführungsmöglichkeiten hinzu (Bild 2.10). Über die gesamte Tragwerkslänge durchlaufende Spannglieder haben den Vorteil, dass die Vorspannkraft nur an den Enden eingeleitet werden muss. In diesem Bereich ist das Tragwerk durch die Endquerträger sehr gut ausgesteift, die Krafteinleitung kann mit vergleichsweise geringem Aufwand erfolgen. Die Umlenkkräfte im Verlauf des Trägers betragen bei dreiecksförmigen Spanngliedern (Bild 2.10 a) nur etwa ein Viertel, bei trapezförmigen (Bild 2.10 b) im Feld ebenfalls und an der Stütze die Hälfte der 31

6 l R min.r Bild 2.5: Geometrie der Umlenkstellen 1 1 Bild 2.6: Umlenkstelle als Rohrdurchführung durch den Querträger 1 1 Bild 2.7: Umlenksattel auf dem Querträger Spannstelle Sattel Festanker 1 2 Bild 2.8: Schematische Darstellung der Prüfvorrichtung für die Umlenkstellen 32

7 a) b) c) d) Bild 2.9: Beispiele für Spanngliedführungen bei Einfeldträgern Vorspannkraft. Die örtliche Krafteinleitung kann in einfacher Weise über Querträger oder Querschotte erfolgen. Die dreiecksförmigen Spannglieder reichen für kürzere Stützweiten bis etwa 35 m aus, darüber sind trapezförmige zu empfehlen. Dies nicht nur wegen der besseren Anpassung an die Lastmomente, sondern auch im Hinblick auf die höhere Entlastung der Querkräfte in der Nähe der Stütze. Bei kurzen Endfeldern können die Spannglieder in diesen auch ohne Umlenkung geradlinig geführt werden (Bild 2.10 c). Bei feldweisem Aufbau des Tragwerks werden gerne überschlagene Spannglieder herangezogen. Sie erfordern zusätzliche Querträger oder Spannlisenen beiderseits der Stützen, an denen die volle Vorspannkraft eingeleitet werden muss. Abgesehen von diesem Mehraufwand sind umgelenkte überlappte Spannglieder (Bild 2.10 d) den durchlaufenden hinsichtlich der Momenten und Querkraftswirkung durchaus vergleichbar. Das Übergreifen der Spannglieder an der Stütze bewirkt kleinere statisch unbestimmte Momente aus der Vorspannung. Bei den achsparallelen Spanngliedern (Bild 2.10 e) kann die Momentenlinie nur treppenförmig an die Lastmomente angepasst werden und es erfolgt keine Entlastung der Querkraft. Sie sollte deshalb auf kürzere Stützweiten beschränkt werden. In jüngster Zeit gibt es Projekte, das Problem des feldweisen Aufbaus durch Kombination von internen und externen verbundlosen Spanngliedern zu lösen (Bild 2.10 f). Die internen Spannglieder können dabei ohne Spannlisenen an der Koppelfuge im Stegquerschnitt gekoppelt werden. Für besondere Bauverfahren, wie beispielweise das Taktschiebeverfahren oder den Freivorbau, können aus den beschriebenen Möglichkeiten angepasste Spanngliedführungen entwickelt werden, wobei auch interne verbundlose Spannglieder vorteilhaft herangezogen werden können. 33

8 a) b) c) d) e) f) Bild 2.10: Beispiele für Spanngliedführungen bei Durchlaufträgern 34

9 2.3 Grundsätze für Entwurf und Planung Die Entscheidung für die Anwendung einer Vorspannung wird in erster Linie zur Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit getroffen. Im Brückenbau war diesbezüglich zunächst die Vermeidung von Rissen angestrebt. Platten- und Balkenbrücken bieten gute Randbedingungen zur Eintragung der Vorspannkraft in den Betonquerschnitt. Die Lagerung dieser Brücken erfolgt im Hinblick auf ihre Längenänderungen zufolge Temperatur und Schwindens möglichst zwängungsfrei. Damit sind die Verkürzungen zufolge der Vorspannkraft ebenfalls nicht behindert und es steht neben den Biegespannungen auch die mittige Spannung aus der Vorspannung zur Überdrückung der Lastzugspannungen zur Verfügung. Diese Vorgaben führten zur Ausformung der uns geläufigen Nachweise der Gebrauchsspannungen gemäß DIN oder ÖNORM B Diese Art der Nachweisführung brachte es aber auch mit sich, dass die Spannung in einem einzigen Punkt des Tragwerks, nämlich jene in der Randfaser des maßgebenden Querschnitts, die Größe der Vorspannkraft bestimmt hat (Bild 2.11). Bei der Verwendung korrosionsgeschützter Spannglieder verliert die Rissefreiheit an Bedeutung. Nach der neuen österreichischen Spannbetonnorm, ÖNORM B 4750, wird für Straßenbrücken bei Spanngliedern mit Verbund mindestens die Anforderungsklasse C gefordert, d. h. die Einhaltung des Grenzzustandes der Dekompression unter quasi-permanenter Belastung. Für Spannglieder ohne Verbund entfällt diese Anforderung und es dürfen auch Klasse D und E verwendet werden. Mit verbundlosen Spanngliedern lassen sich die Anforderungen an die Rissefreiheit in vergleichbarer Weise erfüllen. Die Spannkraftverluste zufolge Kriechens werden in den maßgebenden Querschnitten in der Regel geringer und damit günstiger. Es ist nämlich nicht der Größtwert der Betonstauchung in der Spanngliedfaser heranzuziehen, sondern der Mittelwert über die gesamte Länge des Spannglieds. Darüber hinaus können weitere Vorteile der verbundlosen Spannglieder voll ausgeschöpft werden. Für interne Spannglieder sind dies: Doppelter werksmäßiger Korrosionsschutz der Spannglieder Kleinere Reibungsverluste und damit Größere Längen und Umlenkwinkel der Spannglieder Die Rissebildung wie im Stahlbeton kann Zwangsbeanspruchungen reduzieren. Der Entfall der Verpressensarbeiten macht die Bauweise wintersicher. Vermeiden von Spannungsspitzen im Riss Keine Reibkorrosion am Riss Geringere Ermüdungsbeanspruchungen. Zusätzliche Vorteile bei externen Spanngliedern sind: Die Spannglieder können während der gesamten Nutzungsdauer inspiziert werden. Bei Zugänglichkeit der Ankerstellen sind sie überdies nachspannbar. In diesem Fall können sie auch entspannt und gegen neue ausgetauscht werden. Betonquerschnitte können kleiner sein, da die Spannglieder außerhalb liegen. 35

10 1 1 Bemessungspunkt Schnitt 1-1 g q p g+q+p, g+q+p, zul. Bild 2.11: Die erforderliche Vorspannkraft wird aus der Spannung in der Randfaser des maßgebenden Schnittes 1-1 ermittelt. Die Betoneinbringung wird erleichtert. Es können größere Spannglieder zum Einsatz kommen. Überdies kann die Zielvorstellung der Rissefreiheit fallen gelassen werden. An ihre Stelle treten Anforderungen hinsichtlich der Verformungen der Tragwerke. Mit zunehmender Stützweite sind diese schärfer zu formulieren. Damit bei sehr großen Stützweiten die Kriechverformungen klein gehalten werden, soll unter den Dauerlasten möglichst kein Spannungsgradient auftreten oder dieser zumindest so klein wie möglich gehalten werden. Durch die Vorspannung sollen Load balancing forces eingetragen werden (Bild 2.12). Bei weniger großen Stützweiten kann diese Forderung gemildert werden. Bei diesen Anforderungen ergeben sich höhere Anteile an Bewehrungsstahl, die sich vorteilhaft auf die Begrenzung der Rissbreiten sowie die Duktilität und Robustheit des Tragwerks auswirken. Der Querschnitt des Bewehrungsstahls kann auch für den allfälligen Ausfall der Spannglieder bemessen werden. 2.4 Anwendungsbeispiele aus Österreich [3] Zu den ersten Anwendungen von Spanngliedern ohne Verbund der neueren Generation kam es in Österreich bereits vor fünfzehn Jahren. Diese fanden zunächst zur Instandsetzung und Verstärkung von bestehenden Brückenobjekten statt. Bei den ersten Anwendungen wurden blanke Litzen in kreisrunden HDPE-Hüllrohren verwendet, der Korrosionsschutz wurde durch Auspressen mit üblichem Einpressmörtel hergestellt (siehe 2.4.1). In weiterer Folge wurden Erfahrungen mit dem Einsatz von Monolitzen gesammelt und bei externen Spanngliedern die blanken Litzen ebenfalls durch Monolitzen ersetzt. Auch bezüglich der Spanngliedführung wurden Fortschritte erzielt. Anfänglich hatte man noch keine Erfahrungen bezüglich der Konstruktion und Wirkung von Umlenkstellen. Zu dieser Zeit wurden vornehmlich gerade Spannglieder über die gesamte Tragwerkslänge ausgeführt. Die Verankerung an den Brückenenden konnte in der Regel durch eine Verstärkung des Endquerträgers in einfacher 36

11 2 q g u g+ 2 q p g+ 2 q+p - + = - - u = -(g + 2 q) M p1 = -(M g + 2 M q ) Bild 2.12: Die Vorspannkraft hält der quasipermanenten Belastung das Gleichgewicht. Weise sichergestellt werden. Bei einem Tragwerk wurde versucht, Spanngliedlänge durch Zwischenverankerungen einzusparen. Dabei wurde deutlich erkannt, welche Schwierigkeiten in den bestehenden Bauteilen auftreten könnten, in denen für die Krafteinleitung ursprünglich nicht vorgesorgt worden war [4]. Mit der Einführung der doppelt extrudierten CMM-Bänder für externe Spannglieder wurde ein neues Kapitel aufgeschlagen. Die Gelegenheit, fix und fertige Spannglieder ohne nachlaufende Arbeitsgänge mit dreifachem werksmäßigen Korrosionsschutz einsetzen zu können, erschloss neue Arbeitsbereiche (siehe 2.4.2). Nach einigen Jahren des Sammelns von Erfahrungen bei Instandsetzungen wurde der erste Neubau einer Brücke mit externen Spanngliedern bewillig (siehe 2.4.3). Diese Baumaßnahme wurde vom Institut für Betonbau messend begleitet. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse haben die weitere Entwicklung positiv beeinflusst. In jüngster Zeit werden externe Spannglieder weiterhin zur Instandsetzung und für den Neubau herangezogen. Dabei zeigt sich eine Entwicklung, die durch zunehmende Vereinfachung der konstruktiven Durchbildung von Spanngliedern, Umlenkstellen und Verankerungszonen gekennzeichnet ist (siehe 2.4.4). Die neueste Entwicklung ist der gemeinsame Einsatz von externen und internen verbundlosen Spanngliedern. Die Zielvorstellung ist die volle Ausschöpfung aller Vorteile von korrosionsgeschützten Spanngliedern bei möglichst einfacher konstruktiver Ausbildung des Tragwerks (siehe 2.4.5) Westautobahn A 1, Objekt S 37 Talübergang Wangauer Ache Dieses im Zuge der Westautobahn in der Nähe von Mondsee gelegene Brückenobjekt mit dreizehn Feldern und einer Gesamtstützweite von 384,5 m war das erste, bei dem in den Jahren 1986/88 externe Spannglieder eingesetzt wurden [5], [6]. Das feldweise hergestellte Spannbetontragwerk hatte teilweise sehr weit geöffnete Koppelfugen. Eine Nachrechnung ergab ein deutliches Defizit an Vorspannkraft. Durch zusätzliche, über die gesamte Länge des Tragwerks laufende geradlinige Spannglieder wurde eine weitere Druckkraft eingeleitet, die die offenen Fugen zusammendrückte. Je Steg wurden vier gerade 37

12 Spannglieder mit je 1,20 MN Vorspannkraft (12 Lg St 1570/1770 F 100) zugelegt. Die Möglichkeit, alternativ drei Spannglieder mit trapezförmiger Spanngliedführung zu wählen, wurde wegen der konstruktiven Schwierigkeiten bei der nachträglichen Anbringung von Umlenksätteln nicht weiter verfolgt (Bild 2.13, Bild 2.14 und Bild 2.15). Es wurden blanke Litzen in einem HDPE-Hüllrohr mit 5 mm Wandstärke und 90 mm Außendurchmesser verlegt. Eine spätere Nachspannbarkeit war nicht gefordert, somit konnte der Korrosionsschutz durch Verpressen des Spannkanals mit Einpreßmörtel erreicht werden Arlberg Schnellstraße S 16, Objekt DW 4 Alfenzbrücke Das Tragwerk ist ein einzelliger Kastenquerschnitt mit Stützweiten von 36,0 + 60,0 + 36,0 m und wies ursprünglich eine Breite von 15,50 m auf (Bild 2.16). Anläßlich der Neubewertung des Straßennetzes stellte sich die Aufgabe, die Brücke von 15,50 m auf 20,0 m zu verbreitern [7]. Erschwerend kam hinzu, dass die beiden inneren Einzelstützen gegensinnig um 0,85 m aus der Tragwerksachse seitlich verschoben sind. Die dadurch bewirkten Torsionsmomente werden zu beiden Widerlagern hin abgetragen. Die Verbreiterung der Fahrbahntafel wurde durch eine 9 cm dicke Aufbetonschicht erzielt, in die Monolitzen eingelegt wurden, welche eine Langzeitdurchbiegung der Kragarmenden verhindern (Bild 2.17). Das bestehende Tragwerk könnte durch eine achsparallele Vorspannung ausreichend verstärkt werden. Die Erhöhung der Gesamtbelastung bewirkte jedoch eine entsprechende Vergrößerung der Torsionsmomente, die der Bestand nicht mehr aufnehmen konnte. Deshalb wurden die externen Spannglieder im Inneren des Kastens nicht achsparallel geführt, sondern gegenläufig überkreuzt (Bild 2.18). Beide Spannstränge bestehen aus je zwei Spanngliedern, die aus je 7 VT-CMM übereinanderliegend aufgebaut sind (Bild 2.19, Bild 2.20). Die gesamte zusätzlich aufgebrachte Vorspannkraft beträgt somit etwa 20,0 MN Objekt K 6 im Knoten Klagenfurt Mit den bei Instandsetzungen gewonnenen Erfahrungen war die Zeit gekommen für den ersten Neubau einer Brücke [8]. Dank der Unterstützung der Bundesstraßenverwaltung konnte als dafür geeignetes Bauwerk das Objekt K 6 im Bereich des Knotens Klagenfurt ausgewählt werden. Die Gesamtstützweite des Tragwerks weist 78,0 m bei Einzelstützweiten von 19,5 + 39,0 + 19,5 m auf. Die gesamte Breite beträgt 22,0 m (Bild 2.21). Die Konstruktionshöhe misst 2,00 m. Die Einzelstützen sind mit den Kastenstegen rahmenartig verbunden. Neben den beiden Randstegen sind je fünf, neben dem Mittelsteg 2 x 2 = 4 Spannglieder angeordnet. Jedes Spannglied besteht aus 16 Litzen, aufgeteilt auf 4 VT-CMM Für den verwendeten Spannstahl St 1570/1770 beträgt die zulässige Vorspannkraft für jedes Spannglied 2,97 MN und folglich für das gesamte Tragwerk 14 x 2,97 = 41,6 MN. Neben den Umlenkungen über den Stützen weisen die Spannglieder im Mittelfeld zwei und in den Endfeldern je einen Umlenksattel auf. Im Zuge der Herstellung dieses Objekts konnte im Auftrag des BMfwA, Abteilung VII/1 Straßenforschung, durch das Institut für Betonbau der Universität Innsbruck ein umfangreiches Messprogramm verwirklicht werden [9], [10]. Eine Litze des Spanngliedes Nr. 5 wurde als Messlitze adaptiert (Bild 2.22). Gemessen wurde der Verlauf der Litzenkraft an acht Stellen während des Spannvorgangs und nach Fertigstellung des Tragwerks unter einer definierten Verkehrslast. Außerdem wurden nach rund einem Jahr die Spannkräfte neuerlich gemessen. Weiter wurden an zwei Stellen die absoluten Verschiebungen der Litzen und des äußeren Mantels der CMM-Bänder gemessen (Bild 2.23). Im folgenden werden die wesentlichen Messergebnisse und die daraus gewonnenen Erkenntnisse wiedergegeben. 38

13 Bild 2.13: Wangauer Achbrücke mit externen Spanngliedern Bild 2.14: Wangauer Achbrücke, verstärkter Feldquerschnitt Bild 2.15: Wangauer Achbrücke, externes Spannglied mit Befestigungsklemme 39

14 Bild 2.16: Alfenzbrücke, Bestand 1978 Bild 2.17: Alfenzbrücke, Verbreiterung Regelquerschnitt 40

15 Bild 2.18: Alfenzbrücke, Spanngliedführung Längsschnitt Bild 2.19: Alfenzbrücke, Spannglieder im Stützenquerschnitt 41

16 Bild 2.20: Alfenzbrücke, Spannglieder am Endquerträger Bild 2.21: Objekt K 6, Längsschnitt und Querschnitt 42

17 Spannstrang Nr. 5 4 VT-CMM Schnitt Koppelstelle Kraftmeßbolzen 2 Schutzringe Dehn meßstreifen 25 Keil Schutzring (St 360) 61 M 48x4 25 Kraftmeßbolzen (Ck 45) Litze Konusring (Ck 45) Gewindemuffe (St 510) Bild 2.22: Objekt K 6, Elektronischer Kraftaufnehmer WL0 ST1 MST F1 MST F2 MST F3 MST F4 3,4 13,9 5,2 11,4 5,5 7,8 11,7 11,7 7,8 ST2 WL3 MST F5 MST F6 MST F7 MST F8 5,5 13,9 5,2 11,4 3,4 7,8 11,7 11,7 7,8 MST F1 bis MST F8 Elektrische Kraftaufnehmer MST W3 und MST W4 Verschiebung Litze MST W1 und MST W2 Verschiebung Spanngliedpaket Verschiebung Meßbolzen relativ zur Fahrbahnplatte MST W3 + MST W4 Verschiebung Spannpaket relativ zur Fahrbahnplatte MST W1 + MST W2 Meßstrang = Spannglied Nr. 5 Kraftmeßbolzen Vorspannung 14x4VT-CMM Bild 2.23: Objekt K 6, Anordnung der Kraft- und Wegmessstellen 43

18 Aus den Messergebnissen lassen sich nachstehende Schlussfolgerungen ziehen: Bei den verwendeten Spanngliedern aus vier VT-CMM überwiegt die äußere Gleitung in der PTFE-Folie gegenüber der inneren Gleitung in der Korrosionsschutzmasse. Beim Überfahren mit einem 175-kN-LKW sind die Spannglieder an den Umlenksätteln blockiert. Im Verlauf eines Jahres betrugen die relativen Spannkraftverluste 3,6 %. Mit Verkehrsübergabe trat eine deutliche Vergleichmäßigung der Vorspannkraft über die gesamte Spanngliedlänge ein. Die erste Hälfte der Vorspannkraft wurde vom Widerlager WL 0, die zweite Hälfte vom Widerlager WL 3 aufgebracht. Die Reibungsverluste an den einzelnen Umlenksätteln sind etwa proportional zum jeweiligen Umlenkwinkel. Eine Rückrechnung der gesamten Reibungsverluste zwischen der Anspannseite (MSTF 8) und dem Festanker (MSTF 1) ergibt beim vollen Aufspannen einen Reibbeiwert von µ =0, 15. Dieser Wert verringert sich jedoch sehr rasch, da die Kraft an der Anspannseite absinkt und an der Gegenseite ansteigt Westautobahn A 1, Objekt S 96 Agerbrücke Die Brücke wurde in den Jahren 1960 bis 1963 nach einem Projekt des Ingenieurbüros Leonhardt- Andrä errichtet und mit einem konzentrierten Spannglied (System Baur-Leonhardt) vorgespannt (siehe Bild 2.24). Aus dem Korrosionsschaden eines vergleichbaren Spanngliedes bei der Innbrücke Kufstein [11] ergaben sich zwei Erkenntnisse: Korrosion kann im Kern des konzentrierten Spannglieds ablaufen, ohne dass dies von der Oberfläche des Spannstrangs aus festgestellt werden kann. Erst nachdem etwa ein Drittel der Litzen gebrochen war, zeichnete sich der Schaden durch Bildung eines klaffenden Risses im umhüllenden Beton ab. Dies veranlasste die Brückenbauverwaltung, durch eine präventive Vorspannung soviel Tragreserve zu schaffen, dass bei Entfall von ca. 25 % der Bestandsvorspannung in jedem beliebigen Querschnitt die normgemäße Tragsicherheit noch gegeben wäre [12], [13]. Die Verstärkung wurde durch Anordnung von externen Spanngliedern erzielt. Mit einer im Aufriss trapezförmigen Spanngliedführung in den Hauptfeldern, nur einer Umlenkung im großen Randfeld und ohne Feldumlenkung im kleinen Randfeld, konnte dem Momentenverlauf gut entsprochen werden (Bild 2.25). Bei einer lichten Höhe des Kastenquerschnitts von 3,95 m konnten 3,50 m als Gesamtausmitte der Spanngliedführung genutzt werden (Bild 2.26). Trotz der geneigten Stege wurden die Spannglieder in lotrechten Ebenen geführt (Bild 2.27). Dies ergibt eine einfache Geometrie, insbesondere für den Einbau der Umlenksättel, und vergrößert beim Hochziehen der Spannglieder deren Abstand zum Steg. Dadurch konnte der Anvoutung der Stegbreite in den Stützenbereichen ausgewichen werden (Bild 2.28). Es wurden insgesamt vier externe Spannglieder über die gesamte Brückenlänge geführt und nur an den Tragwerksenden verankert. Zur Endverankerung boten sich die im Altbestand vorhandenen, zur Verteilung der Spannblockpressung sehr kräftig ausgeführten Endquerträger an. Jedes Spannglied besteht aus 3 VT CMM mit 3 x 4 x 1,50 = 18,0 cm 2. Insgesamt wurden 17,84 MN Vorspannkraft eingetragen, von der nach den zeitlichen Verlusten noch 16,60 MN nutzbar sind. Im Vergleich dazu beträgt die Bestandsvorspannung zwischen 55,00 und 57,50 MN. 44

19 Bild 2.24: Agerbrücke, Bestand, Ansicht und Querschnitt Bild 2.25: Agerbrücke, Führung der externen Zusatzspannglieder Bild 2.26: Agerbrücke, Feld- und Stützenumlenkung 45

20 Bild 2.27: Agerbrücke, externe Spannglieder zur Feldumlenkung laufend Bild 2.28: Agerbrücke, externe Spannglieder in der Nähe der Stützensättel 46

21 2.4.5 Südautobahn A 2, Objekt P 11 V Zachgrabenbrücke Dieses Bauvorhaben soll in den nächsten beiden Jahren realisiert werden und zur Zeit liegt ein sehr detailliert ausgearbeitetes und überprüftes generelles Projekt vor. Der Auftrag erfolgt für die ASFINAG durch das Amt der Steiermärkischen Landesregierung. Projektverfasser ist das Ingenieurbüro Kirsch- Muchitsch in Linz, Prüfingenieur der Autor. Die Brücke liegt im Zuge der Südautobahn A 2 zwischen Graz und Klagenfurt im Bereich der Querung der Packalpe. In diesem Bereich ist Anfang der 70er Jahre die bergwärts führende Richtungsfahrbahn errichtet worden. Nunmehr erfolgt der Vollausbau der A 2 mit der Errichtung der zweiten Richtungsfahrbahn. Der Entwurf der neuen Brücke für die RFB Graz orientiert sich am bestehenden Tragwerk der RFB Klagenfurt. Damit sind die Spannweiten mit 39, x 45, ,20 m vorgegeben. Ebenso der Kastenquerschnitt mit geneigten Stegen (Bild 2.29). Das Tragwerk wird feldweise vom Widerlager Graz in Richtung Klagenfurt hergestellt, wobei die Koppelfugen 9,30 m nach der Stützenachse zu liegen kommen. Die Innovation bei diesem Objekt besteht in der Verwendung von externen und internen Spanngliedern ohne Verbund in Längsrichtung. Diese Anordnung wurde gewählt um sämtliche Vorteile der verbundlosen Spannglieder nutzen zu können. ÖNORM B 4750 verlangt bei Straßenbrücken, im Hinblick auf deren Beaufschlagung mit Tausalzen, bei Spanngliedern im Verbund mindestens die Anforderungsklasse C. Dies bedeutet die Einhaltung des Grenzzustandes der Dekompression zumindest unter den quasi-permanenten Einwirkungen, und die zulässige Rissbreite wird unter den häufigen Einwirkungen mit w k = 0,15 mm begrenzt. Bei Verwendung von korrosionsgeschützten Spanngliedern dürfen auch die Anforderungsklassen D und E verwendet werden. Bei diesen darf Dekompression eintreten und die zulässige Rissbreite wird auf w k = 0,30 mm hinaufgesetzt. Die interne Vorspannung dient der Abdeckung der Bauzustände. Sie wird im Feldbereich parabolisch geführt und egalisiert somit bestens die gleichförmig verteilte Eigenlast des Tragwerks. Sie besteht je Steg aus 2 x 4 übereinander liegenden einfach extrudierten VT-CMM Bändern. Die Bänder liegen horizontal in den geneigten Stegen. Bei einem gegenseitigen Mindestabstand von 7 cm können die Umlenkkräfte einwandfrei in die Stege eingeleitet werden. Die Spannglieder werden von der Bauabschnittsfuge aus voll angespannt. Die Verankerungen liegen innerhalb des Stegquerschnitts, sodass Spannlisenen entbehrlich sind. Die Spannglieder des folgenden Abschnitts werden an die Verankerungen des vorhergehenden angekoppelt (Bild 2.30). Die externen Spannglieder verlaufen in den Innenfeldern trapezförmig und werden im Randfeld nur einmal umgelenkt. Die Umlenksättel im Feld werden mit dem Tragwerk mitbetoniert. In den Stützenquerschnitten erfolgt ein nachträglicher Einbau der Sättel im Hinblick auf eine bessere Justierbarkeit. Nach Abschluss der Bauarbeiten werden die externen Spannglieder über die ganze Tragwerkslänge verlegt und von den Brückenenden aus angespannt. Als Vorspannelemente kommen doppelt extrudierte Spannbänder der Type VT-CMM zum Einsatz. Jeweils drei dieser Bänder bilden ein Spannglied mit 18,0 cm 2 Querschnittsfläche. Vorerst werden zwei Spannglieder je Stegseite eingebaut (Bild 2.31). Die Umlenkelemente sind jedoch für vier Spannglieder ausgelegt, sodass spätere Verstärkungen in einfacher Weise möglich sind. Eine Besonderheit in der Führung der externen Spannglieder ergibt sich aus der Geometrie des Tragwerks im Grundriss. Die Tragwerksachse folgt der Straßenachse und liegt in einer Geraden, einem Übergangsbogen und in einem Kreisbogen mit einem Radius von 600 m. Im Bereich der Grundrisskrümmung ergeben sich an den Umlenkstellen auch horizontale Ablenkungen der Spannglieder. In Überlagerung mit der vertikalen Ablenkung ergibt sich eine schräg liegende resultierende Umlenkkraft. Folgerichtig werden die Umlenksättel in dieser Querneigung eingebaut (Bild 2.32). 47

22 Graz Längsschnitt Klagenfurt BA 1 BA 2 BA 3 BA 4 BA 5 BA 6 3,9 % 9,3 39,2 45,0 45,0 45,0 45,0 39,2 258,4 Regelquerschnitt - Feldbereich 3, , ,20 14, ,40 Bild 2.29: Zachgrabenbrücke, Längsschnitt und Querschnitt 2.5 Schlussbemerkung Mit den verbundlosen Spanngliedern trat im vergangenen Jahrzehnt ein neues Konstruktionselement auf den Plan [14]. Wir mussten erst lernen, dass dies mehr bedeutete als lediglich den Verlust des Verbundes. Es gibt Folgerungen bezüglich des Korrosionsschutzes, der zusätzlichen Spannungen im Rissbereich, damit der Ermüdungsfestigkeit, der Paradigmen für den Einsatz von Vorspannung, der Berechnungsverfahren und der Durchbildung der Tragwerke. Die Entwicklung auf diesem Gebiet ist in vollem Gang, es gibt unzählige Überlegungen und darauf aufbauende Lösungsvorschläge. Einige davon, die aus Österreich kommen, wurden in dem vorliegenden Bericht vorgestellt. Wir sind derzeit in einer sehr fruchtbaren Phase und eine Unzahl von Varianten drängt auf den Markt. Bei unserem relativ kleinen Markt brauchen wir noch nicht regulierend eingreifen. Wir können die Entwicklung in den Händen der wenigen Experten auf diesem Gebiet lassen und diese als Planer, Prüfingenieure oder Berater beiziehen. Die Evolution wird die fittesten Mutanten herausfiltern. Dann ist der richtige Zeitpunkt für normative Festlegungen gekommen. Die jetzige Zeit lässt sich mit dem Beginn der Spannbetonbauweise im Brückenbau vor etwa vierzig Jahren vergleichen. Auch damals hatten wir bei jedem Projekt neue Ideen, die wir verwirklichen wollten. Heute hat sich der Fundus der wirtschaftlich herstellba- 48

23 Externe und interne Spannglieder in den Endfeldern 28,75 39,25 10,50 Bauabschnittsfuge in den Innenfeldern 10,50 24,00 45,00 10,50 externe Spannglieder interne verbundlose Spannglieder Bild 2.30: Zachgrabenbrücke, externe und interne Spannglieder, Längsschnitt Stützquerschnitt 2,13 Feldquerschnitt ,13 Bild 2.31: Zachgrabenbrücke, externe und interne Spannglieder, Querschnitt 49

24 1 Stützquerschnitt R = Feldquerschnitt 2 Bild 2.32: Zachgrabenbrücke, Spanngliedführung bei gekrümmtem Grundriss ren Spannbetonbrücken auf wenige Typen eingeengt. Für innovative Ingenieure wäre die verbundlose Vorspannung ein faszinierendes Tätigkeitsfeld. 2.6 Literaturverzeichnis [1] Schönberg, M.; Fichtner, F.: Die Bahnhofsbrücke in Aue (Sa.). Die Bautechnik, 17. Jg. (1939), Heft 8, S [2] Wicke, M.: Einige Langzeiterfahrungen mit Massivbrücken in Österreich. Beton- und Stahlbetonbau, 1983, Heft 6, S und Heft 7, S [3] Wicke, M.: Anwendung der externen Vorspannung im Brückenbau. Österreichischer Betontag 1996, Schriftenreihe des Österreichischen Betonvereins ÖBV, 1996, Heft 27, S [4] Anelli-Monti, O.; Thal, H.: Zusätzliche Vorspannung bei der Murbrücke St. Michael. Schriftenreihe des Österreichischen Betonvereins ÖBV, 1988, Heft 10, S [5] Kirsch, P.: Zusätzliche Vorspannung ohne Verbund bei der Erneuerung der Wangauer Achbrücke, Schriftenreihe des Österreichischen Betonvereins ÖBV, 1986, Heft 5, S [6] Seltenhammer, U.: Außenliegende Vorspannung an der Wangauer Achbrücke. Schriftenreihe des Österreichischen Betonvereins ÖBV, 1988, Heft 10, S [7] Wicke, M.; Resch, H.; Kirsch, P.: Verbreiterung einer Kastenbrücke unter Einsatz innovativer Techniken. Bauingenieur, 70. Jg. (1995), S [8] Ertl, H.: Erste Neubaubrücke in Österreich mit externer Vorspannung: Objekt K 6 in Klagenfurt. Österreichische Ingenieur- und Architekten-Zeitschrift, 141. Jg. (1996), Heft 1, S

25 [9] Wicke, M.; Fritsche, G.: Reibungsmessungen an Externen Spanngliedern am Bauwerk. BmfWA, Schriftenreihe Straßenforschung, Heft 464, Wien 1996 [10] Wicke, M.; Fritsche, G.: Measurements of Prestressing Forces in External CMM-Tendons. FIP- Symposium London 1996 [11] Wicke, M.: Ursachen für den Austausch des konzentrierten Spanngliedes der Innbrücken Kufstein. Schriftenreihe des Österreichischen Betonvereins ÖBV, 1996, Heft 26, S [12] Wicke, M.; Kirsch, P.: Vorbeugende Verstärkung und Sanierung der Agerbrücke. Bauingenieur, 73. Jg. (1998), Heft 4, S [13] Wicke, M.; Kirsch, P.: Preventive Strengthening and Rehabilitation of the Ager Bridge. Österreichische Beiträge zum XIII. FIP-Kongress in Amsterdam, Schriftenreihe des Österreichischen Betonvereins ÖBV, 1998, Heft 32, S [14] Eibl, J.; Iványi, G.; Buschmeyer, W.; Kobler, G.: Vorspannung ohne Verbund, Technik und Anwendung. Betonkalender 1995, Verlag Ernst & Sohn, S

26 52