Neue Norm für Betonbrücken DIN EN Grundlagen und Hintergründe

Transkript

1 Neue Norm für Betonbrücken DIN EN Grundlagen und Hintergründe Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhard Maurer

2 1. Einleitung Die Berechnung, Bemessung und Konstruktion von Betonbrücken erfolgt derzeit in Deutschland nach DIN-Fachbericht 102: , Betonbrücken DIN-Fachbericht 101: , Einwirkungen auf Brücken Grundlage der DIN-Fachberichte: Europäische Vornormen (z. B. DIN V ENV : ) Die DIN-Fachberichte stellen lediglich eine nationale Übergangslösung bis zur Herausgabe der endgültigen europäischen EN-Normen mit den zugehörigen Nationalen Anhängen dar. 2

3 Für die Berechnung, Bemessung und Konstruktion von Betonbrücken nach EN-Normen waren ursprünglich die folgenden 4 Dokumente als maßgebend vorgesehen: DIN EN : mit zugehörigem Nationalen Anhang DIN /NA: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton und Spannbetontragwerken Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau DIN EN : mit zugehörigem Nationalen Anhang DIN1992-2/NA: 2012-xx Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton und Spannbetontragwerken Teil 2: Betonbrücken Bemessungs- und Konstruktionsregeln 3

4 Im Zuge der Bearbeitung erwies es sich jedoch aufgrund der sehr unfangreichen NCI s im Nationalen Anhang zu EC 2 - Teil 1 als zweckmäßig den für EC 2 Teil 2 mitgeltenden Teil vollständig in den Nationalen Anhang zu EC 2 Teil 2 zu integrieren 4

5 Daher sind für die Berechnung, Bemessung und Konstruktion von Betonbrücken nach EN-Normen künftig die folgenden 3 Dokumente maßgebend: DIN EN : Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton und Spannbetontragwerken Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau DIN EN : mit zugehörigem Nationalen Anhang DIN1992-2/NA: 2012-xx Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton und Spannbetontragwerken Teil 2: Betonbrücken Bemessungs- und Konstruktionsregeln 5

6 Inhalt DIN EN : Kapitel 1: Kapitel 2: Kapitel 3: Kapitel 4: Kapitel 5: Kapitel 6: Kapitel 7: Kapitel 8: Kapitel 9: Kapitel 10: Kapitel 11: Kapitel 12: Allgemeines Grundlagen der Tragwerksplanung Baustoffe Dauerhaftigkeit und Betondeckung Ermittlung der Schnittgrößen Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit (GZT) Nachweise in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit (GZG) Allgemeine Bewehrungsregeln Konstruktionsregeln Zusätzliche Regeln für Bauteile und Tragwerke aus Fertigteilen Zusätzliche Regeln für Bauteile und Tragwerke aus Leichtbeton Tragwerke aus unbewehrtem oder gering bewehrtem Beton Anhänge 6

7 Inhalt DIN EN : Kapitel 1: Kapitel 2: Kapitel 3: Kapitel 4: Kapitel 5: Kapitel 6: Kapitel 7: Kapitel 8: Kapitel 9: Kapitel 10: Kapitel 11: Kapitel 12: Kapitel 113: Anhänge Allgemeines Grundlagen der Tragwerksplanung Baustoffe Dauerhaftigkeit und Betondeckung Ermittlung der Schnittgrößen Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit (GZT) Nachweise in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit (GZG) Allgemeine Bewehrungsregeln Konstruktionsregeln Zusätzliche Regeln für Bauteile und Tragwerke aus Fertigteilen Zusätzliche Regeln für Bauteile und Tragwerke aus Leichtbeton Tragwerke aus unbewehrtem oder gering bewehrtem Beton Bemessung für Bauzustände 7

8 Derzeit werden im Rahmen eines FE-Vorhabens der BASt alle maßgebenden Dokumente der EN-Normen mit den zugehörigen nationalen Anhängen zu DIN-Handbüchern für den Brückenbau zusammengefasst. DIN EN : Betonbrücken (Maurer, TU Dortmund) DIN EN : Stahlbrücken (Kuhlmann, Uni Stuttgart) DIN EN : Verbundbrücken (Hanswille, Uni Wuppertal) Die DIN-Handbücher müssen von den zuständigen Normenausschüssen bestätigt und verabschiedet werden. 8

9 2. Unterschiedliche Regelungen zum DIN-Fachbericht 102: Durch entsprechende Festlegungen in den nationalen Anhängen (NDP, NCI) sind die Unterschiede zwischen DIN und DIN EN (+NA) sowie DIN-Fachbericht 102 und DIN EN (+NA) vergleichsweise gering. Eine detaillierte Zusammenstellung der verbleibenden bemessungsrelevanten Unterschiede einschließlich Vergleichsrechnungen für Straßenbrücken enthält der Abschlussbericht eines Forschungsvorhabens der BASt (FE /2007/FRB). 9

10 EN und EN räumen die Möglichkeit ein, im Nationalen Anhang sicherheitsrelevante Parameter national festzulegen NDP national determined parameter Darüber hinaus enthält der Nationale Anhang ergänzende, nicht widersprechende Angaben zur Anwendung NCI non-contradictory complementary information 10

11 Beispiel für ein NCI: Begrenzung der Rissbreiten EN , Abschnitt EN sieht hier kein NDP vor! 11

12 EN NA-D, Abschnitt (Begrenzung der Rissbreiten) 12

13 Einige unterschiedliche Regelungen für Betonbrücken: Entfall der nicht-häufigen Einwirkungskombination Elastizitätsmodul des Betons Kriechen und Schwinden des Betons Spannkraftverluste infolge Relaxation des Spannstahls Nachweis gegen Durchstanzen Nachweis gegen Ermüdung (Wöhlerlinien) Straßenbrücken: Deutliche Anhebung der Verkehrslasten Formale Abweichung: nach Vorzeichendefinition von EN und EN sind Druckspannungen und Stauchungen positiv 13

14 3. Hintergründe zu einigen abweichenden Regelungen 3.1 Nachweis gegen Ermüdung - Wöhlerlinien DIN FB 102: : Spannstahl 14

15 DIN EN : Spannstahl 15

16 Spannstahl: Ermüdungsfestigkeit in einbetoniertem Zustand maßgebend Reibkorrosion Hüllrohr gekrümmt Riss im beton 16

17 DIN FB 102: : Betonstahl Tabelle 4.117: Parameter der Wöhlerlinien für Betonstahl 17

18 DIN FB 102: / DIN EN Betonstahl a) Tabelle 4.117: Parameter der Wöhlerlinien für Betonstahl Spalte Zeile Spannungsexponent Δσ Rsk in N/mm 2 bei Betonstahl N* k 1 k 2 N* Zyklen in N/mm² b) 1 Gerade und gebogene Stäbe a) c) Geschweißte Stäbe einschließlich Heft- und Stumpfstoßverbindungen b) Für d br < 25 d s ist Rsk mit dem Reduktionsfaktor 1 = 0,35 + 0,026 d br / d s zu multiplizieren. Dabei ist d s der Stabdurchmesser der Biegerollendurchmesser d br Der Reduktionsfaktor 1 sollte bei Querkraftbewehrung nur für d s > 16 mm berücksichtigt werden Für Stäbe d s > 28 mm ist Rsk = 145 N/mm² b) Sofern nicht andere Wöhlerlinien durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung oder Zustimmung im Einzelfall festgelegt werden. c) In korrosiven Umgebungsbedingungen (XC2, XC3, XC4, XS, XD) sind weitere Überlegungen zur Wöhlerlinie anzustellen. Wenn keine genaueren Erkenntnisse vorliegen, ist im Falle einer Schädigung durch Korrosion für k 2 ein reduzierter Wert 5 k 2 < 9 anzusetzen. 18

19 Verteilungsdichte Zuverlässigkeitsverfahren gemäß EN 1990 (Anhang D: Versuchsgestützte Bemessung) Beanspruchung Tragwiderstand E d R d m E E k E d R d R k m R P(E < E d ) = F (+ 0,7b ) b = 3,8 E d = 99,61% -Quantilwert P(R < R d ) = F (- 0,8b ) b = 3,8 R d = 0,118% -Quantilwert P b F Wahrscheinlichkeit Zuverlässigkeitsindex Verteilungsfunktion der Normalverteilung 19

20 Schwingbreite S Übliche Ermittlung des Quantilwertes 5% 50% 95% 5% 5% 95% 50% 5% 95%-Quantil 50%-Quantil 5%-Quantil Schwingspielzahl N Die Verteilungsdichten der Logarithmen der Schwingspielzahl sind individuell in jedem Schnitt und können nicht den klassischen Verteilungen zugeordnet werden; außerdem sind sie im Bereich der Dauerschwingfestigkeit nicht vollständig. Die Zuordnung zu einer Normalverteilung ist falsch! 20

21 Ergebnisse von Dauerschwingversuchen an Betonstabstahl d s 28 mm gegenüber der Wöhlerlinie nach DIN-Fachbericht

22 Schwingbreite S Interaktives Verfahren zur Ermittlung des Quantilwertes 95% 50% 5% 95% 50% 95% 95%-Quantil 5% 50% 5% 50%-Quantil 5%-Quantil Schwingspielzahl N Die Verteilungsdichten der Schwingbreite können in den meisten Fällen der Normalverteilung zugeordnet werden (das Interaktive Verfahren) 22

23 Schwingbreite [N/mm²] Versuchsergebnisse freischwingend geprüfter Betonstahl BSt 500, Ø20 -frei- konstante Unterspannung 125 N/mm² Durchläufer gebrochene Probe berechneter 5%-Quantilwert (1a = 90%) = = = = 396 / 1,15 R el, 95% = 597 [N/mm²] R el, 50% = 559 [N/mm²] R el, 5% = 521 [N/mm²] Schwingspielzahl 95%-Quantilfunktion Mittelwertfunktion 5%-Quantilfunktion Bemessungswerte mit g s,fat = 1,15 Vollständige Wöhlerlinien im Bereich von einem Belastungszyklus bis zur Dauerschwingfestigkeit 23

24 Schwingbreite [N/mm²] BSt 500, Ø20 -frei- konstante Unterspannung 125 N/mm² niederzyklische Festigkeit k 1 = 3,7 Zeitfestigkeit k 2 = 6, %-Quantilfunktion Mittelwertfunktion 5%-Quantilfunktion Dauerschwingfestigkeit N * = E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Schwingspielzahl fiktive Zeitfestigkeit * Rsk = 173 N/mm² (Vertrauensniveau 90%) 24

25 Schwingbreite [N/mm²] Vergleich der Ermüdungsfestigkeiten von einbetonierter Betonstahl und nicht einbetonierter Betonstahl BSt 500, Ø20 -Vergleich- konstante Unterspannung 125 N/mm² %-Quantilwert +12,7 % Streuband der Widerstandsfunktion für den Betonstahl - Prüfung in nicht einbetoniertem Zustand - Streuband der Widerstandsfunktion für den Betonstahl - Prüfung in einbetoniertem Zustand - Mittelwert +14,2 % E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Schwingspielzahl Lit.: Maurer, R, Block,K., Dreier, F.: Ermüdungsfestigkeit von Betonstahl Bauingenieur Januar 2010 ; Springer Verlag 25

26 Zusammenfassung zur Ermüdungsfestigkeit Betonstahl Die Bemessungs-Wöhlerlinie weist keine starke Abhängigkeit von der Art der Prüfung (freischwingend, einbetoniert) auf Spannstahl Die Bemessungs-Wöhlerlinien müssen im einbetonierten Zustand ermittelt werden, da die Ermüdungsfestigkeit bei freischwingend geprüften Spannstählen (Konformitätsprüfung) deutlich größer ist Nach DIN EN erfolgt künftig Einteilung in Klasse 1 und Klasse 2 26

27 3.2 E - Modul Unterschiedliche Festlegungen für Tangenten und Sekantenmodul in DIN EN und in DIN Fachbericht 102. DIN und DIN FB 102 DIN EN und DIN EN Tangentenmodul E c0m = 9500*(f ck +8) 1/3 E c = 1,05*E cm Sekantenmodul E cm = α i *E c0m mit α i = (0,8+0,2*f cm /88) 1,0 E cm = 22000*(f cm /10) 0,3 mit f cm = f ck +8 Definition E-Modul Ecm, E c0 Definition E-Modul nach DIN EN

28 DIN-Fachbericht 102 DIN EN Tangentenmodul Ec0m = 9500 ( fck 8) Sekantenmodul E = a E cm i c0m 1/3 fcm ai = 0,8 0,2 1,0 88 Tangentenmodul Ec0m = 1,05 E Sekantenmodul E cm cm fcm = f cm = f 8 ck 0,3 C 30/37 C 40/50 E = MN / m² c0m E = MN / m² cm E = MN / m² c0m E = MN / m² cm C 30/37 C 40/50 E = MN / m² c0m E = MN / m² cm E = MN / m² c0m E = MN / m² cm 28

29 E c0m 29

30 3.3 Kriechen und Schwinden 30

31 Vergleich Kriechzahlen nach DIN FB 102 und DIN EN Außenluft, RH=80 %, DIN EN Außenluft, RH=80 %, DIN FB 102 bzw. DIN 1045 Kriechverformungen nach EN für Betonfestigkeiten < C 30/35 geringfügig kleiner als in DIN FB 102, bei höheren Festigkeiten keine Unterschiede 31

32 3.4 zeitabhängige Spannkraftverluste DIN EN ΔP csr = Ap Δ p,csr = A p cs E E 1 E p p cm 0,8Δ A A p c 1 pr A I c c E z E cm 2 p cp ( t, t 0 ) 1 0,8 c,qp ( t, t ) 0 pr der absolute Wert der Spannungsänderung in den Spanngliedern an der Stelle x zum Zeitpunkt t infolge Relaxation des Spannstahls. Sie wird für eine Spannung σ p = σ p (G + P m0 + ψ 2 Q) bestimmt. Dabei ist σ p die Ausgangsspannung in den Spanngliedern unmittelbar nach dem Vorspannen und infolge der quasiständigen Einwirkungen; 32

33 DIN-Fachbericht 102 Dabei ist p, c+s+r ( t, t ) E p + + ( t, t ) ( + 0) cs 0 pr a p 0 cg cp = Ap Ac a p 1+ z cp 1+ 0,8 ( t, t0 ) Ac I c (4.10) pr Spannungsänderung im Spannstahl an der Stelle x infolge Relaxation ( pr < 0). Diese darf für das Verhältnis Ausgangsspannung / charakteristische Zugfestigkeit (σ p0 / f pk ) der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung für den Spannstahl entnommen werden mit einer Ausgangsspannung von = 0,3 p0 pg0 p, c s r (4.11) wobei σ pg0 die anfängliche Spannung im Spannstahl aus Vorspannung und ständigen Einwirkungen ist. 33

34 3.5 Begrenzung der Spannungen DIN-Fachbericht 102 DIN EN Druckspannungen im Beton fck c, nicht häufig 0,6 c, selten 0,6 Betonstahlspannungen fyk s, nicht häufig 0,8 s, selten 0,8 fck fyk 34

35 3.6 Bewehrungsregeln Bemessungswert der Verbundfestigkeit Der Bemessungswert unterscheidet sich nicht bis C 50/60 DIN-Fachbericht 102 DIN EN f = 2,25 f / g bd ctk;0,05 c g c = 1,5 f bd = 2,25 f 1 2 ctd f = 1,0 f / g ( mit g = 1,5) ctd ctk;0,05 c c mäßige Verbundbedingungen: 0,7 f mit (132 d ) / 100 für d 32mm bd s s multiplizieren. f bd 1 = 1,0 1 = 0,7 2 = 1,0 bei guten Verbundbedingungen bei mäßigen Verbundbedingungen für ø 32 2 = (132 ø) / 100 für ø > 32 35

36 Grundwert der Verankerungslänge DIN-Fachbericht 102 DIN EN d s Stabdurchmesser ø Stabdurchmesser l b d f s = 4 f yd bd l b, rqd ø = 4 f ø 4 sd bd A s, erf = A s, vorh f f yd bd 36

37 Bemessungswert der Verankerungslänge DIN-Fachbericht 102 DIN EN A l = a l l s, erf b, net a b b,min As, vorh l = a a a a a l l bd b, rqd b,min Mindestverankerungslänge l,min = 0,3 a l 10 d b a b s l,min = 0,6 l 10 d b b s 100mm Zug 100mm Druck Mindestverankerungslänge l max 0,3 l ;10 ø;100mm Zug b,min b, rqd l max 0,6 l ;10 ø;100mm Druck b,min b, rqd Beiwerte a i zur Berücksichtigung a a = Beiwert Verankerungsart a 1 = Biegeform a 2 = Mindestbetondeckung a 3 = Querbewehrung a 4 = angeschweißte Querstäbe a 5 = Querdruck 37

38 DIN-Fachbericht 102 / DIN DIN EN / DIN EN a a = Beiwert Verankerungsart Art Zugstab Druckstab gerade Enden 1,0 1,0 Haken/Schlaufen 0,7 (1,0) - gerade Enden + 1 angeschw. Stab Haken/Schlaufen + 1 angeschw. Stab gerade Enden + 2 angeschw. Stab Klammerwerte: 0,7 0,7 0,5 (0,7) - 0,5 0,5 - seitliche Betondeckung c d 3d s - und kein Querdruck - und keine enge Verbügelung angeschweißte Querstäbe: d s,quer /d s,l 0,7 (a 1 * a 4 ) = Beiwert Verankerungsart Art Zugstab Druckstab gerade Enden 1,0 1,0 Haken/Schlaufen 0,7 (1,0) - gerade Enden + 1 angeschw. Stab Haken/Schlaufen + 1 angeschw. Stab gerade Enden + 2 angeschw. Stab Klammerwerte: 0,7 0,7 0,49 (0,7) - 0,49 (0,7) 0,7 seitliche Betondeckung c d 3d s angeschweißte Querstäbe: ø quer /ø l 0,6 38

39 Der Beiwert a 2 ist mit a 2 = 1,0 anzusetzen Eine Reduktion der Verankerungslänge auf bis zu 70% durch den Beiwert a 2 in Abhängigkeit von der Betondeckung und des Stababstandes ist nicht in jedem Fall (Versagensart Herausziehen ) gerechtfertigt. 39

40 DIN-Fachbericht 102 DIN EN a 3 = Beiwert nicht angeschweißte Querbewehrung Stäbe Zugstab Druckstab alle Arten 0,7 1 - K * l 1,0 1,0 l = (SA st - SA st,min )/A s Querbewehrungsgrad K = 0 bis 0,1 Berücksichtigung der günstigen Wirkung nicht angeschweißter Querbewehrung im Verankerungsbereich Plattenquerbewehrung oder Bügel bei Balken müssen auch im Verankerungsbereich verlegt werden Auswirkungen im Allgemeinen eher gering a 3 = 1,0 40

41 DIN-Fachbericht 102 DIN EN Ist ein Querdruck p rechtwinklig zur Bewehrungsebene vorhanden, ist eine Erhöhung (der Verbundspannung) mit dem Faktor 1/(1-0,04p) 1,5 zulässig. Für p ist der mittlere Querdruck im Verankerungsoder Übergreifungsbereich in N/mm² einzusetzen. a 5 = Beiwert Querdruck Stäbe Zugstab Druckstab alle Arten 0,7 1-0,04p 1,0 - p Querdruck [N/mm²] im GZT innerhalb l bd a 5 = 2/3 bei direkter Lagerung a 5 = 1,5 bei Querzug mit parallelen Rissen 41

42 Übergreifungslänge DIN-Fachbericht 102 DIN EN l l = l a l s b, net 1 s,min = 0,3 a a l s,min a 1 b 15 d s 200mm l = a a a a a l l b, rqd 0,min l max 0,3 a l ; 15 ø; 200mm 0,min 6 b, rqd a 6 wurde wie a 1 gemäß DIN-Fachbericht 102 festgelegt 42

43 4. Auswirkungen aus dem neuen Verkehrslastmodell LMM LM1 nach DIN-FB 101 LM1 nach DIN EN /NA Q ik [kn] q ik [kn/m²] a Qi a qi a Qi a qi a Qi Q ik a qi q ik Fahrstreifen ,0 0,8 1,0 1,0 1, ,0 Fahrstreifen ,5 0,8 1,0 1,0 2, ,0 Fahrstreifen ,5 0 1,0 1,0 1, ,0 Weitere Fahrstreifen 0 2,5-1,0-1,20-3,0 Restfläche 0 2,5-1,0-1,20-3,0 Teilsicherheitsbeiwert ULS 1,50 1,35 Teilsicherheitsbeiwert wird europäisch harmonisiert! Kombinationsbeiwerte y für charakteristische, häufige und quasi-ständige Kombinationen bleiben unverändert! 43

44 Bemessungslasten für Verkehr DIN-FB 101:2009 Einwirkungen auf Brücken Lastmodell LM1 44

45 Bemessungslasten für Verkehr Lastmodell LMM nach DIN EN /NA 45

46 Im Auftrag des BMVBS, vertreten durch die BASt, wurden zu den Auswirkungen aus dem neuen Verkehrslastmodell LMM auf die Bemessung und Konstruktion von Betonbrücken Vergleichsrechnungen durchgeführt. FE-Nr /2007/FRB Lit.: Maurer, R., Arnold, A., Müller, M.: Auswirkungen aus dem neuen Verkehrslastmodell nach DIN EN /NA bei Betonbrücken Beton- und Stahlbetonbau 106 (2011), Heft 11 46

47 1) BW 649 i. Z. d. BAB A2 statisches System: Stützweiten [m]: Querschnitt: Konstruktionshöhe: Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: Besonderheiten: Einfeldträger ca. 5,30 m Platte 0,50 m 15 m Stahlbeton Herstellung auf Lehrgerüst Betongelenk Andreas Arnold 47

48 2) BW 1 i. Z. d. L778 bei Bielefeld statisches System: Stützweiten [m]: Querschnitt: Rahmen 21,5 m Platte Konstruktionshöhe: 1,02 / 1,50 Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: ca. 8,90 m Stahlbeton Herstellung auf Lehrgerüst Andreas Arnold 48

49 3) Ahsebrücke i. Z. d. BAB A2 statisches System: Stützweiten [m]: Querschnitt: Konstruktionshöhe: Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: Besonderheiten: - Einfeldträger 28 m Plattenbalken 1,40 m 15 m Spannbeton nachträglicher Verbund Fertigteile mit Ortbetonergänzung Andreas Arnold 49

50 4) BW 33 i. Z. d. A14 über die B87 statisches System: Stützweiten [m]: Querschnitt: Konstruktionshöhe: Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: Besonderheiten: Zweifeldträger 28 / 18,70 m Plattenbalken 1,45 m 15,75 m Spannbeton nachträglicher Verbund Fertigteile mit Ortbetonergänzung System- und Querschnittswechsel bei den Bauzuständen Andreas Arnold 50

51 5) BW 53Ü i. Z. d. K8758 Liebstadt-Göppersdorf über BAB A14 statisches System: Stützweiten [m]: Querschnitt: Konstruktionshöhe: Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: Zweifeldträger 2 x 21,60 m Plattenbalken 1,10 m 7,0 m Spannbeton nachträglicher Verbund Herstellung auf Lehrgerüst 51

52 6) BW3 i. Z. d. S289 Laubnitztal - Werdau statisches System: Stützweiten [m]: Querschnitt: Konstruktionshöhe: 1,90 Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: Besonderheiten: Einfeldträger 39 / 3x42,5 / 34 m Plattenbalken 14,00 m Spannbeton Herstellung auf Lehrgerüst abschnittsweise Herstellung 52

53 7) Hesperbachtalbrücke i. Z. d. BAB A44 statisches System: 6-Feldträger Stützweiten [m]: 33 / 43 / 41 / 42 / 42 / 33 Querschnitt: Konstruktionshöhe: Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: Besonderheiten: einzelliger Hohlkasten 3,25 m 11,50 m Spannbeton (rein extern) Herstellung auf Vorschubrüstung abschnittsweise Herstellung Andreas Arnold 53

54 8) Weidatalbrücke i. Z. d. BAB A38 statisches System: 5-Feldträger Stützweiten [m]: 40 / 57 / 85,5 / 171/ 102,5 Querschnitt: Konstruktionshöhe: Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: einzelliger Hohlkasten 3,50 / 8,50 m 11,50 m Spannbeton (Mischbauweise) Freivorbau 54

55 9) Kulmbachtalbrücke statisches System: 9-Feldträger Stützweiten [m]: 52 / 5 x 62 / 55 / 55 / 46 Querschnitt: einzelliger Hohlkasten Konstruktionshöhe: 4,10 m Fahrbahnbreite: Bauweise: Bauverfahren: 11,50 m Spannbeton (Mischbauweise) Taktschieben 55

56 Weidatalbrücke Längsrichtung Lastannahmen LM 1 DIN-FB 101: 2009 LMM DIN EN /NA 160 kn 160 kn 240 kn 240 kn 100 kn 100 kn 200 kn 200 kn 300 kn 300 kn 2,5 kn/m² 9 kn/m² 3,0 kn/m² 6 kn/m² 12 kn/m² UDL: p z = 57 kn/m UDL: p z = 81 kn/m (Faktor 1,4) TS: P z = 800 kn TS: P z = 1200 kn (Faktor 1,5) 56

57 Weidatalbrücke Längsrichtung Schnittgrößenvergleich DIN-FB 101 [MNm] DIN EN /NA [MNm] M Ed,F,DIN M Ed,F,EC M Ed,St,DIN M Ed,St,EC Verkehr TS + UDL 46,6 67,2 1,44-184,1-263,3 1,43 57

58 Weidatalbrücke Längsrichtung Schnittgrößenvergleich Einwirkungskombination M Ed,St,DIN-FB M Ed,St,DIN EN [MNm] [MNm] [-] Nur Verkehr TS + UDL ,43 Quasi-ständig ,02 GZG Häufig ,03 Nicht-häufig ,05 Selten ,06 GZT Ständig und vorübergehend ,04 58

59 Weidatalbrücke Längsrichtung Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Nachweis der Dekompression c 0 quasi-ständige Einwirkungskombination charakteristischer Wert der Vorspannung Verkehrslastmodell Faktor Vorspannung maximale Betonspannung [MN/m²] zul c [MN/m²] DIN-FB: ,9 P mt 0 0,45 0 DIN EN 0,9 P mt 0,45 0 DIN EN 0,9*1,04 P mt Erforderlicher Faktor der Vorspannkraft zum Ausgleich von =0,45: f = 1,04 59

60 Weidatalbrücke Längsrichtung Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Nachweis der Betondruckspannungen c 0,6 f ck nichthäufige Einwirkungskombination Mittelwert der Vorspannung Verkehrslastmodell Faktor Vorspannung minimale Betonspannung c [MN/m²] zul c [MN/m²] DIN-FB: ,0 P mt -19 DIN EN 1,04 P mt Spannungszuwachs = 1 MN/m² 60

61 Weidatalbrücke Längsrichtung Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Nachweis der Betondruckspannungen c 0,6 f ck Wegfall der nichthäufigen Einwirkungskombination seltene statt nichthäufige Einwirkungskombination Mittelwert der Vorspannung Einwirkungskombination minimale Betonspannung c [MN/m²] zul c [MN/m²] DIN-FB: ,0 P mt nicht-häufig -19 DIN EN 1,04 P mt selten

62 Weidatalbrücke Längsrichtung Ermüdung Nachweis durch den Aufsteller mit dem Ermüdungslastmodell 3 geführt kein Einfluss des Verkehrslastmodells LMM auf den Ermüdungsnachweis Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreiten Spannbeton Ermittlung der Rissschnittgrößen für P k c,rand = f ctm kein Einfluss des Verkehrslastmodells LMM 62

63 Weidatalbrücke Längsrichtung Grenzzustand der Tragfähigkeit Querkraft + Torsion unter der ständigen und vorübergehenden Bemessungssituation (ungünstigster Querschnitt) min/max V zd [MN] min/max M Td [MNm] erf A sbü,v+t cm² erf A sbü,t cm² erf A sl,t cm²/m DIN-FB: ,9 17 DIN EN ,3 20,5 Faktor 1,05 1,25 1,14 1,18 1,20 63

64 Weidatalbrücke Querrichtung Lastannahmen LM 1 DIN-FB 101:2009 max m f,2 LMM DIN EN /NA 240 kn 240 kn 300 kn 300 kn 160 kn 160 kn 200 kn 200 kn 2,5 kn/m² 9 kn/m² 6,0 kn/m² 12 kn/m² 3,0 kn/m² UDL: p z = 38 kn/m UDL: p z = 58 kn/m (Faktor 1,5) TS: P z = 800 kn TS: P z = 1000 kn (Faktor 1,25) 64

65 Weidatalbrücke Querrichtung Lastannahmen LM 1 DIN-FB 101:2009 min m St,1 LMM DIN EN /NA 240 kn 240 kn 300 kn 300 kn 9 kn/m² 2,5 kn/m² 12 kn/m² 3,0 kn/m² UDL: p z = 29 kn/m UDL: p z = 39 kn/m (Faktor 1,34) TS: P z = 480 kn TS: P z = 600 kn (Faktor 1,25) 65

66 Weidatalbrücke Querrichtung Schnittgrößenvergleich Einwirkungskombination m Ed,F,DIN-FB [knm/m] m Ed,F,DIN EN [knm/m] [-] m Ed,St,DIN FB [knm/m] M Ed,St,DIN EN [knm/m] [-] Verkehr TS + UDL , ,28 quasi-ständig , ,08 GZG Häufig 1) , ,15 Selten 2) , ,18 GZT s+v 3) , ,10 1) Nachweis der Rissbreite 2) Nachweis der Betonrandspannungen 3) Bemessung (g Q = 1,35) 66

67 Weidatalbrücke Querrichtung Grenzzustand der Tragfähigkeit Biegung mit Längskraft unter der ständigen und vorübergehenden Bemessungssituation Verkehrslastmodell max m Ed,F [knm/m] erf a s (unten) [cm²/m] min m Ed,St [knm/m] erf A s (oben) cm²/m DIN-FB: ,4 DIN EN , ,0 Faktor 1,15 1,15 1,10 1,10 67

68 Weidatalbrücke Querrichtung Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Nachweis der Betonrandspannungen c 6 MN/m² (C 45/55) unter der seltenen Einwirkungskombination Begrenzung auf die Spannungen nach Tab a) Verkehrslastmodell max c,f [MN/m²] max c,st [MN/m²] zul [MN/m²] DIN-FB 101:2009 5,68 4,03 DIN EN /NA 7,07! 4,89 6,0 Querschnittsvergrößerung um 5 cm im Feld: Fahrbahnplatte: von 30 cm auf 35 cm 68

69 Zusammenfassung Längsrichtung Einfluss erhöhter Verkehrslasten Systemangaben Bauwerke Stützweite Querschnitt Tragsystem Bemessungsschnittgrößen GZG quasi-ständig GZT Feld Stütze Feld Stütze Weidatal 169 m HK Durchl. - 1,02-1,04 Kulmbachtal 62 m HK Durchl. 1,03 1,02 1,08 1,06 Hesperbachtal 43 m HK Durchl. 1,04 1,02 1,12 1,05 BW 3 S289 42,50 PB Durchl 1,03 1,02 1,08 1,07 BW m PB (FT) Durchl. 1,04 1,06 1,09 1,11 Ahsebrücke 28 m PB (FT) Einf. 1,04-1,09 - BW 53Ü 21 m PB Durchl. 1,04 1,02 1,08 1,06 BW 1 21,5 m Platte Rahm 1,04 1,03 1,09 1,07 BW 647 5,30 m Platte Einf. 1,07-1,10-69

70 Zusammenfassung Längsrichtung Einfluss erhöhter Verkehrslasten Systemangaben Bauwerke Stützweite Querschnitt Tragsystem Erhöhung der Vorspannkraft zum Nachweis der Dekompression Weidatal 169 m HK Durchl. 1,04 Kulmbachtal 62 m HK Durchl. 1,03 Hesperbachtal 43 m HK Durchl. 1,03 BW 3 S289 42,50 PB Durchl 1,02 BW m PB (FT) Durchl. 1,02 Ahsebrücke 28 m PB (FT) Einf. 1,06 BW 53Ü 21 m PB Durchl. 1,03 BW 1 21,5 m Platte Rahm - BW 647 5,30 m Platte Einf. - 70

71 Zusammenfassung Längsrichtung Einfluss erhöhter Verkehrslasten Systemangaben Bauwerke Stützweite Querschnitt Tragsystem Auswirkungen auf die Abmessungen des Betonquerschnitts Weidatal 169 m HK Durchl. - Kulmbachtal 62 m HK Durchl. - Hesperbachtal 43 m HK Durchl. - BW 3 S289 42,50 PB Durchl - BW m PB (FT) Durchl. - Ahsebrücke 28 m PB (FT) Einf. - BW 53Ü 21 m PB Durchl. - BW 1 21,5 m Platte Rahm - BW 647 5,30 m Platte Einf. - 71

72 Zusammenfassung Längsrichtung Einfluss erhöhter Verkehrslasten Systemangaben Bauwerke Stützweite Querschnitt Tragsystem Erhöhung der Biegebewehrung Tragfähigkeit Rissbreite Ermüdung Weidatal 169 m HK Durchl. 1,05 1) - - 3) Kulmbachtal 62 m HK Durchl. x x x Hesperbachtal 43 m HK Durchl. 1,0 2) - - 3) BW 3 S289 42,50 PB Durchl 1,0 2) - - 3) BW m PB (FT) Durchl. 1,0 2) - - 3) Ahsebrücke 28 m PB (FT) Einf. 1,0 2) - - 3) BW 53Ü 21 m PB Durchl. 1,07 1) - - 3) BW 1 21,5 m Platte Rahm 1,08 1,05-3) BW 647 5,30 m Platte Einf. 1,10 1,16-3) 1) nur örtlich im Stütz- bzw. Feldbereich x nicht untersucht 2) Mindestbewehrung maßgebend 3) Ermüdungsnachweis wurde mit LM 3 geführt 72

73 Zusammenfassung Längsrichtung Einfluss erhöhter Verkehrslasten Systemangaben Erhöhung der Querkraftbewehrung 1) Bauwerke Stützweite Querschnitt Tragsystem GzT für Querkraft + Torsion Weidatal 169 m HK Durchl. 1,14 Kulmbachtal 62 m HK Durchl. x Hesperbachtal 43 m HK Durchl. 1,07 BW 3 S289 42,50 PB Durchl 1,10 BW m PB (FT) Durchl. 1,03 Ahsebrücke 28 m PB (FT) Einf. 1,06 BW 53Ü 21 m PB Durchl. 1,13 BW 1 21,5 m Platte Rahm 1,07 BW 647 5,30 m Platte Einf. 1,09 x nicht untersucht 1) im ungünstigsten Querschnitt 73

74 Zusammenfassung Längsrichtung Wegfall der nichthäufigen Einwirkungskombination Systemangaben Bauwerke Stützweite Querschnitt Tragsystem Vergrößerung der Abmessungen Erhöhung der Längsbewehrung Weidatal 169 m HK Durchl. - - Kulmbachtal 62 m HK Durchl. - - Hesperbachtal 43 m HK Durchl. - - BW 3 S289 42,50 PB Durchl - - BW m PB (FT) Durchl. - - Ahsebrücke 28 m PB (FT) Einf. - * 1) BW 53Ü 21 m PB Durchl. - - BW 1 21,5 m Platte Rahm - - BW 647 5,30 m Platte Einf. - - * 1) Rissbreitennachweis für abgeschlossene Rissbildung 74

75 Zusammenfassung Querrichtung Einfluss erhöhter Verkehrslasten Bauwerke Systemangaben Querrichtung Brückenquerschnitt Erhöhung der Bemessungsschnittgrößen Stützweite GZG selten GZT Feld Kragarm Feld Anschnitt Feld Anschnitt Weidatal HK 6,85 3,30 Kulmbachtal HK 6,55 3,37 1,25 1,18 1,14 1,10 Hesperbachtal HK 6,76 3,35 BW 3 S289 PB 5,80 3,05 1,35 1,19 1,31 1,21 BW 53 Ü PB 2,60 1,25 1,35 1,14 1,17 1,07 75

76 Zusammenfassung Querrichtung Einfluss erhöhter Verkehrslasten Bauwerke Systemangaben Querrichtung Brückenquerschnitt Vergrößerungen der Abmessungen Querschnittshöhe Feld Anschnitt Feld h [cm] Kragarm h [cm] h [cm] h [cm] h [cm] h [cm] Weidatal HK Kulmbachtal HK Hesperbachtal HK BW 3 S289 PB 35 50/45 1) 35-50/45 1) - BW 53 Ü PB 35 50/45 1) 35-50/45 1) - - keine Vergrößerung der Querschnittsabmessungen 76

77 Auswirkungen aus der Erhöhung der Verkehrslasten Spannbetonbrücken Längsrichtung: Vergrößerung der Vorspannung um bis zu 5% örtliche Erhöhung der Biegebewehrung um bis zu ca. 10% örtliche Erhöhung der Schubbewehrung um bis zu ca. 15% Querrichtung: Erhöhung der Biegebewehrung um bis zu ca. 20% Im Einzelfall Vergrößerung der Fahrbahnplattendicke im Feldbereich um 5 cm In der Tendenz eher Schubbewehrung in der Fahrbahnplatte 77

78 Auswirkungen aus der Erhöhung der Verkehrslasten Stahlbetonbrücken Längsrichtung: Erhöhung der Biegebewehrung um bis zu ca. 15% örtliche Erhöhung der Schubbewehrung um bis zu ca. 15% Querrichtung: Erhöhung der Biegebewehrung um bis zu ca. 20% In der Tendenz eher Schubbewehrung in der Fahrbahnplatte 78

79 5. Anforderungen an die Nachweise der Dekompression und Begr. der Rissbreiten DIN-Fachbericht 102 Spalte Zeile Anforderungsklasse Einwirkung für den Nachweis der Dekompression Rissbreitenbegr. Rechenwert der Rissbreite wk in mm 1 A nicht-häufig selten 2 B häufig nicht-häufig 3 C quasi-ständig häufig 0,2 4 D - häufig 5 E - quasi-ständig 0,3 79

80 Auszug aus der DIN EN /NA Tabelle 7.101DE Anforderungen an die Nachweise der Dekompression, zulässigen Randzugspannungen und Rissbreitenbeschränkung bei Straßenbrücken Bauteile Anforderungen Stahlbetonbauteile allgemein Dekompression oder zulässige Randzugspannung zul c,rand Rechenwert der zulässigen Rissbreite Einwirkungskombination Einwirkungskombination Längs - - häufig 0,2 Quer - - häufig 0,2 w max 80

81 DIN EN /NA Spannbetonüberbau Stahlbetonüberbau oder Vorspannung Spannbetonüberbau mit Verbund oder Mischbauweise ausschließlich mit Vorspannung ohne Verbund Dekompression oder zulässige Randzugspannung zul c,rand Rechenwert der zulässigen Rissbreite Einwirkungskombinatiokombinaton Einwirkungskombinatiokombinaton längs statisch ohne Vorspannung unbestimmt quasi-ständig - Dekompression - häufig 0,2 (Endzustand) längs statisch bestimmt (Endzustand) längs mit Vorspannung (Endzustand) quasi-ständig 2) quasi-ständig 1) Dekompression Dekompression häufig häufig 0,2 0,2 längs (Bauzustand) längs mit Vorspannung (Bauzustand) quasi-ständig quasi-ständig 0,85 f Tabelle ctk;0, DE häufig häufig 0,2 0,2 quer ohne Vorspannung quer ohne Vorspannung selten selten Tabelle 7.103DE 3) Tabelle 7.103DE häufig häufig 0,2 0,2 quer mit Vorspannung ohne quasi-ständig 2) Dekompression 3) häufig 0,2 quer mit Vorspannung ohne Verbund selten Tabelle 7.103DE häufig 0,2 Verbund 1) Die quasi-ständige Einwirkungskombination ist mit dem Beiwert y 2 = 0,3 für alle Einwirkungen aus Verkehr, jedoch ohne Ansatz von Temperatur und Setzungen zu berücksichtigen. 2) Die quasi-ständige Einwirkungskombination ist mit dem Beiwert y 2 = 0,5 für alle Einwirkungen aus Verkehr zu berücksichtigen. 3) Nachweis für Fahrbahnplatten gefordert. Lokale begrenzte Überschreitungen dieses Grenzwertes bis zu 1 MN/mm² sind zulässig. w max max 81

82 DIN EN /NA Spannbetonüberbau Vorspannung mit Verbund oder Mischbauweise längs statisch unbestimmt (Endzustand) Dekompression oder zulässige Randzugspannung zul c,rand Rechenwert der zulässigen Rissbreite Einwirkungskombinaton Einwirkungskombinaton quasi-ständig Dekompression häufig 0,2 längs statisch bestimmt (Endzustand) quasi-ständig 2) Dekompression häufig 0,2 längs (Bauzustand) quasi-ständig 0,85 f ctk;0,05 häufig 0,2 quer ohne Vorspannung selten Tabelle 7.103DE 3) häufig 0,2 w max quer mit Vorspannung Verbund ohne quasi-ständig 2) Dekompression 3) häufig 0,2 1) Die quasi-ständige Einwirkungskombination ist mit dem Beiwert y 2 = 0,3 für alle Einwirkungen aus Verkehr, jedoch ohne Ansatz von Temperatur und Setzungen zu berücksichtigen. 2) Die quasi-ständige Einwirkungskombination ist mit dem Beiwert y 2 = 0,5 für alle Einwirkungen aus Verkehr zu berücksichtigen. 3) Nachweis für Fahrbahnplatten gefordert. Lokale begrenzte Überschreitungen dieses Grenzwertes bis zu 1 MN/mm² sind zulässig. 82

83 6. Zusammenfassung In Verbindung mit den nationalen Anhängen sind die Unterschiede zwischen DIN EN und DIN DIN EN und DIN Fachbericht 102 vergleichsweise gering Ein wesentlicher Einfluss auf die Bemessungsergebnisse resultiert aus dem neuen Lastmodell LMM Die Anforderungen an die Nachweise der Dekompression, zulässigen Randzugspannungen und Rissbreitenbeschränkung bei Straßenbrücken wurden an das neue Lastmodell LMM angepasst 83