Lager und Lagerungen im Bauwesen. - wohin geht die Entwicklung?

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1 Lager und Lagerungen im Bauwesen - wohin geht die Entwicklung? Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhard Maurer

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Lager und Lagerungen im Brückenbau 3. Lager und Lagerungen im Hochbau 2

3 1. Einleitung Lager warum? ε T = α T T N Längenänderungen Verschiebungen an den Lagern 3

4 1. Einleitung Lager warum? ϕ Durchbiegungen Verdrehungen an den Lagern 4

5 Definitionen Lager: Bauteil überträgt Kräfte (vertikal, horizontal) ermöglicht Bewegungen (Verschiebungen, Verdrehungen) Lagerung: Gesamtheit aller baulichen Maßnahmen zur Übertragung der Auflagerkräfte und Ermöglichung planmäßiger Bauteilverformungen 5

6 Lagerkonstruktionen Möglichkeiten zur Realisierung einer gegenseitigen Verdrehung Möglichkeiten zur Realisierung einer gegenseitigen Verschiebung 6

7 Sunnibergbrücke 7

8 Langwieser Viadukt 8

9 Langwieser Viadukt 9

10 2. Lager und Lagerungen im Brückenbau Muldebrücke Glauchau 2.1 Europäische Lagernorm und ergänzende Regelungen 2.2 Ermittlung der Kräfte und Bewegungen an Lagern 2.3 Bauweisen mit und ohne Lager 10

11 2.1 Europäische Lagernormen und ergänzende Regelungen Normenreihe DIN EN

12 Normenreihe DIN EN 1337 Lager DIN EN 1337 regelt ausschließlich das Bauteil Lager (Brückenlager mit CE Kennzeichnung) Zusätzlich: Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des DIBt für die Ausstattung und Verwendung Ergänzende Regelungen: ZTV-ING Teil 8, Abschn. 3 Lagerungen DIN-Fachbericht 101: Ermittlung der Kräfte und Bewegungen an Lagern 12

13 2.2 Ermittlung der Kräfte und Bewegungen an Lagern Lager sind Konstruktionen, die gegen eine Überschreitung der Bewegungskapazität empfindlich sind Überschreitungen der zulässigen Lagerbewegungen können schwerwiegende Folgen für Lager und Tragwerk haben Daher enthalten die Vorschriften entsprechende Sicherheitselemente für die Ermittlung der Lagerbewegungen Bei den Lagerbewegungen sind sowohl die Einflüsse aus dem Überbau als auch ggf. aus den Stützungen zu berücksichtigen 13

14 Ermittlung der Bewegungen an Lagern nach DIN 1072 Ermittlung für Gebrauchslasten Für Temperatur, Kriechen und Schwinden höhere Werte als für die Schnittgrößenermittlung Für alle anderen Einwirkungen gingen die elastischen Bauwerksverformungen mit ihrer einfachen rechnerischen Größe ein bzw. wurden ggf. nach DIN mit dem Erhöhungsfaktor k = 1,3 vergrößert 14

15 Bewegungslager (Rollen- und Gleitlager) DIN 1072, 6.1, Bewegungen an Lagern und Fahrbahnübergängen Kriechen und Schwinden waren 1,3-fach zu berücksichtigen 1, 3 ϕ 1, 3 ε cs, Temperaturschwankungen: Gegenüber Aufstelltemperatur 10 C waren fiktive Temperaturgrenzwerte anzusetzen T max T min Stahlbrücken Verbundbrücken +75 C - 50 C Betonbrücken + 50 C - 40 C (ohne Messung T 0 ) DIN 4141, Teil 1 (9.84) Mindestwerte der Bewegungsmöglichkeiten 15

16 Verformungslager DIN 1072, 6.1, Bewegungen an Lagern und Fahrbahnübergängen Kriechen und Schwinden waren 1,0-fach zu berücksichtigen 1, 0 ϕ 1, 0 ε cs, Temperaturschwankungen: DIN 1072, 4.1 Wärmewirkungen: Temperaturschwankungen um + 10 C Stahlbrücken ± 35 K Verbundbrücken± 35 K Betonbrücken + 20 K / - 30 K DIN 4141, Teil 1 (9.84) Mindestwerte der Bewegungsmöglichkeiten galten nicht bei Verformungslagern 16

17 DIN-Fachbericht 101, Anhang O (Ausgabe 2009) Die Einwirkungsseite ist unabhängig von der Konstruktion der Lager geregelt (Verformungslager, Bewegungslager) Die Ermittlung der Kräfte und Bewegungen an den Lagern erfolgt im Grenzzustand der Tragfähigkeit Die Kräfte und Bewegungen an den Lagern sind auf der Grundlage der charakteristischen (seltenen) Einwirkungskombination zu ermitteln 17

18 DIN-Fachbericht 101, Anhang O (Ausgabe 2009) Ermittlung der Bemessungswerte der Kräfte und Bewegungen an Lagern: zunächst Bestimmung der charakteristischen Werte für die einzelnen Einwirkungen anschließend Multiplikation dieser Größen mit den jeweiligen Teilsicherheitsbeiwerten der einzelnen Einwirkungen Dadurch werden bei Systemen mit nichtlinearem Verhalten (z.b. schlanke Brückenpfeiler) übermäßig große Lagerbewegungen unter den Bemessungswerten der Einwirkungen vermieden 18

19 DIN-Fachbericht 101, Anhang O (Ausgabe 2009) Statisches System und Lagerung im Endzustand , Festpfeilergruppe Kopfverschiebung in x-richtung nach Theorie 2. Ordnung (LF Bremsen) γ R (G Ed, Q Ed ) (G Ed, Q Ed ) (G k, Q k ) γ R = 1, , 5 = 128 mm 85 19

20 Bemessungswerte der Einwirkungen Bemessungswerte der Bewegungen aus Kriechen und Schwinden 1, 35 ϕ 1, 35 ε cs Bemessungswerte aus Temperatureinwirkung mit γ Q = 1,35 T T max,d min,d = T = T γ γ Q Q T T N, pos N,neg + T 0 T 0 ( C ) ( C ) Betonbrücken T = T T T N, pos N,neg = T e,max e,min T 0 0 = = = 27 = 27 ( ( K ) K ) T T Anhang O max,d min,d = 10 1, , 5 C DIN 1072 = , = 56, 5 C 50 C ohne Messung der = 40 C Bauwerkstemperatur (T 0 = 10 K) 20

21 2.3 Bauweisen mit und ohne Lager Muldebrücke Glauchau Baden 21

22 Bauweise mit Lagern Muldebrücke Glauchau 22

23 Bauweise mit Lagern 23

24 Integrale Bauweise Prager Brücke, Leipzig Baden 24

25 Integrale Bauweise 25

30 Semi Integrale Bauweise Gänsebachtalbrücke, NBS Erfurt Leipzig / Halle 30

31 Semi Integrale Bauweise Gänsebachtalbrücke, NBS Erfurt Leipzig / Halle 31

32 Semi Integrale Bauweise Scherkondetalbrücke, NBS Erfurt Leipzig / Halle 32

33 Resümee beide Bauweisen, die konventionelle Lagerung von Brücken und die integralen Bauwerke, weisen spezifische Vor- und Nachteile auf derzeit ist ein Trend für eine verstärkte Anwendung der integralen Bauweise festzustellen künftige Erfahrungen mit den ausgeführten integralen Bauwerken werden ausschlaggebend sein, in welchem Umfang sich diese Bauweise auf Dauer durchsetzen wird Lager können durch das Bauverfahren bedingt sein (Taktschiebeverfahren, Herstellung in Seitenlage mit anschließendem Querverschub) 33

34 3. Lager und Lagerungen im Hochbau 3.1 Unbewehrte Elastomerlager 3.2 Normenreihe DIN Normenreihe DIN EN Künftige Entwicklungen 3.5 Entwicklung eines neuen Nachweiskonzeptes 34

35 3.1 Unbewehrte Elastomerlager Trag- und Verformungsverhalten Spannungsverteilung nach Elastizitätstheorie (Topaloff) Voraussetzung: Schub- und zugfeste Verbindung zwischen Lager und Bauteil 35

36 Wirkliches Tragverhalten Gleitbewegungen zwischen Beton und Elastomer Vergrößerung der Einfederung Vergrößerung der Lagerausbreitung a v z = ε t 36

37 Materialeigenschaften Hauptbestandteil des Elastomers NR CR EPDM Natur-Kautschuk Chloropren-Kautschuk Ethylen-Propylen-Dien-Mischpolymerisat Zusätzliche Stoffe zur Optimierung der Eigenschaften: Ruß, Schwefel, Kieselsäure, Alterungsschutz- und Verarbeitungshilfen 37

38 Günstige Auswirkung von Profilierungen 38

39 Lagerarten im Hochbau (Auswahl) kompakte Lager profilierte Lager bewehrte Lager Gleitlager 39

40 Anwendungsgebiet: Unbewehrte Elastomerlager im Fertigteilbau 40

41 3.2 Normenreihe DIN 4141 Lager im Bauwesen Hochbau: DIN : Lagerung für Hochbauten (Lagerungsklassen 1 und 2) LK 1: Lager nach Norm oder Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung LK 2: Allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis DIN : Unbewehrte Elastomerlager Bauliche Durchbildung und Bemessung DIN : Unbewehrte Elastomerlager Baustoffe, Anforderungen, Prüfungen, Überwachung 41

42 DIN : Lagerungsklassen 1 und 2 Lagerungsklasse 1: Die LK 1 umfasst alle rechnerisch nachzuweisenden Lagerungen, bei denen eine Gefährdung der Standsicherheit des Bauwerks im Falle einer Überbeanspruchung oder eines Ausfalls von Lagern möglich ist. Lagerungsklasse 2: Alle übrigen Lager... Voraussetzung... ist, dass die angrenzenden Bauteile außer durch die jeweilige rechnerische Pressung in der Lagerfuge nur unwesentlich durch andere Lagerreaktionen beansprucht werden... 42

43 Lagerungsklasse 2 Die Lager werden planmäßig im Wesentlichen nur zentrisch beansprucht. D.h., es treten nur unwesentliche Verdrehungen und Verschiebungen auf. Keine Gefährdung der Standsicherheit bei Überbeanspruchung des Lagers oder Ausfall der Lagerfunktion 43

44 Beispiel: Zuordnung zu einer Lagerungsklasse a 1 F α 1 44

45 Beispiel: Zuordnung zu einer Lagerungsklasse a 1 a 2 F e F α 1 α 2 α 2 < α 1 45

46 In der Praxis kann es zu falsche Einschätzungen der Lagerungsklasse kommen, da die Definitionen nicht eindeutig sind Häufig werden nicht Lager nach Norm oder abz sondern mit abp verwendet Für abp existieren keine einheitlichen Prüfvorschriften Verwendung hochbeanspruchter Lager ohne entsprechende Eignungsnachweise kann nicht ausgeschlossen werden Die Bemessung erfolgt nicht nach Norm oder abz Erforderliche rechnerische Nachweise werden möglicherweise nicht geführt erhöhtes Risiko von Schäden, daher künftig keine Lagerungsklassen mehr. 46

47 Schäden Zu große Lagerverformungen unter planmäßigen Lasten Fließen aus dem Lagerspalt Gefügezerstörung des Elastomers Versprödung infolge des Verlustes flüchtiger Bestandteile 47

48 Schäden Heraustreten von Lagermaterial durch minderwertige Elastomerqualität 48

49 Schäden Bauteilabplatzung durch nicht gleitende Lager 49

50 Schäden Kantenabplatzungen durch Einbau falscher Lager 50

51 DIN : Nachweise mit 1,0-facher Last Zulässige mittlere Lagerpressung (LK1 + 2): Fz σ m = σ zul = 1, 2 G S G = 1, 0MN / A m² 51

52 DIN : Nachweise mit 1,0-facher Last Zulässige mittlere Lagerpressung (LK1 + 2): Fz σ m = σ zul = 1, 2 G S G = 1, 0MN / A m² Lagerverdrehung (LK1) α tot = α + α α Bauteil α Im p = 0,010 + Im p. 0,625 a zul. = 0,5 t a 52

53 DIN : Nachweise mit 1,0-facher Last Zulässige mittlere Lagerpressung (LK1 + 2): Fz σ m = σ zul = 1, 2 G S G = 1, 0MN / A m² Lagerverdrehung (LK1) α tot = α + α α Bauteil α Im p = 0,010 + Im p. 0,625 a zul. = 0,5 t a Schubverformung (LK 1 + 2) u tanγ ( t 2 ) mit tanγ = 0,6 53

54 3.3 Europäische Normenreihe DIN EN 1337 DIN EN Elastomerlager gilt für bewehrte und unbewehrte Elastomerlager Bemessung im GZT mit γ F -fachen Einwirkungen regelt Prüfungen der Lager und enthält Anforderungen an das Elastomer Geregelt werden lediglich die Lager als Bauteile DIN 1337 enthält keine Aussagen zum Thema Lagerung 54

55 Nachweise für unbewehrte Elastomerlager nach DIN EN Nachweis der mittleren Lagerpressung: σ cd = F z,d A 1,4 G d S 7 G d Maximal ausnutzbare Lagerpressung unter γ F -facher Beanspruchung: σ cd 7 Gd 7 MN / m² mit G d = 1, 0 MN / m² Bei Bedarf nach höher ausnutzbaren Lagern: Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abz) 55

56 3.4 Künftige Entwicklungen DIN 20xxx Lager und Lagerungen im Hochbau (Arbeitsentwurf) 1 Anwendungsbereich 2 Normative Verweisungen 3 Begriffe und Formelzeichen 4 Sicherheitskonzept 5 Ermittlung der Lagerkräfte und Lagerbewegungen 6 Grundsätze zur Lagerung von Bauteilen im Hochbau 7 Nachweiskonzept für unbewehrte Elastomerlager 56

57 Sicherheitskonzept Es gilt DIN Einwirkungen: Normenreihe DIN 1055 Nachweise für Lagerkräfte und Lagerbewegungen im GZT E d R d E k γ F R γ k M 57

58 Ermittlung der Lagerkräfte und Lagerbewegungen (1) Die charakteristischen Werte der Kräfte und Bewegungen sind mit der seltenen (rare) Kombination zu ermitteln: E d,rare = j 1 G k, j P k Q k,1 i> 1 ψ 0,i Q k,i (2) Die Bemessungswerte der Kräfte und Bewegungen ergeben sich aus der Kombination nach (1), wobei jedoch die aus den einzelnen Einwirkungen resultierenden Kräfte und Bewegungen am Lager mit den Teilsicherheitsbeiwerten für die jeweilige Einwirkung zu vergrößern sind. (Wegen Tragsystemen mit nichtlinearem Verhalten) 58

59 Ermittlung der Lagerkräfte und Lagerbewegungen Bei den Auflagerverdrehungen sind sowohl die Drehwinkel der Bauteile als auch die geometrischen Imperfektionen zu berücksichtigen: α = α + α Ed,tot α imp = 10 Ed,Bauteil imp 59

60 Ermittlung der Lagerkräfte und Lagerbewegungen Stahlbeton: nichtlineares Verhalten durch Rissbildung (Zustand II) Lagerverformungen infolge der seltenen Kombination unter Berücksichtigung der Einflüsse aus Kriechen (ϕ m ) Schwinden (ε csm ) Rissbildung Bemessungswerte α rare = ˆ αk α Ed,Bauteil 1, 4 αrare ( γ G = 1, 35; γ Q = 1, 50; 1, 35 ϕm ; 1, 35 ε csm ) 60

61 Ermittlung der Lagerkräfte und Lagerbewegungen Klimatische Einwirkungen Bauteile im Inneren von gedämmten Gebäudehüllen: Aufstelltemperatur Temperaturschwankungen T = + 10 C 0 T N, k = ± 10K Bauteile im Freien: Sinngemäß wie bei Brücken 61

62 Nachweiskonzept für unbewehrte Elastomerlager DIN EN Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung 62

63 3.5 Entwicklung eines neuen Nachweiskonzeptes (abz) Ausgangspunkt: keine Bruchhypothese bekannt, um Materialversagen in Abhängigkeit vom Spannungszustand zu beschreiben daher Begrenzung der Lagerverformungen, um Schäden an den angrenzenden Bauteilen zu vermeiden Verformungsbezogenes Nachweiskonzept 63

64 Einflüsse auf das Verformungsverhalten Materialeigenschaften des Elastomers Beschaffenheit der Kontaktfläche Lager/Bauteil a b Formfaktor S = 2 a + b ( ) t t a b 64

65 Anwendungsbereich Unbewehrte Elastomerlager (kompakt, profiliert) 65

66 Nachweis der mittleren Lagerpressung σ Ed,m = F Ed,z A max σ Rd,m Hiermit wird die Einsenkung des Lagers begrenzt. 66

67 Ansatz für σ Rd in Abhängigkeit vom Formfaktor S σ Rd = K S max σ [ MN / m²] mit K = 8 MN/m² max σ Rd = 28 MN / m² Rd σ S² + S + 1 = 1, 4 0, 7 Rd 28 MN / m² Calenberg Elastomerlager 67

68 Ermittlung von ε, a im Rahmen von Zulassungsversuchen Stauchung ε σ t εt (1- ε) t formatabhängig materialspezifisch σ Ausbreitmaß a b a σ 1,43 Rd < 40 N/mm² σ Rd a σ 1,43 Rd < 40 N/mm² kleinerer Wert σ Rd ist maßgebend σ Rd a max ε < ε grenz ε max a < a grenz a 68

69 Ermittlung von ε, a im Rahmen von Zulassungsversuchen Stauchung ε σ t εt (1- ε) t formatabhängig materialspezifisch σ Ausbreitmaß a b a σ 1,43 Rd < 40 N/mm² σ Rd a σ 1,43 Rd < 40 N/mm² a kleinerer Wert σ Rd ist maßgebend σ Rd σ u ε A ε u E i σ Rd = ε ε grenz u ε max a < a grenz a 69

70 Ermittlung von ε, a im Rahmen von Zulassungsversuchen Kompaktes Lager Profiliertes Lager σ t εt (1- ε) t σ t εt (1- ε) t σ 1,43 Rd < 40 N/mm² a σ 1,43 Rd < 40 N/mm² a σ Rd σ Rd max ε < ε grenz ε max ε < ε grenz ε 70

71 Ermittlung von ε, a im Rahmen von Zulassungsversuchen Kompaktes Lager Profiliertes Lager σ t εt (1- ε) t σ t εt (1- ε) t σ 1,43 Rd < 40 N/mm² a σ 1,43 Rd < 40 N/mm² a σ Rd σ Rd σ u ε A ε u E i σ Rd = ε ε grenz u ε σ u ε A ε u E i ε grenz σ Rd = ε u ε 71

72 Festlegung des E-Moduls (Kompakte Lager) E d = E γ 0, 05 m Vorschlag: γ m = 1,0 72

73 Vergleich ε u,cal auf der Grundlage des Bemessungswerts E d (S) mit ε u aus gemessener Federkennlinie 73

74 Anfangsstauchung ε A und Gesamtstauchung ε = ε A + ε u Vorschlag ε A,d = 0,1 σ ε d = ε A,d + E Rd d 74

75 Kriechverhalten im Dauerstandversuch w(t 1 ) w(100d) = 3,15 mm = 3,825 mm 3, 825 3, 150 Kriechzahl: ϕ = = 0, 214 3, 150 ϕ d = 0,25 75

76 Beanspruchung durch exzentrische Lasten / Lagerverdrehung F d e a 1 a 2 a 76

77 Beanspruchung durch exzentrische Lasten / Lagerverdrehung 77

78 Beanspruchung durch exzentrische Lasten / Lagerverdrehung Die Lastexzentrizität nimmt unter F d näherungsweise linear mit der Lagerverdrehung zu: e/a 6,0 α (t N = 10 mm) e/a 3,0 α (t N = 20 mm) 78

79 Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit σ Ed = N A Ed σ Rd = K S max σ Rd σ Rd N Ed A zulässige mittlere Lagerpressung nach Allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung Bemessungswert der einwirkenden Lagerkraft senkrecht zur Lagerebene Grundfläche des Lagers 79

80 Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit Begrenzung der Lagerverdrehung α Ed,tot α Rd α Rd = α Min α Rd,Lager Rd,Bauteil α Rd,Lager nach abz α Rd min t Rest 80

81 Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit Grenzbedingung α Rd,Bauteil α Rd,Bauteil t Re st ( a 2 + ü) t Re st α Rd, Bauteil a 2 + ü 0 t Re st N [ 1 ( ε + ( + ϕ ) ε )] = t 1 A,d el,d t N t Rest α Rd,Bauteil ε el,d σ = E Ed,m d a ü ε E,ϕ A,d, d aus abz DAfStb Heft 525: ü = a 2 + a 2 81

82 Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit angrenzende Bauteile Querzugkräfte infolge Dehnungsbehinderung Spaltzugkräfte Lastausmitte e infolge Lagerverdrehung (aus abz) 82

83 Resümee unbewehrte Elastomerlager können noch bis 2010 nach DIN in Verbindung mit abp s verwendet werden die Anwendungsnorm für Lager und Lagerungen im Hochbau DIN 20xxx sieht keine Lagerungsklassen mehr vor DIN 20xxx regelt die - Ermittlung der Kräfte und Bewegungen an Lagern - Grundsätze für die Lagerung Bemessung der Lager als Bauteil erfolgt nach - DIN EN (Lagerpressung bis 7 MN/m²) - abz (Lagerpressung bis σ Rd =28 MN/m²) 83

84 Danke fürs Zuhören! 84