Entwurf und Berechnung eines Überführungsbauwerks unter Verwendung von hochfestem Beton und Vorspannung ohne Verbund

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1 Diplomarbeit: Verfasser: Entwurf und Berechnung eines Überführungsbauwerks unter Verwendung von hochfestem Beton und Vorspannung ohne Verbund Martin Luginger und Wolfgang Frimberger Zusammenfassung: Die Diplomarbeit behandelt die Konstruktion und Vorbemessung des Spannbetonoberbaus eines dreifeldigen Brückenbauwerkes. Diese Brücke soll die Gemeindeverbindungsstraße Altdorf Gstaudach über die projektierte Nordumgehung der Gemeinde Altdorf führen. Der Oberbau soll mit hochfestem Beton und interner verbundlosen Vorpannung ausgeführt werden. Diese Art der Vorspanntechnik ist bisher nur in einigen Pilotprojekten zum Einsatz gekommen. So war für uns ein Pilotprojekt in Griesbach, ein einfeldiges Brückentragwerk, beispielgebend. Des weiteren war der Unterbau aus einer vorangegangenen Diplomarbeit vorgegeben und die Berechnungen sollten nach der kürzlich eingeführten neuen DIN durchgeführt werden. LUGINGER SEITE 1 FRIMBERGER

2 Im ersten Teil der Arbeit, dem Brückenentwurf, wurde als erster Lösungsansatz in Anlehnung an das Pilotprojekt Griesbach eine Konstruktion aus Halbfertigteilen ausgearbeitet. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass die Herstellung und Verarbeitung des hochfesten Betons im Fertigteilwerk erfolgen kann. Hier sind die Produktionsbedingung besser und es kann so parallel an Ober- und Unterbau gearbeitet werden. Dies hat zur folge, dass die geforderte Qualität kostengünstig erreicht werden kann und die Bauzeit verkürzt wird. Durch die Forderung, dass die Spannstahllitzen austauschbar sein sollen, wird es nötig, dass die Spannglieder ohne Koppelstellen in einem durchgängigen Spannkanal durch den gesamten Durchlaufträger geführt werden. Dies stellt wohl die größte Schwierigkeit dieser Lösungsmöglichkeit dar. Die Herstellung eines Spannkanals, der eine technisch einwandfreie Lösung bietet, ist nur mit sehr hohem arbeitstechnischen und damit auch finanziellen Aufwand verbunden. Es hat sich gezeigt, dass sowohl der dreifeldrige Durchlaufträger als auch der geforderte Litzenaustausch technisch auch mit Fertigteilen machbar ist. Der technische und damit auch wirtschaftliche Mehraufwand ist wohl nur gerechtfertigt, wenn die Umgehungsstraße Altdorf bereits bestehen würde und eine Verkehrsbeeinträchtigung unzumutbar wäre. Durch diese gewonnenen Erkenntnisse erscheint also die Ortbetonbauweise für die Brücke bei Altdorf als baupraktisch bessere Variante. Daher wurde im weiteren Verlauf der Entwurf in Ortbeton ausgearbeitet, wobei besonders die zwei Schwerpunkte hochfester Beton und verbundlose interne Vorspannung im Hinblick auf den Baustelleneinsatz betrachtet wurde. Der hochfeste Beton zeigt gegenüber normalfestem Beton ein anderes Frischbetonverhalten, daher darf nur Personal eingesetzt werden, dass mit Betonen C 30/ 37 bereits vertraut ist. Zur besseren Verarbeitung wird eine weiche Konsistenz mit Hilfe von Fließmitteln eingestellt. Bedingt durch das gute Zusammenhaltevermögen dieser Betone, ist der Beton trotzdem klebrig und zäh. Es wird daher trotz der weichen Konsistenz ein sorgfältiges Verdichten und eine erhöhte Verdichtungsenergie nötig. LUGINGER SEITE 2 FRIMBERGER

3 Die Spannbänder, mit denen die Planung durchgeführt wurde, sind für den externen Einsatz konzepiert worden. Für den Einbau und Umgang als intern geführte Spanngliedern muss hier in Anlehung an die Zulassung für Monolitzenspannverfahren vorgegangen werden. Das Spannverfahren selbst ist bereits schon länger auf dem Markt eingeführt, es ist also nur die interne Anwendung neu. Daher sollten nur Unternehmen eingesetzt werden, die vom Spanngliedhersteller eingewiesen und mit dem herkömmlichen Einsatz des Spannverfahrens vertraut sind. Die größte Schwierigkeit liegt im Einbau der parabelförmig verlaufenden Spannglieder, deren Verlauf möglichst exakt eingehalten werden muss, um Reibungsverluste zu minimieren. Ein Austausch des gesamten Spanngliedes in einem Arbeitsgang ist mit den vorhandenen Spannverfahren derzeit nicht möglich. Aber der Wechsel nur einer einzelnen Litze ist möglich und erlaubt sogar den Austausch unter Regelbelastung der Brücke. Hierfür muss die Bemessung vorbeugend auf eine Litze weniger als tatsächlich eingebaut, ausgelegt werden. Hinter der Stirnwand der Widerlager muss ein von außen zugänglicher Revisionsraum ausgebildet werden. Aufbau Spanngliedband Typ VT-CMM D Vorspanntechnik GmbH Ablauf des Litzenaustausches: Im Widerlager Altdorf muss vorab eine Umlenkrolle montiert werden, im Widerlager Gstaudach wird die auszuwechselnde Litze entspannt. Die einzufädelnde Litze, eine herkömmliche werkseitig gefertigte Monolitze, wird über die Tür ins Gebäude geführt. Sie läuft über die Umlenkrolle und wird mit dem Überstand der alten Litze stumpf verschweißt. Die auszuwechselnde Litze wird mittels eines Seilzuggerätes oder einer Monolitzenpresse ausgezogen und durch einen Führungsschlauch durch die Türe ins Freie geleitet. Ein ausreichender Korrosionsschutz wird durch die werkseitig vorgefertigte Monolitze und dem beim Einführen zugeführten Korrosionsschutzmaterial sichergestellt. LUGINGER SEITE 3 FRIMBERGER

4 Die Bemessung des Brückenoberbaus ist nach der neuen DIN durchgeführt worden. Hier sind erstmals auch in der DIN Angaben für hochfeste Betone enthalten und gleichzeitig ist der Spannbetonbau integriert. Die Ermittlung der Lastannahmen aus den Einwirkungen auf den Oberbau erfolgt nach DIN Nach der herkömmlichen Ermittlung der Querschnittswerte erfolgt die statische Eingabe in das Programmsystem SOFiSTiK. Durch den Einsatz des Statikprogramms soll eine möglichst reelle Schnittgrößenermittlung erreicht werden. Es kann hier durch verschiedene Programme und Programmmodule ein dreidimensionales Stabwerksmodell erstellt, alle Querschnittswerte und die verschiedenen Lastannahmen eingegeben werden. Um die Vorspannung in das statische System einzubringen wird über das Verfahren mit Umlenkkräften eine Belastung ermittelt, die durch die Spannglieder erzeugt wird. Die so ermittelten und ausgegebenen Schnittgrößen werden dann bei den Nachweisen im Grenzzustand der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit benötigt. Die Ermittlung des parabolischen Spannstahlverlaufs wurde hier ebenso wie dann alle weiteren Berechnungen der Nachweise mit MS-EXCEL durchgeführt m Systemausschnitt Stäbe Gruppe 11 Z Y Stabbiegemoment My, Lastfall 5 Vorspannung, 1 cm im Raum = knm X M 1 : 119 Schnittgrößen infolge Vorspannung Die Bemessung für Biegung mit Längskraft wird bei einem Bauteil mit Vorspannung ohne Verbund wie bei einem reinen Stahlbetonbauteil durchgeführt. Die gesamte Wirkung der Vorspannung wird hierbei als äußere Einwirkung angesetzt und die Zusatzdehnung im Spannstahl ergibt sich aus der Verformung des gesamten Bauwerks. Um die Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit in einem praxisnahen Rah- LUGINGER SEITE 4 FRIMBERGER

5 men und ohne weitere Statikprogramme durchzuführen zukönnen, wurde zum Teil auf Rechenmethoden aus dem Eurocode 2 zurückgegriffen und mit praxisgerechten Überlegungen und Vereinfachungen gearbeitet Wie gezeigt wurde kann mit dem gewählten Spannglied Typ VT-CMM 3x D die erforderlichen Nachweise erfüllt werden. Der Litzenaustausch ist bei diesen Spannbändern der Firma Vorspanntechnik möglich und bereits in einem Pilotprojekt praktische bewiesen. Der Betonquerschnitt konnte im Bereich des Steges, durch den Einsatz von hochfestem Beton wesentlich verringert werden. Der gewählte Entwurf in Verbindung mit interner Vorspannung ohne Verbund und hochfesten Beton ist eine zukunftsorientierte Lösung für das Brückenbauwerk bei Altdorf. Der Hochleistungsbeton ist bereits in der allgemeinen Baupraxis eingeführt und wir in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen. Die verbundlose interne Vorspannung hingegen steht im Brückenbau noch am Anfang ihrer Entwicklung. Wie sich im ersten Lösungsversuch gezeigt hat, sind die am Markt erhältlichen Systeme noch nicht auf die möglichen Einsatzzwecke abgestimmt. Die Hersteller der Spannglieder werden aber sicher auf die Entwicklungen im Brückenbau reagieren und ihre Produkte weiter entwickeln. Auch wenn die interne Vorspannung ohne Verbund bei der Brücke in Altdorf noch nicht zum Einsatz kommen sollte, so wird sie mit ihren zahlreichen Vorteilen und Möglichkeiten in Zukunft einen wachsenden Anteil im Spannbetonbau darstellen. LUGINGER SEITE 5 FRIMBERGER