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BAWKolloquium

TagungsbandEntwicklungen und Fortschritte im

Brücken- und massiven Verkehrswasserbau

18. und 19. April 2018

Bundesanstalt für Wasserbau Kolloquium Entwicklungen und Fortschritte im Brücken- und massiven Verkehrswasserbau ▪ 18. und 19. April 2018

Programm

Mittwoch, 18. April 2018 13:00 Uhr Begrüßung und Einführung Dipl.-Ing. Claus Kunz (BAW) 13:15 Uhr BAW-Empfehlungen Temperatureinwirkungen auf Kanalbrücken Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ingbert Mangerig (Universität der Bundeswehr München)

Dipl.-Ing. Rainer Ehmann (BAW) Vergleichsweise große Steifigkeiten führen bei Temperaturänderungen in Kanalbrücken zu erhebli-chen Beanspruchungen. Dies macht sich insbesondere in der Bauphase sowie bei Revisionen und In-standsetzungen bemerkbar. Aufgrund der geringen Auflasten führen Temperaturzwängungen zu Um-lagerungen, die lagerschädigende Zugbeanspruchungen zur Folge haben können. Der BAW-Leitfaden enthält praxisgerecht aufbereitete Angaben zur zutreffenden Analyse der Beanspruchung aus Tempe-ratureinwirkungen sowie Empfehlungen zum Lagereinbau. 13:45 Uhr Ermüdungssicherheit von Seilen unter Biegung

Dr.-Ing. Michael Schmidmeier, Prof. Dr.-Ing. habil Karl G. Schütz (Ing.-Büro Dr. Schütz, Kempten)

Im Rahmen eines umfangreichen Forschungsvorhabens der BAW wurden Fragen zur Biegung von vollverschlossenen Seilen untersucht. Es wird über die Veranlassung und die Vorgehensweise bei der wissenschaftlichen Bearbeitung berichtet. Das aus den gewonnenen Erkenntnissen für die Praxis abge-leitete Nachweisverfahren für Seilhänger in Stabbogenbrücken wird vorgestellt. 14:15 Uhr Normenarbeit in der Praxis am Beispiel von Zuggliedern Prof. Dr.-Ing. habil. Karl G. Schütz, Dr.-Ing. Michael Schmidmeier

(Ing.-Büro Dr. Schütz, Kempten) Am Beispiel der Arbeitsgruppe 2.4.2 von BASt und BAW wird die Entstehung und langjährige (Weiter-)Entwicklung des aktuellen Anhangs NA.F zur DIN EN 1993-2 beleuchtet. Anhand exempla-risch ausgewählter Themen werden die durchgeführten Untersuchungen zu praxisrelevanten Frage-stellungen und deren Aufbereitung im Hintergrunddokument („Leitfaden“) beschrieben. Abschließend wird der aktuelle Stand bei der Überführung in die neue Generation der Eurocodes dargestellt. 15:00 Uhr Nachweis von Gewölbebrücken gegenüber Schiffsanprall Dipl.-Ing. Claus Kunz (BAW), Dr.-Ing. Roger Schlegel (Dynardo GmbH, Weimar) Gewölbebrücken sind robuste Bauwerke, deren Tragvermögen aber häufig statisch falsch eingeschätzt wird. Auf der Grundlage einer detaillierten drei-dimensionalen Modellierung werden am Beispiel einer den Main überspannenden Gewölbebrücke Grenzzustandsbetrachtungen aufgestellt, die unter Ver-kehrs- und Anpralllasten die jeweils kritischen Last-Szenarien, die Versagens-Mechanismen und das Grenztragvermögen der Brücke aufzeigen. Eine probabilistische Betrachtung liefert ferner Zuverläs-sigkeitskennwerte. 15:45 Uhr Pause 16:30 Uhr Verkehrslastmodelle für Brücken - Einführung Dipl.-Ing. Rainer Ehmann (BAW) Verkehrslastmodelle werden in Normen durch statische Ersatzlasten beschreiben, welche die stochas-tischen Einwirkungen aus Straßenverkehr mit den geforderten Sicherheiten abbilden sollen. Ein Überblick über die historische Entwicklung und verwendete Methoden wird gegeben.


16:50 Uhr Verkehrslastmodelle für typische WSV-Brücken Prof. Dr.-Ing. Ursula Freundt, Dr.-Ing. Sebastian Böning (Ing.-Büro Prof. Dr. U. Freundt, Weimar) Verkehrslasten für Brücken müssen unabhängig von System und Verkehr sein, wenn gleiche Sicherhei-ten gelten. Für Brücken im Bestand sind jedoch zusätzliche Überlegungen erforderlich. Eine Analyse von Systemen und Verkehren für WSV-Brücken zeigt mögliche Lösungsansätze für das erforderliche Ziellastniveau bestehender Brücken. 17:20 Uhr Entwicklung messbasierter Verkehrslastmodelle Prof. Dr.-Ing. habil. Karl G. Schütz, Dr.-Ing. Michael Schmidmeier

(Ing.-Büro Dr. Schütz, Kempten) Es wird über ein alternatives Verfahren zur Bewertung der Trag- und Ermüdungssicherheit be-stehender Brückenbauwerke auf Grundlage von Messungen berichtet. Die dazu entwickelte Vor-gehensweise und die zwischenzeitlich an vier Bauwerken gewonnenen Erkenntnisse werden zu-sammengefasst. ab 18:00 Uhr Geselliger Abend (Buffet) Donnerstag, 19. April 2018 08:30 Uhr Mindestbewehrung für fugenlose Wasserbauwerke unter frühem und spätem

Zwang Dr. techn. Katrin Turner, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyen Viet Tue (TU Graz) Fugenlose Betonbauwerke sind im Erhärtungs- und Nutzungszeitraum Verformungseinwirkungen ausgesetzt. Wird die Mindestbewehrung zwangbeanspruchter Betonbauteile auf Basis der Verfor-mungskompatibilität ermittelt, kann die Überlagerung von frühem und spätem Zwang auf einer ge-meinsamen, mechanischen Grundlage beantwortet werden. Eine wirtschaftliche und sichere Bemes-sung ist damit möglich. Der Vortrag fasst die Hintergründe der verformungsbasierten Bemessung zu-sammen und liefert Einblick in die experimentelle Untersuchung zwangbeanspruchter Bauteile. 09:00 Uhr Neues BAWMerkblatt Zwang Dr.-Ing. Christoph Stephan, Dipl.-Ing. Ferdinand Borschnek (BAW) Die neuen Erkenntnisse zur „Mindestbewehrung für fugenlose Wasserbauwerke unter frühem und spätem Zwang“ (s.o.) machten eine vollständige Überarbeitung und Erweiterung des bisherigen BAWMerkblatts früher Zwang (MfZ) notwendig. Das neue BAWMerkblatt Zwang ist in Vorbereitung. In diesem Vortrag werden sein Aufbau und Erkenntnisse aus Vergleichsrechnungen mit dem bisheri-gen Merkblatt präsentiert. 09:30 Uhr Ein ganzheitliches Querkraftmodell für Stahlbetonbauteile ohne und mit Quer-

kraftbewehrung ? Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Nguyen Viet Tue, Dr.-Ing. Nguyen Duc Tung,

Dipl.-Ing. Christoph Betschoga (TU Graz), Dipl.-Ing. Rainer Ehmann (BAW) Basierend auf der Analyse der Fortpflanzung des kritischen Schubrisses und der Bremswirkung der Querkraftbewehrung bei diesem Vorgang wurde ein ganzheitliches Querkraftmodell für Stahlbeton-bauteile mit und ohne Querkraftbewehrung entwickelt. Die Rolle einer Bewehrung, die kleiner als die Mindestbewehrung ist, wird verdeutlicht. Mit diesem Modell kann ein allgemeines Bemessungskon-zept für die Querkraft erarbeitet werden. Eine Modellunterscheidung zwischen Bauteilen mit und oh-ne Bewehrung ist bei der Bemessung nicht mehr erforderlich. 10:00 Uhr Pause


10:45 Uhr BAWMerkblatt Erdbebenbeanspruchung auf massive Verkehrswasser- bauwerke - EmV

Dr.-Ing. Georgios Maltidis (BAW) Die gültigen Normen liefern unzureichende Angaben für eine realitätsnahe Bemessung von Wasser-bauwerken auf Erdbeben. Das Merkblatt stellt die seismischen Einwirkungen mit Schwerpunkt auf den dynamischen Erd- und Wasserdruck auf Wasserbauwerke vor und bietet ein praxisorientiertes Be-rechnungsverfahren an. 11:15 Uhr Planung zur Grundinstandsetzung des Wehres Geesthacht an der Elbe Dipl.-Ing. Stefan Lühr (WSA Lauenburg),

Dipl.-Ing. Harald von Thaden (WTM Engineers GmbH, Hamburg) Die in den Jahren 1957 bis 1960 errichtete 4-feldrige Staustufe Geesthacht weist erhebliche Schäden am Massivbau und an den Sektorwehrverschlüssen auf und bedarf daher zur Sicherstellung der Be-triebssicherheit dringend einer Grundinstandsetzung. Es werden die Ergebnisse der bisherigen um-fangreichen Voruntersuchungen und das geplante weitere Vorgehen vorgestellt. 11:45 Uhr Besonderheiten bei der Nachrechnung bestehender Wehranlagen

Dipl.-Ing. Matthias Lutz, Annika Kiesel M.Sc. (BAW)

Der Zustand ihrer Wehranlagen steht aktuell für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung mehr denn je im Fokus. Der Vortrag stellt beispielhaft Bauwerke vor, deren Tragfähigkeit in letzter Zeit durch die BAW bewertet wurde und geht auf spezielle Problemstellungen der Nachrechnung ein. 12:15 Uhr Schlussworte Dipl.-Ing. Claus Kunz (BAW)


Liste der Referenten

Borschnek, Ferdinand Bundesanstalt für Wasserbau

Kußmaulstraße 17

76187 Karlsruhe

[email protected]

Ehmann, Rainer Bundesanstalt für Wasserbau

Kußmaulstraße 17

76187 Karlsruhe

[email protected]

Freundt, Prof. Dr. Ursula Ingenieurbüro Prof. Dr. U. Freundt

Industriestraße 1 a

99427 Weimar

[email protected]

Kiesel, Annika Bundesanstalt für Wasserbau

Kußmaulstraße 17

76187 Karlsruhe

[email protected]

Kunz, Claus Bundesanstalt für Wasserbau

Kußmaulstraße 17

76187 Karlsruhe

[email protected]

Lühr, Stefan Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Lauenburg

Dornhorster Weg 52

21481 Lauenburg

[email protected]

Lutz, Matthias Bundesanstalt für Wasserbau

Kußmaulstraße 17

76187 Karlsruhe

[email protected]

Maltidis, Dr. Georgios Bundesanstalt für Wasserbau

Kußmaulstraße 17

76187 Karlsruhe

[email protected]


Mangerig, Prof. Dr. Ingbert Universität der Bundeswehr München

Fakultät Bauingenieur- u. Vermessungswesen

Werner-Heisenberg-Weg 39

85579 Neubiberg

[email protected]

Schlegel, Dr. Roger Dynardo GmbH

Steubenstraße 25

99423 Weimar

[email protected]

Schmidmeier, Dr. Michael Dr. Schütz Beratende Ingenieure

im Bauwesen GmbH

An der Stadtmauer 13

87435 Kempten

[email protected]

Schütz, Prof. Dr. Karl G. Dr. Schütz Beratende Ingenieure

im Bauwesen GmbH

An der Stadtmauer 13

87435 Kempten

[email protected]

Stephan, Dr. Christoph Bundesanstalt für Wasserbau

Kußmaulstraße 17

76187 Karlsruhe

[email protected]

Tue, Prof. Dr. Viet Technische Universität Graz

Institut für Betonbau

Lessingstraße 25

A-8010 Graz

[email protected]

Turner, Dr. Katrin Technische Universität Graz

Institut für Betonbau

Lessingstraße 25

A-8010 Graz

[email protected]

BundesanstaltfürWasserbauKolloquiumEntwicklungenundFortschritteimBrücken-undmassivenVerkehrswasserbau▪18.und19.April2018

Stand:10.April2018 -1-

TeilnehmerlisteName Firma Ort

Akkermann,Prof.Dr.Jan Hochschule-TechnikundWirtschaft Karlsruhe

Amthor,Gerhard BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Anwikar,Dr.Anil AnwikarConsultantsGmbH Würzburg

Arnoldt,Sabine Wasserstraßen-Neubauamt Magdeburg

August,Pia WasserstraßenundSchifffahrtsamt Nürnberg

Aye,Andrea WasserstraßenundSchifffahrtsamt Stuttgart

Benthaus,Mark WasserstraßenundSchifffahrtsamt Rheine

Bernet,Paul GDWS Mainz

Birker,Ulrich FachstelleBrückenMittebeimWNA Helmstedt

Bödefeld,Dr.Jörg BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Borcherding,Heidi GDWS Hannover

Boros,Dr.Vazul Schömig-PlanIngenieurgesellschaftmbH Kleinostheim

Brandt,Ina Wasserstraßen-Neubauamt Datteln

Braun,Norman IRSStahlwasserbauConsultingAG Würzburg

Deutscher,Martin BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Donau,Hans ehem.WSD Mainz

Engelke,Wolfgang VERBUNDHydroPowerGmbH Wien

Fleischer,Dr.Helmut BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Freitag,Matthias KönigundHeunischPlanungsgesellschaft FrankfurtamMain

Frentzel-Schirmacher,Anka BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Fuhrmann,Frauke Wasserstraßen-undSchifffahrtsamt Uelzen

Gabrys,Ulrike BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Gastmeyer,Dr.Ralf LGAKdöRZweigstelleWürzburgPrüfamtfürStandsicherheit

Würzburg

Geist,Christian Wasserstraßen-Neubauamt Aschaffenburg

Glüsenkamp,Mathias FachstelleBrückenMittebeimWNA Helmstedt

Götz,Matthias SMPIngenieureimBauwesen Karlsruhe

Gurt,Ralf BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Haas,Andreas DorschInternationalConsultantsGmbH München

Harlacher,Dr.Dennis GDWS Mainz

Hatzius,Klaus KönigundHeunischPlanungsgesellschaft FrankfurtamMain

Höß,Richard IngenieurgruppeBauen Mannheim

Janssen,Henning Wasserstraßen-undSchifffahrtsamt Uelzen



Name Firma OrtJawad,Amir LahmeyerHydroprojektGmbH Weimar

Johmann,Stephan KREBS+KIEFERIngenieureGmbH Karlsruhe

Kasic,Dr.Slobodan HarrerIngenieure Karlsruhe

Kellner,Amelie BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Kerber,Katja Wasserstraßen-Neubauamt Aschaffenburg

Klein,Wladimir BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Kleine,Johannes BjörnsenBeratendeIngenieureGmbH Koblenz

Kloé,Katrin BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Knappe,Gerd GDWS Münster

Knue,Josef GDWS Münster

Kolbe,Martin Wasserstraßen-undSchifffahrtsamt Regensburg

Krämer,Timo HarrerIngenieure Ostfildern

Leismann,Kristiina BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Medina-Borges,Aylin BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Michalz,Eva-Maria GDWS Essenheim

Mösle,Thomas BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Neif,Simon SwecoGmbH Hannover

NyobeuFangue,FrancoisMarie BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Pieper,August Wasserstraßen-undSchifffahrtsamt Rheine

Pommerening,Dr.Dieter KönigundHeunischPlanungsgesellschaft FrankfurtamMain

Reschke,Dr.Thorsten BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Richter,Rüdiger Wasserstraßen-Neubauamt Magdeburg

Riemann,Robert GDWS Bonn

Rother,Roland NeubauamtfürdenAusbaudesMLK Hannover

Ruch,Dr.Daniela IngenieurgruppeBauen Freiburg

Rückriem,Tobias KönigundHeunischPlanungsges.mbH Leipzig

Schäfers,Dr.Matthias IRSStahlwasserbauConsultingAG Würzburg

Schenck,Gunter SGHGBautechnikmbH Halle(Saale)

Schlüter,Dr.Franz-Hermann SMPIngenieureimBauwesenGmbH Karlsruhe

Scholz,Heiko LahmeyerHydroprojektGmbH Magdeburg

Schulz,Reinhard Leonhardt,AndräundPartner Berlin

Schum,Stefan KönigundHeunischPlanungsgesellschaft FrankfurtamMain

Schütze,Martin RambollGmbH Hamburg

Skarmoutsos,Georgios UniversitätStuttgart-InstitutfürKonstruktionundEntwurf

Stuttgart

Spangler,Roland Wasserstraßen-undSchifffahrtsamt Regensburg



Name Firma OrtStadel,Daniel FachstelleBrückenMittebeimWNA Helmstedt

Überreiter,Marcus Wasserstraßen-Neubauamt Aschaffenburg

Vieth,Heinz-Josef KREBS+KIEFERIngenieureGmbH Karlsruhe

Wagner,Reiner ehem.BAW Waldbronn

Waldraff,Tobias schlaichbergermannpartner-sbpGmbH Stuttgart

Walke,Tim IngenieurgruppeBauen Karlsruhe

Walter,Bernd AmtfürNeckarausbau Heidelberg

Weiler,Simon Hochschule Karlsruhe

Wendt,Martina GDWS Hannover

Wessel,Hauke Wasserstraßen-Neubauamt Aschaffenburg

Westendarp,Andreas BundesanstaltfürWasserbau Karlsruhe

Wilhelm,Dr.Tobias GDWS Magdeburg


Kurzfassungen derVorträge


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BAW-EmpfehlungenTemperatureinwirkungenaufKanalbrückenUniv.-Prof.Dr.-Ing.IngbertMangerig(UniversitätderBundeswehrMünchen)Dipl.-Ing.RainerEhmann(BAW)1 AllgemeinesPermanentwechselndeklimatischeUmgebungsbedingungenverursachen inBauwerken instationäreundnichtlinearbegrenzteTemperaturverteilungen.AufdenaufgezwungenenWechselderTempera-tur folgen Änderungen der thermischen Verzerrungen, diewiederum der Grund für zeitabhängigeTragwerksverformungen,Zwängungen,EigenspannungenundUmlagerungenderAuflagerreaktionensind.InderVergangenheitsindaufgrundeinesnichtumfassendvorhandenenKenntnisstandszuvonWär-mewirkungen ausgehendenBeanspruchungen verschiedentlich anBauwerken Schäden aufgetreten.AnKanalbrückenwurdenbeientleertenBrückentrögenabhebendeLagerreaktionenbeobachtet,dieaufTemperatureinwirkungenunddiebesondereBauteilgeometriezurückzuführenwaren.BeiKanalbrückenhandeltessichumsindKreuzungsbauwerke,dieeinenKanalübereinTaloderan-dereVerkehrswegeüberführen.InDeutschlandsindnahezualleindenletztenJahrzehntengebautenKanalbrücken in Stahlbauweise errichtetworden, lediglich kurze Brückenwurden inBeton ausge-führt.DiekonstruktiveGestaltungderBrückenquerschnittewirddurchdieBreiteundTiefedesFahr-wassersvorgegebenmitderFolgevonhoherundbreiter,nachobenoffenenTrogquerschnitte.Dabeikönnen2Querschnittsformenunterschiedenwerden,derRechteckquerschnittmitsenkrechtenodernahezu senkrechtenTrogwänden undderTrapezquerschnittmit stark geneigtenTrogwänden.DerTrapezquerschnittfindetAnwendungbeiBrückenmitgeringenBauteillängen.

Bild1: QuerschnittsformenvonKanalbrückenamBeispiela)Minden,b)LeinebrückenZusammenmitdenbeidseitigenBetriebswegenentstehenbeieinerKanalbrückemitBegegnungsver-kehrQuerschnittsbreitenvonüber50mbeimRechteckquerschnittundnahezu70mbeimTrapezquer-schnitt.KanalbrückenmitRechteckquerschnittbestehenausdenseitlichenHauptträgern,denQuer-rahmen,welcheandenLagerachsenzuAuflagerquerträgernwerdenundLängsträgernunterhalbdesTrogbodenssowiezusätzlichenLängsrippen.DabeisinddieBiegesteifigkeitenandenseitlichenRän-dernsignifikantgrößeralsindendazwischenliegendenBereichen.BeiKanalbrückenmitTrapezquer-schnittwirddieTragwirkung indengeneigtenSeitenwändenüberzusätzlicheLängsträgererreicht.


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BeibeidenQuerschnittsformenentstehtsomiteinräumlicherTrägerrostmitschubfestenVerbindun-genzudenWand-undBodenblechen. InVerbindungmitdergroßenQuerschnittsbreitesindbegin-nendunterdenTrogwänden in einerLagerachsemeistmehrereLager in relativkurzenAbständenangeordnet.EineweitereBesonderheit stählernerKanalbrücken ist die imVergleich zumEigenge-wichtsehrhoheständigeWasserlast,dieinderRegelüber80%desGesamtgewichtesausmacht.Eben-fallsalsFolgederhohenWasserlastsind imVergleichzuStraßenbrückendieSpannweiten inLängs-richtungrelativgering.DierelativgroßeSteifigkeitderTragprofilesowiediestatischunbestimmteLagerunginBrückenlängs-und -querrichtung führen dazu, dassKanalbrücken sehr anfällig für Zwangsbeanspruchungen sind.Diesmachtsich insbesondere imZustanddes leerenTrogesbemerkbar,wennnurnochetwa15bis20%deräußerenständigenEinwirkungwirken.DerZustandohneWasserfüllung istnichtnurwäh-rendderBauphasevorhanden,sondern inregelmäßigwiederkehrendenRevisionszuständen,diefürInspektionenundInstandsetzungennotwendigwerden.WesentlicheEinwirkungen,diezuZwangsbeanspruchungenführen,sinddabeiklimatischeTempera-turbeanspruchungen,diealsveränderlicheEinwirkungenkonsequentinallenBemessungssituationenzuberücksichtigensind.EineUnterschätzungderTemperurbelastunghatinderVergangenheithäufigzuSchädenandenLagernvonKanalbrückengeführt.Gerade im leerenZustandmitgeringenständi-genAuflasten führenZwangsbeanspruchungenausklimatischenTemperatureinwirkungenzuUmla-gerungen,die inderSummezuabhebenden (Zug-)Auflagerkräften führenmitderFolge,bei inderRegelnichtzugfestenBrückenlagern,dassderÜberbauabhebtunddie indiesemZustandeintreten-denÜberbaubewegungen Lagerschäden verursachen. Verstärktwerden kann dieser vorrangig vonTemperaturänderungenhervorgerufeneEffektdurchunvermeidbareFertigungsungenauigkeiten,Tole-ranzenbeimLagereinbauundBaugrundsetzungen.

Bild 2: Umlagerung der Auflagerkräfte bei Erwärmung bzw. Abkühlung des Bodenblechs im

TrogbodenSowohlfürNeubauplanungenalsauchbeiderÜberprüfungbestehenderBauwerkeoder imRahmenvonLagerauswechselungen istuneingeschränktdasZielzuverfolgen,sichereundbeherrschbareBe-triebszustände zu erreichen, um Schäden amTragwerk und den Lagern zuverlässig zu vermeiden.Voraussetzungistdabeiu.a.diezutreffendeBestimmungderBeanspruchungenausungünstigenKons-tellationenvonmaßgebendenTemperaturverteilungen.


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2 BerechnungsverfahrenzurBerücksichtigungvonTemperatureinwirkungenBei der Festlegungmaßgebender Temperaturverteilungenwürden allgemeine, sämtliche physikali-schenundmechanischenBesonderheitenberücksichtigendeBerechnungsverfahrendenimPlanungs-prozessverfügbarenzeitlichenRahmensprengen.FürgängigeFormenstählernerKanalbrückenwur-dendeshalbausnumerischenSimulationenfürdieBemessungmaßgebendeTemperaturverteilungenabgeleitet.AufGrundderspezifischenKonstruktionsformenvonKanalbrückenwerden imGegensatzzurVorgehensweisebeiStraßen-undEisenbahnbrückenzweiAnsätzeunterschieden. InAnlehnungan bekannte Berechnungsvorgaben zur Berücksichtigung von Temperatureinwirkungen bei Stab-werksmodellenwurdenumspezifischeBesonderheitenvonKanalbrückenerweiterteErsatztempera-turverteilungenausgearbeitet.DiehierfürnotwendigenAngabensindimLeitfadenunterderBezeich-nung„LineareErsatztemperaturen“aufgeführt.DadiekomplexenStrukturenvonKanalbrückenmiteiner dreidimensionalenTragwerksmodellierungundderVerwendung vonVolumen- und Flächen-elementenzutreffenderabgebildetwerdenkönnen,sindzurBerücksichtigungklimatischerTempera-turbeanspruchungenbeiAnwendungdieserAnalysemethodenTemperaturfelder fürBauteilgruppenangegeben. ImLeitfadenwirddieserealitätsnähereMethodezurBerücksichtigungvonTemperatur-einwirkungenmit„Teilflächenmodell“bezeichnet.DaAngabenzuBauwerkstemperaturenu.a.auchvondergeografischenLageabhängigsind,geltendieKenngrößen für Bauwerke in Deutschland, können aber auf Konstruktionen in Regionen mit ver-gleichbarenklimatischenVerhältnissenübertragenwerden.Im geltendenRegelwerk sindTemperaturkenngrößen fürunterschiedlicheWiederkehrperioden an-gegebenundalscharakteristischerBeanspruchungswertisteineEinwirkungmiteinermittlerenWie-derkehrperiodevonfünfzigJahrenfestgelegt.Diese,als„selten“bezeichneteBeanspruchungistbeiderBemessungnicht-umkehrbarerAuswirkungenaufeinTragwerkmaßgebendundinderRegelbeiderBemessungvonKanalbrückenanzusetzen.ZurBewertungvonBauzuständenstehenAngabenfürdienichthäufigeKombinationmiteinerWiederkehrperiodevoneinemJahrzurVerfügung.ErgänztsinddieTemperaturwerteumAngaben fürdiehäufigeunddiequasi-ständigeKombinationmitWieder-kehrperiodenvonzweiWochenbzw.sechsTagen.GrundsätzlichwerdenbeidenmaßgebendenAnga-bendieBauwerkssituationenleerer(ungefüllter)TrogzurBeurteilungvonBau-undRevisionszustän-denunddermitWassergefüllteTrogzurBewertungdesBetriebszustandsunterschieden.2.1 Berechnungsverfahren1:ModelllinearerErsatztemperaturverteilungenErsatztemperaturverteilungen sind in jenen Fällen anzuwenden, bei denen Kanalbrückenmeist imRahmen einer Vorbemessung als räumliches Stabwerk modelliert sind. Als Ersatz für tatsächlicheWärmewirkungensindinderQuerschnittsebenedereinzelnenStabelementelinearbegrenzteTempe-raturanteile -konstanteWerte fürTemperaturschwankungenund linearveränderlicheVerteilungenfürTemperaturunterschiede-alsTemperaturdifferenzenanzusetzen.NichtlineareTemperaturanteile,dieEigenspannungen,aberwederVerformungennochZwangskräftehervorrufen,werdenbeidieserBetrachtungvernachlässigt.EineVoraussetzung,diefürüblicheQuerschnittsformengerechtfertigtist.


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Bild3:PrinzipdarstellungenzuErsatztemperaturverteilungenDieTemperaturansätzesindanalogdeninDINEN1991-1-5fürStraßen-undEisenbahnbrückenent-haltenenVorgabenzuverstehen,allerdingsaufGrunddesspezifischenKonstruktionsaufbausvonKa-nalbrückeninunterschiedlicherGrößeaufsämtlicheHaupttragelementeanzuwenden.AuchwennsichdieBerechnungsvorgabendifferenzierteralsbeianderenBrückentypenaneinzelnenKonstruktions-elementen orientieren, so stellen Ersatztemperaturverteilungen auf Grund der idealisierenden Be-schreibungdesErwärmungszustandeszwangsläufig immereineNäherungdar.Weiterhin istzube-rücksichtigen,dassinwenigenLastfällenzusammengefassteErsatztemperaturverteilungenaufGrundderkomplexerenKonstruktionvonKanalbrückennichtzurgleichenGenauigkeitwiebeiStraßen-undEisenbahnbrücken führenkann.MitBlick auf eine realitätsnähereAbbildungderBeanspruchungenaus klimatischen Einwirkungen sollte die Modellierung von Kanalbrücken als Stabwerk schon aufGrunddesdamitverbundenenAnsatzeslinearerErsatztemperaturverteilungenfürVorbemessungenherangezogenwerden.2.2 Berechnungsverfahren2:Teilflächen-Temperatur-ModellBeieinerModellierungdesTragsystemsmitVolumen-undFlächenelementenineinerräumlichange-legtenStrukturnachderFinite-Element-MethodestehenzurBerücksichtigungklimatischerTempera-tureinwirkungenAngabenaufderBasiseinessogenanntenTeilflächenmodellszurVerfügung,welchesdieBeanspruchungenrealitätsnähererfasstalsBerechnungennachdemVerfahrenmitErsatztempe-raturverteilungen.BeidieserBerechnungsvariantewerdengleichartigaufgeheiztenTeilflächenkon-kreteTemperaturennachderCelsiusskalazugewiesen.AusGründenderPraktikabilitätkönnenauchbei diesemVerfahren nicht alle, alsmöglich erachtetenTemperaturfeldkonstellationen nachgestelltwerden,sonderneswerdennurextreme,alsbemessungsrelevant identifizierteSituationenangege-ben.AuchmachtesderkomplexeAufbauvonstählernenKanalbrückenerforderlich,dass imGegen-satzzuStraßen-undEisenbahnbrückenmehrereTemperaturlastfällezuuntersuchensind.Das Teilflächen-Temperatur-Modell folgt dem Grundsatz, Bauteilbereiche mit annähernd gleichemTemperaturverhaltenzusammenzufassenundbeiderDefinitionderTemperaturlastfällediesenKon-struktionselementen identischeTemperaturenzuzuweisen.DaraufaufbauendsindverallgemeinerteLastfälleformuliert,dieunterschiedlicheEinwirkungssituationenrepräsentieren.


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DF Deckblech Fahrbahn (Betriebsweg) mitunterschiedlichenAsphaltdicken

WI Wandfläche innen,wasserseitig.BeiTrag-werken ohne Hohlkasten ist dies i.A. dieeinzigesenkrechteWandfläche,ausgesteiftdurchLängsrippenundQuerrahmen

WA Wandaußen,nichtwasserbenetzt

WB Wandhohlkastenboden, zum Untergrundhingerichtet

WR Innenflächen Hohlkasten, gleiche Tempe-raturwieWAverschattet

DB DeckblechBodendesTroges

BU BodenUntergurt

BS Bodenlängsträgersteg,gleicheTemperaturwieBU

Bild4:DefinitionthermischäquivalenterBauteilbereiche(Teilflächen)DaszubeurteilendeBauwerkwirdgemäßBild4 inTeilflächenaufgeteilt,welcheuntergleichartigenRandbedingungen einweitgehend deckungsgleichesTemperaturverhalten aufweisen.EntsprechendderzubeurteilendenEinwirkungssituationwerdendenTeilflächenkonkreteTemperaturenzugewie-sen.DieTemperaturenwerden inLängsrichtungderBauteileundüberderenDickealskonstantvo-rausgesetzt.Mögliche physikalisch nicht sinnvolle Temperaturversätze beim Zusammentreffen vonTeilflächenoderamÜbergangvonverschattetenzubesonntenBereichenwerdenüber lineareGlät-tungsfunktionenangeglichen.Im Betriebszustand „Leere Kanalbrücke“ treten anhängig von derOrientierung für Teilflächen desBauwerkszusätzlicheSchatteneinflüsseauf.DiesbetrifftdenDeckblechbereichdesTrogbodensunddieAußenbereiche,weniger die InnenseitenderTrogwände.Die Schattenspur auf demTrogbodenwirdvomSonnenstandunddenAbmessungenderTrogwändevorgegebenunddieVerschattungderAußenbereichederTrogwändevonderLängederauskragendenBetriebswegebestimmt.BeispielhaftistinderlinkenAbbildungdesBildes5eineVerschattungssituationfüreineKanalbrückemitgeradenTrogwändendargestellt.DierechtsseitigeAbbildungenthälteinerEinwirkungskombinationzugeord-neteTemperaturangabenfürteilbesonnteFlächeneinerKanalbrückemitschrägenTrogwänden.

Bild5:VerschattungeinerKanalbrückemitgeradenSeitenwändenundbeispielhafteBerücksichti-

gungdesSchatteneinflusseseinerKanalbrückemitgeneigtenSeitenwänden


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MitderbeschriebenenVorgehensweisekönnenidealisierteTemperaturfelderaufgestelltwerden.DasVerfahrenliefertabmessungsunabhängigeTemperaturverteilungenundistsomitaufnahezubeliebigeTragwerksformenanwendbar,nichtnurKanalbrücken.2.3 LagerwegeausTemperatureinwirkungBeibefülltemTrogübtdieWassermasseaufdieEntwicklungderBauteiltemperatureneinedämpfen-deWirkungaus,sodass fürdieErmittlungderLagerwegeausTemperaturderBetriebszustandmitentleertemTrogmaßgebendwird. ImLeitfaden istvorgegeben,dassderBemessungderLagerwegeein über sämtliche Konstruktionselemente konstantes Temperaturfeld in einer SchwankungsbreitevonTN=+60°CbisTN=-30°Czugrundezulegenist.Auchwenn imbefülltenZustanddieLagerwegeausTemperaturbeiKanalbrückenrechnerischdeut-lichgeringersind,können indiesemBetriebsfallausderWasserlast resultierendeVerkrümmungenaufgrunddesVersatzesderLagerebenezurSchwereachsederTrägerinnichtunerheblichemMaßezudenVerschiebungenindenLagernbeitragen.3 LagereinbauundLagertauschBereits geringeAbweichungen vonder Sollhöhenlage undder Sollneigung desÜberbaus führen zuerheblichenAbweichungendersichdanntatsächlicheinstellendenAuflagerkräftevondenprojektier-tenLasten.AndenLagereinbauunddenLageraustauschbeiKanalbrückensinddeshalbhoheAnforde-rungenzustellen.DaderLagereinbauundderLagertauschüberwiegendbeientleertemTrogdurchgeführtwird,sindalsHauptursachefürAbweichungenderLagerkräftevondenSollwertenFehleinschätzungenderTempe-raturverformungenbeiderMontagezunennen,diesichzuFertigungstoleranzensowieunplanmäßi-genVerformungendesÜberbaussowiederUnterbautenunddesBaugrundsaddieren.UmdenLage-reinbaumit ausreichenderGenauigkeit zugewährleisten,kommendaher geodätischeVerfahren fürdieEinmessungnurunterstützend inBetracht.Vielmehr istderÜberbaumittelshydraulischerPres-senkraftgeregeltdurchEinstellungvorabermittelterPressenkräfteaufdieSolllageeinzurichten.DerAusgleichunplanmäßigerVerformungseinflüsseerfolgtdabeiüberexakteingemesseneKeilfutterble-che,beiderenFestlegungeinverformungsneutralesTemperaturfeldzugrundezu legen ist.Dassetztvoraus,dassdurcheineentsprechendemesstechnischeÜberwachungüber eineausreichend langenZeitraumderZeitpunktausgeglichenerTemperaturfelderzuverlässigbestimmtwerdenkann.DaVeränderungenderHöhenlageeinesBrückenüberbausanderEinbaupositioneineseinzelnenLa-gers aufgrundder großen Steifigkeit derAuflagerquerträger stets zuKräfteänderungen anden be-nachbartenAuflagernführen,solltederÜberbauanallenLagerpositioneneinerQuerachsesynchronangehoben und ebenfalls synchron abgesenktwerden.Bei geringen Stützweiten kann es zusätzlicherforderlichsein,zurSicherstellungeinerzutreffendenLagerkrafteinstellungdiebenachbartenLager-achsenebenfallsmitanzuheben.


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Da dieWasserlast bei den Lagern einer Lagerachse voneinander abweichende Lagerverdrehungenverursacht,solltebeiLagernmithorizontalenGleitflächenentgegenderüblichenEinbaupositionderKippteilzumBauwerkhinorientiertundderGleitteilzurAuflagerbankgerichtetangeordnetwerden.DadurchwerdenbeidennichtunerheblichenVerdrehungenundgleichzeitigeinsetzendenLängsver-schiebungen Zwängungen vermieden.Die daraus resultierendeAusmitte der Lagerkraft ist bei derBemessungderUnterbautenzuberücksichtigen.4 ZusammenfassungImvonderBundesanstaltfürWasserbauveröffentlichtenEmpfehlungenzuTemperatureinwirkungenaufstählerneKanalbrückensindErkenntnissesowieErfahrungenzurzutreffendenBerücksichtigungvonWärmewirkungen zusammengefasst und fürBerechnungen beimNeubau und dem Erhalt vonKanalbrückenpraxisgerechtaufbereitet.DieAusarbeitungenberücksichtigendiespezifischenBeson-derheitenvonKanalbrückenundorientierensichandenGrundsätzenvonDINEN1990sowieDINEN1991-1-5.DieVorgabenderEmpfehlungkönnendeshalbentsprechenddenfürdieseRegelwerkegel-tendenPrinzipienangewendetwerden.Die Bemessungsansätze in der Empfehlung beruhen auf Simulationsrechnungen für ausgewählteQuerschnittsformen von Kanalbrücken. Parallel zu den theoretischen Untersuchungen wurden dierechnerischen Resultate mit Ergebnissen aus Messungen verglichen. Vor der Veröffentlichung desLeitfadenswurden dieBerechnungsprozeduren beimBau und derErtüchtigung vonKanalbrückenerprobtundandeninderEmpfehlungdokumentiertenStandangepasst.ZusätzlichzudenBerechnungsvorgaben fürdieErmittlungderTragwerksbeanspruchungenauskli-matischenTemperatureinwirkungenenthältdieEmpfehlungHinweise fürdenEinbauunddenAus-tauschderBrückenlagervonKanalbrücken.5 QuellenverzeichnisMangerigIngbert,EhmannRainer:BAW-Empfehlung-TemperatureinwirkungenaufstählerneKanal-brücken.BundesanstaltfürWasserbauKarlsruhe●Dezember2016–ISSN2192-5380


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ErmüdungssicherheitvonSeilenunterBiegungDr.-Ing.MichaelSchmidmeier(Ing.-BüroDr.Schütz,Kempten)Prof.Dr.-Ing.habil.KarlG.Schütz(Ing.-BüroDr.Schütz,Kempten)1 EinführungindieThematikSeilehabensich imBauwesenalseinzuverlässigesKonstruktionselementzurÜbertragungvonZug-kräftenetabliert.HierfüristihreBemessungimaktuellenNormenwerkumfassendgeregelt(Seiltypen,Tragsicherheit,Ermüdung).DieVerwendungvonSeilenkannsich insbesonderebeiHängern inBogenbrückenalsvorteilhafter-weisen:

· EntfallvonaufwändigenStößenbeigrößerenHängerlängen· HöhereBauteildämpfungdurchdenAufbauausEinzeldrähten· Einstellbarkeit,NachstellbarkeitvonHängerkräften· ErreichenhöhererEigenfrequenzen· EinfacheAustauschbarkeit· alsOptionbeiderInstandsetzungvongeschädigtenHängernsinnvoll,etc.

DurchSchwingungen,DurchhangänderungenoderauchdurchverkehrsbedingteVerformungenkön-neninSeilenjedochzusätzlicheBiegebeanspruchungenimVerankerungsbereichentstehen,zudenensichindenNormeninsgesamtlediglichvageVorgabenfinden(keineBerechnungsverfahren,HinweiseaufBauteilversuche,allgemeinekonstruktiveEmpfehlungen,etc.).InderKonsequenz treten insbesonderedann,wennwechselndeVerkehrsbeanspruchungenplanmä-ßigzuberücksichtigensind,planerischeUnsicherheitenbeimEinsatzvonSeilenauf: imHinblickaufdietechnischeEignung,aufterminlicheVerzögerungenzumBeispieldurcheineZustimmung imEin-zelfall,aufzusätzlichentstehendeKosten,usw.UmhierzukünftigAbhilfezuschaffen,wurdebeiderBundesanstaltfürWasserbau,Karlsruhe,einForschungsvorhabeninitiiert,mitdemdieEinsetzbarkeitvonSeilhängerninStabbogenbrückenuntersuchtundBemessungsregelnbzw.einNachweisverfahrenabgeleitetwerdensollten.ÜberdiedabeigewonnenenErkenntnissewurdein[1]berichtet.Diemaß-gebendenErgebnissewerdennachfolgendzusammengefasstundeswirdüberzwischenzeitlichewei-tereEntwicklungenberichtet.DieErmittlungermüdungsrelevanterBeanspruchungenausStraßenverkehrerfolgtrechnerischinderRegeldurchdenAnsatzdesErmüdungslastmodellsLM3nachDINEN1991-2.ZurBestimmungdermaßgebendenBeanspruchungenimHängeranschlussbereichsinddazusämtlicheVerformungsanteileundderEinflussderHängernormalkräfte zuberücksichtigen.Diewährend einer solchenÜberfahrtauftretendenVerformungs-undSpannungsverläufezeigtBild1.ImHinblickaufdasAuftretenermü-dungsrelevanterBiegebeanspruchungenimHängeranschlussbereichwerdeninderRegeldielängerenHängermaßgebend.DerGrunddafür liegt imbesonderenVerhaltenvonBogentragwerken,beidem


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sich inderBauwerksmitteWinkelverdrehungen imHängeranschlussbereich (φy)undKrümmungenausdenRelativbewegungenimHaupttragwerk(Dux/LH)ungünstigüberlagern.

Bild1:VerformungenindenHängeranschlussbereichenunterLM3AlsbesondersgeeignetfürdenEinsatzvonSeilhängernwurdenvollverschlosseneSeilemitbeidseiti-genGabelseilhülsen eingestuft.ZurVerbindungmitdemTragwerk (Knotenblechen)werdenBolzeneingesetzt.DievorigeAnnahme,wonachdie imAnschlussbereichauftretendenBiegemomenteüberdenSeilkopfbisindasSeilübertragenwerdenkönnen,setztalsoeinebiegesteifwirkendeBolzenver-bindungvoraus.DieserAnsatzwurdezunächsttheoretischwiefolgtbegründet:

· ReibungimBolzengelenk· ÜbertragbarkeitvonBiegemomentenüberdieKnotenblechbreitebzw.dieSpreizungderAn-

schlusslaschen· Betrachtung von ermüdungsrelevanten, insgesamt „kleinen“ Verformungs- bzw. Beanspru-

chungswechselnDergewählteAnsatzscheintzunächstaufdersicherenSeitezu liegen,erwurdeallerdings imNach-gangdurchBauwerksmessungenvollbestätigt(sieheAbschnitt5).Bild2zeigtdieaneinemBeispiel-bauwerkwährendderÜberfahrtdesLM3rechnerischermitteltenBeanspruchungenamSeilaustritt,d.h. imSeilquerschnittanderStelle,anderdasSeildenSeilkopfverlässtund indie freieSeillängeübergeht.ZunächstistderalleinigeBeanspruchungsanteilausderSeilnormalkraftalsblaugestrichelteLinieÇdargestellt.Dieserbeschreibt imZugederLkw-ÜberfahrtnäherungsweiseeinehalbeSinuswelle.ErerreichtseinMaximum,wennsichdasFahrzeug imBereichdesuntersuchtenHängersbefindet.Für


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denzugehörigenAnteilDs2kanneineBewertungaufGrundlagevonDINEN1993-1-11inVerbindungmitdemNationalenAnhangerfolgen(mitDsc=112N/mm²fürermüdungsrelevanteNormalkraftver-änderungeninvollverschlossenenSeilen).

Bild2:RechnerischeSpannungsverläufeamSeilaustrittausÜberfahrtLM3EbenfallsdargestelltsinddieBeanspruchungsverläufe,diesichunterBerücksichtigungderBiegewir-kungandenzweigegenüberliegendenQuerschnittspunktenÅundÉergeben.SieüberlagernsichdenNormalkraftbeanspruchungenamSeilaustrittwährendeinerÜberfahrtetwainFormeinervollständi-genSinuswelle.DieSeilbiegungtrittsomitetwamitdoppelterFrequenzzumNormalkraftverlaufaufundbewirktlokaleinedeutlicheErhöhung(hier:nahezuVerdopplung)derBeanspruchungenausderSeilnormalkraft(Ds1>>Ds2).DieseZusatzbeanspruchungtrittwährendderÜberfahrtaufbeidenSeitendesSeilquerschnittsauf(Ds1≈Ds3).EineBewertungdieser(Draht-)Spannungenistmitdemzuvorge-nanntennormativenWertinhaltlichnichtabgedeckt.2 HerangehensweiseBeiderBearbeitungdesForschungsvorhabenserfolgtezunächsteineumfangreicheLiteraturrecher-che,umbereitsvorhandeneErkenntnissefürdiehierinteressierendeFragestellungnutzenzukönnen:

· AbleitungvonMaterialkennwertenfürEinzeldrähteundSeile· AuswertungundÜbertragungvonVersuchsergebnissen· SuchenachBerechnungsverfahren

ParalleldazuwurdeeinTragwerksmodellentwickelt,mitdemeinSeilabschnittausverseiltenEinzel-drähten inklusive der zugehörigen Kontaktbedingungen zwischen den Drähten abgebildet werdenkann.MitdemModellwurdenwichtigeErkenntnissezumTragverhaltenimSeil,insbesondereimBe-reichdesSeilaustritts,gewonnen.ZudemkonntendurchdieIntegrationdiesesTeilsystemsineinGe-samtmodell auch die vollständigenVersuchsaufbauten undVersuchsabläufe rechnerisch abgebildet


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werden.DurcheineKalibrierunganveröffentlichtenundaneigenenVersuchsergebnissendienteesüberdieszurrechnerischenBewertungweitererSeilquerschnitteundBeanspruchungsabläufe.UmdieanStabbogenbrückenvorliegendenVerhältnisse inBezugauferforderlicheSeildurchmesserund auf die Beanspruchungsverhältnisse in Hängern zu präzisieren, erfolgte eine Auswertung desBauwerksbestandsderWasser-undSchifffahrtsverwaltungen.DieErgebnissedientenu.a.zurFestle-gungderspäterenBauteilversuche,beideneninsgesamt18vollverschlosseneSeilemitDurchmessernzwischen21mmund45mminzweiVersuchsreihenanderTUMünchenundTUBraunschweigunter-suchtwerdenkonnten.3 ZusammenfassungwesentlicherVersuchsergebnisseDie Auswertung der Versuchsergebnisse führte zu dem Schluss, dass im Seilendbereich kontakt-bedingteEinflüssezwischenderäußerstenDrahtlageunddemVergusslebensdauerbestimmendsind.Derhierzu gehörigeMechanismuswird alsReibkorrosionbezeichnet.Er tritt auf,wenn zweiReib-partner unter Querdruck wechselnden Längsbeanspruchungen und damit kleinsten oszillierendenRelativbewegungen unterworfen sind. Im Kontaktbereich kommt es dadurch zu Schädigungen, dieeinem mechanischen Materialverschleiß ähnlich sind und die zur lokalen Aufrauung und Be-schädigungderOberflächenführen.DieErmüdungsfestigkeitderbeteiligtenElemente(hier:Seildräh-teaufmetallischemVerguss)sinktdadurchinAbhängigkeitvonverschiedenenParametern(HärtederMaterialien, Größe der Relativbewegungen, Höhe des Querdrucks, etc.) erheblich ab. Dieser Schä-digungsmechanismus ist bei Seilen bekannt und bestimmt auch die ertragbaren Seilkraft-schwingbreiten,dieunteranderem inder freienSeillängeRelativbewegungenandenKontaktstellenzwischendenverseiltenEinzeldrähtenunterEinschnürdruckhervorrufen.In Bezug auf das (kombinierte) Auftreten von zeitlich veränderlichen Seilkraft- und Biege-beanspruchungen im Seilendbereichwurde zur summarischenBeschreibung nachfolgendes Ingeni-eurmodellentwickelt.BeimAufbringeneinerSeilzugkraftbzw.bereitsbeimReckeneinesSeilskommtesdurchdieSeilein-schnürungimBereichdesSeilaustrittslokalzuAblösungenzwischenderSeiloberflächeunddemVer-guss.Tritt nun eine zeitlich veränderliche (axiale) Seilkraft ΔN hinzu, entstehen im SeilendbereichdurchunterschiedlicheDehnungenRelativbewegungenzwischendenSeildrähtenunddemVerguss-material.ImunmittelbarenEintrittsbereichdesSeilsindenVergusstretendieseDehnungsdifferenzenjedochohneQuerdruckauf.ErstimVerguss,wennderSeilverbandaufgelöstundindensogenanntenSeilbesen überführtwird,wirken auf dieDrähte zusätzlicheUmlenkungs- undVerankerungskräfte.Damitkönnendort-tendenziellalsoinnerhalbdesVergusses-diezuvorbeschriebenenBedingungenfürdasAuftretenvonReibkorrosionentstehen.EinequalitativeDarstellungdieserZusammenhängefindet sich im linken Teilbild von Bild 3. Die Ablösungsbereiche sind blau, die Bereiche mit Re-lativbewegungenunterQuerdruckrotangedeutet.


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Bild3: ModellvorstellungzuReibkorrosionunterNormalkraftundBiegungEine andere Verteilung der kritischen Kontaktbereiche zeigt sich beim Aufbringen einer Biege-verformungΔφ imSeilendbereichdurchQuerauslenkungoderSeilkopfverdrehung(rechteTeilbilderinBild3).HierbeientstehtdurchdasAnlegendesSeilsandenVergusseineinseitigerDruckkontaktunmittelbaramSeilaustritt.DiegegenüberliegendeSeilseite löstsichhingegen tendenziellvomVer-gussab.DaderVergussRelativverschiebungenderSeildrähteunterbindetunddasausEinzeldrähtenbestehendeSeildamitnäherungsweisewieeinhomogenerKreisquerschnittarbeitet,überlagernsichindenäußerenDrähtenSpannungsanteileausderDrahtlängskraft(σF)undauslokalerDrahtbiegung(σφ).AufderBiegedruckseiteentstehensoausbeidenAnteilenDehnungen,dieRelativbewegungenamVergussunterQuerdruckbewirken.FürbeideSpannungsanteile liegensomitdieungünstigenBedin-gungenvonReibkorrosionvor.AufderBiegezugseite tretendieanalogenBeanspruchenamSeilaus-tritthingegenohneQuerpressungenauf.ReibkorrosionsbedingungenentstehenaufdieserSeitedamittendenziellersttieferimVerguss.Eskannangenommenwerden,dassdieHöhederdabeizuberück-sichtigenden Spannungen aufdenAnteil σFbegrenztbleibt,dadie lokalenDrahtbiegeanteile σφ imVergussbereichschnellwiederabklingen.

Bild4: RechnerischeBewertungderermüdungsrelevantenBiegespannungsanteileDiehierausabgeleiteterechnerischeBerücksichtigungzeigtdieBild4.Eswirdvorgeschlagen,imHin-blickaufdieErmüdungssicherheitdesSeilslediglichdieDraht-SchwingbreitenDsF+j zuberücksichti-gen,die inunmittelbaremZusammenhangmitdemAuftretenvon lebensdauerbestimmendenReib-korrosionsbedingungenstehen.AlsmaßgebendhatsichdabeiderKontaktbereichzwischenderäuße-renDrahtlageunddemVergussmaterialgezeigt.DieseSpannungenbestehenzumeinenausdenver-


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änderlichenDraht-NormalkräftenDsF(ausSeilkraftund/oderBiegung)undzumanderenausdemlokalamSeilaustrittaufderBiegedruckseiteentstehendenAnteilausderDrahtkrümmungDsj-.DieermüdungsrelevanteDoppelspannungsamplitudedecktsichsomitnichtmiteventuellamDrahtmess-technischbestimmtenWerten(DsDMS).DieabschließendeAufbereitungundBewertungderVersuchsergebnisseistinFormeinesWöhlerdia-grammsinBild5dargestellt.NebendenVersuchsergebnissensinddarinauchdienormativenGrenz-wertenachDINEN1993-1-11eingetragen.

Bild5: ZusammenfassungderVersuchsergebnisseDie Versuchsergebnissewurden durch den rot eingezeichneten Verlauf als untere Einhüllende be-schrieben.DieDefinitionderKurve lehntsichandieDINEN1993-1-11an.AlsErmüdungsfestigkeitbeizweiMillionenLastwechselnresultiertdarausfürkombinierteBeanspruchungen indenäußerenSeildrähten(Z-Drähten)ausNormalkraftundBiegungeinWertΔσF+φ=200N/mm².Die imHinblick auf die normativenAnforderungen als bestanden eingestuftenVersuche sind grüneingetragen.ImRahmendervorliegendenUntersuchungen(mit„kleineren“Seildurchmessern)bedeu-tetedies,dasswährenddesErmüdungsversuchsmaximaleinDrahtbruchauftretendurfte.AngesichtsdieserstrengenBedingungkannaufBasisder insgesamtgeringenVersuchsanzahleineAnwendungdesvorgeschlagenenVerlaufs imZeitfestigkeitsbereich(<2Mio.Lastwechsel)nichtempfohlenwer-den.Vielmehr sollte für die hier interessierendeBemessung von Seilhängern in StabbogenbrückeneinemöglichstermüdungssichereAuslegungderSeileimVordergrundstehen.


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4 NachweisverfahrenfürdiePraxisDie spannungsbasierteBewertung setzt umfangreiche und komplexeBerechnungen zurErmittlungderDrahtbeanspruchungenundderenZusammensetzungvoraus.EineVerwendungdervorigenEr-kenntnissewäresomitinderPraxismiteinemunvertretbarenAufwandverbunden.Um dennoch eine Bewertung der Einsetzbarkeit von Seilen in Stabbogenbrücken zu ermöglichen,wurdeabschließendeinpraxisorientiertesVerfahrenfürSeilhängeranStabbogenbrückenentwickelt.EsbasiertaufdenjeweilsandenSeilaustrittenermüdungssicherertragbarenGesamtwinkelschwing-breiten Δφ,diesichausdemVerdrehwinkelamAnschlusspunktundderTangentenverdrehungdesHängerszusammensetzen(sieheBild1).DurchdenvernachlässigbarenEinflussderHängersteifigkeitdarf eine Ermittlung dieser Verformungen am Gesamttragwerk nach Theorie I. Ordnung erfolgen.Bild6 zeigt den vorgeschlagenen Grenzverlauf, der in [1] über umfangreiche Parameteruntersu-chungenanverschiedenenSeilquerschnittenabgeleitetwurde.DieNachrechnungvoninsgesamtdreiBrückenergab,dassderEinsatzvonSeilhängernindiesenBau-werkennachweisbarist.

Bild6:VorschlagfürdieBemessungvonVVSalsSeilhängerinStabbogenbrückenDervorigeNachweis istalseineErgänzungzudenbisherigenNachweisenanzusehen.SomitbleibenallebereitsexistierendennormativenRegelungenhiervonunberührt(z.B.NachweisderSeiltragfähig-keit,NachweisderErmüdungssicherheitunterveränderlichenNormalkräften,etc.).DasNachweisverfahrenwurdezwischenzeitlichweiterentwickeltundfürdieAnwendungbeiStabbo-genbrückeninRegelbauweisenochweitervereinfacht.DieinsgesamtgewonnenenErkenntnissewur-denauchindieArbeitsgruppe2.4.2derBAStundderBAWeingebracht,derenLeitfadenzumAnhang


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NA.FderDINEN1993-2entsprechenderweitertwurdeundseitkurzeminderaktuellenFassungvomFebruar2018vorliegt [2].ZurErläuterungderVorgehensweisewurdedarinaucheinaufbereitetesAnwendungsbeispiel integriert.EineAufnahmederRegelungen indie europäischeNormungwurdezwischenzeitlichaufdenWeggebracht.SomitkannderEinsatzvonSeilhängernkünftigeinemöglicheOptionimRahmenvonNeubau-oderInstandsetzungsmaßnahmenanStabbogenbrückendarstellen.5 ErfahrungenbeimEinbauvonSeilhängernanderGelmerBrückeÜbereineZustimmungimEinzelfall,dieaufGrundlagevonBauteilversuchenimRahmenderMünche-nerVersuchsreihe erteiltwurde,wurden 2016 Seilhänger bei der Instandsetzung einer stählernenStabbogenbrücke (Gelmer Brücke) eingebaut. An diesem Bauwerkwurden durchmutwilliges Auf-schaukelngeschädigteRundstahlhänger (Durchmesser60mm)durchSeilhängermit31mmDurch-messerersetzt.Bild 7zeigtdenunterenAnschlusseinesSeilhängersnachdemEinbau (linkesTeil-bild).

Bild7: AnsichtenvonSeilhängeranschlüssenimEinbau-undUntersuchungszustandDieAusführungdiesesProjekteswurdemitKurz-undLangzeitmessungenbegleitet[3].Vonbesonde-remInteressewarendabeidiebereitsinAbschnitt1erläutertenAnnahmenzurÜbertragungvonBie-gebeanspruchungenüberdieBolzenverbindunghinweg.HierzuwurdensogenannteGelenksperrenkonzipiertund temporäraufzweiKnotenblechenaufgesetzt,umdamitRelativverdrehungen imBol-zenanschlusszuunterbinden(rechtesTeilbild inBild7).DieAuswertungenzeigten identischeBean-spruchungsverläufe an den Seildrähten in denHängernmit und ohneGelenksperre.Die getroffeneAnnahme,wonachermüdungsrelevanteBiegewirkungenüberdenBolzenanschlussübertragenwer-denkönnen,wurdesomitabschließendselbstfürneueingebauteSeilevollbestätigt.DieHöheundderVerlaufderBeanspruchungen inden Seildrähtenkonnten zudemmitdem inAbschnitt 2beschrie-benenTragwerksmodellauchrechnerischgutnachvollzogenwerden.Auf Grundlage der Langzeitmessung konnte den Seilhängern insgesamt eine ausreichende Er-müdungssicherheitattestiertwerden.AuchdasmutwilligeAufschaukelnvonHängern,dasursächlich


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fürdieEntstehungvonSchäden imAnschlussbereichderursprünglichenRundstahlhängergewesenist,istseitdemEinbauderSeilhänger(mitEigenfrequenzenvonmindestens6,5Hz)nichtmehrrele-vant.6 DanksagungBesondererDankgiltderBundesanstalt fürWasserbau,Karlsruhe, fürdie InitiierungundFinanzie-rungdesForschungsvorhabensimRahmeneinerwissenschaftlichenKooperationmitdemIngenieur-büroDr.SchützIngenieure,Kempten,unddemLehrstuhlfürMetallbauanderTechnischenUniversitätMünchen.PersönlicherDankrichtetsichzudemandenzuständigenProjektleiterundReferatsleiterHerrnDipl.-Ing.RainerEhmannfürseineUnterstützungundseinVertrauenindasGelingenderForschungsarbeit.Literaturverweise[1]Schmidmeier,M.:ZurErmüdungssicherheitvollverschlossener Seile unterBiegung –Grundla-

genuntersuchungenüberdenEinsatzvonSeileninStabbogenbrücken.Dissertation,TechnischeUniversität München; u.a. veröffentlicht als Mitteilungen der Bundesanstalt für Wasserbau,Karlsruhe,Heft102,2016,alsDownloadverfügbarunterwww.baw.de.

[2] LeitfadenzumAnhangNA.F„BemessungvonHängernanStabbogenbrücken“derDINEN1993-2/NA:2010-12. Erstellt von der AG 2.4.2 „Schwingungsdämpfer“ der BASt, Ausgabe Februar2018,alsDownloadverfügbarunterwww.bast.debzw.www.baw.de.

[3] Schütz,K.G., Schmidmeier,M.:Kurz- und Langzeitmessungen an den Seilhängern derGelmerBrücke. erstellt im Auftrag der Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, 24.11.2016 und14.09.2017,unveröffentlicht.

QuellenverzeichnisderBilder

Bild1bis6:aus[1],zumTeilvomErstautormodifiziertBild7:FotosvonDR.SCHÜTZINGENIEURE


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NormenarbeitinderPraxisamBeispielvonZuggliedernProf.-Dr.-Ing.habil.KarlG.Schütz(Ing.-BüroDr.Schütz,Kempten)Dr.-Ing.MichaelSchmidmeier(Ing.-BüroDr.Schütz,Kempten)1 Entstehung,VeranlassungBeimEinsatzvonschlankenZuggliedernergabensichinden1990‘erJahrenerheblicheUnsicherheiteninBezugaufihreBemessungundErmüdungssicherheit.Gründehierfürwarenu.a.:

- SchädenanneuenBauwerkenverursachtdurchWind-bzw.Regen-Wind-induzierteSchwin-gungen(ElbebrückeDömitz,ErasmusbrückeRotterdam,etc.)

- EinführungdesARS04/97mitunklarenundsehrallgemeinenVorgaben,u.a.- UntersuchungvonRWISundWEQistimmererforderlich- Hängersollen„sicher,gebrauchstauglichunddauerhaft“sein

- OffeneFragenundUnsicherheitenbeiderAnwendungvonnormativenVorgaben(z.B.Über-tragbarkeitvonWirklängenWEQvonSchornsteinenaufHänger)

- Unstimmigkeiten beim Nachweiskonzept nach damaligem Eurocode (u.a. Ermittlung vonLastwechselzahlen)undDiskrepanzenzudenErgebnissenvonLangzeitmessungen

DieArbeitsgruppe2.4.2„Schwingungsdämpfer–Hängerschwingungen“derBAStundBAWgreiftdieseThematikaufmitdenZielen:

- ZusammenfassungdesaktuellenWissensstands- PraxisnähebeiAufbereitungundErläuterungtheoretischerHintergründe- SensibilisierungderAnwenderfürdasThemaErmüdungssicherheit- ErarbeitenvonNachweisverfahrenundKonstruktionsempfehlungen

2 WeiterentwicklungdurchMessungenimBestandIndieEntwicklungvonNachweisverfahrenundEmpfehlungenflossen–nebendenErkenntnissenauswissenschaftlicherForschung–dieDatenumfangreicherKurz-undLangzeitmessungenein.ÜberdieseamrealenBestandgewonneneDatenbasiskonntenzentraleFestlegungenabgeleitetunduntermauertwerden,wiez.B.

- dieanzusetzende(Mindest-)DämpfungvonverschweißtenHängern- AnsatzvonWirklängen- VorgabenzurÜberlagerungvonermüdungsrelevantenBeanspruchungen

EinigederProjekte,ausdenensichwichtigeErkenntnissefürdenLeitfadenergaben,werdennachfol-gendvorgestellt.


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2.1 ElbebrückeDömitz

- LangzeitmonitoringmitRWIS- Risse inAnschlussbereichen führenzu InstandsetzungsarbeitenundNachrüstungmitDämp-

fern- Messungen sindGrundlage für dieAbleitung desNachweisverfahrens fürRWISmitTragsi-

cherheits-undErmüdungsnachweis

Bild1:gemessenesSchwingereignisanderElbebrückeDömitz2.2 BauwerkMLK464beiCalvörde

- LangzeitmonitoringmitundohneVerkehr- Häufige,ermüdungsrelevanteAnregungderHängerdurchWEQ (beiWindgeschwindigkeiten

vonca.3m/s)àrechnerischermittelteLebensdauervon113Jahren(WEQohneVerkehr)

- ErheblichungünstigereVerhältnisseunterderkombiniertenWirkungmitVerkehràrechnerischermittelteLebensdauersinktauf15Jahre(WEQmitVerkehr)

- AbleitungdesNachweisverfahrensfürWEQ+VerkehrmitvollständigerÜberlagerungderbei-denSpannungsanteile (u.a.begründetdurchdiestarkunterschiedlichenBeanspruchungsfre-quenzenmitfWEQ>>fÜberfahrtLkw)


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Bild2:PrinzipderÜberlagerungvonWEQundVerkehr2.3 MöhrendorferKanalbrücke

- Vergleichsrechnungen„alte“NormenundDIN-Fachberichte- OptimierenderHängeranschlussgeometrieimRahmenderEntwurfsbearbeitungundderAus-

führungsplanung- AbleitungderEmpfehlungenfürdieBerechnungvonHängernundderenermüdungsgerechte

Konstruktion- LangzeitmessungenzurValidierungderAnnahmen

2.4 Evenkampbrücke(G+R-Brücke)

- RisseinAnschlussbereichen(bei1.Hauptprüfungfestgestellt)- EinbaueinerNotverspannung- Vermutung:AnregungdurchRWIS- überMonitoring:Feststellungvonhäufigen,aberunsystematischenExtremereignissen- RückführungaufmutwilligesAufschaukelnderHängerdurchPassanten- InstandsetzungmitEinbauvonSeilhängern


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Bild3: ExemplarischesExtremereignismitplastischerBeanspruchungimHängeranschlussbereich2.5 WeitereLangzeitmessungenanStabbogenbrücken

- EisenbahnbrückeVahldorfàAbleitungWEQ-NachweisfürFlachstahlhänger

- GelmerBrücke(Straßenbrücke)àVorbereitungundAusführungvonSeilhängernineinerStraßenbrückemitZiEàsiehehierzuVortrag„ErmüdungssicherheitvonSeilenunterBiegung“

- DrucksbrückeàUntersuchungundBewertungvonverkehrsinduziertenSchwingungenàAbleitungeinesrealistischenVerkehrslastmodellsfürdieTragsicherheitsbewertung

- AmperbrückeimZugederA96àu.a.AbleitungeinesrealistischenVerkehrslastmodellsfürdieTragsicherheitsbewer-tung

...sowieLangzeitmessungenanca.10weiterenBauwerken


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3 WeiterentwicklungdurchzielgerichteteForschungFürdieWeiterentwicklungdesLeitfadenswurden zielgerichteteForschungsvorhabenundUntersu-chungenangestoßenundausgewertet.ExemplarischsindhierzuverschiedeneBeiträgezusammengestellt.3.1 BewertunggeschmiedeterHängeranschlüsse

- DurchführungvonErmüdungsversuchenmitstatistischerAuswertungdurchdieBAW- AbleitungvonEmpfehlungen fürdieBerechnungvongeschmiedetenHängeranschlüssenund

derenermüdungsgerechteKonstruktion-

Bild4: StatistischeAuswertungderErmüdungsversucheangeschmiedetenHängern

3.2 OptimierungdesBeiwerteskHzurHäufigkeitvonRWIS

- Auswertung von langjährigenWetterdatenaufzeichnungen undBewertung hinsichtlich einermöglichenGefährdungdurchRWIS

- AbleitungeinesverallgemeinertenkH-VerlaufsmitAnpassunganrealeVerhältnisseundSkalie-rungderErgebnisseanderElbebrückeDömitz

- ErreichenvondeutlichenVerbesserungen imVergleichzurursprünglichenBegrenzungslinie(aufGrundlageeinerWeibull-VerteilungmitAbminderungeninBezugaufdieHäufigkeitenhö-hererWindgeschwindigkeiten)


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Bild5:AuswertungundGegenüberstellungvonVerläufendesBeiwertskH3.3 BegrenzungdermaximalenQuertriebslastbeiRWIS

- FürgeneigtangeordneteHängerundSeileergabensichzunächstsehrhoherechnerischeQuer-triebslastenausRWIS,dieeinenNachweiserschwerten

- VorüberlegungenimKreisderAGzeigten,dassdiedamitzusammenhängendenAuslenkungenunrealistischhoheBeschleunigungswertedesschwingendenHängers/Seilsvoraussetzten

- DurchführeneinerLiteraturrecherchemitAbleitungeinesmaximalenBeschleunigungswertesausdokumentiertenMessungenundLaboruntersuchungenvona=100m/s²

- AbleitungdesrechnerischenZusammenhangsundEinführungalsneueObergrenzeqmax

Bild6:AuswertungdesEinflussesderneuenBeschleunigungsbegrenzungqmax


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3.4 UntersuchungenzurEinsetzbarkeitvonSeilen

- VorüberlegungenzudenVorteileneinesEinsatzesvonSeilhängern(höhereBauteildämpfung,ErreichbarkeithöhererHänger-Eigenfrequenzen,EntfallvonVollstößenbeilängerenHängern,Austauschbarkeit,Ein-bzw.NachstellbarkeitvonSeilkräften,etc.)

- InitiierungeinesForschungsvorhabenszurKlärungderEinsatzmöglichkeitenundEntwicklungeines praxistauglichenNachweisverfahrens (Vortrag „Ermüdungssicherheit von Seilen unterBiegung“)

- DurchführungergänzenderUntersuchungenzurweiterenVereinfachungderAnwendbarkeit- IntegrationdesVerfahrensindenLeitfadenunddenAnhangNA.F

4. ÜberführungderErkenntnisseindieNormungDieersteÜbernahmedererarbeitetenkonstruktivenEmpfehlungenund(dynamischen)Nachweisver-fahrenineinRegelwerkerfolgteimBereichderWSVüberdieTechnischeEmpfehlungBautechnikderBundesanstaltfürWasserbauimOktober2003.ZurErläuterungderVorgehensweiseliegtdieserTEBaucheineexemplarischeBerechnungderHängeranschlüssederMöhrendorferKanalbrückebei.IndenetwazurgleichenZeiterstmaligeingeführtenDIN-FachberichtenwardieseThematiknochnichtauf-gegriffen.EineallgemeineEinführungfürStahlbrückenerfolgteerstmitdenüberarbeitetenDIN-Fachberichten(AusgabeMärz2009)alsAnhangII-HzumDIN-FB103.ImVorfeldzurEinführungwurdeeinekom-mentierte und um Berechnungsbeispiele erweiterte Fassung des Leitfadens im Stahlbau-Kalender2008veröffentlicht.MitderUmstellungaufeuropäischeNormen(Eurocodes,Ausgabe12/2010)wurdendieRegelungeninDeutschland über denAnhangNA.FdesNationalenAnhangs zurDINEN 1993-2 (Stahlbrücken)weitgehendunverändert eingeführt.AufdenLeitfaden alsHintergrunddokument zum (verkürzten)TextderNormwirdineinerAnmerkungexplizitverwiesen.AktuellliegtderLeitfadenineinerüberarbeitetenundaktualisiertenFassungmitStandFebruar2018vor.MitaufgenommenwurdendabeiVorgabenundkonstruktiveEmpfehlungenzurAusführungvonSeilhängern.Es istvorgesehen,denLeitfaden imZuständigkeitsbereichderWSValsAnwendungsdo-kumenteinzuführen.BiszurEinführungdernächstenGenerationderEurocodeswäredamitderEin-satzvongeschmiedetenHängernundSeilhängernohneZiEmöglich.Abschließend wurde ein Vorschlag für einen Normentext (mit geschmiedeten Hängern und Seil-hängern)ausgearbeitetund indieentsprechendenGremien(WorkingGroup13)eingereicht.AktuellistesdaserklärteZiel,denTeilzurHängerbemessungdirektindenEurocodeDINEN1993-2zuinteg-rierenundeinenUmwegübereinenNationalenAnhangzuvermeiden.


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5. SchlussbemerkungenErmöglichtwurdediesystematischeBearbeitungdesLeitfadenssowiedernunerreichteerfolgreicheAbschlussinsbesonderedurchdaslangjährigeEngagementderBundesanstaltfürWasserbau.Beson-dererDankrichtetsichdabeiandenReferatsleiterHerrnDipl.-Ing.RainerEhmann,dessenbesonderesfachlichesInteresseunddessenOffenheitgegenüberdenzugehörigenFragestellungendieEntstehungund (Weiter-) Entwicklung des Leitfadens in dieser Form erst ermöglicht und maßgeblich mitbe-stimmthat.QuellenverzeichnisderBilder

Bild1:DR.SCHÜTZINGENIEURE,siehe[4,5]derLiteraturangabenimLeitfadenBild2:GrafikerstelltvonDR.SCHÜTZINGENIEUREBild3:DR.SCHÜTZINGENIEURE,siehe[53]derLiteraturangabenimLeitfadenBild4:BundesanstaltfürWasserbau,siehe[39,42]derLiteraturangabenimLeitfadenBild5:DR.SCHÜTZINGENIEURE,siehe[37]derLiteraturangabenimLeitfadenBild6:DR.SCHÜTZINGENIEURE,siehe[41]derLiteraturangabenimLeitfaden


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NachweisvonGewölbebrückengegenüberSchiffsanprallDipl.-Ing.ClausKunz(BAW)Dr.-Ing.RogerSchlegel(DynardoGmbH,Weimar)1 EinführungZurVerbesserungderSchifffahrtsverhältnissewirdderMain füreineAbladetiefederSchiffebiszu2,70 m sowie für einen Begegnungsverkehr von Großmotorgüterschiff und Zwei-Leichter-Schubverbandausgebaut.AlsFolgederPlanfeststellungsolltedieStandsicherheitundTragfähigkeitder Alten Straßenbrücke Lohr bei Main-km 197,7, Stauhaltung Rothenfels, hinsichtlich Schiffsstoßnachgewiesenwerden.DieAlteStraßenbrückeLohrgründetmit2PfeilernimFahrwasser,sodassdieGefahr eines Schiffstoßespotentiell fürdieBrücken-Pfeiler, aber auch fürdasBrücken-Gewölbe imKämpfer-Bereichgegebenist.Das StraßenbauamtWürzburg alsBaulastträgerderBrückeundderTrägerdesMain-Ausbaus,dasWNAAschaffenburg,ließennachumfangreichenVoruntersuchungendasMaßderStandsicherheitderAltenStraßenbrückeLohrnachdemKonzeptdesZuverlässigkeitsindexßnachweisen.DiesesKonzeptberuht auf der probabilistischen Betrachtungsweise von Einwirkungs- und Widerstandseite (DIN1055-100,2001),(Curbach/Proske,2003).AlsFolgedieserUntersuchungenwurdenbereitsVerstär-kungenandenPfeilernmittelsGEWI-Pfählenvorgenommen,wobeieinegewünschteZuverlässigkeitßnochnichtganzerreichtwurde,sodassdasProblembisvorkurzemalsnochungelöstgalt.2 AlteStraßenbrückeLohrDiealteStraßenbrückeLohrquertalsGewölbebrückedenMainbeiKm197,9mit6Bögenund2Pfei-lern,wovon3BögendasFahrwasserüberspannenund2PfeilerFlusspfeilersind,Bild1.DieBrückewurde in den Jahren 1873 bis 1875 als Bogenbrückemit 6 gleichgroßenÖffnungen in Sandstein-Mauerungerrichtet.DieGesamtlängederBrückebeträgtca.177m,dieStützweiteeinesBogensbe-trägtca.29,3m,dielichteWeiteca.25m(StBAWürzburg,2015).DieFahrbahnplattehateinschließ-lichderGehweg-KappeneineBreitevon12m.DurchkriegsbedingteEinwirkungenwarenPfeilerIIIundBögen3und4zerstörtworden.DieWieder-herstellungvonPfeiler IIIwurde in Stahlbeton,diebeidenBögenmit einem Spargewölbe inBetonausgeführt.DieGrundflächederPfeilerschäftemisstetwa14 x 4m, ihreStirnseitensindober-undunterstromighalbkreisförmigausgerundet.DiePfeilersindflachgegründetwobeidiePfeilergründun-gen imWasserdurchBetonmanschetten,GEWI-ElementeundStahlspundwändezusätzlichgesichertbzw.verstärktwurden.Gewölbebrückensind inderRegelaufgrundderLastabtragungüberDruck-kräfte in Verbindung mit massiven Baustoffen robuste Konstruktionen, von denen noch viele ausfrühererZeiterhaltensind,einigedavonalsgeschützteDenkmäler.


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Bild1:AlteStraßenbrückeLohr(Quelle:StBAWürzburg)3 ErmittlungderSchiffsstoßbelastungDieSchiffsstoßbelastungfürdieAlteStraßenbrückeLohrwurdeunterBerücksichtigungderörtlichenRandbedingungen,ausAnalysendesVerkehrssystemsWasserstraße,ausUnfall-Analysen,ausProgno-sen und mit Hilfe eines Kollisions-Modells ermittelt, wobei Verteilungen und Wahrscheinlich-keitswerte der für einen Schiffsstoß auf die Brücke maßgebenden Parameter aufbereitet wurden(BAW, 1998). Dies sind zum einen Stoßlast-Verteilungsfunktionen, gesondert für Frontal- und fürFlankenstoß, sowie zusätzlich eine Verteilungsfunktion für Leer-Fahrzeugewegen der gefährdetenBereichederÜberbau-Bögen.ZumanderenbeinhalteteinKollisionsmodelleinestatistisch,ausdemUnfall-Geschehen desMains aufbereitete Fehlerrate und verknüpfte siemit Passagen von Schiffendurch die Brücke und möglichen, nachfolgenden Kollisionen mit Brückenpfeiler bzw. Brücken-ÜberbaumitdemErgebniseinerKollisionsrate.DasstatistischeWiederkehrintervalleinerKollisionmitderBrücke-jeweilsnochohneBezugzurSchwerederKollision-errechnetesichzuetwaalle28Jahre,was im Rahmen derModell-Bildung als plausibel und leicht überschätzt bezeichnetwerdenkann.Die aufbereiteten Verteilungsfunktionen erlauben über eine probabilistische Last-Konzeption fürSchiffsstoßeineBeziehungzwischenStoßbelastungundderKollisionsrateherzustellen(Kunz,1993),(Kunz,1998).DerAnsatz einerÜberschreitungs-Wahrscheinlichkeitnach (DIN 1055-9,2003), jetzt(DINEN1991-1-7,2010),liefertedieanzusetzendenStoßlasten.DiesejeweilsdynamischeLastenbe-tragen fürFrontalstoßmaximal7,5MNund fürFlankenstoßmaximal4,0MN.FürkämpfernaheBo-gen-Bereiche desÜberbaus sind bis zu 0,1MN anzusetzen.Unter Berücksichtigung dermöglichenBughöhenundSchiffstiefgängewurdenStoßhöhenundAnprallflächenermittelt.FüreinedynamischeAnalysewurden inAbhängigkeitderStoßlastenStoßlast-Zeitfunktionengemäß(DIN1055-9,2003),jetzt(DINEN1991-1-7,2010),herangezogen.


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4 NichtlineareunddynamischeAnalysederAltenStraßenbrückeLohr4.1 GrundlagenDieNachrechnungerfolgtealsnichtlineare,dynamischeFinite-ElementeBerechnungaufderGrundla-geeinerModellierungdergesamtenBrücke miträumlichenVolumenelementenmitdemProgrammANSYS® ,Bild2.BerechnetwurdenPfeilerIIundIIIsowiedieBögen2bis4derBrückeunterEigen-gewichtundVerkehr,unterEigengewichtundSchiffsstoßsowiedieBögen2und3unterEigengewichtundeinerstatischäquivalentenLastvon1MNgemäß(DIN1055-9,2001)bzw.jetzt(DINEN1991-1-7,2010).4.2 SicherheitskonzeptDieBewertungderStandsicherheitindendeterministischenTragsicherheitsanalysenerfolgtaufderGrundlagedesSicherheitskonzeptsvon(DIN1055-100,2001),(DIN1045-1,2001)sowie jetzt(DINEN1990,2010)und (DINEN1992-1-1,2010) fürnichtlineareTragwerksanalysen.DasSicherheits-konzeptbeiderNormen fordertgrundsätzlich fürnichtlineareBerechnungendieGegenüberstellungdesDesignwertsderEinwirkungenmitdemDesignwertdesWiderstands,wobeidieGleichgewichts-undVerträglichkeitsbedingungenzuerfüllenunddieNichtlinearitätderBaustoffeangemessenzube-rücksichtigtensind.

Bild2: Berechnungsmodell1:FE-Modell,DiskretisierungimBereichderBögen3und4


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DasSicherheitsformatwirdbeschriebendurch:Ed=f(...Fk,gF....)£Rd=f(...ekrit,fc,fm,gR...) (1)

gREd£Rk (2)

mitFk : allgemeinfürallemaßgebendenEinwirkungen(charakteristischerWert)Rk : charakteristischerWertdesWiderstandsamTragwerkssystemRd : SystemtraglastamGesamttragwerkgR : einheitlicherTeilsicherheitsbeiwertderWiderständegF : TeilsicherheitsbeiwertederEinwirkungengemäßDINEN1991ekrit : kritische(zulässige)DehnungsmaßefcR,fmR : rechnerischeMittelwertederMaterialfestigkeitenfürBetonundMauerwerkFürdieWiderstandsseite(Materialkennwerte)istesfürnichtlineareBerechnungenerforderlich,dassBaustoffeigenschaftenverwendetwerden,diezueiner realistischenSteifigkeit führenunddieUnsi-cherheiten beim Versagen berücksichtigen. Für die nichtlineare (deterministische) Berechnungenwerden„rechnerischeMittelwerte“verwendet.ZurBewertungderTragsicherheitmussalsGrenzkriterium(Versagenskriterium)einGleichgewichts-zustand indenelasto-plastischenBerechnungenaufgefundenwerden.Dasheißt,unterBerücksichti-gungdergefordertenSicherheitsbeiwertekanneineausreichendeStandsicherheitnachgewiesenwer-den.TretendabeiÜberschreitungenzulässigerSpannungenauf,werdendieseSpannungsüberschrei-tungenmitHilfederelasto-plastischenMaterialgesetzte identifiziertundeswerdendurchplastischeDehnungenKraftumlagerungeninderStrukturinitiiert.KönnendieplastischenUngleichgewichtskräf-tevonderStrukturaufgenommenwerden(könnendieKräfteerfolgreichumgelagertwerden),wirdein ausreichendesKraftumlagerungsvermögen nachgewiesen. ImErgebniswerdendie totalenDeh-nungen (elastische + plastischeDehnungen), die plastische Vergleichsdehnung und die plastischenAktivitätenbewertet.4.3 EinwirkungenundWiderständeDieSicherheitenwerdennachGl.(1)komplettaufderEinwirkungsseiteangesetzt.DiefürdieDefiniti-onderDesignwertederEinwirkungenEderforderlichenTeilsicherheitsbeiwertewerdengemäß(DINEN1991,2010)berücksichtigt.FürdienichtlineareTragfähigkeitsanalysezumNachweisderStandsi-cherheit und Gebrauchstauglichkeitwerden jeweils Lastschritte innerhalb von Lastgeschichten be-rechnet.MaterialkennwertewurdenausfrüherenUntersuchungenundBetrachtungenentnommen(TUDres-den,1997),(TUDresden,1999).LautdergültigenNormungdürfen imunbewehrtenBetonZugspan-nungennichtundbeimStahlbetonnur inbegrenztemUmfangübertragenwerden.EbensosindauchdieübertragbarenSchub-undDruckspannungenbegrenzt.FürdieSpannungsermittlungbedeutetdas,dass auftretende unzulässige Spannungen iterativ umgelagert werden müssen und ein Gleichge-wichtszustand unter Ausschluss unzulässiger Spannungsgrößen zu ermitteln ist. Dieser Nachweis


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wirdbeiderVerwendungelasto-plastischerMaterialgesetzeexpliziterfüllt.FürdieeinzelnenMateri-albereiche(s.Bild3)wurdenjeweilsfolgendenichtlineareMaterialmodelleverwendet:

· Beton:Menetrey-WiliamMaterialmodell(Menetrey,1994);(Dynardo,2016-1)· Mauerwerk (Bögen, Stirnwände, Pfeilervormauerung):Materialmodell nachGanz / Schlegel

(Schlegel,2004;Ganz,1985;Dynardo,2016-1)· Stahl:v.MisesMaterialmodell· Untergrund/Kies/regellosesHinterfüllungsmauerwerk:Mohr-CoulombMaterialmodell(Dy-

nardo,2016-1)AlleMaterialmodellekönnenmittelsVer-undEntfestigungsvorschriftendasnichtlineareSpannungs-Dehnungsverhalten realitätsnah simulieren. Auftretende Rissbildungen im Mauerwerk oder Betonwerdenverschmiert,d.h.inFormvonplastischenDehnungenermittelt.

Bild3:MaterialbereicheimFinite-Element-Modell4.4 NichtlinearedynamischeAnalysenunterEigengewichtundSchiffsstoßInnerhalbderLastgeschichtewurdenmehrals7Lastschritteberücksichtigt.FürdieAuswertungderdynamischenBerechnungenwerdendieVerformungenalsHistorie-PlotfürdieVerformungenandenKontrollpunktenKP1bzw.KP2,vgl.Bild4,dargestellt.Dabei istzubeachten,dassderStoßaufderZeitachsebei6Sekundenbeginnt,vgl.Bild5.VerformungenvordieserZeitresultierenausderVorbe-lastung(Eigengewicht,etc.).


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InTabelle1sinddiefürdieAusgabederDehnungenverwendetenFarbskalenerläutert.Dabeiwerdendie totalenDehnungen(totaleDehnung=elastische+plastischeDehnung)alsUmhüllendeüberdiesimulierteZeitgeplottet.Dasbedeutet,dassfürjedesfiniteElementdiewährenddersimuliertenZeitauftretendeminimalebzw.maximaletotaleDehnunggeplottetwird.AlsBezugsgrößefürdieEinschät-zungderAuslastungausSchiffsstoßwirddieDehnungbeiErreichendereinaxialenFestigkeit(εc1)alszulässigeDruckdehnungdefiniert.InVorbereitungderdynamischenAnalysen(BestimmungderZeitschrittweiten)undzurÜberprüfungdererforderlichenNetzfeinheitdesFE-ModellswurdenmittelsModalanalysedierelevantenEigenfre-quenzen, Eigenformen und effektivenMassen ermittelt. Wie die Ergebnisse zeigten, liegen die fürSchiffsstoßwichtigenEigenfrequenzenimBereichbis10,5Hzbzw.inAuswertungdereffektivenMas-se imBereichbis30Hz.FürdienichtlinearendynamischenAnalysenwirddieRayleigh-Dämpfungverwendet.DieKoeffizientenderRayleigh-Dämpfungαundβwurdensoermittelt,dassderresultie-rendeDämpfungskoeffizientfürdenFrequenzbereichvon2-30Hz2,5-5%beträgt.Hierfürbetragenα=1,17809undß=0,000497359.

Bild4: PositionenderKontrollpunktefürdieAuswertungderVerschiebungen

Dehnung Bedeutung-3.50E-04 80% der zulässigen Druckdehnung der Hinterfüllung-4.40E-04 zulässige Druckdehnung der Hinterfüllung-9.00E-04 50% der zulässigen Druckdehnung des Betons C12/15-1.44E-03 80% der zulässigen Druckdehnung des Betons C12/15-1.80E-03 zulässige Druckdehnung des Betons C12/15-2.80E-03 80% der zulässigen Druckdehnung des Sandsteinmauerwerk-3.50E-03 zulässige Druckdehnung des Sandsteinmauerwerks

ZulässigeDruckdehnungbedeutetdieDehnungbeiderhöchstertragbarenresp.zulässigenDruckspannung.

Tabelle1: ErläuterungzurFarbskaladerPlotsfürdieUmhüllende(MIN)dertotalenDehnungen(zu-lässigeDruckdehnung),sieheBild7.


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Bild 5 zeigt die Historie der Reaktionskräfte der einzelnen Pfeiler infolge der Frontalstoßbean-spruchungaufPfeiler2.DabeiwurdefürdiedeterministischenAnalysendiemittragendeWirkungenderrestlichenPfeiler(Durchlaufwirkung)durchentsprechendeDefinitionderRandbedignungenaufdersicherenSeite liegendweitgehendvernachlässigt.DiemaximaleReaktionskraftamPfeiler 2be-trägtca.10MN.DerzeitlicheVerlaufdesReaktionskraftsignalsfolgtweitgehenddemLastsignal.Bild6zeigtdieHistoriederVerformungenamPfeiler2(KP1)infolgederStoßbeanspruchung.InStoßrich-tung(y)erreichtdiezugehörigeVerformungeinenWertvonca.0,32mm(max.UY=0,36/UY6=0,04).Die inBild7dargestelltenmin.Stauchungenzeigen,dassdasMauerwerkdesPfeilers2 imdirektenStoßbereichlokalversagtundimrestlichenBereichzu≤10%gegenüberdereinaxialenDruckfestig-keitausgelastet ist.AusderAuswertungvonweiterenplastischenDehnungengehthervor,dassderFrontalstoß lediglichzu lokalenSchädigungen imunmittelbarenStoßbereich infolgeDruck-/Schub-versagen führt.DienachdemStoß inderBrückebleibenden irreversiblenVerformungen tretennurlokalaufundsindausglobalerSichtgesehen,vernachlässigbar.

Bild5:HistoriederReaktionskräftederPfeiler,FY[MN]


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Bild6:HistoriederVerformungamPfeilerkopf(PfeilerII)UY[m]

Bild7:Umhüllende(MIN)dertotalenDehnungenEPTO_YüberalleZeitschritte


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4.5 StochastischeAnalysenzurVersagenswahrscheinlichkeitgegenüberSchiffsstoßZusätzlichzudendeterministischenStandsicherheitsuntersuchungenwurdenstochastischeAnalysenzurBewertungderVersagenswahrscheinlichkeit gegenüber Schiffsstoßmitder SoftwareoptiSLang(Dynardo,2016-2)undANSYSdurchgeführt.DabeiwurdedieräumlicheTragwirkungdesBauwerks(auchdiehorizontaleDurchlaufwirkungallerPfeilerbeiSchiffsstoß)berücksichtigt.In Vorbereitung der stochastischen Analysen wurden quasistatische Grenztraglastanalysen zu denverschiedenen Stoßszenarien (Frontal-, Flanken-, und Bogenstöße im Bereich der Pfeiler 2 und 3)durchgeführt.DiesehattenfolgendeHintergründe:

• UntersuchungdesmaßgebendenSchiffsstoßszenarios,• UntersuchungderzuerwartendenVersagensmechanismenundGrenztraglasten,• AbleitungvonBewertungs-bzw.Schädigungskriterien fürdieprobabilistischeNachrech-

nungImErgebnisdieserVoruntersuchungenkonntefestgestelltwerden,dassderFrontalstoßaufdenhisto-rischenPfeiler2alsmaßgebendundabdeckendfürallebetrachtetenStoßszenarienangesehenwer-denkann.DieserwurdedaherinderFolgefürallestochastischenUntersuchungenbetrachtet.Alsre-levanteVersagensmechanismenwurden Schubversagen undKippendes Pfeilers festgestellt.Bild 8zeigt diemittels quasistatischer Grenztraglastanalyse ermittelte Last-Verformungslinie für eine aufdenAprallpunktdesFrontalstoßeswirkendeLastFyamPfeiler2.UntereinerquasistatischenLaststei-gerung tritt ein globalesBauwerksversagenbei eineHorizontallastvon63,6MN und einerPfeiler-Horizontalverformungvon12,7mmauf.

Bild8:QuasistatischermittelteLast-Verformungslinie(Fy–uy)fürFrontallastFyaufPfeiler2

Anprallpunkt


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DieStreuungenderMaterial-bzw.WiderstandskennwertewurdedenUntersuchungen(TUDresden1997) entnommen. Für die Streuung der Einwirkungen wurde entsprechend der Untersuchungen(BAW,1998)diemaximaleSchiffsanprallkraftFμ(Lastamplitude)sowiedieAnprallhöheaufdenPfei-ler2(Lastposition)berücksichtigt.DiestochastischenAnalysenwurdeninzweiSchrittendurchgeführt.ImerstenSchrittwurdenineinerSensitivitätsanalyse 191Designsmittels Latin-Hypercube Sampling (Dynardo, 2016-2) erzeugt undberechnet.DieBerechnungenwurdenbeiDynardoaufeinemHochleistungs-Rechenclustermitjeweils64parallellaufendenBerechnungendurchgeführt.InBild 9 istder Streubereich derVerformungssignale derHorizontalverschiebung uy amKontroll-punktKP5dargestellt.AusderSensitivitätsanalysegehthervor,dassdieHaupteinflussgrößeaufdieStreuungderPfeiler-HorizontalverformunguydieSchiffsanprallkraft(Lastamplitude,L_Amp)ist.Wei-terhinhabendieElastizitätsmodulnhistorischenHinterfüllung,Sandsteinmauerwerk,FüllbetonundBetonmanschette(E_6,E_7,E_4,E_15)sowiedieAnprallhöhe(Lastposition,L_Pos)unddieSteinlängeder Lagerfuge des Sandsteinmauerwerks (aL_7) einen Einfluss auf die Streuung der Pfeiler-Horizontalverformung uy. Der Vergleich des Streubereichs der maximalen Pfeiler-Horizontalverformung in Bild 9 (max uy ca. 0,4 mm) mit der in Bild 8 abgebildeten Last-VerformungliniederGrenztraglastuntersuchungzeigt,dassdieBauwerksantwortderSensitivitätsana-lyseimweitgehendelastischenBereichverbleibt.

Bild9:KurvenverlaufderVerschiebunginglobalerY-RichtungamKontrollpunkt5überdieZeit6sbis9.4043sfüralleDesigns[m];Wichtigkeitsmaße(CoP)dermaßgeblichenEinflussgrößen.


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ImzweitenSchrittwurdenzurprobalbilistischenUntersuchungdesBauwerksmitHilfevonZuverläs-sigkeitsanalysen Überschreitungswahrscheinlichkeiten für verschiedene Grenzkriterien der Pfeiler-Horizontalverformunguyuntersucht.InsgesamtwurdendreiZuverlässigkeitsanalysenmiteinemVerschiebungskriteriumuyvon1,2mm,2,0 mm und 3,0 mm mittels zwei Verfahren (Adaptive Response Surface Method und DirectionalSampling)durchgeführt.FolgendeErgebnissekönnendiesenentnommenwerden:

• DieAbgrenzungdeslinearenBereichesdesTragwerksverhaltensdesBauwerksdurchdasVerschiebungskriteriumuyvon1,2mm liegtbeieinerÜberschreitungswahrscheinlichkeitvon2,14∙10-5(≙Zuverlässigkeitsindexβvon4,09).

• FürdasVerschiebungskriteriumuyvon2,0mm liegtdieÜberschreitungswahrscheinlich-keitbei4,32∙10-6(≙Zuverlässigkeitsindexβvon4,45).

• FürdasVerschiebungskriteriumvon3,0mm liegtdieÜberschreitungswahrscheinlichkeitbei6,96∙10-7(≙Zuverlässigkeitsindexβvon4,83).

AlledreiVerschiebungskriterien liegen imBereicheinerweitgehend linearen/geringnichtlinearenBauwerksantwort(vgl.Bild8).FüralledreiVerschiebungskriterienliegendieZuverlässigkeitsindizes(Beta-Werte)über4,09.Daraus kann geschlussfolgert werden, dass der Zuverlässigkeitsindex des Bauwerks gegenüberSchiffsanpralldeutlichoberhalbdesnachEC0gefordertenMindestwertesvon3,8liegt.5 StraßenbrückeMarktheidenfeldÄhnlicheBetrachtungenwiefürdieAlteStraßenbrückeLohrwurdenfürdiedenkmalgeschützteBrü-ckeMarktheidenfeldangestellt.AuchhierzeigtendieErgebnisse,dassdasBauwerkunterSchiffsstoß-BelastungstandsicheristundkeinerdiesbezüglichenErtüchtigungbedarf(Dynardo,2017).6 ZusammenfassungDieAlteStraßenbrückeLohrquertalsGewölbebrückedenMainbeiKm197,9mit6Bögenund5Pfei-lern,wovon3BögendasFahrwasserüberspannenund2PfeilerFlußpfeilersind.DieBrückewurdeindenJahren1873bis1875alsBogenbrückemit6gleichgroßenÖffnungen inSandstein-Mauerunger-richtet.DurchdenAusbaudesMainswardieSicherheitgegenüberSchiffsstoßzuuntersuchen.TrotzzwischenzeitlicherErtüchtigungvonPfeilernschiendieBrückenochnichtdiegewünschteSicherheitaufzuweisen.DieBundesanstaltfürWasserbau(BAW)beauftragtedaherDynardoGmbHmitdersta-tisch/dynamischenBewertungderBrücke,umzuüberprüfen,obhinsichtlichSchiffsanpralleine(wei-tere)ErtüchtigungderBrückeerforderlichist.DieEinwirkungenfürSchiffsanprallentstammeneinerfrüherenortsbezogenenErmittlungderBAW.Die Bewertung der Gebrauchstauglichkeit und Standsicherheit erfolgt mittels (deterministischer)TragsicherheitsanalysenundbasiertaufderGrundlagedesSicherheitskonzeptsder(DIN1055-100,2001),(DIN1045-1,2001)bzw.(DINEN1990,2010)und(DINEN1992-1-1,2010)fürnichtlineareTragwerksanalysen.DieUnsicherheitendereinzelnenLastensowiederverwendetenMaterialkenn-


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wertewerdengemäßdemNachweis-undSicherheitskonzeptkomplettaufderEinwirkungsseitean-gesetzt.Frühere,ausgiebigeMaterialuntersuchungenwurdenfürGewinnungvonKennwertenaufderWiderstandsseiteaufbereitet.Zunächstwurde die Gebrauchstauglichkeit der Brücke unter ständigen Lasten und Verkehrslastennachgewiesen.Dabei konnte gezeigtwerden, dass die Tragstruktur eine hinreichende Tragreserveaufweist. Hinsichtlich der bewertungsrelevanten physikalischen Größen sowie dem Erreichen desGleichgewichtszustandeskonntegezeigtwerden,dassdieBrückeunterdiesenstatischenLastkombi-nationenstandsicherist.Eswurdeninsgesamt9nichtlinearetransientedynamischeAnalysenfürau-ßergewöhnlicheBemessungssituationen„Schiffsstoß“berechnet.AnhandderErgebnissekannfolgen-desfestgestelltwerden:

1. Beijederelasto-plastischenBerechnungwirdeinGleichgewichtszustandgefunden.Dasbedeu-tet, unter Berücksichtigung der geforderten Sicherheitsbeiwerte kann eine ausreichendeStandsicherheitnachgewiesenwerden.

2. DieBewertungderErgebnis-Umhüllendender totalenDehnungen in xundy-Richtungzeigt,dassdieStauchungenderrelevantenBauteilstrukturenimzulässigenBereichliegen.

3. DieuntersuchtenFrontalstößeführennurimunmittelbarenStoßbereichzulokalemVersagendesBetonsbzw.Mauerwerks.DieAuslastungderDruckbeanspruchungderübrigenPfeiler-tragstrukturliegtunter20%dereinaxialenDruckfestigkeit.

4. DieAuslastungderDruckbeanspruchungindenPfeilerninfolgederuntersuchtenFlankenstö-ße liegtunter20%dereinaxialenDruckfestigkeit.DiesgiltauchfürdieuntersuchtenBogen-stöße.

5. Die inder Struktur auftretendenplastischenDehnungen führen zumAktivieren derBogen-tragwirkung.Eineweitere,fürdasglobaleTragwerkrelevante,Strukturschädigung ist jedochnichtzuverzeichnen.

6. DienachdemStoßinderBrückebleibendenirreversiblenVerformungentretennurlokalaufundsindausglobalerSichtgesehenvernachlässigbar.

DurchdiedurchgeführtenAnalysenundVorgehensweisenkonntedieStandsicherheitderBrückege-genüberdenLasteinwirkungen infolgeVerkehrslast,Temperaturbeanspruchungenund insbesondereinfolge von Schiffstoßlasten nachgewiesen werden. Früheren Untersuchungen, die eine Nicht-StandsicherheitderAltenStraßenbrückeLohrgegenüberSchiffsanprallattestiertenbzw.auchfrüherberechnetenundzugeringbefundenenZuverlässigkeitsindicesβkannnichtgefolgtwerden.Literatur:BAW (1998):Probabilistische Stoßlast-Ermittlung für Schiffstoß anderAlten Straßen-BrückeLohr,

Main-km197,9(Gutachten),BAW-Nr.97116407.Karlsruhe(unveröffentlicht).Curbach,M.;Proske,D.(2003):GutachtenzurErmittlungdesSicherheitsindexderAltenMainbrücke

LohrbeiSchiffsanprallnachVerstärkungdurchGEWI-Elemente.TUDresden,Fak.Bauingenieurwe-sen,LehrstuhlfürMassivbau.

DIN1045-1(2001):TragwerkeausBeton,StahlbetonundSpannbeton-Teil1:BemessungundKon-struktion.Beuth-Verlag,Berlin.


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DIN1055-9 (2003):Einwirkungen aufTragwerke-Teil9:AußergewöhnlicheEinwirkungen.Beuth-Verlag,Berlin.

DIN1055-100(2001):EinwirkungenaufTragwerke-Teil100:GrundlagenderTragwerks-planung-SicherheitskonzeptundBemessungsregeln.Beuth-Verlag,Berlin.

DIN EN 1990 (2010): Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung; Deutsche FassungEN1990:2002+ A1:2005+ A1:2005/AC:2010; einschließlich Nationalem Anhang. Beuth-Verlag,Berlin.

DINEN1991(2010):Eurocode1:EinwirkungenaufTragwerke–mehrereTeile.Beuth-Verlag,Berlin.DINEN1991-1-7(2010):Eurocode1:EinwirkungenaufTragwerke-Teil1-7:AllgemeineEinwirkun-

gen- Außergewöhnliche Einwirkungen; Deutsche Fassung EN1991-1-7:2006+ AC:2010; ein-schließlichNationalemAnhang.Beuth-Verlag,Berlin.

DIN EN 1992-1-1 (2010): Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- undSpannbetontragwerken – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für denHochbau;DeutscheFassungEN1992-1-1:2004+AC:2010,einschließlichNationalemAnhang.Beuth-Verlag,Berlin.

Dynardo(2016):TechnischerBerichtK15-BAW-04.TB1:NichtlineareunddynamischeFE-AnalysezurNachrechnungderAltenBrückeLohr(Main).Weimar(unveröffentlicht).

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Dynardo (2016-2):optiSLang - theoptimizingStructuralLanguageversion5.0.1,DYNARDOGmbH,Weimar,2016,www.dynardo.deoptiSLangDocumentation

Dynardo(2017):GutachtenCON-16-BAWKA-001:NichtlineareunddynamischeFE-AnalysezurNach-rechnungderStraßenbrückeMarktheidenfeld,Main-km179,79.Weimar(unveröffentlicht).

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VerkehrslastmodellefürBrücken–EinführungDipl.-Ing.RainerEhmann(BAW)EinleitungFür jedenVerkehrsteilnehmer sichtbar und spürbar ist die seit Jahrzehnten stetige Zunahme desStraßenverkehrsundhier insbesonderedesSchwerverkehrs,der inseinerHäufigkeitundGrößederGewichtemaßgebend fürdieBrückenbelastung ist.Die entsprechendenLastnormenwurden daherimmerwiederangepasst,d.h.dieeinwirkendenLastenwurdenerhöht.Allein indiesem JahrhundertschonzweiMal,nämlich2003mitderEinführungdesDIN-Fachberichtes101,derdamiteineschonlanggeplanteeuropäischeAnpassungvorwegnahm.Nur10 Jahrespäterkamdermitdeutlichhöhe-renLastenverseheneEurocodeDINEN1991-2+NA,derfürdieBemessungneuerBrückendieGrund-lagebildet.Erstmaliggibtesseit2011fürBrückenimZugevonBundesfernstraßeneineNachrechnungsrichtliniefürbestehendeBrücken.ImGegensatzzuNeubauten,fürwelcheeinheitlichhoheVerkehrslastenan-zusetzensind,erlaubtdieNachrechnungsrichtliniejenachVerkehrsartundVerkehrsstärkeeineange-passteBelastung,dassogenannte„Ziellastniveau“.BeimehrerenzehntausendenBrücken imBestandkommt einer realitätsnahen, objektspezifischen Verkehrslastermittlung eine große wirtschaftlicheBedeutung zu.AusdieserMotivation herauswurde in letzter Zeit zu diesemThemenkomplex ver-stärkteForschungstätigkeitausgelöst.AnforderungenaneinVerkehrslastmodellDaesinderPraxisnichtmöglichist,dierealenBelastungenausVerkehreinerBemessungzuGrundezulegen,sindmöglichsteinfache,nichtrealeModellezudefinieren,diedaswirklicheVerkehrsgesche-henhinsichtlichseinerAuswirkungenaufdieGebrauchstauglichkeit,TragsicherheitundErmüdungs-festigkeitausreichendgenauabbildet.GrundlagefürdieBemessungeinesBauwerkessinddieNach-weise inGrenzzuständen,die inVerbindungmitdemsemiprobabilistischenSicherheitskonzept eineausreichende Zuverlässigkeit erwarten lassen.Hierzu bedarf es der charakteristischenWerte derEinwirkungenausLastmodellen,d.h.desQuantilwerteseinerEinwirkungmiteinerbegrenztenÜber-schreitungswahrscheinlichkeit.WeitereAnforderungenaneinVerkehrslastmodellfürStraßenbrücken:§ fürdiepraktischestatischeBerechnungmussesmöglichsteinfachsein,d.h.hauptsächlichFlä-

chenlasten,nurwenigeEinzellasten§ esenthältdiedynamischenEffektedesfließendenVerkehrs.§ esgiltfürdieQuer-undfürdieLängsrichtungdesBauwerkes,fürlokaleundglobaleBeanspru-

chungen§ GültigkeitfüralleBrückenarten,statischenSystemen,Spannweiten,Brückenbreiten§ anwendbarfüralleBauteilewieLängs-undQuerträger,Zugglieder,Fahrbahnplatte,Brückenla-

gerusw.


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§ berücksichtigtwerdenunterschiedlicheVerkehrssituationen,fließenderVerkehr,Stau,Baustel-lensituationenusw.

§ dasLastmodellmusszukunftssichersein,d.h.möglicheVerkehrszunahmeundAnpassungenderStVZO(Straßenverkehrszulassungsordnung)berücksichtigen.

SoferneinLastmodellnichtobjektspezifischermitteltwird,bedeutetdieserdurchdiezuvorgenann-tenAnforderungendefinierteuniverselleAnspruch,eineobereDeckelungfürdieLastgröße.AbrissüberdiehistorischeEntwicklungFürStraßenbrückendes19.JahrhundertsundzuBeginndes20.JahrhundertsbildetenFuhrwerkeundMenschenansammlungendiemaßgebendeBelastung.Ein Lastschema nachBargmann (1998) zeigt einLastschema für Pferdefuhrwerke und einer 23t –Dampfwalze:

Bild1: LastschemafürStraßenbrückenimJahr1910IndererstenDIN1072,Ausgabe1925wurdenBrückenklassenIbisIVeingeführt.DabeibliebbeiderhöchstenBrückenklasseIdie23t–Dampfwalzeerhalten,dasPferdefuhrwerkwurdeinFolgederMo-torisierungdurchLastkraftwagenersetzt.DienachfolgendeBild2zeigtdieAbmessungenundGewich-tederRegellastenausderDIN1072,Ausgabe1931:Bild2:AbmessungenundGewichtederRegelklassennachDIN1072:1931

Brückenlasse I:Dampfwalze: 24 tLastkraftwagen: 12 t

Brückenlasse II:Dampfwalze: 16 tLastkraftwagen: 9 t

Brückenlasse III:Dampfwalze: 7 tLastkraftwagen: 6 t

+ Menschengrdränge von 0,4 bis 0,5 t/m

2


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InKonsequenzdergeschichtlichenEntwicklungwurdemitderAusgabe1944eineBrückenklasseIAeingeführt,beiwelcheranStellederDampfwalzeeinRaupenfahrzeugmit40tanzusetzenwar.MitderAusgabe 1952 gab es eine grundlegendeÄnderung derNorm, erstmalswurde ein fiktivesFahrzeug, der Schwerlastwagen (SLW)mit 3 dicht hintereinander liegende Achsen eingeführt, derweitmehralsdoppeltsoschwerwaralsdasnachStVZOzugelasseneGesamtgewichtvon24tfüreinSattelkraftfahrzeug.Die zugehörigeBrückenklasse 60 galt fürAutobahnenunddas schwereEinzel-fahrzeugsollteauchSonderfahrtenvonüberschwerenFahrzeugenabdecken.Bild3:RegellastennachDIN1072:1952Währendder15-jährigenGültigkeitsdauerder1952erAusgabewurdedaszulässigeGesamtgewichteinesSattelfahrzeugesvon24tauf38terhöht.Die in6Brückenklassen starkgegliederteEinteilungwurdemitderAusgabe1967aufgegeben.Esgabdannnurnoch3Regelklassen,nämlichBK60(Auto-bahnenbisLandstraßenundStadtstraßen),BK30(Kreisstraßen,Hauptwirtschaftswege)undBK12(WirtschaftswegefürleichtenVerkehr).DieweitereZunahmedesVerkehrs führte1985 zu einerweiterenAnpassungderNormDIN1072:parallelzumSLWderHauptspurwareinweitererSLWaufgleicherHöheunddichtnebenderHaupt-spurzuberücksichtigen.FortanwurdendieBrückendesübergeordnetenStraßennetzesfürdieBrü-ckenklasse60/30bemessen.Nach78JahrenendetdieÄraderDIN1072–Reihe,diefürGenerationenvonBauingenieurenals„die“BelastungsnormfürStraßenbrückengalt.ImJahr2003hieltmitEinführungderDIN-Fachberichte,fürLastannahmen für Straßen- undEisenbahnbrücken dieNummer 101, „Europa“Einzug in dieNor-menwelt.ZehnJahrespäter,2013,wurdederEurocodemitnationalemAnhangfürDeutschlandeinge-führt,dieDINEN1991-2+NA.SiestelltdasheutegültigeRegelwerkfürBrückenverkehrslastendar.


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DerSLWwurdeersetztdurcheinnochfiktiveres2-achsigesTandemfahrzeug,dieFlächenlastenwur-dennochmalsdeutlicherhöht.MethodikzurBestimmungeinesVerkehrslastmodellsDasgrundsätzlicheLastschemafüreinVerkehrslastmodellhatsichüberdieganzezeitlicheEntwick-lung nicht verändert.Es besteht aus Einzellastenmit definiertenAchs- undRadabständen, die zu-nächst reale, später fiktive schwere Fahrzeuge repräsentieren.Die verbleibenden FahrbahnflächenwerdenmitFlächenlastenbelegt, teilweisedifferenziertnachHauptspur,NebenspurundGehwegbe-reichen.DynamischeWirkungenwerdendurchSchwingbeiwerteabgedeckt.WiedieAusführungendesvorangegangenenAbschnitteszeigen,erfolgtedieFestlegungeinesBelas-tungsschemas indenNormenbis zumEndedes20. Jahrhunderts imWesentlichendeterministischundorientiertesichamrealenVerkehrsgeschehenwie z.B.anPferdefuhrwerkenundDampfwalzenusw.DabeiwurdenfürAbmessungen–möglichstkompakt-undGewichteungünstigeAnnahmenge-troffen.IndenErläuterungenzurDIN1072,Ausgabe1931,Beiblattheißtes:BeiderAuswahlderein-zelnenRegellastenistwenigermaßgebendgewesen,obdieGewichteundAbmessungengenaudenjenigender tatsächlichverkehrendenFahrzeugeentsprechen,alsvielmehr,daßsiemitmöglichstwenigenundeinfachenGrundformenallefürdiebetreffendeBrückenklasseinBetrachtkommendenLastenzuvertre-tengeeignetsind.Z.B.sollbeiBrückenderKlasse Idiepraktischnichtvorkommende 24tDampfwalzeauchganzandersgearteteLastenvertreten(z.B.KesselwagenundDampfpfluglokomotiven)….AuchersteprobabilistischeÜberlegungenwerdenangestelltunddieAbminderungderLastfür„Men-schengedränge“beizunehmenderStützweitedamitbegründet,daßeinegleichzeitigevolleBelastungsehrgroßerStreckendurchsichbewegendeFahrzeuge,Menschengedränge,Viehherdenoderdergl.sehrunwahrscheinlichist.IndenVorbemerkungenzumBeiblattzurDIN1072,Ausgabe1967heißteszurNeufassungderAus-gabe1952,dassdieAusgabeJuni1952desNormenblattesDIN1072soabgefaßtwar,daßdieNormso-wohldemallgemein zugelassenenKraftverkehrmitwirtschaftlichenMitteln Rechnung trug,alsauchSonderfahrtenmitüberschwerenFahrzeugenohneÜberschreitungderzulässigenSpannungenermög-lichte.AuchdieAktualisierungderRegellasten im Jahr1985erfolgtenochaufdeterministischerBasiswieLehmannundAdam(1983)ausführten.DabeiwurdedierechteFahrspur(Hauptspur)miteinerFolgevon10,80mlangenSattelschleppernmit420kNGesamtgewichtbelastet,waseinemum10%überla-denenzugelassenenFahrzeugentspricht.Eswurden2Variantenmit1,0mund10,0m lichtemFahr-zeugabstanduntersucht,wobeidieersteVariantealswenigwahrscheinlicheingestuftwurde. InderparallelenNebenspurwurdeein420kN-FahrzeugangeordnetmitFlächenlastenvon3kN/m2aufdenRestflächen. Umfangreiche Vergleichsrechnungen und eher intuitive Überlegungen zur Auftretens-wahrscheinlichkeitführtendannzudenbekanntenBrückenklassen60/30und30/30.EinhergehendmitderEntwicklung derEurocodes inden 1980er und 1990er Jahrenwurden neueWegederVerkehrslasterfassungundLastmodellentwicklungbeschritten,dieauchheutedemStand


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derForschungentsprechen. HierzuwerdenzunächstMessungenzurErfassungdesrealenVerkehrsdurchgeführt.Inden1980erJahrenerfolgtendieseanbekannthochbelastetenAutobahnbrückenz.B.AuxerrebeiParisundanderBrohltalbrückeimZugederA61.DieerhobenenDatenwerdenstatistischausgewertet,umdensogemessenenSchwerverkehrnachverschiedenKriterienzucharakterisieren.DaraufaufbauendkönnenzufallsbasierteSimulationen durchgeführtwerden,diezuFahrzeugfolgenführen,diewiederuminVerbindungmitzuuntersuchendenstatischenSystemenzuBeanspruchungs-Zeitverläufen führen,siehez.B.Böning(2013).DerVorteilderartigerSimulationen liegtdarin,dassmit Prognoseszenarien die mögliche künftige Verkehrsentwicklung berücksichtigt werden kann.Durch weitere statistische Auswertungen der Beanspruchungen und einer zuverlässig-keitsorientiertenExtrapolationaufeineangestrebteGesamtnutzungsdauererhältmandanncharakte-ristischeWerte,dieheutegemäßDINEN1991-2einermittlerenWiederkehrperiodevon1.000Jahrenentsprechen. Beanspruchungen aus dem angepassten Lastmodell müssen diese charakteristischenWerteausderSimulationüberschreiten.LiteraturBargmann,Horst(1998):HistorischeBautabellen,NormenundKonstruktionshinweisevon1870bis

1960.Düsseldorf:WernerVerlag.Lehmann,Günter;Adam, Joachim (1983):Aktualisierung derVerkehrs-Regellasten für Straßenbrü-

cken.ZurNeufassungderDIN1072.In:StraßeundAutobahn,Heft9/1983.Böning,Sebastian(2013):EntwicklungeinergeschlossenenVorgehensweisezurErmittlungvonBean-

spruchungen von Brückenbauwerken infolge Straßenverkehr. Von Verkehrsmessungen zustochastishen Beschreibungen von Verkehrsbeanspruchungen von Brückenbauwerken. Aachen:ShakerVerlag.


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VerkehrslastmodellefürtypischeWSV-BrückenProf.Dr.-Ing.UrsulaFreundt(Ing.-BüroProf.Dr.U.Freundt,Weimar)Dr.-Ing.SebastianBöning(Ing.-BüroProf.Dr.U.Freundt,Weimar)ZusammenfassungPrinzipiellsindVerkehrslastmodellesowohlfürdenNeubaualsauchfürdieNachrechnungallgemeingültig.DiesesPrinzipwirddurcheineArtUmhüllendeüberdieErgebnisse,dieausderVielfaltderBrückenundderVerkehreermitteltwerden,erreicht.FürdenNeubaugestattetdieseineZukunftsfä-higkeit.FürunserenBrückenbestandmitseinerdifferenziertenAltersstruktur,seinerBreiteanTrag-systemenundHerstellungsverfahrenundseinenunterschiedlichenVerkehren istbeieinerUnantast-barkeitderForderungennacheinergleichenStandsicherheitdieserWegzukonservativ.Das isteinAnlassfürdiehierbeschriebenenUntersuchungen.EinzweiterSachverhaltbeinhaltetdiepraktischeUmsetzungderErgebnisse.BislangdienendiehistorischenVerkehrslastmodellezurAbstufung.Ange-strebtwirdeinegemeinsameGrundlageundsomiteineDifferenzierungderLastmodelleaufderBasisdesaktuellenLastmodellsLM1.DasistaucheinZielfürdiebestehendeNachrechnungsrichtlinie.EineAnalysederWSVSpezifikimdargelegtenTenorzeigt,dasstypischeTragsystemeundStützweitener-kennbarsindunddieBrückenmehrheitlichimuntergeordneteVerkehrsnetzliegen.BeideSachverhal-tewarenundsindnichtodernichtvordergründigGegenstandderUntersuchungen fürdieaktuelleNachrechnungsrichtlinieundderenFortschreibung.DiehiervorgestelltenUntersuchungensinddengenanntenSachverhaltengewidmetundsiedieneneinerbestandsorientiertenNachrechnungsgrund-lageentsprechenddemaktuellenStandderTechnik.1. EinleitungDieWasserstraßen-undSchifffahrtsverwaltungdesBundes istBaulastträger für eine großeAnzahlvonBrückenbauwerkenimZugeunterschiedlicherStraßenkategorieninDeutschland.VordemHintergrundderAltersstrukturderBrückenbauwerke,nichtnur imBereichderWSV, istesfürdiesinnvolleBeurteilungderLeistungsfähigkeitderBrückenbauwerkeerforderlich,objektspezifi-sche Verkehrslastniveaus infolge objektspezifischen Verkehrscharakteristiken zu verwenden. DieNachrechnungsrichtlinie ([3], [4]) gibt hierzu Ziellastniveaus in Abhängigkeit von Parametern derVerkehrscharakteristik(SchwerverkehrsstärkeundSchwerverkehrszusammensetzung)vor.DieZiel-lastniveausdienenvorwiegendderBeurteilungvonBrückenbauwerkenimZugevonBundesfernstra-ßen.DieBeschreibungenderVerkehrscharakteristikenstammtendabeiausVerkehrserfassungenanAutobahnen.ImRahmenvondreiTeilprojektenimAuftragederBundesanstaltfürWasserbau([5],[6],[7])wurdendreiBrückenbauwerke inderBaulastderWSVmesstechnischausgestattetumVerkehrsdatenzuer-heben.DamitwurdederErkenntnisbereichfürobjektspezifischeVerkehrscharakteristiken,vorallemfürdasnachgeordneteStraßennetzdeutlicherweitert.


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DieErgebnissebisherigerUntersuchungenzurErmittlungvonobjektspezifischenZiellastniveausfürBrückenbauwerkesowohl imAuftragderBAWalsauch andererBaulastträger lagensowohl imBe-reich der definierten Ziellastniveaus der Nachrechnungsrichtlinie als auch deutlich darunter. DerGrundhierfürliegtinverschiedenenParametern,diedieAussageeinerAbdeckungeinerobjektspezi-fischenVerkehrsbeanspruchungdurcheindefiniertesLastmodellbeeinflussen.DiesesindnichtnuraufParameterderVerkehrscharakteristikbeschränkt,sondernzueinemnichtunerheblichenAnteildurchParameterdesbetrachtetenBauwerkesbeeinflusst.2. PrinzipielleVorgehensweisederUntersuchungenImRahmenvonmehrerenForschungsprojektenimAuftragdesBundesministeriumsfürVerkehrunddigitaleInfrastruktur(ehemalsBundesministeriumsfürVerkehr,BauundStadtentwicklung)undderBundesanstalt für Straßenwesenund einerDissertationwurde eine geschlossenenVorgehensweisezurErmittlungvonBeanspruchungenvonBrückenbauwerken infolgeStraßenverkehrentwickelt,er-probtundverifiziert (vgl. [8], [9], [10], [11]).DieUntersuchungenwarendabeiunter anderemdieGrundlagefürdieFestlegungderZiellastniveausundderverkehrlichenKompensationsmaßnahmeninderNachrechnungsrichtlinie(vgl.[3],[4]).InderVorgehensweisewerdenunterVerwendungvonerforderlichenEingangsdaten(Beschreibungdes Verkehrsaufkommens hinsichtlich Verkehrsstärke, Verkehrszusammensetzung und Gesamtge-wichtenderverkehrendenFahrzeuge)Verkehrssimulationsrechnungendurchgeführt.DiesimuliertenFahrzeugfolgen inzubetrachtendenFahrspurenwerdenrechnerischüberEinflussflächendefinierterKennwertevonTragsystemen(z.B.BiegemomentoderQuerkraft)geführtunddarausKennwert-Zeit-Verläufeermittelt.MitHilfeeinerstatistischenAuswertungwerdendarausdurchExtrapolationWertemit definierten mittleren Wiederkehrperioden ermittelt. Entsprechend der Definition im DIN EN1991-2[1]isthierbeidercharakteristischeWerteinerBeanspruchungausVerkehreinWertmiteinermittlerenWiederkehrperiodevon1.000Jahren.DieaufdiesemWegermitteltenWerte(verschiedeneKennwerte,unterschiedlicheVariantenvonVer-kehr)werdenzurEinordnungzunächstdenanalogenWertenausderAnwendunghistorischerLast-modellenachDIN1072sowieausderAnwendungdesLastmodellsLM1nachDINFachbericht101undnachEC1inVerbindungmitdemdeutschenNAgegenübergestellt.Dies gestattet die Einordnung der ermittelten charakteristischenWerte in historische LastmodelleaberaucheineErmittlungvonVorfaktorenfürdasLastmodellLM1nachDINFachbericht101odernachEC1 inVerbindungmitdemdeutschenNA.Letzteres istGegenstandderAufgabenstellungderBAWundzeitgleichfürdieÜberarbeitungderNachrechnungsrichtlinie.3. BetrachteteTragsystemeDieAuswahlzubetrachtenderTragsystemenmussrepräsentativfürdenangezieltenBauwerkbestandsein.Durch dieWSVwurde eine Vorauswahl von Bauwerken vorgenommen.Diese repräsentiereneinengroßenAnteilderinderBaulastderWSVvorhandenenTragwerke.DievorausgewähltenTrag-


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werkeunterscheidensichhinsichtlichTragsystem(z.B.Ein-,Zwei-undDreifeldsysteme),denStütz-weitenundStützweitenverhältnissen,derFahrbahnbreitesowiederSpurbelegung.AusdenbisherigenUntersuchungenlassensichnebenderVerkehrscharakteristikfolgendeParameterableiten,dieergebnisbestimmendsind:

- Fahrbahnbreite/Spurbreite

- Stützweiten

- Einfeld-/Mehrfeldsysteme

- QuerschnittAnhanddieserParameterwurdendreiBauwerkeausderVorauswahlfürdieUntersuchungenausge-wählt.HierbeihandelteessichumeinDreifeldsystemmitStützweitenzwischen24mund72mmiteinemzweistegigenPlattenbalkenquerschnitt.DieFahrbahnbreitebeträgt8,50mundüberführtwer-denzweiFahrspureninentgegengesetzterFahrtrichtung.BeidemzweitenunddrittenTragwerkhan-delteessichumdiebeidengetrenntenÜberbauteneinesGesamtbauwerkes.DasEinfeldsystemweisteineStützweitevon52mauf.DerersteÜberbaumiteinerFahrbahnbreitevon8,5müberführtzweiRichtungsfahrstreifen,derzweiteÜberbaumiteinerFahrbahnbreitevon12,25müberführtdreiRich-tungsfahrstreifen(zweidurchgehendeFahrstreifen,eineAbbiegespur).Für die Ermittlung der erforderlichen Einflussflächen für ausgewählte Kennwerte (Momente undQuerkräfte)wurden fürdieuntersuchtenTragwerkeFE-ModellemitmittlerenDetailierungsgradenerstellt.ExemplarischistinnachfolgenderBild1dasModelldesbetrachtetenDreifeldsystemsdarge-stellt.AusdenerzeugtenEinflussflächen ist inBild2dieEinflussfläche fürdasMomenteinesStegesdeszweistegigenPlattenbalkenquerschnittesinderMittedeMittelfeldesdargestellt.

Bild1: Tragwerk1–Dreifeldsystem–Tragwerksmodell

Bild2: Tragwerk1–Dreifeldsystem–EinflussflächeFeldmoment


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4. BetrachteteVerkehrscharakteristikenImRahmenderUntersuchungenwurdeeinebreiteVariationvonVerkehrscharakteristikenbetrachtet.DieVariationbezogsichdabeiauffolgendeBeschreibungsparameterderVerkehrscharakteristik:

- DurchschnittlichetäglicheSchwerverkehrsstärke(DTV-SV)

- Schwerverkehrszusammensetzung

- GesamtgewichtsverteilungenfürausgewählteFahrzeugtypendesSchwerverkehrs

- AnsatzvongenehmigungspflichtigemSchwerverkehrfürden imAllgemeineneineDauerge-nehmigungerteiltwir

- VariationderSpurbelegung(BegegnungsverkehrundRichtungsverkehraufzweiSpuren)

- VariationderVerteilungdesVerkehrsaufmehralseineSpurproFahrtrichtung

- VariantenvonVerkehrmitbzw.ohneStauabschnitteImDetailwurdenhinsichtlichderSchwerverkehrsstärke(DTV-SV)Wertezwischen1.000und3.000untersucht.DieseWerte liegendamit imWesentlichenunterhalbdesWertebereichesderZiellastni-veausderNachrechnungsrichtlinie,bilden aberhäufige Schwerverkehrsstärken im Straßennetzun-terhalbvonAutobahnenab.HinsichtlichderSchwerverkehrszusammensetzungwurdeninsgesamtachtVariantenuntersucht.ZurAbleitungdieserVariantenwurdedabeizunächstvonverschiedenenBasiszusammensetzungenhin-sichtlichdesVerhältnisseszwischenLKWohneAnhängerundLastzugkombinationen(LKWmitAnhä-nger,Sattelzugfahrzeuge)ausgegangen.InderweiterenAbleitungderdetailliertenZusammensetzun-genwurdenDatengrundlagenausfrüherenVerkehrserfassungenaneinerAutobahn(vgl.Datenu.a.in[8])sowiedieanderLingenerDammBrückeermitteltenVerkehrsdaten(vgl.[7])herangezogen.DieVariationenderSchwerverkehrszusammensetzungsindinnachfolgenderBild3grafischdargestellt.

Bild3: VariationenderSchwerverkehrszusammensetzungHinsichtlich der Gesamtgewichtsverteilungen der betrachteten Fahrzeugtypen (vgl. Bild3) wurdenebenfallszweiVariantenbetrachtet. IndererstenVariantewurdendieu.a. in [8]verwendetenGe-samtgewichtverteilungenverwendet.InderzweitenVariantewurdendieanderLingenerDammBrü-ckein[7]ermitteltenGesamtgewichtsverteilungenfürdieUntersuchungenherangezogen.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

A-1 A-2 A-3 A-4

Ant

eilF

ahrz

eugt

ypen

amSV

[%]

Varianten SchwerverkehrszusammensetzungBasis "A" - Vereinfacht

8 9 41 97 98

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

B-1 B-2 B-3 B-4

Ant

eilF

ahrz

eugt

ypen

amSV

[%]

Varianten SchwerverkehrszusammensetzungBasis "B" - Vereinfacht

8 9 41 97 98


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5. ErgebnisseDiedargestellteVariantenbreitevonVerkehrscharakteristikenindenUntersuchungenführtezueinerentsprechendgroßenErgebnisbreite.DieZusammenfassungvonErgebnissen zu einerVariantederSchwerverkehrszusammensetzungundderSchwerverkehrsstärkeerlaubtdieAbleitungeinerkumu-liertenrelativenHäufigkeitsverteilung.FürdieweitereErgebnisaufbereitungwirddanneingeeigne-terFraktilwertdieserVerteilungverwendet.MittelseinesOptimierungsverfahrenswirdeinFaktorfürdasLastmodellLM1nachDIN-Fachbericht101ermittelt.DieOptimierungistaufdenFaktororientieret,derüberverschiedeneKennwerteeinesTragwerkes (oder mehrerer Tragwerke) hinweg den kleinsten Abstand zum Simulationsergebnisausweist.InanalogerWeisewerdenFaktorenfürdasLastmodellLM1nachEC1inVerbindungmitdemdeut-scheNAermittelt.DieKomponentendesLastmodellsLM1nachDIN-FachberichtundLM1nachEC1undNAhabenunterschiedliche α-Faktoren.Deshalbbestehtkein linearerZusammenhangzwischendenbeidenLastmodellen.InnachfolgenderBild4sinddieermitteltenFaktorenfürdasLastmodell1nachDINFB101fürTrag-werk1grafischzusammengestellt.DiesesTragwerküberführt2SpurenimBegegnungsverkehr(BV).DieAbbildungenthältdieverschiedenenbetrachtetenDTV-SVWertesowiediebetrachtetenVariantender Schwerverkehrszusammensetzung, aufgeführt als Anteil von LKW ohne Anhänger am Gesamt-schwerverkehr.DieindenDiagrammenroteingetragenenPunktezeigendieaufbereitetenErgebnissederSimulationsrechnungen.DieblauenPunkterepräsentierendieaktuelldefiniertenZiellastniveausderNachrechnungsrichtliniefür die hier zutreffendeVerkehrsbelegung (Tabelle 10.2 derNachrechnungsrichtlinie) ebenfalls alsLM1-Faktoren.FürdieSchwerverkehrsstärke2.000sindzwei identischeVerlaufsdiagrammederer-mitteltenFaktoren(roteLinie)mitunterschiedlichenWertenausdemZiellastniveausderNachrech-nungsrichtlinie(blauePunkte)aufgeführt.DerHintergrundbestehtinderAbgrenzungderZiellastni-veausderNachrechnungsrichtliniebeieinemDTV-SVWertvon2.000.DieermitteltenFaktorenliegenzwischen 0,78 und 0,69. Die Variation der Faktoren resultiert überwiegend aus der Variation derSchwerverkehrszusammensetzungundkaumausderVariationderSchwerverkehrsstärke.GegenüberdenaktuellenZiellastniveausderNachrechnungsrichtliniezeigensichhiervorallem imBereichderSchwerverkehrszusammensetzungenmitkleinerenAnteilenvonLKWohneAnhänger,unddamitgrö-ßerenAnteilenvonu.a.Sattelzugfahrzeugen,größereAbstände.


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Bild4: ErgebnisaufbereitungTragwerk1(Begegnungsverkehr)–FaktorenfürLM1nachDINFB101DieErgebnissewerdenausVergleichsbarkeitsgründentabellarischinAnlehnungandieTabellen10.1und 10.2 derNachrechnungsrichtlinie aufbereitet. In nachfolgender Tabelle 1 sind beispielhaft dieErgebnisse fürTragwerk1eingetragen.Die inderTabelleblauhinterlegtenFelderentsprechendenFeldernderTabelle10.2derNachrechnungsrichtlinie,ergänztumdenLM1-Faktor.Indennichthin-terlegtenFeldernsinddieWSV-spezifischenFaktoreneingetragen,ergänztumdiezugeordnetenhis-torischenLastmodelle. InanalogerWeisesind inTabelle2dieErgebnisse fürTragwerk2und3zu-sammengefasst.Hier ist aufgrundderzweibzw.dreiSpureneinerFahrtrichtungaufden jeweiligenBauwerken dieTabelle 10.1 derNachrechnungsrichtlinie dieVergleichsbasis. In allen dargestelltenFällenergebensichgegenüberderNachrechnungsrichtlinieniedrigereZiellastniveaus.

1000

1500

3000

OV

0% 5% 10%

15%

20%

25%

30%

35%

GE ME

40%

90%

DTV

-SV

(Que

rsch

nitt)

2000

Anteil LKW ohne Anhänger

60%

65%

70%

75%

80%

85%

Tragwerk 1

BV

45%

50%

55%

0,50,60,70,80,91,0

0,50,60,70,80,91,0

0,50,60,70,80,91,0

0,50,60,70,80,91,0

0,50,60,70,80,91,0


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Tabelle1: ZiellastniveauinAnlehnungundimVergleichzuTab.10.2derNachrechnungsrichtlinie

(QuerschnittmiteinemFahrstreifenproRichtung–Tragwerk1)–FaktorenbezogenaufLM1nachDIN-Fachbericht101

Tabelle2: ZiellastniveauinAnlehnungundimVergleichzuTab.10.1derNachrechnungsrichtlinie

(QuerschnittmitmehralseinemFahrstreifenproRichtung–Tragwerk2und3–FaktorenbezogenaufLM1nachDIN-Fachbericht101

Die vorliegenden Ergebnisse erlauben auch eine Einschätzung derAuswirkungen der betrachtetenParameterderVerkehrscharakteristik.Es zeigt sich, dass die Schwerverkehrszusammensetzung den dominanten Einfluss gegenüber derSchwerverkehrsstärkeundderGesamtgewichtverteilunghat.Zusammenfassendmussjedochbetontwerden,dassdieobjektspezifischeErmittlungvondetailliertenVerkehrsdaten,wiesieimRahmenderBauwerksmessungenanderBrücke„LingenerDamm“reali-siertwurden,fürobjektspezifischeoderauchumkreisspezifischeAussagenzuBauwerksbeanspru-chungendiebestenVoraussetzungenhat.

90-10 65-35 40-60

0,70 0,70 0,70 0,69 0,69 0,69

(< BK 30/30) (< BK 30/30) (< BK 30/30) (< BK 30/30) (< BK 30/30) (< BK 30/30)

0,78 0,75 0,73 0,71 0,70 0,69

(< BK 60) (< BK 60) (< BK 60) (< BK 30/30) (< BK 30/30) (< BK 30/30)

0,78 0,75 0,73 0,72 0,71 0,70

(< BK 60) (< BK 60) (< BK 60) (< BK 30/30) (< BK 30/30) (< BK 30/30)

0,78 0,76 0,75 0,74 0,73 0,73

(< BK 60) (< BK 60) (< BK 60) (< BK 60) (< BK 60) (< BK 60)

DTV

-SV

<2.

000

DTV

-SV

>2.

000

75-25GE

BK

60/3

0(0

,87)

LM1

(1,0

0)

DTV-SV 1.000

DTV-SV 1.500

DTV-SV 2.000

DTV-SV 3.000

DTV-SV > 3.000

BK

60(0

,80)

BK60

/30

(0,8

7)

15-85OV

BK

30/3

0(0

,72)

BK

60(0

,80)

Verkehrsart / SchwerverkehrszusammensetzungAnteil LKW mit Anhänger + Sattelzugfahrzeuge zu Anteil LKW ohne AnhängerDifferenzierung

DTV-SV (NRR)Differenzierung

DTV-SV 50-50ME

90-10 65-35 40-60

0,75 0,75 0,75 0,71 0,68 0,65

(< BK 60/30) (< BK 60/30) (< BK 60/30) (< BK 60) (< BK 60) (< BK 60)

0,76 0,76 0,76 0,74 0,73 0,68

(< BK 60/30) (< BK 60/30) (< BK 60/30) (< BK 60) (< BK 60) (< BK 60)

0,81 0,81 0,81 0,78 0,76 0,70

(< BK 60/30) (< BK 60/30) (< BK 60/30) (< BK 60/30) (< BK 60/30) (< BK 60)

DifferenzierungDTV-SV (NRR)

DifferenzierungDTV-SV

Verkehrsart / SchwerverkehrszusammensetzungAnteil LKW mit Anhänger + Sattelzugfahrzeuge zu Anteil LKW ohne Anhänger

75-25 50-50 15-85GE ME OV

BK

60(0

,74)

DTV-SV 2.000

DTV

-SV

>2.

000

LM1

(1,0

0)

BK

60/3

0(0

,85)

DTV-SV 3.000

DTV-SV > 3.000

DTV

-SV

<2.

000

DTV-SV 1.000

LM1

(1,0

0)

BK

60/3

0(0

,85)


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6. WeiterführendeUntersuchungenundabschließendeBemerkungenImRahmenderdurchgeführtenUntersuchungenwurdenfürausgewählteBauwerkeinderBaulastderWSVBeanspruchungenausStraßenverkehrinfolgeverschiedenerVerkehrscharakteristikenermittelt.Für die Ermittlung der Beanspruchungen wurden dabei Verkehrssimulationsrechnungen durchge-führt.DieAuswahlderBauwerkeerfolgtemitderZielstellung,denBauwerksbestandderWSVmög-lichst breit abzudecken.Die ermitteltenErgebnisse zeigen imVergleich zu den Ziellastniveaus derNachrechnungsrichtliniezumTeildeutlicheReserven.DieÜbertragbarkeitderErgebnisseaufandereBauwerkebedingteineVergleichbarkeitderBauwerkehinsichtlichTragverhaltenundhinsichtlichderbetrachteten Verkehrscharakteristiken. Vor diesenHintergrund laufen gegenwärtigweiterführendeUntersuchungenimAuftragderBundesanstaltfürWasserbau.DasTragsystem(vgl.[5])wirdumVer-kehrsvariantenerweitertundfürdashierbetrachteteTragwerk2werdenabweichendeVerkehrsfüh-rungenaufdemBauwerksimuliert.DieseErgebnissewerdenzusätzlicheReferenzwerte fürdiebe-reitsvorliegendenResultateliefernundFestlegungenderBAWzuLastmodellenfürdieNachrechnungvonBrückeninderBaulastderWSVermöglichen.7. Literatur[1] NORMDINEN1991-2:Eurocode1:EinwirkungenaufTragwerke -Teil2:Verkehrslastenauf

Brücken.BeuthVerlag,Fassung12/2010.[2] NORMDINEN1991-2/NA:NationalerAnhang -National festgelegteParameter -Eurocode1:

Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 2: Verkehrslasten auf Brücken. Beuth Verlag, Fassung08/2012.

[3] NachrechnungsrichtlinieRichtliniezurNachrechnungvonStraßenbrückenimBestand(Ausgabe

05/2011).Bundesministerium fürVerkehr,BauundStadtentwicklung -AbteilungStraßenbau,2011.

[4] Nachrechnungsrichtlinie - 1. ErgänzungRichtlinie zurNachrechnung von Straßenbrücken im

Bestand - 1 Ergänzung (Ausgabe 04/2015). Bundesministerium für Verkehr und digitaleInfrastruktur,2015.

[5] FREUNDT, U.; BÖNING, S.; HÖLZER, D.: Bestimmung von Verkehrslastmodellen für statische

Tragfähigkeit und Ermüdung an der Dreierwalder Brücke (Forschungsbericht -unveröffentlicht).Karlsruhe:BundesanstaltfürWasserbau,2015.

[6] FREUNDT, U.; BÖNING, S.; HÖLZER, D.: Bestimmung von Verkehrslastmodellen für statische

TragfähigkeitundErmüdunganderBrücke imZugederGöxerLandstraße inHannoverSeelze(Forschungsbericht-unveröffentlicht).Karlsruhe:BundesanstaltfürWasserbau,2016.

[7] FREUNDT, U.; BÖNING, S.; STADE, I.: Bestimmung von Verkehrslastmodellen für statische

TragfähigkeitundErmüdunganderLingenerDammBrückeüberdenDEK(Forschungsbericht-inBearbeitung).Karlsruhe:BundesanstaltfürWasserbau,2016.


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[8] FREUNDT,U.;BÖNING,S.:AnpassungdesDIN-Fachberichts101„EinwirkungenaufBrücken“anEurocodes - Zukunftsfähiges Lastmodell für Straßenverkehrslasten. In: Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen - Brücken- und Ingenieurbau - Heft B 77. Bremerhaven:WirtschaftsverlagNW,2011.

[9] FREUNDT,U.;BÖNING,S.:Verkehrslastmodelle fürdieNachrechnungvonStraßenbrücken im

Bestand-BerichtederBundesanstaltfürStraßenwesen-Brücken-undIngenieurbau-HeftB82.Bremerhaven:WirtschaftsverlagNW,2011.

[10] BÖNING, S.: Entwicklung einer geschlossenen Vorgehensweise zur Ermittlung von

Beanspruchungen von Brückenbauwerken infolge Straßenverkehr. Weimar: Bauhaus-UniversitätWeimar,Dissertation,2013.

[11] FREUNDT, U.; BÖNING, S.: Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei

Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchung - Berichte der Bundesanstalt fürStraßenwesen -Brücken-und Ingenieurbau -Heft B97.Bremerhaven:WirtschaftsverlagNW,2014.


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EntwicklungmessbasierterVerkehrslastmodelleProf.Dr.-Ing.habil.KarlG.Schütz(Ing.-BüroDr.Schütz,Kempten)Dr.-Ing.MichaelSchmidmeier(Ing.-BüroDr.Schütz,Kempten)1. EinführungindieThematik1.1 VeranlassungBeiderNachrechnungbestehenderStraßenbrückenaufBasisderNachrechnungsrichtliniewirdhäufigalsZiellastniveaudasLastmodellLM1nachdenDIN-FachberichtenodernachDINEN1991-2ange-strebt.InderRegelergebensichdabeijedoch–insbesonderebeiälterenBauwerkenmitBrückenklas-sennachDIN1072–rechnerischeTragsicherheitsdefizite.Unbeachtetbleibtdabeioftmals,dassLM 1 schwerenVerkehr imBundesfernstraßennetzbzw.denHauptstreckenEuropaszukunftssicherabbildensoll.Deshalb istzuerwarten,dassdiedamiteinher-gehendenBeanspruchungeninderRegelimuntergeordnetenStraßennetz(Bundesstraßen,Landstra-ßen,etc.)kaumerreichtwerden.DiesbedeutetinderFolge,dassausdemAnsatzdiesesLastmodellsresultierende rechnerischeNachweisüberschreitungen in der Regel nichtmit tatsächlichen Tragsi-cherheitsdefizitengleichzusetzensind.UmeinesolcheThematikimRahmenvonBestandsbewertungenberücksichtigenzukönnen,siehtdieNachrechnungsrichtlinieeinegestufteVorgehensweisebeiderNachweisführungvor.WährendnachStufe1eineunveränderteNachweisführungnachdenDIN-Fachberichtenbzw.nachEurocodedurch-zuführen ist, erlaubt Stufe 2bereits ergänzendeRegelungenwie z.B.denAnsatz reduzierterTeilsi-cherheitsbeiwerte.InStufe3dürfendarüberhinausMessungenamBauwerkberücksichtigtwerden,diejedochimWesentlichenaufdieOptimierungvonrechnerischenTragwerksmodellenabzielen.Ab-schließendwerden nach Stufe 4wissenschaftlicheMethoden für denNachweis der ausreichendenTragsicherheit zugelassen. Dabei wird u.a. die Möglichkeit eröffnet, rechnerische Versagenswahr-scheinlichkeitenmitHilfeprobabilistischerMethodenzubewerten.InAnlehnungandiezuletztgenannteStufe4derNachrechnungsrichtliniewurdevomIngenieurbüroDR.SCHÜTZINGENIEURE,Kempten,einaufBauwerksmessungenbasierendesalternativesVerfahrenzurbauwerkspezifischenBewertungtatsächlicherVerkehrsbeanspruchungenentwickelt.1.2 HintergründeDienormativenLastmodellewerdeninderRegelausSimulationsrechnungenabgeleitet.DazuwerdenzunächstmittelsstatistischerVerfahrenrechnerischeFahrzeugfolgengeneriert, inderenZusammen-setzungu.a.folgendeKenngrößeneingehen:


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· Verkehrsstärke,· Verkehrsart(Stau,fließenderVerkehr),· Verkehrszusammensetzung(FahrzeuggewichteundBeladungen,Achslastverteilungen,Achs-

undFahrzeugabstände).UmzukünftigeEntwicklungenrechnerischerfassenzukönnen,werden(Prognose-)Annahmenerfor-derlich,mitdenenderEinflussvonVeränderungenimVerkehrsaufkommenodervonneuenFahrzeug-typen(ggfs.mithöherenGewichts-/Achslasten)beschriebenwird.DiestochastischermitteltenFahrzeugfolgenwerdenanschließendimRahmenumfangreicherBerech-nungenalsRichtungs-oderBegegnungsverkehraufverallgemeinertenTragwerksmodellenmitunter-schiedlichenQuerschnittenundSpannweitenangesetztund ihreWirkunghinsichtlichmaßgebenderKenngrößen(Biegemomente,Querkraft,Auflagerkräfte,etc.)ausgewertet.UmdieBerechnungsergebnissemitdencharakteristischenWerteneinesnormativenLastmodellsver-gleichenzukönnen,wirdderenstatistischeAuswertungerforderlich.EntsprechendeVorgabenenthältDINEN1991-2,Tabelle2.1.FürdasLastmodellLM1wirddortgefordert,dassesdieBeanspruchungeneinesVerkehrs„aufdenHauptstreckenEuropas“miteinerWiederkehrperiodevoneinMal in1.000Jahrenabdeckt.Eswirddeutlich,dassdieDurchführungundAuswertungvonSimulationsrechnungen insgesamteinaufwändigesVerfahrendarstellt.UmmitausreichenderSicherheitdiegesuchtenungünstigenBelas-tungssituationen zu erhalten, müssen lange Fahrzeugfolgen generiert, berechnet und ausgewertetwerden.ZudemerfordertdieseVorgehensweisevorabdieFestlegungeinerVielzahlanParametern(z.B. zur prozentualen Verkehrszusammensetzung, Häufigkeitsverteilungen von ÜberholvorgängenoderLkw-Beladungen,etc.).Da insbesondere fürdieBewertungvonVerkehren imuntergeordnetenStraßennetz inderRegel aktuelle und aussagekräftigeAngaben fehlen (z.B. ausVerkehrszählungenbzw. -beobachtungen),mussbeieinerÜbertragung/Verwendung tendenziellaufdieWahlvon„aufdersicherenSeite“liegendenAnnahmenzurückgegriffenwerden.2. EntwicklungeinesmessbasiertenVerfahrens2.1 GrundlagenDasentwickelteVerfahrenbasiertaufLangzeitmessungenankonkretenBauwerken.Dadurchkönnensämtliche für Simulationsrechnungen erforderlichenAnnahmenumgangenwerden.Die tatsächlicheWirkungdesvorhandenenVerkehrswirddirektanermüdungs-undtragsicherheitsrelevantenStelleninklusivesämtlicherTragwerkseinflüsseerfasst.EinewesentlicheGrundlagebildetdabeieinzuverlässigesBerechnungsmodelldeszuuntersuchendenBauwerks.DierelevantenStellenkönnendamitvorabidentifiziertundsodieAnordnungundderUm-fangderMessanlageoptimiertwerden.AuchfürdieNachrechnungvon(normativen)Verkehrseinwir-kungenistdasTragwerksmodellunverzichtbar.


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AlsempfehlenswerthatsichnachderInstallationderMessanlagedieDurchführungvonKurzzeitmes-sungenerwiesen,beidenendasBauwerk(z.B.durcheinenverwogenenundvermessenenLkw)defi-niertbelastetwird.ÜberVergleichsrechnungenkanndamitdieLeistungsfähigkeitdesTragwerksmo-dellsnachgewiesenwerden.2.2 VorgehensweiseDieauftretendenBeanspruchungenunterVerkehrwerdenimRahmeneinerLangzeitmessung(inderRegel ca. ein Jahr) erfasst.Hierzuwerden die aufgezeichneten Spannungs-Zeit-Verläufe zum einenmessparallel auf einenMin- /Max-Verlauf reduziert. Als Grundlage für die Bewertung der Ermü-dungssicherheitwirddarausmittelsRainflow-Analyse eineHäufigkeitsverteilung erstellt. LetztereerlaubtwiederumnachderHypotheseder linearenSchadensakkumulationnachPalmgren-MinerdieErmittlung einer Schädigung des untersuchten Kerbdetails bzw. die Bestimmung der zugehörigenrechnerischenLebensdauer.Umeinekorrekte InterpretationderMessdaten imHinblickaufdieBewertungderTragsicherheitsicherzustellen, ist bei der Datenauswertung und -reduzierung eine ergänzende Bereinigung vonTemperatureinflüssenundeineErkennungvonStausituationenvorzunehmen.DieprinzipielleVorge-hensweisebeiderMessdatenaufbereitungistamBeispieleinerMessstelleamHaupttragwerkderAm-perbrücke(zweitägigerAusschnitt)dargestellt.DernennenswerteEinflussvontemperaturbedingtenSchwankungen istdeutlicherkennbar.AbschließendwerdendieDaten fürdieweitereAufbereitungaufdie10-minütigenMaximal-bzw.Minimalwertereduziert.

Bild1: AblaufderMessdatenaufbereitungzurTragsicherheitsbewertungDieBeanspruchungenwerdenanschließendentsprechend ihrerHäufigkeitaufgetragenund– insbe-sondereimBereichdertragsicherheitsrelevantenExtremereignisse–mittelsNormalverteilungange-nähert.ZurErmittlungvoncharakteristischenWertenderVerkehrsbeanspruchungerfolgteinestatis-tischeAuswertunggemäßdenVorgabeninDINEN1991-2(ErmittlungderBeanspruchungenmitei-nermittlerenWiederkehrperiodevoneinMalin1.000JahrenüberdieBestimmungdes99,9%-Frak-tilwertes).DasweitereVorgehenbeiderAufbereitungundAuswertungderDatenzeigtdienachfol-gendenAbbildung.LinksistdieVerteilungderExtremwertenacheinjährigerMessungdargestellt.AmhäufigstenwurdedasBauwerkdemnachdurcheinzelne,jeweilsrund43toschwereLkw’süberfahren.Im rechtenTeilbild istdieandieserMessstellevorgenommenestatistischeAuswertung imExtrem-


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wertbereichdargestellt.ImgewähltenBeispiel liegtderdabeiermittelteFraktilwertrund20%überdemhöchstenMesswertausdereinjährigenMessung.

Bild2: MessdatenaufbereitungundstatistischeAuswertungimExtremwertbereichUmzukünftigeVerkehrsentwicklungenzuerfassen,wird(analogzudenSimulationsrechnungen)dieErmittlungundBerücksichtigungeinerVerkehrsprognoseerforderlich.DiehierzuausFachveröffentli-chungenabgeleitetenZuwachsfaktoren lagen fürdieuntersuchtenBauwerke ineinemBereichzwi-schen10und20%.MitentscheidendbeiderFestlegungdieserWertewarunteranderemdermess-technischerbrachteNachweis,dassderaktuelleVerkehrbereitsÜberfahrtensehrschwererEinzel-fahrzeugeundSondertransportebeinhaltete.Diesoermitteltencharakteristischen,d.h.statistischausgewertetenundzukunftssicherenBeanspru-chungswerteausderMessungkönnennundirektinBezugzumBeanspruchungswertausdemAnsatznormativerLastmodelle(z.B.LM1nachDINEN1991-2)gesetztwerden.3. AnwendungdesVerfahrens3.1 AngabenzudenuntersuchtenBauwerkenZwischenzeitlichkamdasVerfahrenanfolgendenvierBrückenzurAnwendung:

· BurgweintingerBrücke(BABA3,3-Feld-DLTinStahlverbundbauweise,DTV-SVca.18.000)· Amperbrücke(BABA96,StabbogenbrückeinStahlverbundbauweise,DTV-SVca.4.500)· Drucksbrücke (L 609, stählerne Stabbogenbrückemit „schwimmend“ gelagerter Spannbeton-

Fahrbahnplatte,DTV-SVca.1.500)· RiedenburgerStadtbrücke(stählerneBogenbrückemiteinemindieVorlandbereichedurchlau-

fendenÜberbau,Orts-bzw.lokalerZuliefererverkehr)Inder SummebildendieuntersuchtenBauwerke einbreites Spektrum inBezug aufdasVerkehrs-geschehen ab.Die angegebenenWerte des durchschnittlichen täglichen Schwerlastverkehrs („DTV-SV“,Prognosejahr2025)beziehensichzunächstjeweilsaufdieGesamtstrecke.


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3.2 AuswertungenzurErmüdungssicherheitAusdenMessungenkonntefüralleuntersuchtenBauwerkeneineausreichendeErmüdungssicherheitabgeleitetwerden.ÜberdasHerstellenderSchadensäquivalenzwurdenausdenMessdatendarüberhinausbauwerksbezogeneAusnutzungsfaktorenabgeleitet.DiesebeschreibendasVerhältnisderge-messenenBeanspruchungenimVerhältniszudenrechnerischanzusetzendenBeanspruchungen.Letz-tereergebensich fürdiehieruntersuchtenStahl-bzw.StahlverbundbrückenausderÜberfahrtdesErmüdungslastmodellsLM3nachDINEN1991-2unterBerücksichtigungder λ-WertenachDINEN1993-2.Tabelle1beinhalteteineZusammenfassungderUntersuchungsergebnisse.Genanntsindda-bei die jeweils für das gesamte TragwerkmaßgebendenWerte, die sowohl lokaleWirkungen, dasQuer-unddasHaupttragwerkumfassen.FürdiebeidenAutobahnbrückenergebensichinsgesamthoheAusnutzungen.InBezugaufdiebeidenBauwerkeimuntergeordnetenStraßennetzwirdhingegenerkennbar,dassdienormativeBewertungderErmüdungssicherheitmittelsLM3dietatsächlichenVerhältnisseerheblichüberschätzt.3.3 AuswertungenzurTragsicherheitInumfangreichenBerechnungenwurdedieZusammensetzungdernormativenBelastung(Spurbelas-tung,RestflächenbelastungundQuerverschiebenderBelastungaufdemÜberbau)untersuchtundmitergänzendenα-Beiwertengewichtet.Den zentralen Bestandteil bei der Lastmodellentwicklung für bestehende Bauwerke stellt die Ver-kehrsbelastungimBereichdertatsächlichenFahrspurendar.DasVerhältnisderWirkungdestatsäch-lichenVerkehrszurWirkungdesnormativenVerkehrs(bestehendausFlächenlastenUDLundRadlas-tenTSimFahrspurbereich)beschreibtderersteAnpassungsfaktorαSpur.DieBelastungderRestflächenstellteinzusätzlichesSicherheitselement imTragsicherheitsnachweisdar.DessenAnsatzwurdeauchbeidenvorliegendenBetrachtungenzurBestandsbewertungprinzipi-ell beibehalten. Allerdings wurde die Belastungshöhe über einen Anpassungsfaktor αRF ingenieur-mäßigaufeine realitätsnähereGröße,nämlichauf40%desnormativenWertes, reduziert(d.h.auf1,2kN/m²=0,4x3,0kN/m²).Gesonderte Überlegungen galten dem Ansatz des Lastmodells in querverschobener Fahrspurlage.HierzuerfolgtenergänzendestatistischeAuswertungen,diediezeitlichbegrenzteDauereinersolchentemporärenVerkehrsführungberücksichtigen(z.B.nurwährendInstandsetzungsarbeiten).Alsrealis-tischerZeitraumwurdendazujenachBauwerkzwischenzweiundfünfJahre(überdiegesamteNut-zungsdauer)angesehen.DierechnerischeBerücksichtigungerfolgtübereinenweiterenAnpassungs-faktor αtemp, der zusätzlich zu den vorigen Faktoren in querverschobenen Laststellungen angesetztwerdendarf.


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ImRahmenergänzenderBerechnungenkonntezudembelegtwerden,dassdiemitdemmodifiziertenLastmodellberechnetenBeanspruchungenimTragwerkauchaußergewöhnlicheBemessungssituatio-nenabdecken(z.B.UnfallszenarienmitsehrungünstiggewähltenAuffahr-undBelastungskonstellati-onenaufdemÜberbau).DieermitteltenmaßgebendenAnpassungsfaktorenfürdieErmüdungs-undTragsicherheitsnachweiseandenuntersuchtenBauwerkensindabschließendinTabelle1zusammengestellt.

MessbasierteAnpassungsbeiwertebeiNachrechnungenimBestand

Ermüdungsnach-

weisTragsicherheitsnachweis

Fahrspuren

αSpurRestflächen

αRFVerkehrsführung

αtemp

BrückeBurgweinting 0,91 0,85 0,400,95

(5Jahre)

Amperbrücke 0,87 0,75 0,400,85

(2Jahre)

Drucksbrücke 0,50 0,65 0,400,85

(2Jahre)

RiedenburgerStadt-brücke

0,24 0,50 0,40(keinQuerver-schiebenmög-

lich)Tabelle1: AusdenMessungenanvierBauwerkenabgeleiteteAnpassungsfaktorenDerAnsatzdesLastmodellsimTragsicherheitsnachweisbestehenderBrückenistnachfolgendexemp-larischamBeispielderAmperbrückedargestellt.UmdieAnwendung inderPraxiszuvereinfachen,orientiertsichdieLastanordnungbewusstengandennormativenVorgaben.Dargestellt istdieLast-positionierung inderRegelspurlage.Entsprechendder tatsächlichenVerkehrsführungwerden zweiFahrstreifen belastet.Die Fahrspur 1wird dabeimittig inder tatsächlichen Lage der rechten Spur(„Lkw-Spur“)angesetzt.DieFahrspur2wirdvereinfachendunmittelbarangrenzendangeordnetundeineeinheitliche rechnerischeBreitebeiderFahrspurenvon3,0mgewählt.FürUntersuchungen inquerverschobenerLagesinddieLastwertenochmitdemAnpassungsbeiwertαtempzumultiplizieren.Die jeweils abgeleiteten Lastmodelle dienten abschließend alsGrundlage für den Standsicherheits-nachweisderuntersuchtenBestandsbauwerke.


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Bild3: AnsatzdesmodifiziertenLastmodellsinRegelspurlage(Amperbrücke)4. IntegrationderErkenntnisseindieNachrechnungsrichtlinie4.1 VorbemerkungenWiebereitserläutert,korrespondierenrechnerischeNachweisüberschreitungeninsbesonderebeiderUntersuchungbestehenderBauwerkeimuntergeordnetenStraßennetzoftmalsnichtmittatsächlichenTragsicherheitsdefiziten.Um insolchenFälleneineZuschärfungderrechnerischenBewertungzuer-möglichen,wurdendiezuvorbeschriebenenErkenntnisse imHinblickaufeinebreitereAnwendungbzw.alsVorschlagfüreineAufnahmeindieNachrechnungsrichtlinieaufbereitet.DieAngabenbeziehensichaufdieBewertungvonbestehendenÜberbautenmitjeweilszweiFahrspu-ren imBegegnungs-bzw.Richtungsverkehr.ZentraleGrundlagehierzu isteinaktuellerWertfürdenDTV-SVundeinPrognosewert fürdieEntwicklungdesSchwerverkehrs.EineErmittlungdeserstge-nanntenWertesistjederzeitdurcheineVerkehrszählungbzw.MessungamBauwerkmöglich.BeiVer-änderungen inderVerkehrsentwicklung istaucheineNeubestimmungundeineentsprechendange-passteBewertungmitdemvorgeschlagenenVerfahrendenkbar.Zubeachtenist,dasssichdiefolgendenAngabenjeweilsaufdenuntersuchtenÜberbau(unddamitge-gebenenfalls nur auf eine Richtung des Gesamtstreckenverkehrs) beziehen. Zur Präzisierung wirddeshalbdieBezeichnungDTV-SVÜberbaueingeführt.BeiBegegnungsverkehr(Drucksbrücke,Riedenbur-ger Stadtbrücke) sind die beiden Kennwerte somit identisch, für die beiden Autobahnbrücken be-schreibtderneueKennwertlediglichdenRichtungsverkehr.4.2 VorschlagzurErgänzungderStufe3FürdieBewertungderErmüdungssicherheitwerdendieAnpassungsfaktorennachTabelle 2vorge-schlagen, mit denen normativ ermittelte Beanspruchungen aus der Überfahrt des Ermüdungs-


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lastmodellsLM3(λ-fach)globalabgemindertwerdendürfen.ImZwischenbereichsinddieWerteline-arzuinterpolieren.

Verkehrsart

GroßeEntfernung MittlereEntfernung Ortsverkehr

DTV-SVÜberbau<2.000 0,90 0,50 0,30DTV-SVÜberbau>10.000 1,00 0,90 0,90

Tabelle2:VorschlagfürAnpassungsfaktorenimErmüdungsnachweisInBezugaufdieUntersuchungenzurTragsicherheitwirdderAnsatzeinesmodifiziertenbzw.faktori-siertenLastmodellsLM 1nachDINEN 1991-2 inderRegel-Fahrspurlage empfohlen (sieheobigenAbschnitt3.3).Diehierzu abgeleitetenWertedesAnpassungsfaktors αSpur sind inTabelle 3 zusam-mengefasst.

Verkehrsart

GroßeEntfernung MittlereEntfernung Ortsverkehr

DTV-SVÜberbau<2.000 0,75 0,65 0,55DTV-SVÜberbau>10.000 0,85 0,85 0,85

Tabelle3:VorschlagfürdenAnpassungsfaktorαSpurimTragsicherheitsnachweisDieGrundlagederermitteltenMaximalwertevonαSpur=0,85(fürLM1nachDINEN1991-2)bildenVergleichsbetrachtungenzudembislang inderNachrechnungsrichtliniealsRegel-Ziellastniveauver-wendetenLastmodellLM1nachDIN-Fachbericht101(sieheu.a.Tabellen10.1und10.2 inderNach-rechnungsrichtlinie).DieweiterenBeiwertekönnen,wiezuvorbeschrieben,zurAnpassungderRestflächenlastenmitαRF=0,40sowiezurUntersuchungvonaufdemÜberbauquerverschobenenLaststellungenwährend In-standsetzungsarbeitenmitαtemp=0,95(beiinsgesamtfünfJahrenDauer)bzw.αtemp=0,85(beiinsge-samtzweiJahrenDauer)angesetztwerden.

4.3 VorschlagzurErgänzungderStufe4Derbisherige SchwerpunktbeiderAnwendungder Stufe 4derNachrechnungsrichtlinie liegtnachEinschätzungderAutoreninderBewertungundvertieftenUntersuchungderWiderstandsseite.Es wird vorgeschlagen, die Anwendung der Stufe 4 der Nachrechnungsrichtlinie explizit auch fürmessbasierteVerfahrenzurUntersuchungundZuschärfungderEinwirkungsseitezuöffnen.InBezugaufdiehiervorgestellteVorgehensweisewirdeineStärke insbesonderedaringesehen,aktuelleFra-genzurtechnischenNotwendigkeitsowiezurDringlichkeitbzw.zeitlichenReihenfolgeeinesgrößerenInstandsetzungsbedarfsqualifiziertundquantifiziertbeantwortenzukönnen.


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Literaturverweise[1] Schmidmeier,Schütz,Ehmann,Willberg:NachrechnungbestehenderStraßenbrückenaufGrund-

lagemessbasierterLastmodelle,Bauingenieur,HeftApril2017QuellenverzeichnisderBilderBilder1bis3:DR.SCHÜTZINGENIEURE,AuszügeausverschiedenenMessgutachtenbzw.[1]Tabellen1bis3:DR.SCHÜTZINGENIEURE,erstelltfür[1]


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MindestbewehrungfürfugenloseWasserbauwerkeunterfrühemundspätemZwangDr.techn.KatrinTurner(TUGraz)Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.NguyenVietTue(TUGraz)ZudenStärken fugenloserBetonbauwerkezählengeringereHerstellungs-undErhaltungskostenso-wie eine verbesserte Robustheit der Konstruktion im Vergleich zu konventionell fugenbehaftetenBauwerken.DieBeanspruchungen infolgevonVerformungseinwirkungensteigen jedochdeutlichanundwerden besonders imNutzungszeitraum – hervorgerufen durch klimatisch bedingteTempera-turänderungen,Bauwerkssetzungen,usw.–wesentlichfürdieBemessung.Während inderaktuellenBemessungsnormdieMindestbewehrungzwangbeanspruchterBetonbau-teileaufGrundlageeines risskraftbasiertenAnsatzesermitteltwird,bietetdieBetrachtungderVer-formungskompatibilitäteineverlässlichsichereundgleichzeitigwirtschaftlicheAlternative.WährendbishernurdieerhärtungsbedingtenZwangbeanspruchungenbetrachtetwurden,zeigtdervorliegendeBeitragwiedieÜberlagerungvonfrühemundspätemZwangaufeinergemeinsamen,mechanischenGrundlagebeantwortetwird.1. Verformungskompatibilitätvs.GleichgewichtderKräfteDiederzeitigeBemessungsregelinEurocode2[1]zurFestlegungderMindestbewehrungzurBegren-zung derRissbreite basiert auf demKräftegleichgewichtmit der Spannungsresultierenden vor derRissbildung.DabeisinddieZugfestigkeitdesBetons(fct,eff)unddieQuerschnittsfläche(Act)bzw.nach[2]dieEffektivzonebeimassigenBauteilen(Ac,eff)wichtigeParameter,sieheGl.(1).

, = , ⋅ , ≥⋅ , ⋅

(1)

DiestrikteAnwendungvonGl.(1)beimassigenBauteilenführtaberzusehrhohenBewehrungsgehal-ten,derenNotwendigkeitinderPraxisnichtbestätigtwerdenkann.Diesgiltinsbesonderebeifugen-losenBauwerken,beideneneinespäteRissbildungmithoherBetonzugfestigkeitnichtausgeschlossenwerdenkann.DieBetrachtungderVerformungskompatibilitätistindiesenFällensinnvoller.Bereitsin[3]wurdehervorgehoben,dassZwangbeanspruchungenalsVerformungsproblembetrach-tetwerdensollen.DasVerformungsbestrebendesBauteilswirddurchTemperaturdehnungen(αT×ΔT),Schwinddehnungen (εcas+εcds)undKriechen (εcc)hervorgerufenundbei teilweiserodervollerVer-formungsbehinderungenentstehenSpannungenentsprechendGl.(2).DerBehinderungsgradadrücktdabeidasVerhältnisvonspannungswirksamerDehnungundGesamtdehnungaus.

= − ⋅ ( ⋅ Δ + + + ) ⋅ (2)


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FüreinewirtschaftlicheBemessungmachtmansichdabeidiegeometrischvorgegebeneBildungvonPrimärrissen zuNutzeund - imGegensatz zur gesamtenBauteillänge inBeanspruchungsrichtung -wirdnurdierelevanteBauteillängelcrbetrachtet,sieheBild1.Dabeiistanzumerken,dassdierelevan-teBauteillängeumeinvielfachesgrößeristalsdieEinleitungslängeimStahlbetonbau.DiebehinderteVerformungkanndannmitGl.(3)ausgedrücktwerden.

= ⋅ (3)

Bild1:GrundideederVerformungskompatibilitätbetreffenddasgeometrischvorgegebeneRissbildund

denEinflussderBewehrungbeidickenBauteilenDieVerformungskompatibilitätstelltdasGleichgewichtdesbehindertenAnteilsderVerformungsein-wirkung mit der Verformungsantwort des Systems dar. Im gerissenen Bauteil besteht die Verfor-mungsantwortausRissbreitenundeinerelastischenDehnungdesBetonszwischendenRissen.UmdieRissbreite imPrimärrisszubegrenzen (wP£wzul), istesdieAufgabederBewehrungneueRisseentstehenzu lassen.DiesogenanntenSekundärrisse tretenpaarweise inderRandzonedesBauteilsauf,wenndieSpannunginderEffektivzonedieZugfestigkeitdesBetonsüberschreitet.DieerforderlicheAnzahlderSekundärrisspaarenkanninAbhängigkeitvomRissbreitenkriteriumwzul,derVerformungseinwirkungundderBauteilgeometriebestimmtwerden.DaessichdabeiumkeineeinfacheAufgabehandelt,wurdenVereinfachungen–aufdiespäternocheingegangenwird–einge-führt.Die erforderlicheMindestbewehrungkanndannmitGl.(4)bestimmtwerden,welche auf [4]basiertundin[5]modifiziertwurde.


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, =⋅ ⋅ ⋅ ,

⋅⋅ 0,5 + 0,34 ⋅ (4)

ZuVergleichszweckenwirdderersteTermausGl.(1)umgeformtunddurchEinsetzenderEffektivzo-nekannGl.(6)angeschriebenwerden.

, = ⋅ ⋅ mit2,5 ≤ ≤ 5,0 (5)

, =⋅ ⋅ ⋅ ,

⋅⋅ 0,41 ⋅ (6)

FürdieDarstellung inBild2wurdendieGl.(4)und(6) fürrealistischeWertebereichevonmundnausgewertet.DerVergleichzeigteindrucksvoll,dassderrisskraftbasierteAnsatzbeimassigenBautei-len(h>0,8m)zudeutlichhöherenBewehrungsmengenführt.UnddiesobwohlderzweiteTermvonGl.(1)vernachlässigtwurde,fürbesondersmassigeBauteileabermaßgebendist.

Bild2:VergleichdererforderlichenMindestbewehrunggemäß risskraftbasiertemundverformungsba-

siertemAnsatzanhandderMultiplikationstermeinGl.(4)und(6)2 ZwangbeanspruchungundRissbreitenentwicklung imNutzungszeitraumunterBerück-

sichtigungdererhärtungsbedingtenSpannungenBetonbauwerkeimWasserbauerfahrenaufgrundderhohenBauteilmassigkeitimErhärtungszeitraumhoheZwangbeanspruchungenundbisherwurden inderBemessungmeistnurdiesebetrachtet.BeifugenlosenBauwerkenmitgroßerAbmessunginLängsrichtungentstehenaberauchimNutzungszeit-raum signifikante Verformungseinwirkungen. Daher muss die Überlagerung der Zwangbeanspru-chungenuntersuchtwerden.


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2.1 Versuchsaufbauund–durchführungFürdieexperimentelleUntersuchungderSpannungsgeschichtevongezwängtenBetonbauteilenwur-denanderTechnischenUniversitätGrazmitUnterstützungderBAWZwangrahmenentwickelt,sieheBild3.EinedetaillierteBeschreibungkann[6]entnommenwerden.DiekontinuierlicheUntersuchungbeginntmitdererhärtungsbedingtenTemperatur-undSpannungs-geschichte.DerTemperaturanstiegdurchdieFreisetzungvonHydratationswärme istdurchVerwen-dungeinesvariablenDämmsystemstrotzdergeringenQuerschnittsabmessungdesVersuchskörpersrepräsentativ für einmassigesBauteil.Die passiveBehinderung desVerformungsbestrebens hängtvonderSteifigkeitdesZwangrahmensunddesVersuchskörpersabundbildethinsichtlichGrößeundzeitlicherÄnderungdieBehinderungssituationz.B.vonWändenaufFundamentenab.DasSpannungs-niveaunachAbfließenderHydratationswärme(=Ausgleichstemperatur)dientalsAusgangspunktfürdieÜberlagerungmitEinwirkungenrepräsentativfürdenNutzungszeitraum.ZudiesemZweckkanndiePassivitätdesRahmenstemporäraufgehobenwerdenohnedabeidiezuvoreingetragenenSpannungenzubeeinflussen.DannkanndasbeweglicheQuerhauptdesZwangrahmensentkoppeltwerden undmitHilfe vonHydraulikzylindernwird eineRelativverschiebung derQuer-häuptererzeugt,sieheBild3(rechts,unten).DieVerformungseinwirkungkanngesteigertwerden,biseszuersterodererneuterRissbildung imVersuchskörperkommt.Außerdem trägtdasTrocknungs-schwindenzuderVerformungseinwirkungbeisobalddieSchalungentferntwurde.UmdiegeringereAustrocknungvonmassigenBauteilenabzubilden,wurdedaherbeimanchenVersuchskörperneinedampfundurchlässigeFolieaufgebracht.

Bild3:Zwangrahmen(links,Quelle:BAW),schematischeDarstellungderFunktionsweisefürdiepassive

(rechts,oben)undaktivePhase(rechts,unten)SeitOktober2012wurdenimLaborfürkonstruktivenIngenieurbauderTechnischenUniversitätGrazfünfbiszu12MonatedauerndeVersuchsserienmit jeweilszweiVersuchskörperndurchgeführt.DerdabeieingesetzteBetonweisteinefürSchleusenkammernrepräsentativeBetonrezepturauf(C35/45,300kgCEMIII/A32,5N).


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2.2 VersuchsergebnisseDieerstePhasederVersucherepräsentiertdieHerstellungsphasedesrealenBauteilsundendetbeiErreichenderAusgleichstemperatur.TheoretischeÜberlegungenzumausgeprägtenviskoelastischenMaterialverhaltenimjungenBetonlegeneinefortschreitendeSpannungsrelaxationimVerlaufderZeitnahe. IndenVersuchenkonntedieserEffektunabhängigvomRisszustandnichtbeobachtetwerdenund die im Erhärtungszeitraum aufgebauten Zugspannungen blieben beinahe vollständig erhalten.Durch Vergleichsberechnungen konnte das Trocknungsschwinden als Grund dafür ausgeschlossenwerden,siehe[5].Bild4zeigtdieLangzeitresultatefürdieSpannungsgeschichtenunddiedazugehörigeRissbreitenent-wicklunggetrennt fürdieVersuchskörpermitEinzelrissbildung(links)undabgeschlossenerRissbil-dung(rechts).DerEinsatzderHydraulikzylinderspiegeltsichdurchdieplötzlicheZunahmederBe-tonspannungwider,währendeinAbfallderSpannungaufdieRissbildungzurückzuführenist.Trock-nungsschwindenundVerbundkriechenhabenebenfalls–jedochentgegengesetzten–EinflussaufdieSpannungsgeschichte.BeideEffekteführenzueinerZunahmederRissbreite imVerlaufderZeit.De-taillierteInformationenzudenindividuellenErgebnissenkönnen[5]entnommenwerden.

Bild4:SpannungsgeschichteundEntwicklungderRissbreite inVersuchskörpernmitEinzelrissbildung

(links)undabgeschlossenemRissbild(rechts)In den Versuchskörpern mit Einzelrissbildung ist das Verkürzungsbestreben zufolge Trocknungs-schwindensdominantundführtzueinemkontinuierlichenAnstiegderZugspannungenundRissbrei-ten.Beim abgeschlossenenRissbild istder lokaleEffekt inderEinleitungslänge (Verbundkriechen)einflussreicherunddieaxialeSteifigkeitderVersuchskörper,unddamiteinhergehenddieBetonspan-nung,nehmen imZeitverlaufab.TrotzdersinkendenStahlspannungnehmendieRissbreiten jedochzu.


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In die Versuchskörper der Serie 5wurde zu verschiedenen Zeitpunkten ein Spannungsniveau von3,2N/mm2eingetragen.Eshatsichgezeigt,dasssichdieVerschlechterungderVerbundeigenschaftenmitderZeitverlangsamtunddieVerbundspannungimmergrößerals70%desWertsbeiKurzzeitbe-lastungbleibt.DiediesbezüglicheBemessungsannahmeinEC2[1]kanndamitbestätigtwerden.2.3 WichtigeErkenntnissefürdieBemessungvonfugenlosenBauwerkenEinehäufigeVereinfachunginderBemessungspraxisbasiertaufderAnnahme,dassdieÜberlagerungvon frühemund spätemZwangnichtmaßgebend fürdieBemessungwird.Eindafür erforderlichersignifikanterAbbaudererhärtungsbedingtenSpannungennachErreichenderAusgleichstemperaturkonnteindenVersuchenjedochnichtbestätigtwerden,sieheBild5.AusdiesemGrundisteserforder-lich, bei der Bemessung von fugenlosen Bauwerken die Verformungseinwirkungen entsprechendGl.(7) gemeinsam zubetrachten.Dabei sindwbeh,0undwbeh,1diebehindertenVerformungen inderErhärtungs-(Index0)undNutzungsphase(Index1).

, = , ⊕ , (7)

Bild5:SchematischeÜberlagerungvonZwangbeanspruchungenimErhärtungs-undNutzungszeitraum;

bisherigeAnnahmevs.experimentelleErkenntnis3 ErmittlungdererforderlichenAnzahlderSekundärrisspaareunterBerücksichtigungder

BetondehnungzwischendenRissenVereinfachendwurde in [4] davon ausgegangen, dass die behinderteVerformung im ungerissenenBauteilausschließlichmitdenentstehendenRissbreitenkompensiertwird,sieheGl.7.FürpraktischeFälleliegtdieseAnnahmeaufdersicherenSeiteundführtzueinerdirektenBerechnungdererforder-lichen Anzahl der Sekundärrisspaare n.DurchUmformung von Gl.(8) und Einsetzen von wP=wzulkanndiesemitGl.(9)bestimmtwerden.

= ∑ mit = ⋅ und∑ = +∑ = ⋅ (1 + 0,9 ⋅ ) (8)

= 1,1 ⋅ − 1 (9)


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JedochwerdendamitzweientgegengesetzteEffektevernachlässigt.EinerseitswerdendabeidieAb-nahme der Bauteilsteifigkeit (EAII<EAI), deren mögliche Auswirkung auf den Behinderungsgrad(aII³aI)unddendamiteinhergehendenAnstiegderbehindertenVerformungnichtverfolgt.Anderer-seitsbleibtderBeitragderBetondehnungzwischendenRissenzurVerformungskompatibilität,derbesondersbeiBauteilenmit großemPrimärrissabstandsignifikant seinkann,unberücksichtigt.Ge-nauerkanndaherGl.(10)angeschriebenwerden.

⋅ = + ⋅ (10)

Damit kann dieAnzahl der erforderlichen Sekundärrisspaare reduziertwerden und schlussendlichwirdwenigerMindestbewehrungbenötigt.Um auchbeiderBemessung fugenloserBauwerkewirt-schaftlichseinzukönnen,wurdedie InteraktionvonRissbildungundZwangkraftabbau inmassigenBauteilen experimentell im aktiven Zwangrahmen und computergestützt untersucht, siehe [5]. AlsErgebniskanndieZwangspannungnachderRissbildung inAbhängigkeitvonBewehrungsgradundAnzahlderRissebestimmtwerden.DieseEingangsgrößen sindbeiderBemessungsaufgabe jedochnichtbekanntundeineiterativeVorgehensweiseunpraktisch.AusdiesemGrundwurdeeineKorrela-tionsanalysedurchgeführtund letztendlich ist eineweiterhindirekteErmittlungvon nmitGl.(11)möglich.

= 1,1 ⋅ , ⋅ , − 1

mit = 0,750,85für < 2 ⋅

≥ 2 ⋅ (11)

DasErgebnisvonGl.(11)mussaufdienächstenatürlicheZahlaufgerundetwerden.NachfolgendkanndieMindestbewehrungzurBegrenzungderRissbreitewiegehabtmitGl.(4)bestimmtwerden.4 ZusammenfassungImvorliegendenBeitragwurdendieErgebnissedesBAWFuE-Projekts „Zwangsbeanspruchungbeidicken,gerissenenStahlbetonquerschnitten“inKooperationmitderTUGrazvorgestellt.DergezeigteVersuchsaufbaumitzweiZwangrahmenerlaubtdierealistischeSimulationdergesamtenSpannungsgeschichte von gezwängtenBetonbauteilen.Die üblicheBemessungspraxismitAnnahmeeinesstarkenAbbausdererhärtungsbedingtenSpannungenkonntenichtbestätigtwerden.Daher istfürdiedauerhafteGebrauchstauglichkeitvonfugenlosenBetonbauwerkeneinegemeinsameBetrach-tungvonfrühemundspätemZwangerforderlich.DerBemessungsansatzaufBasisderVerformungskompatibilität–zuerstentwickelt fürdieBetrach-tungdesfrühenZwangsallein–wurdeaufgegriffenundadaptiert.NunistauchdieBerücksichtigungderEinwirkungenimNutzungszeitraumdurchÜberlagerungallerVerformungseinwirkungenmöglich.AußerdemwurdederBeitragderBetondehnungzwischendenRissenzurVerformungskompatibilitätfüreineweitereOptimierunggenutzt.


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Literatur[1] Eurocode2:Designofconcretestructures -Part1-1:Generalrulesandrulesforbuildings;Ger-

manversionEN1992-1-1:2004+AC:2010[2] DINEN1992-1-1/NA:NationalerAnhang -NationalfestgelegteParameter -Eurocode2:Bemes-

sungundKonstruktionvonStahlbeton-undSpannbetontragwerken-Teil1-1:AllgemeineBemes-sungsregelnundRegelnfürdenHochbau.DeutschesInstitutfürNormung,Berlin,Ausgabe:2013-04

[3] Menn,C.(1986):ZwangundMindestbewehrung. In:Beton-undStahlbetonbau,Vol.81-4,S.94–99,Ernst&Sohn,Berlin.doi:10.1002/best.198600140.

[4] Bödefeld, J. (2010):Rissmechanik indickenStahlbetonbauteilenbeiabfließenderHydratations-wärme.Dissertation,UniversitätLeipzig.

[5] Turner,K.(2017):GanzheitlicheBetrachtungzurErmittlungderMindestbewehrungfürfugenloseWasserbauwerke.Dissertation,TechnischeUniversitätGraz.

[6] Turner,K.;Schlicke,D.andTue,N.V.(2017):Systematicinvestigationswithrestrainingframesforreinforcedconcrete. In:Proceedingsof the2nd InternationalRILEM/COSTConferenceonEarlyAge Cracking and Serviceability in Cement-basedMaterials and Structures, Vol.2, S.579–584,RILEMPublicationsS.A.R.L.,ISBN:978-2-35158-200-8.


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NeuesBAWMerkblattZwangDr.-Ing.ChristophStephan(BAW)Dipl.-Ing.FerdinandBorschnek(BAW)KurzfassungNeueErkenntnissezur„MindestbewehrungfürfugenloseWasserbauwerkeunterfrühemundspätemZwang“ (s. vorhergehenden Beitrag) machten eine vollständige Überarbeitung des bisherigenBAWMerkblatts früher Zwang (MfZ) (Bödefeld, 2011) notwendig.Das neue BAWMerkblatt Zwang(Turner&Stephan,2018) liegtnun imEntwurfvor. IndiesemBeitragwerdenseinAufbauundEr-kenntnisse aus Vergleichsrechnungen mit dem bisherigen Merkblatt präsentiert. Durch ein neues,physikalisch konsistentesModell, das frühen und späten Zwang berücksichtigt, ist bei zukünftigenBauvorhabeneineerheblicheEinsparunganBewehrungmöglich.1. EinleitungNotwendigkeiteinesneuenBAWMerkblattsBishergaltdieAnnahme,dasssichZwangsspannungen,diesich im jungenBetonalter,alsowährendder Erhärtungsphase, aufbauen, durch Relaxation weitestgehend wieder abbauen. Aktuelle For-schungsergebnisse (Turner, FuE-Abschlussbericht, Zwangsbeanspruchung bei dicken, gerissenenStahlbetonquerschnitten, 2017) zeigen, dassdies für Zugspannungen nicht gilt.Für dieBemessungmassiger Stahlbetonbauwerke bedeutet das, dass Zwangsbeanspruchungen die während des Nut-zungszeitraums(NZ)auftretenmitdenenausdemErhärtungszeitraum(EZ)überlagertwerdenmüs-sen.DiesenSachverhaltverdeutlichtBild1,indemdieSpannungsgeschichtefüreineBodenplattevonderHerstellungbiszurNutzungexemplarischdargestelltist.

Bild1: SpannungsgeschichteeinerBodenplattefürdiePlattenober-undPlattenunterseiteHierbeiisterkennbar,dassanderPlattenunterseiteZwangsspannungenamEndedesErhärtungszeit-raums bestehen bleiben und im Nutzungszeitraum zusätzliche Zwangsspannungen aufgrund vonTemperaturschwankungen der Jahreszeiten auftreten.Dies gilt für die Plattenoberseite in gleicher


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WeisemitdemUnterschied,dasshierdieZwangsspannungeninFormvonDruckspannungenamEndedesErhärtungszeitraumsimPlattenbauteilverbleiben.DieseneuenErkenntnisse,sowiederWunsch,nebendemErhärtungszeitraumauchdenNutzungszeit-raumberücksichtigenzukönnen,machteneinevollständigeÜberarbeitungdesbisherigenMerkblattsfrüherZwang(Bödefeld,2011)notwendig,welches imFolgendenalsBAWMerkblatt(alt)bezeichnetwird.DasneueBAWMerkblattZwang(Turner&Stephan,2018)wirdhierweiterhinalsBAWMerk-blatt(neu)bezeichnet.UnterschiedezumbisherigenBAWMerkblattfrüherZwangDerwesentlicheUnterschied zumbisher gültigenBAWMerkblattbestehtdarin,dassnundieBean-spruchungenaus frühemundspätemZwanggemeinsam ineinemphysikalischkonsistentenModellberücksichtigtwerdenkönnen.FürdenNutzungszeitraum (späterZwang)werdenhierzuzuerwar-tendeTemperaturverteilungenvorgegeben.Darüberhinauswurdenweit aufder sicheren Seite lie-gendeAnnahmendiedembisherigenMerkblattzugrundeliegennocheinmalgenauerbetrachtetundzugunsteneinerwirtschaftlicherenBemessungmodifiziert.HierbeisindfolgendemodifiziertenAnnahmenzunennen:

· BeiderBestimmungder äquivalentenTemperaturbeanspruchungenwerdenKriechbeiwerteberücksichtigt.

· DerBehinderungsgradbeiWändenwirdrealitätsnäherberechnetundnichtpauschalalsvoll-ständigangenommen.

· BeiderErmittlungderAnzahldernotwendigenSekundärrisspaarewirddasLangzeitverhaltenderVerbundfestigkeitberücksichtigt.

· BeiderBerechnungdernotwendigenBewehrungwirddieBetondehnungzwischendenRissenmitangesetzt,ebensowirdderAnstiegdesBehinderungsgradesdurchdieRissbildungmitbe-rücksichtigt.

2. AufbaudesBAWMerkblattsZwangDasMerkblatt sollTragwerksplanern ein guthandhabbaresWerkzeug sein,umdieMindestbeweh-rungmassiverWasserbauwerke infolgeZwangsbeanspruchungberechnen zukönnen.Es hatdaherkeinenLehrbuchcharakterundreduziertdietheoretischenGrundlagenaufdiewesentlichenAspekte.DieGliederungdesMerkblattsistwiefolgt:

1.Einführung HierwerdendasWesenderZwangsbeanspruchung,Besonderheitenbei Wasserbauwerken und bisherige Erfahrungen mit fugenlosenWasserbauwerkenkurzdargestellt.

2.TheoretischeGrundlagen

In diesemKapitelwerdendie aufzunehmendenVerformungseinwir-kungenbeschriebenundanschließenddieMechanismenderRissbil-dung während der Erhärtung und im Nutzungszeitraum erläutert.Ebensowirdhiererläutert,wiediezumZwangskraftabbaunotwendi-geBewehrungsmengebestimmtwerdenkann.


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3.Bemessung DiesesKapitelbildetdasHerzstückdesMerkblatts:daskonkreteBe-messungskonzept.BeiderBemessungwerdendiedreiStandardfälle„Bodenplatte“, „Wand“ und „Grundlaufdecke“ unterschieden. Für je-den Fall gibt es ein Ablaufschema, anhand dessen die Berechnungdurchgeführtwerdenkann.

4.KonstruktiveAusbildungundqualitativeMaß-nahmen

Durch betontechnologische bzw.Maßnahmen bei Planung undHer-stellungkanndieQualitätmaßgeblichbeeinflusstwerden. IndiesemKapitelwerdenHinweisedazugegeben

5.Beispiel UmdievorgestelltenBerechnungsabläufebesserverständlichzuma-chen,enthältdasMerkblatteinausführlichesBeispiel,mitdem jederBerechnungsschrittnachvollzogenwerdenkann.

6.Literatur DavieleHintergründe imMerkblattbewusstknappdargestellt sind,bietetdasletzteKapitelzusätzlicheHinweisezuweiterführenderLite-ratur.

AnhangA ZurBerechnungderZwangsspannung imWandquerschnittwährendderErhärtungliefertdieserAbschnitteineanalytischeLösung.

AnhangB BeibestimmtenWandgeometrienkannesvorkommen,dassimErhär-tungszeitraum keineDurchrisse entstehen. Ein Vorgehen für diesenFallisthierbeschrieben.

3. BerechnungsablaufDie Berechnung der erforderlichen Mindestbewehrung muss für jeden Bauabschnitt durchgeführtwerden.Da jenachBauteilbzw.BetonierabschnittunterschiedlicheZwangsbeanspruchungen imEr-härtungs-undNutzungszeitraumeinwirken, isteineUnterscheidung indreicharakteristischeFälle:„Bodenplatte“,„Wand“und„Grundlaufdecke“festgelegtworden.ZweidieserFällewerdennachfolgendkurzvorgestellt.BodenplatteImLaufederBetonerhärtung (Erhärtungszeitraum)stellensich inderBodenplatteunterschiedlicheSpannungsverteilungenüberdiePlattenhöheein.DiesesindexemplarischinBild1undBild2darge-stellt.

Bild2: BiegebeanspruchungeinerBodenplatteimErhärtungszeitraum(EZ)mitderzugehörigeSpan-

nungsverteilungüberdiePlattenhöhe


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Darausfolgt,dassfürdiePlattenober-undPlattenunterseiteunterschiedlicheTemperatureinwirkun-genzugrundegelegtwerdenmüssenundsichdiemaßgebendenZwangsbeanspruchungendurchun-terschiedlicheÜberlagerungsmethodenergeben.DiedabeidurchzuführendenBerechnungsschrittefürdieuntereBewehrungslageeinerBodenplattesindinBild3dargestellt.ZunächstwirdeineäquivalenteTemperatureinwirkung(ΔTMz,eq,0)berechnet,diedenEinwirkungenimErhärtungszeitraumentspricht.FürdieTemperatureinwirkungenimNutzungszeitraum(ΔTMz,1,ΔTNz,1)liefertdasMerkblattTemperaturgradienten,dieverwendetwerdenkönnen.AusderGeometrieundeinigenMaterialeigenschaftenkannderBehinderungsgradberechnetwerden.MitdiesenInformatio-nenistesschließlichmöglich,diemaßgebendeZwangsbeanspruchung(σZw)zubestimmen.EbenfallsausMaterialundGeometrieergibtsichderAbstandderzuerwartendenPrimärrisse,diesogenannteeffektiveLänge(lcr,Pl).UmdieRissbreitezubegrenzen,sindzusätzliche,paarweiseauftretende,Sekun-därrisse notwendig,die dann entstehen,wenn genügendBewehrung vorhanden ist. Im letztenBe-rechnungsschritt,wirddieseMengedirektberechnet.

Bild3: BerechnungsschemafürdieuntereBewehrungslageeinerBodenplatteEinähnlichesSchemaistbeideroberenBewehrungslagederBodenplattedurchzuführen,aufdieDar-stellungwirdhierverzichtet.WändeWiebeidenBodenplatten enthältdasMerkblatt ein sehr ähnlichesBerechnungsschema fürWand-querschnitte.DieBerechnungderZwangsspannungenwährenddesErhärtungszeitraumsstelltsichinderPraxisallerdingsaufwändigerdar.DiesverdeutlichtBild4.HierwirktdemVerformungsbestrebeneinesneubetoniertenWandabschnittsdiebereitserhärtetenAbschnitte (Bodenplatteund tieferlie-gendeWandabschnitte)entgegen.


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Bild4: GleichgewichtundZwangsschnittgrößeninWändenmitBehinderung;links:innereZwangs-

schnittgrößen;rechts:äußeresMomentinfolgeEigengewichtsaktivierungDadieSpannungsberechnungfürdiebetrachtetenQuerschnittederWandbauteilenichttrivialist,istimAnhangAdesMerkblatteseineanalytischeLösungalsHilfestellunggegeben.4. VergleichsberechnungAbschließendwirdeinSchleusenquerschnitt,derinseinenAbmessungenandieSchleuseWusterwitzangelehnt istuntersucht.DieBerechnung ist imKapitel 5desBAWMerkblatts (neu) enthalten.DieerzieltenErgebnissewerdendenendesaltenMerkblattsgegenübergestellt.DiebetrachteteSchleusebestehtauseiner12,50MeterbreitenSchleusenkammerundhateinenutz-bareLängevon190Meter.DiemaximaleFallhöhebeträgt4,75Meter.DieGesamthöhedesBauwerksbeträgt12,45m. InBild5 istderQuerschnittunterBerücksichtigungderSymmetriedargestellt.DasVorgehen zur Bestimmung der erforderlichen Bewehrung aus Zwangsbeanspruchung ist nachBAWMerkblatt (neu)wie folgt: ImerstenSchrittwerdendieBauabschnitte (BA) festgelegt.Danachwerdendiese entsprechendderBehinderungssituationundderArtderZwangseinwirkungdenBe-rechnungsfällen zugeordnet.Dies sinddieFälle:Bodenplatte,WandundGrundlaufdecke. IndiesemBeispielwerdendreiBauabschnittefestgelegt,wobeider1.BauabschnittalsBodenlatteunddieande-renbeidenalsWändebetrachtetwerden.FürdieBerechnungderWändesindSchwerpunktsabständesowieQuerschnittswertedereinzelnenBauabschnitteunterBerücksichtigungdervorherigenBauab-schnittenotwendig,welcheebenfallsinBild5angedeutetsind.AnhanddesobenbeschriebenenVorgehenskönnendieinTabelle3dargestelltenErgebnisseermitteltwerden.SiesinddortdenErgebnissendesbisherigenMerkblattsgegenübergestellt,beidemnurderfrüheZwangberücksichtigtwird.UmeineVergleichbarkeitzuermöglichen,sinddieermitteltenBe-wehrungsmengenfürdasBAWMerkblatt(neu)inErhärtungszeitraum(EZ)undimNutzungszeitraum(NZ)aufgeteilt.Weiterhin istanzumerken,dassnachBAWMerkblatt (alt)dieAnzahlderSekundär-risspaarenichtaufdienächstehöherenatürlicheZahlaufgerundetwird.Zusätzlich istamWandkopfdes Bauwerks ein Zugband in Längsrichtung auszubilden, um die Zwangsbeanspruchung im Nut-zungszeitraumaufzunehmen.DiesistinderTabelle3nichtdargestellt.


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Bild5: SchematischerQuerschnittSchleuseWusterwitz;links:Halb-QuerschnittmitBauabschnitten;

rechts:RandbedingungenfürdieBerechnung

Tabelle3: BerechnungsergebnissedererforderlichenBewehrungausZwangsbeanspruchungfürdie

SchleuseWusterwitz:Rechnungnachaltembzw.neuemMerkblattZwangDerVergleichbeiderMerkblätterzeigtfürdenErhärtungszeitraumbeiVerwendungdesneuenMerk-blattsReduzierungenvon11bis23%.SelbstunterBerücksichtigungdesspätenZwangsimNutzungs-zeitraum istnur inderunterenLagederBodenplatteeine leichteErhöhungenzuverzeichnen.Dieseistdaraufzurückzuführen,dasshierimBAWMerkblatt(alt)lediglicheinePauschaleinAbhängigkeitderBetonfestigkeitangesetztwurde.ZurBerücksichtigungdesspätenZwangswurdenbeiderSchleuseWusterwitzweitereBerechnungendurchgeführt,um thermischeEinflüsse abzudecken. Insbesonderewurde inderPlanie einZugbandangeordnet,das inderLage ist,denZugbereichdesRissmomentsdesGesamtquerschnittsaufzuneh-men. Einen Vergleich zwischen den tatsächlich verbauten Bewehrungsmengen und den nachBAWMerkblatt(neu)notwendigenenthältTabelle4.

BA BA-Bez. dStab h n as,erf n n as,erf as,erf n n as,erf as,neu/as,alt

[mm] [m] [-] [cm²/m] [-] [-] [cm²/m] [-] [-] [-][cm²/m] [-]unten 25 - 25 0,0 0 0 OF 1,3 2 28 116%oben 20 2,1 27 0,7 1 21 77% 0,7 1 21 77%Fuß 25 1,4 2 28 82% 1,7 2 28 82%Kopf 25 1,4 2 28 82% 1,6 2 28 82%Fuß 25 2,4 3 32 89% 2,6 3 32 89%Kopf 25 2,4 3 32 89% 3,2 4 36 99%

BA-Bauabschnitte EZ-ErhärtungszeitraumOF-Oberflächenbewehrung NZ-Nutzungszeitraum

Wand(oben)III

EZ EZ+NZ

1,80

BAWMerkblatt(neu)BAWMerkblatt(alt)EZ

354,50

6,15 3,6 36

Bodenplatte(längs)

Wand(unten)

Ia

II 3,1


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Tabelle4: VergleichderverbautenBewehrungsmengeimVergleichzurBerechnungnachBAWMerk-

blatt(neu)HieristnachdenneuenBerechnungeneinedeutlichgeringereBewehrungsmengezurRissbreitenbe-grenzunginfolgeZwangsbeanspruchungnotwendig.InsbesonderedasausgeprägteZugbandinderPlaniekannbeizukünftigenNeubautenerheblichreduziertwerden.LiteraturverzeichnisBödefeld, J. (2011). BAWMerkblatt Rissbreitenbegrenzung für frühen Zwang in massiven

Wasserbauwerken(MFZ).Karlsruhe:BundesanstaltfürWasserbau.Turner, K. (2017). FuE-Abschlussbericht, Zwangsbeanspruchung bei dicken, gerissenen

Stahlbetonquerschnitten.Karlsruhe:BundesanstaltfürWasserbau.Turner, K., & Stephan, C. (2018). Entwurf zu BAWMerkblatt Zwang, Stand 04.2018. Karlsruhe:

BundesanstaltfürWasserbau.

Bauwerk

BA as,vorh dStab h n n as,erf as,erf/as,vorh

[cm²/m] [mm] [m] [-] [-] [cm²/m] [-]unten 43 25 1,3 2 28 66%oben 66 20 0,7 1 21 32%Fuß 42 25 1,7 2 28 67%Kopf 42 25 1,6 2 28 67%Fuß 46 25 2,6 3 32 69%Kopf 46 25 3,2 4 36 77%

BA-Bauabschnitte as,vorh-vorhandeneBewehrungas,erf-erforderlicheBewehrung

BAWMerkblatt(neu)EZ+NZ

ZugbandWandkopf 25 -

III Wand(oben) 6,15

II Wand(unten) 4,50

Ia Bodenplatte(längs) 1,80

3,2 4 64164 39%

BA-Bez.


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Ein ganzheitlichesQuerkraftmodell für Stahlbetonbauteile ohneundmitQuerkraftbewehrung?Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.NguyenVietTue(TUGraz)Dr.-Ing.NguyenDucTung(TUGraz),Dipl.-Ing.ChristophBetschoga(TUGraz)Dipl.-Ing.RainerEhmann(BAW)Basierend auf der Analyse der Auswirkung der Bewehrung bei der Fortpflanzung des kritischenSchubrisseswurde imRahmenderZusammenarbeitzwischenTUGrazundBAWeinganzheitlichesQuerkraftmodell für StahlbetonbauteileohneundmitQuerkraftbewehrung entwickelt.DieBeiträgeder einzelnenQuerkraftanteile abder Schubrissbildungwerdenquantitativ ermitteltundsomitdieRollederQuerkraftbewehrung,diekleineralsdieMindestquerkraftbewehrung ist,aufdieErhöhungderQuerkrafttragfähigkeitverdeutlicht.MitdiesemModellkanneinallgemeinesBemessungskonzeptfürdieQuerkrafterarbeitetwerden.1. EinleitungImAllgemeinenwird inBezugaufdieQuerkrafttragfähigkeitdavonausgegangen,dassdasVersagenbeiBauteilenohneQuerkraftbewehrungvoneinemkritischenSchubriss(Bild1,links)undbeiBautei-lenmitQuerkraftbewehrungdurchBruchderZug-oderDruckstrebe(Bild1,rechts)bestimmtwird.FürdieBemessungvonBauteilenmitBewehrungwirddeshalbinderRegeleinparallelgurtigesFach-werkzugrundegelegt,währendfürBauteileohneBewehrungeinhalbempirischesModellverwendetwird.Voraussetzung fürdieAnwendungdesFachwerksmodells ist,dassderQuerkraftbewehrungs-gradimbetrachtetenBauteilgrößeralsdiesog.Mindestquerkraftbewehrungist.MitanderenWortenbedeutetdies,dassdasRissbild imBruchzustand infolgederQuerkraftabeinerBewehrungentspre-chend derMindestbewehrung ähnlichwie jenes inBild 1, rechts ist und eineQuerkraftbewehrungkleineralsdieMindestquerkraftbewehrungnichtzueinerErhöhungderQuerkrafttragfähigkeitbei-trägt.

Bild1: RissbildimBruchzustandbeiBauteilmitundohneQuerkraftbewehrung[1]VersuchemitQuerkraftbewehrung in verschiedenen Forschungsinstituten zeigen jedoch, dass zumeinendasVersagenvonVersuchskörpernmiteinerBewehrungoberhalbderMindestquerkraftbeweh-rungweiterhinvoneinemkritischenSchubrissbestimmtwird(Bild2, links)undzumanderennichtselteneinenennenswerteTragfähigkeitsverbesserungbereitsbeiVersuchskörpernmiteinerBeweh-rungdeutlichgeringeralsdieMindestbewehrungerzieltwerdenkann(Bild2,rechts).DieseBeobach-


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tungensindvorallemfürdieNachrechnungundVerstärkungvonbestehendenBauteilensehrinteres-sant,dazumeinendieQuerkraftbewehrunginaltenStahlbetonbauteilenoftmalskleineralsdieheuti-geMindestbewehrungistundzumanderendieVerankerungderneueinzubauendenQuerkraftbeweh-rung einfacher realisiertwerden kann,wennderkritische Schubrissweiterhinmaßgebend fürdasVersagenist.

Bild2: RissbildundTraglaststeigerungbeiBauteilemitQuerkraftbewehrung[1]VordiesemHintergrundwurdeam Institut fürBetonbauderTUGrazeinganzheitlichesModellzurBeschreibungderQuerkrafttragfähigkeitentwickelt.IndiesemBeitragwirddieBetrachtungfürBau-teile ohne undmit geringerQuerkraftbewehrungvorgestellt.Weitere Einzelheiten können [1] ent-nommenwerden.2. SchubfeldtypenundVersagensstelleInzwischengiltalssicher,dassdieBiegebeanspruchungeinennennenswertenEinflussaufdieQuer-krafttragfähigkeithat.DasVerhältniszwischenBiege-undQuerkraftbeanspruchung(M/V)kannsomitverwendetwerden,umverschiedeneSchubfeldtypenzucharakterisieren.Entsprechend [2]können alle inderPraxis relevanten statischen SystemeundBelastungen indreiSchubfeldtypeneingeteiltwerden:

· Schubfeldtyp1: konstante Querkraft mit abnehmendem Biegemoment (Einfeldträger unterEinzellast); die meisten bisherigen Querkraftversuche wurden mit diesem Schubfeldtypdurchgeführt

· Schubfeldtyp2:zunehmendeQuerkraftmitabnehmendemBiegemoment(EinfeldträgerunterGleichstreckenlast);VersuchemitdiesemSchubfeldtypsinddeutlichselteneralsVersuchedesTyps1.

· Schubfeldtyp 3: zunehmende Querkraft mit zunehmendem Biegemoment (Kragarm unterGleichstreckenlast);fürdiesenTypsindkaumVersuchevorhanden.

Bei einemDurchlaufträger können gleichzeitig verschiedene Schubfeldtypen auftreten (Bild 3).DieVorhersagederVersagensstelleistsomitbeiDurchlaufsystemennichtsoeinfach.Siekannnurzuver-lässigermitteltwerden,wenndieKapazitätüberdiegesamteBalkenlängeermitteltwird.DerQuer-schnittsnachweisreichtinderRegelnichtaus.


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Bild3: MöglicheVersagensstellenbeieinemDurchlaufträger3. BildungdeskritischenSchubrissesUmÜbersichtlichkeit zuhaben,wird imFolgendennurder Schubfeldtyp 1betrachtet.Diehierbe-schriebenenZusammenhängekönnenohneweiteresaufandereSchubfeldtypenübertragenwerden.DerkritischeSchubrissentwickeltsichimAllgemeinenausdemletztenauftretendenBiegerissimauf-lagernahenBereichmitgeringerMomentenbeanspruchung–einedetaillierteModellbeschreibungfürdiesesVerhaltenwirdin[2]gegeben.

Bild4: SchematischeDarstellungdesSchubbandesmitBildungdeskritischenSchubrissesGehtmanvoneinerSchubspannungnachMörsch[3]aus,sokanndaraus,unterBerücksichtigungderNormalbetonzugspannung imBereichderRissspitze,dieHauptspannungsverteilungamQuerschnittberechnetwerden–sieheBild4b.DarausergibtsichinUmgebungderRissspitzeeinBereich,indemdieberechneteHauptspannungdieBetonzugfestigkeiterreicht.DieBreitedieserBereichenimmtmitzunehmenderMomentenbeanspruchung jedochab–sieheBild4a.EntlangderBalkenlängsachsebil-det sich somit einsog. Schubband.Einkritischer Schubrisswird gebildet, sobalddieses SchubbandeinegewisseBreiteerreichtundzweibenachbarteBiegerisseverbindet.4. EinflussderBewehrungbeiRissfortpflanzungOhneBewehrungwürdebeischubschlankenBauteilendieBildungdeskritischenSchubrisseseinun-mittelbaresVersagenbedeuten,wenndanachdieBildung eines Sprengwerksnichtmöglich ist.DasSchubversageneinesBauteilsohneSchubbewehrung istdeshalb imAllgemeineneinsprödesVersa-gen.


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Bild5: RissbildungbeiBalkenmitQuerkraftbewehrungBeiVorhandenseineinerBewehrungwirdderzweiteRissastdurchzweiEffektegesteuert.ZumeinennimmtdieBewehrungdurchdieRissöffnungeinebestimmtvertikaleKraftauf.ZumanderenentstehtdurchdieAktivierungderBügelkrafteineNormalspannungaufdieOberflächedes2.Rissastes.DurchdasVorhandenseindieserNormalkraftwirdeineQuerkraftaufnahme infolgeRissreibungermöglicht,siehe Bild 5. Aufgrund der vorhandenenRisskinematik gehtmit der stabilen Fortpflanzung des 2.Rissastes eine gleichzeitigeErhöhung derRissgleitung einher.Dadurch kann derTraganteil infolgeKornverzahnungvergrößertwerden.5. ErmittlungderAnteileDieQuerkraftanteilebeiunterschiedlichenLastniveauskönnenanhandeinesFreikörpers,derausdemersten Riss geschnitten ist, untersuchtwerden, siehe Bild 6. Anhand eines Gleichungssystems vonGleichgewichtsbedingungenamFreikörper,geometrischenBedingungenundkonstitutivenBeziehun-genkönnendieRissfortpflanzungunddieTraganteilebeizunehmenderQuerkraftbeschriebenundermitteltwerden.

Bild6: GleichgewichtamfreigeschnittenenElementbeiErreichenderSchubrisslastGleichgewichtsbedingungen:DiewirkendeQuerkraft V steht imGleichgewichtmitdenvertikalenKräften,diesichdurchunterschiedlicheMechanismenergeben: V = V + V + V + F DabeisindVc,Va,Vd,FswdieQuerkraftanteile,dievomungerissenenBeton,derRissuferverzahnung,derDübelwirkungderLängsbewehrungundderZugkraft indenBügelnaufgenommenwerden.Wei-


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terhinwerdendieBeziehungenzwischendeneinzelnenKraftanteilendurchAnalysederSpannungs-zuständeamRissuferdeszweiphasigenBiegeschubrisseshergeleitet.GeometrischeBedingungen:ZurBeschreibungder relativenBewegungendergegenüberliegendenRissoberflächenanderStellederBiegebewehrung (Punkt B inBild7)wirdeineDrehungvonzweistarrenKörpernumdieRissspitzeangenommen.AmoberenBereichdeserstenSchubrissastes(PunktA) wird zusätzlich zur Drehung eine Verschiebung entlang der Risskannte angenommen, damitSchubspannungenüberdenzweitenSchubrissastübertragenwerdenkönnen.

Bild7: GeometrischeBedingungendesBiegeschubrissesKonstitutiveBeziehungen:AusderangenommenenRisskinematikwerdendieQuerkraftanteilean-handderfolgendenkonstitutivenBeziehungenbestimmt:

- Spannungs-Rissöffnungsbeziehung inderQuerkraftbewehrung:Die aktivierten Spannungen inderQuerkraftbewehrungwerdendurchdieRissöffnungunddieVerbundeigenschaften zwi-schen Stahlbügeln und Beton bestimmt. Dabei wird ein starrplastisches VerbundverhaltennachSigrist[4]berücksichtigt.

- Rissuferverzahnung: Zur Bestimmung der Schub- und Normalspannungen infolge der Riss-uferverzahnunginAbhängigkeitderRissöffnungund–gleitungwirddasModellvonGambaro-vaundKarakoc[5]verwendet.

- Dübelwirkung:DieQuerkraftkomponenteausderDübelwirkungderLängsbewehrungwirdun-terVerwendungderDübelkraft-VerformungsbeziehungnachBaumannundRüsch [6]ermit-telt.

Lösungsmethode:FürdieBestimmungderEntwicklungdeszweitenSchubrissastesundderAktivie-rungderQuerkraftbewehrung ist eine iterativeBerechnung erforderlich.Bild 8 zeigt qualitativdieErgebnissederAnalysefürdieNormal-undSchubspannungeninfolgederRissuferverzahnungsowiedieSchubspannungenimungerissenenBeton.


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Bild8: VerteilungderNormal-undSchubspannungen infolgederRissuferverzahnungunddesungeris-

senenBetonsRelativeBeiträgederEinzelquerkraftanteileBild9zeigtalsBeispieldieErmittlungderverschie-denenTraganteileeinesBalkensmitQuerkraftbewehrung.BeiErreichenderSchubrisslastVcrsinddiewesentlichenMechanismenderQuerkraftabtragungzumeinenderQuerkraftanteildesungerissenenBetonsVcundzumanderenderQuerkraftanteilderRissuferverzahnungVa.BeigeringerÖffnungdesSchubrisses istderAnteilderBügelgering.SiedienenvorallemderSteuerungderRissöffnung,umeineKraftabtragungamRissuferzuermöglichen.BeiweitererLaststeigerungmuss sichder Schubrissweiteröffnenund inRichtungderDruckzonefortpflanzen.Dadurch ergibt sich eine zunehmendeRissgleitung und ermöglicht somit eine höhereLastabtragunginfolgeKornverzahnungamerstenSchubrissastbeierhöhterBelastung.Durchdievor-handenenBetondruckspannungeninderDruckzonewirddieFortpflanzungdesschrägenSchubrissesanderrechnerischenNullliniegebremstundeineEinschnürungderDruckzoneverhindert.

Bild9: Querkraftanteile aus verschiedenen Mechanismen bei unterschiedlichen Belastungsniveaus für

einenquerkraftbewehrtenBalken

0

0,5

1

1,5

2

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

V i/V

cr

V/Vcr

Schu

bris

serre

icht

die

r.N

ullli

nie

Flie

ßen

derQ

uerk

raftb

eweh

rung

Bügelkraft

Rissuferverzahnung

ungerissener Beton

Dübelkraft

F sw

/Vcr

Va/V

crV

c/Vcr

Vd/V

cr


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NachdemErreichenderrechnerischenNulllinie trittbeiweitererLaststeigerungnurmehreinezu-nehmendeRissöffnung ein.Als Folge nimmt die Kraft in denBügeln Fsw deutlich zu,während derQuerkraftanteilausderRissuferverzahnungVaabnimmt.DieSummederQuerkraftanteileVc,VaundVdbleibt jedochannäherndkonstant.DieseQuerkraftanteilebilden inSummedenBetonanteilVRc.BeientsprechenderHöhederQuerkraftkommteszumFließenderBewehrung.DiemaximaleKraftindenBügelnstelltdenStahlanteilbeiStahlbetonbauteilenmitgeringerQuerkraftbewehrungdar,wobeidasVersagendurchdieBildungundFortpflanzungdeskritischenSchubrissesgekennzeichnetist.Ganzheitliche Beschreibung des Querkrafttragverhaltens: Bei Bauteilen mit sehr hoher Quer-kraftbewehrung können mehrere parallele Schubrisse gebildetwerden, bevor es zum Fließen derQuerkraftbewehrungamkritischenSchubrisskommt. IndiesemFallkannvoneinemTragverhaltenanalog jenemeinesFachwerksausgegangenwerden. JenerBewehrungsgrad,beidemderQuerkraft-widerstandaufGrundlagederFachwerkanalogiemaßgebendwird,bildeteineGrenzefürdieBetrach-tungvonBauteilenmitgeringeroderhoherQuerkraftbewehrung.Hiermitkannder fließendeÜber-gang zwischen Bauteilenmit und ohne Schubbewehrungmittels einer einheitlichenmechanischenGrundlagebeschriebenwerden.Literatur[1] Tue,N.V.;Tung,N.D.;BetschogaC.:Querkrafttragfähigkeitvon Stahlbetonbalkenmit (geringer)

Querkraftbewehrung.Forschungsbericht,2018[2] Tue,N.V.;Ehmann,R.;Tung,N.V.;BetschogaC.: Schubversuche an simuliertenDurchlaufbalken

ohneQuerkraftbewehrung.Beton-undStahlbetonbau111(2016),Heft11,S.738-748[3] MörschE.:DerEisenbetonbau–SeineTheorieundAnwendung,Stuttgart1908[4] Sigrist,V.:ZumVerformungsvermögenvonStahlbetonträgern,ETHZürich,Diss.,1995[5] Gambarova,P.G. ;Karakoc:Anewapproach to theanalysisoftheconfinementrole inregularly

crackedconcreteelementsProceedingsofthe7thSMiRTConference,1983[6] Baumann,T. ;Rüsch,H.: VersuchezumStudiumderVerdübelungswirkungderBiegezugbeweh-

rungeinesStahlbetonbalkens.DAfStbHeft210(1970).


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BAWMerkblatt Erdbebenbeanspruchung auf massive Verkehrs-wasserbauwerke–EmVDr.-Ing.GeorgiosMaltidis(BAW)1 EinführungDasBAWMerkblattErdbebenbeanspruchungaufmassiveVerkehrswasserbauwerke–EmV,EntwurfAusgabe April 2018, dient der seismischen Untersuchung massiver Verkehrswasserbauwerke. DieEmpfehlungen des Merkblatts betreffen Wasserbauwerke im Sinne der DIN 19702:2013-2 (DIN19702:2013-02) imBereichderBundeswasserstraßen.DasZielbestehtdarin,die seismischenEin-wirkungenaufmassiveVerkehrswasserbauwerkezubeschreibenunddemStatikerEmpfehlungenfüreinepraxisgerechteErmittlungderBeanspruchungenzugeben.DieNotwendigkeitzurHerausgabeeinesspeziellen fürmassiveVerkehrswasserbauwerkegeltendenStandardsergibtsichausdemMangelrelevanterRegelwerke inderNormenreiheDINEN1998.ZurEntwicklungangepassterRegelnfürdieBerechnungvonVerkehrswasserbauwerkengegenErdbebenwurdenineinemBAW-ForschungsvorhabendiesicheinstellendendynamischenErd-undWasserdrü-ckeanalysiertunddieWechselwirkungBauwerk-Boden-WasserfüllungumfassenduntersuchtsowieHinweisefürvereinfachteBemessungenentwickelt.DiegrundsätzlicheErgänzungzudernachDIN19702:2013-2definiertenseismischenEinwirkungistdieAnwendungeinerzuderLebensdauervonWasserbauwerkenpassendenseismischenKartemiteinerWiederkehrperiodevon1000 Jahren (10%Überschreitungswahrscheinlichkeit inderLebens-dauervon100Jahren).DasMerkblattbehandeltnurdiedynamischenEinwirkungenaufmassiveVerkehrswasserbauwerke.AnderePhänomene,vorallemgeotechnischerHerkunft,diewährendeinesErdbebensentstehenkön-nen(wiez.B.Verflüssigung,Setzungen,usw.),werdennichtbetrachtet.DasMerkblattrichtetsichanimErdbebeningenieurwesenerfahreneTragwerksplaner.2 AufbaudesMerkblattsAufbauundGliederungdesMerkblattserfolgten inAnlehnunganandere,bereitsexistierendeBAW-Merkblätter.ImEinführungsteilwerdendiegrundlegendenEingangsgrößenaufderEinwirkungsseitebeschrieben.DiesemfolgtderzentraleAbschnitt,dersichinfünfKapitelgliedert.DieseKapitelbetref-fen jeweilsdieBerechnung desdynamischenErddrucks,desdynamischenGrundwasserdrucks,desdynamischeWasserdrucks,derverbleibendenVerschiebungenundderTrägheitskräftedesBauwerks.Außerdem eigentlichenTextteilwurden11Anlagen indasMerkblattaufgenommen.DieseAnlagendienenderErläuterungdesHaupttextesundfundierenzumTeilaufwissenschaftlicherBasisdernor-mativenHinweisedesHauptteils.NebendenAnlagenexistiertnocheinTeilmitBerechnungsbeispie-len,derdasMerkblattabschließt.


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Bild1: GliederungdesBAWMerkblattsEmV3 BeschreibungderEinwirkungenDasMerkblattbeinhältsowohlzudenEurocodesergänzendealsauchneueLastansätze.DieErgän-zungenermöglichendemTragwerksplanereinegenauereBerechnungderdynamischenEinwirkun-gen,die zu einerwirtschaftlicherenBemessungdesBauwerks führt.Die imMerkblattbehandeltenEinwirkungensind:

a) DynamischerErddruck.DerdynamischeErddruckwirdinAnlehnunganDIN4085(DIN4085:2017-08),AnhangA.2,fürdreiFällebeschrieben:

i. NachgiebigeWände.NachgiebigsinddieWände,diesichausreichendbewegen,damitderScherwiderstandinderHinterfüllungmobilisiertwird.FürnachgiebigeWändegel-tendieHinweisenachDINEN1998-5(DINEN1998-5:2010-12),AnhangE,FormelE.-E.4,bzw.nachDIN4085Abschnitt10.2.

ii. Starrebzw.unnachgiebigeWände.DieFormelE.19vonDINEN1998-5wirdindiesemMerkblattzurBerücksichtigungvon:

· derVerteilungdesSchubmodulsderHinterfüllung(konstant,parabolisch,linear)· einerQuerdehnungszahlderHinterfüllungabweichendvon0,33· einergeneigtenWand· einerbenachbartenWand

ergänzt.


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iii. WenignachgiebigeundannäherndunnachgiebigeWände.DieFormelE.19derDINEN1998-5fürstarreWändewirdmitFaktorenzurBerücksichtigungvon:

· derrelativenWand-Hinterfüllungs-Flexibilität· derrelativenWandfundamentrotation-Hinterfüllungs-Flexibilität· derrelativenWandfundamentverschiebung-Hinterfüllungs-Flexibilität.

multipliziert.

Bild2: SchematischeDarstellungdermöglichenArtenderVerschiebungeinerL-Wand: (a)Wandbiegung,(b)Basisrotation(c)Basisverschiebung(Gazetasetal.2005)

a) DynamischerGrundwasserdruck.DerdynamischeGrundwasserdruckwird inErgänzungzudenFormelnE.7,E.14,E.17&E.18derDINEN1998-5indiesemMerkblattdefiniert.NebendenFällenderhochdurchlässigenundderundurchlässigenHinterfüllungen,dieauchinDINEN1998-5betrachtetwerden,wirdeinAnpassungsfaktorfürteildurchlässigeHinterfüllungendefiniert.

b) DynamischerWasserdruck.

Eswirdempfohlendie fürdie IngenieurpraxiseinfacherenFormelnnachACI-350.3-06 (ACICommittee350.3-06)fürdieBerechnungdesdynamischenWasserdrucksanzuwenden.ZweiBerechnungskonzepte werden beschrieben; das Ersatzwassermassenkonzept (dynamischesModell)unddasKonzeptderErsatzlasten(statischesModell).GrundlegendeAnnahmefürdieBerechnung ist,dassdiemassiven imBodeneingebettetenVerkehrswasserbauwerkebezüg-lich ihrerWechselwirkungmitdemWasseralsstarrwährend freistehendeWasserbauwerkealsflexibelzubetrachtensind.

c) BerechnungderbleibendenVerschiebungen.DieBerechnungvonbleibendenVerschiebungenfolgtunterder iterativenBestimmungeinerFließbeschleunigung,diedasBauwerkzurBewegung treibt.DieFließbeschleunigung istderGrenzwertderBodenbeschleunigung, fürdiediewirkendenTrägheitskräftedie rückwirken-denKräfteüberschreiten.DasBerechnungsverfahren lässt sich sowohl fürdieEinschätzungderverbleibendenVerschiebungen(Gebrauchstauglichkeitsnachweis)alsauchfürdiePlanunggemäßdemKonzeptderbleibendenVerschiebungenanwenden.

d) TrägheitskräftedesBauwerks.

FürdenseismischenFallwirktdieEigenlastdesBauwerksnichtmehrstabilisierendsonderndestabilisierend.DieBerechnungderTrägheitskrafterfolgtunterdergleichenAnnahmewiebeidemdynamischenWasserdruck,dassdiemassivenimBodeneingebettetenVerkehrswas-


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serbauwerkealsstarrwährenddiefreistehenden(Wehrpfeiler,Schleusenmittelkammerwand)alsteil-flexibelzubetrachtensind.FürstarreWasserbauwerkewirdderBemessungswertderBodenbeschleunigung zurBerechnungderTrägheitskraft empfohlen.DieseAnnahme ist all-gemein imgeotechnischenErdbebeningenieurwesenverbreitetundgiltfürdieeingebettetenSchleusenkammerwände und Kaimauer als gerechtfertigt. Für teil-flexibleWasserbauwerkewirdderPlateauwertdesBemessungsspektrumszurBerechnungderTrägheitskraftempfoh-len.

4 AusblickDasMerkblattEmVbefindetsichmomentan inBegutachtungeinesexternenFachspezialisten.NachderBegutachtungundderDurchführungvonBerechnungenundPlausibilitätsbetrachtungenwirddasMerkblattdemBMVI,deroberstenBauaufsichtsbehörde,zurAbstimmungvorgelegtwerden. InderFolgewirddasMerkblattzurprobeweisenAnwendung imBereichderWasser-undSchifffahrtsver-waltungdesBundesfreigegeben.AlsErgebnisdieserPhaseistmitFragen,HinweisenundÄnderungs-vorschlägenseitensderAnwenderzurechnen,dieggf.zueinigenAnpassungenbzw.PräzisierungenkleinerenUmfangsführenwerden.DanachwirddanndieersteFassungdesBAWMerkblattsEmVein-schränkungsfreivorliegen.LiteraturverzeichnisACICommittee350.3-06,2006:Seismicdesignofliquid-containingconcretestructuresandcommen-

tary.DIN19702:2013-02,2013:MassivbauwerkeimWasserbau-Tragfähigkeit,Gebrauchstauglichkeitund

Dauerhaftigkeit.DIN4085:2017-08,2017-08:Baugrund-BerechnungdesErddrucks.DINEN1998-5:2010-12,2010-12:Eurocode8:AuslegungvonBauwerkengegenErdbeben-Teil5:

Gründungen,StützbauwerkeundgeotechnischeAspekte;DeutscheFassungEN1998-5:2004.Gazetas,G.;PsarropoulosPN;Anastasopoulos,I.;Gerolymos,N.(2005):ResponseofthreeAthensmet-

roundergroundstructuresinthe1999Parnithaearthquake.In:SoilDynamicsandEarthquakeEn-gineering25(7-10),S.617–633.


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PlanungenzurGrundinstandsetzungdesWehresGeesthachtanderElbeDipl.-Ing.StefanLühr(WSALauenburg),Dipl.-Ing.HaraldvonThaden(WTMEngineersGmbH,Hamburg)DasWehrGeesthachtanderElbebeiGeesthachtwurdeimZeitraumvon1958bis1960alsBestandteilderStaustufeGeesthachtals4-feldrigesSektorenwehrerrichtet.ÜberdieWehranlageistdieBundes-straßeB404geführt.DieBrücke istaufdemWehrgegründet. ImZugedesBetriebessindamWehrteilserheblicheSchädenamMassivbausowieandenstählernenVerschlusssystemenentstanden.ZurSicherstellungderDauerhaftigkeitundBetriebssicherheitderWehranlage isteineGrundinstandset-zungerforderlich.ImZugederhierfür laufendenPlanungenwurdensoweitwiemöglichauchdieUr-sachen fürwesentliche Anlagendefizite untersucht.Dabeiwurde festgestellt, dass die hydraulischeWirksamkeitdesvorhandenenTosbeckensnicht inallenBetriebssituationengegeben istunddahereinezusätzlicheTosbeckenverlängerungerforderlichwird.FürdieGrundinstandsetzungderWehran-lagewurdeeineVoruntersuchungalsHandlungsgrundlagefürdieweitereVorgehensweiseerarbeitet.ImFolgendenwerdendiewesentlichenBauwerksschädennebstvorhandenerAnlagendefizite,durch-geführtematerialtechnischenUntersuchungen,dasErgebnisderVoruntersuchungbzw.deszwischen-zeitlich erarbeitetenEntwurfes-HUbeschrieben sowie einAusblick aufdie geplanteweitereVorge-hensweisegegeben.1 AllgemeinesDasWehrGeesthachtbefindetsichbeibeiElb-km585,89imBereichderoberenTideelbeundwur-de1960als4-feldrigesSektorwehr inBetriebgenommen.DieSektorenhabeneineBreitevon50mundwarenursprünglichfüreinenangestrebtenStauimOberwasservonNHN+5,65mausgelegt.DerzulässigeOberwasserstandwurdejedochplanrechtlichaufNHN+4,00mbeschränkt.Auf derNordseite derWehranlage schließt sich eine festeÜberlaufschwelle an. In diesemBereichwurde in2010amNorduferdesWehresein leistungsstarkerFischpassvonVattenfallrealisiert.EingemäßdamaligerPlanfeststellungnebenderWehranlagevorgesehenesLaufkraftwerkimBereichderfestenÜberlaufschwellewurde nie realisiert.Damit steht für dieWasserabfuhr nur das 4-feldrigeWehrzurVerfügung.BeiAbflüssenabca.1.100m³/swerdenalleverfügbarenSektorenindieTiefst-lagegefahren.BeihöherenAbflüssenstautsichderWasserstandimOberwasseran.MiteinemAbflussvonca.1.800m³/sisteinWasserstandvonNHN+4,30merreichtunddiefesteÜberlaufschwelleamNorduferwirdüberströmt.MitErreicheneinesAbflussesvonca.3.000m³/swirdauchdasSüduferüberströmt,OberwasserundUnterwasserstandgleichensichdannimmerweiteran.DasWehrGeesthachtbildetdieTidegrenzederElbe.VorErrichtungderStaustufeGeesthachtliefdieTideetwabisBleckede,alsoca.35kmstromaufderElbe.MitErrichtungderWehranlagewurdedieStrömungsumkehrindasUnterwasserverlegt.DieStrömungsumkehrverlagertsichbeieinerschwe-ren Sturmflut jedochwieder insOberwasser, so dass dasWehr zeitweise vomUnterwasser über-strömtwirdundeineFließumkehreintritt.


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Bild1zeigtdenLageplanvomWehrGeesthachtmitdenwesentlichenAnlagenteilen im Ist-Zustand.Bild2zeigtdasWehrvomOberwasseraussüdöstlicherRichtung.

Bild1: LageplanWehrGeesthacht

Bild2: WehrGeesthachtBlickrichtungausdemOberwasser(Winter02-2018mitmoderatemEis)

FischpassSüd


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Im Zuge der nun 58jährigen Betriebsphase sind zahlreiche Schäden aufgetreten die eine Grundin-standsetzungderAnlageerfordern.ExemplarischsindhierfürdenMassivbauPfeilerdurchrisse,Hyd-roabrasionsschädenanSohleundEndschwellesowieCarbonatisierungbiszurBewehrungslagemitRostschädenanderBewehrungzunennen.FürdenStahlwasserbausindplastischeVerformungeninderStauhautdesSektors,desAbfallbodens,derTragrahmensowiederSpantenundBodenblecheimBallasttankinallenSektorenzunennen.DerSektor3weistzudemeineplastischeTorsionsverformunginHöhevonca.40cmauf.FürdiePlanungsleistungenderGrundinstandsetzungdesWehrfeldes3wurdein2015einIngenieur-vertrag imVerhandlungsverfahrengemäßVOFgeschlossen.GegenstanddiesesPlanungsauftrages istu.a einUntersuchungskonzeptzurErfassungderbaustofflichenEigenschaftendesBestandesauszu-arbeitensowieeinevollständigeSchadenserfassungimbetrachtetenBauwerksbereichdurchzuführen.Ursprünglichwarvorgesehen,dieSanierungdesWehrfeldes3als„Pilotmaßnahme“ ineinemeigen-ständigenEntwurf-HUzubehandelnundineinerspäterenProjektphaseeinenweiterenE-HUfürdieverbliebenenWehrfelder1,2und4abzubilden.InengerAbstimmungmitderGDWSunddemBMVIwurdeimZugederVoruntersuchungfestgelegt,dassdieGrundinstandsetzungderGesamtanlagemo-netärzubewertenundvomWSALauenburg einE-HU fürdieGesamtanlagevorzulegen ist.DieEr-kenntnisseausdemWehrfeld3unddieerwartetenBaumaßnahmen werdendaherdurchdasWSALauenburgbereitsjetztaufdieGesamtanlagehochskaliert.VoraussetzungfürdiePlanungderGrundinstandsetzungistdieumfänglicheKenntnisderrelevantenSchädensowiederimBauwerkangetroffenenMaterialien.DievorhandenenSchädenwurdenstruktu-rierte erfasst und ausgewertet. Als Planungsgrundlage für die Entwurfs- und AusführungsplanungwurdeeinumfänglichesmaterialtechnischesGutachtenerarbeitet.ExemplarischerfolgtediesfürdasWehrfeld3.DieübrigenWehrfeldersindentsprechendvergleichbarund ineinemähnlichenZustand,sodassdieErgebnisse übertragbar sind. Im Zuge derweiteren Ausführungsplanung ist zur Verifizierung abervorgesehen,andenWehrfeldern1,2und4nochergänzendematerialtechnischeUntersuchungenimRahmenvonStichprobendurchzuführen.

2. Schäden

2.1 SchädenMassivbauDas gesamteWehrfeld 3 sowie die angrenzenden Bauwerksbereichewurden vollständig über undunterWasser inspiziertunddieSchädenstrukturiertaufgenommen.Bild 3zeigtdieSchadensdoku-mentationimSohlbereichmitentsprechendenSchadensnummern.ImBild4sindexemplarischdiefestgestelltenSchädenindenWehrpfeilerndargestellt.


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DieWehrpfeilerwurdenhierfürmitHängegerüsten ausgestattet,umdiehandnaheÜberprüfung zuermöglichen. ImErgebniswurdeu.a.eindurchgehenderTrennrissdurchdieSteuerpfeilermitRiss-weitenbisca.5mmfestgestellt(vgl.Bild5).Nicht zugänglicheBauwerksbereiche unterWasserwurdenmitTauchern auf Schäden erfasst.AlleSchäden,auchdieunterWasser,wurdenmiteinerBilddokumentationbelegtund inBauwerkszeich-nungenmitSchadensnummernaufgenommen(vgl.Bild3).Die Unterwasserarbeiten wurden von Tauchern durchgeführt. Die Taucher wurden durchgehenddurch einen konstruktiven Ingenieur geleitet, dervon derTauchbasismittelsBildübertragung undWechselsprecheinrichtungmitdenTauchernverbundenwar.AufdemMonitorkonntedasBlickfelddesTauchersvisuellverfolgtwerden.Bild6zeigtdieverwende-teVideoanlage.

Bild3: SchadensübersichtSohle[1]


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Bild4: RissaufnahmeimWehrpfeiler4[1]

Bild5: TrennrissWehrpfeiler

Bild6:MonitorTauchbasisDasgewonneneVideomaterialwurdeeinschließlichmündlicherSchadensbeschreibungaufgezeichnetundkonntesoauchspäterimBüroausgewertetwerden.

Trennriss

Trennriss


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Weiterhinwurdendie Schäden andenWehrpfeilern sowie inder Sektorgrubedezidiert aufgenom-men.ZusammenfassendwurdenfolgendegravierendeSchädenamMassivkörpergefunden:

· IndergesamtenSohleHydroabrasionsschäden,örtlichmitSchadenstiefenbis1,40m.„Mah-lende“,eingetrageneWasserbausteine

· OffeneBauwerksfugen,fehlendesFugenmaterial· DurchgehendeRisseindenPfeilerwändenmitmaximalenRissweitenvonca.5mm· AusbrücheundHohllagenandenRissufern· AnderEndschwelleerheblicheAbrasionsschäden,örtlichvollständigzerstörteKonstruktion· FreiliegendeBewehrunginWehrsohleundEndschwelle· BetonoberflächenmitAbplatzungenundAbwitterungendesFeinmörtelsmitfreiliegendem

Grobkorngerüst· ÖrtlichCarbonatisierungbiszurBewehrungslage(vgl.Bild7)

Bild7:CarbonatisierungbiszurBewehrungslage[1]

2.2 SchädenStahlwasserbauDieSektorverschlüssehabensichanderStaustufeGeesthachtinsgesamtgutbewährt,siesindjedochstatischunterdimensioniert.DieSchadenserfassunganderStahlkonstruktionkonntedurchgehendimtrockenemerfolgen.ImErgebnissindalleSektorensostarkgeschädigt,dasseinedauerhafteInstand-setzungnichtmöglich ist.DasSchadensbildderVerschlüsseweist insgesamtdaraufhin,dassdiesenicht für die vorherrschenden Betriebsbedingungen, insbesondere auch aus Eis im Winterbetrieb,ausgelegtsind.BeimSektor3kamzudembereitszweimalzueinerHavarie,dieeineplastischeTorsionsverformungvon40cmnachsichgezogenhat(vgl.Abschnitt2.3).


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2.3 Anlagendefizite,MaschinenrichtlinieWieunter1aufgezeigtsindbereitsdurchdenEntfalldesLaufkraftwerkesAnlagendefiziteentstanden.DasLaufkraftwerkhätteeinennichtunerheblichenAbflussübernehmenkönnenunddasWehrdamitentlastet.Insbesonderebeiregelmäßigauftretenden (n-2)-FällenbeiSchiffsbewegungenimRahmenvonBauwerkspeilungen sowieArbeitenzurTrockenlegungund InspektionvonAnlagenteilenwärediemöglicheEntlastungdurcheinLaufkraftwerkerheblichausgefallen.DasTosbeckenistfürdenEntfalldesLaufkraftwerkesinsgesamtnichtausreichenddimensioniert.Beiniedrigen Unterwasserständen führtdies regelmäßig zumAbwandernderDeckwalze ausdemTosbeckenunddamitzueinerÜberbeanspruchungderflexiblenSohle.Danebenwurdenbereitsfrüh-zeitigimProjektweitereDefiziteerkannt.SobestehtbeimvorhandenenoberwasserseitigenRevisionsverschlussdieGefahr,dassdieserbeiauf-laufeneinerSturmflutindasOberwasserumkippt,dadieKonstruktionnichtfürBelastungenvonderUnterseiteausgelegtist.EinderartigerHavariefallistauchbereitseinmalvorgekommen.Weiterhin istdieeingetreteneplastischeVerformungamSektorverschlussdesWehrfeldes3 inHöhevon40cmaufeineeinseitigeAuflageaufeingeschlepptenSandzurückzuführen.DieUrsache,daseinderartiger Schaden überhaupt erstmöglich ist, kann neben dem eingetragenen Sand insbesondereauchaufeinefehlendeGleichlaufüberwachungderAnlagezurückgeführtwerden.

Bild8:TorsionsschadenamSektor3Bekannteund festgestellteAnlagendefizitmüssen imZugederPlanungen zurGrundinstandsetzungzwingendberücksichtigtundwennmöglichbeseitigtwerden.ImvorliegendenProjektwurdehierfüreineersteGefährdungsanalysedurchgeführt.Diesewird inderweiterenProjektabwicklungentspre-chendfortgeschrieben.DabeiwirddurchdasbeauftragteIngenieurbüroaucheineRisikobeurteilungnachMaschinenrichtlinieerfolgen.ZieldieserVorgehensweise istes,Risikenrechtzeitigzuerkennenund,soweitmöglich,durchgeeigneteSchutzmaßnahmenzubeseitigenbzw.zuminimieren.

plastischer Tor-sionsschaden40cm


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3. ProbenentnahmenundMaterialtechnischeUntersuchungenMassivbau3.1 Untersuchungsprogramm

Zur Feststellung des Ist-Zustands desMassivbauswurden an ausgewählten StellenBohrkerne undBohrmehlentnommenunddiesezurweiterenUntersuchungenansLaborübergeben.DieseArbeitenwurden ergänzt um Messungen der Betondeckung der vorhandenen Bewehrung und um Wasser-druckversuchezurEinschätzungderGefügedichtigkeit.DieTragfähigkeitdesPfeilerbetonshinsicht-lichZugverankerungenerfolgteanhandvonAnkerzugversuchen. ImBild9 istexemplarischdasUn-tersuchungsprogrammfürdenWehrpfeiler3alsAnsichtdargestellt.Bild10zeigtdasUntersuchungs-programmderSektorgrubenebstSohleinderDraufsichtundBild11imQuerschnitt.Insgesamtwur-denca.65lfdmBohrkerneentnommen.DielängsteEinzelbohrungdurchdenPfeiler3hatteeineEnd-nahmetiefevonca.11msenkrechtbisca.1moberhalbUKSohle(vgl.Bild9Ansicht).InsgesamtwurdenimWehrfeld3folgendeProbenendnahmenundPrüfungendurchgeführt:

35StückBohrkernendnahmen,65Bohrmeterundca.30Bohrlochscans27Öffnungsbereiche,mitUntersuchungderCarbonatisierungstiefe,nebstAbrostungsgrade25Bewehrungsscans35BohrmehlentnahmenmitUntersuchungdes Chlorid-undSulfatgehaltes12Ankerzugversuche

Bild9: Untersuchungsprogramm Wehrwände [1] (rot: Borkernentnahme, gelb: Öffnungsbereiche,

schwarz:Ankerzugversuche)

11mB

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urchP

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Bild10:DraufsichtSektorgrubeundBauwerkssohle[1]

Bild11:SchnittSektorgrubeundBauwerkssohle[1]3.2 ZusammengefassteErgebnissedermaterialtechnischeUntersuchungenMassivbau

DieSchadensaufnahmederunterWasserliegendenBauwerksbereicheerfolgteüberTauchereinsätze.HierbeiwurdeindenüberwiegendenBereichenderWehrsohleeinegleichmäßigeHydroabrasionmitfreiliegendenKuppendergrobenGesteinskörnungfestgestellt.VerstärkteAusspülungenliegeninsbe-sondereanFugenundÜbergängensowieanderEndschwelledesTosbeckensvor.AusspülungenmitmaximalenTiefenbisca.1mwurden imPfeilerspitzbereichderWehrfelder2und4gemessen.DerPfeilerspitzbereich im Wehrfeld 3 war durch Sandeinspülungen und abgelagerte Wasserbausteinenicht füreineBegutachtungzugänglich,es ist jedochvon einemähnlichenSchadensbildwie indenangrenzendenWehrfeldernauszugehen.DieangetroffenefreiliegendeBewehrungwieskeinekorrosi-onsbedingtenQuerschnittsminderungen auf.Abgesehen von der ersten Fuge imWehrfeld 4 nebenPfeiler 4war indenplanmäßigenBauwerksfugenkeineSogwirkung festzustellen.Rissemitabrasi-onsbedingtem Flankenabtrag liegen insbesondere an der Schrägenoberkante im Unterwasser desWehrfeldes3vor.DiesichoberhalbderWasserliniebefindendenBetonflächendesPfeilers3zeigenlediglich eine leichteOberflächenabwitterung.Feuchteschäden imWehrhäuscheninneren lassen aufeineundichteArbeitsfuge imAnschlusszumWehrhäuschenschließen.DesWeiterensind imSockel-bereichdesWehrhäuschensfeineVertikalrissezubeobachten.BedingtdurchumlaufendesRegenwas-servonderAussichtsplattformkamesinsbesondereamDachüberstandzueinerVielzahlvonAbplat-


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zungenüberkorrodierterBewehrungmitmangelnderBetondeckung.Der3-4cmstarkeAsphaltbelagdesWehrhäuschendachsliegtandenRandbereichendurchgehendhohl.Der1,5cmdickeSchutzestrichderPlaniedesPfeilers3 istgroßflächighohlliegendbzw.bereitsab-gängig.Der InnenschachtzeigtüberdieHöhevereinzelteRissemit leichtenAussinterungenbzw.ei-nemFeuchtedurchtrittauchdurchbereitsinstandgesetzteRissbereiche.AbderWasserwechselzone istanderPfeilerwand3einezunehmendeHydroabrasionmitfreiliegen-der grober Gesteinskörnung zu erkennen.Ausgehend von der Planie erstrecken sich verschiedeneVertikalrisseteilweisebiszurWasseroberfläche,derenbereichsweiserechtwinkeligerVersprungaufeinegerisseneplanmäßigeArbeitsfugehindeutet.InRissbereichen istdieBewehrung teilweisedeutlichkorrodiert.DieunterwasserseitigeRevisions-verschlussführungzeigtober halb der Revisionsverschlusstafeln deutlich Blattrostbildung.Die Füh-rungsschienescheintfestindenBetoneingebunden.GleichesgiltfürdieFührungdesoberwassersei-tigenRevisionsverschlusses.DerSteuerpfeiler4zeigtein,denobigenAusführungenzuPfeiler3,ver-gleichbaresSchadensbild.AuffälligisteinvonderPlaniebiszurWehrsohlenachgewiesenerVertikal-riss,deraufderPlaniemiteinemdauerelastischenMaterialverpresstwurde.NachÖffnungdesSchut-zestrichsoberhalbdesRissesüberdiegesamteBreitederPlaniezeigtesicheinedeutlichhöhereRiss-breite (bis 6mm) quer zur Pfeilerlängsachse als parallel (< 0,5mm) zur Pfeilerlängsachse.Die imRahmen der Bohrkernentnahme im Rissbereich der Pfeilerwand ausgebaute Bewehrung zeigt einedeutlicheQuerschnittsminderung.IndiePfeilertiefereichtdieserRissbisindieWandeinesBetriebs-raumsundführtdortzubereichsweiseerheblichenWasserzutritt.DieBetonoberflächederSektorgrubeweistkaumHydroabrasionauf.AnverschiedenenStellensind,ausgehendvonFugen,RisseundKantenabplatzungenzubeobachten.FreiliegendeArbeitsfugenebenenandenBohrkernenlassendaraufschließen,dassdiesevordemAuf-bringendesAnschlussbetonsnichtausreichendvorbereitetwurden(vgl.Bild12).

Bild12:BohrlochscanundBohrkernausderWand[1]


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DieDreh-undAuflagerdesSektorswurdenbereitsbereichsweise instandgesetzt.DieWehrsohle istimoberenBereichmiteinernichtnäherzuermittelndenDickebiszumRevisionsverschlussfugenlosausgeführt.HierausresultierendeZwangsspannungen imBauwerkäußernsichdurchRisseoberhalbderBauwerksfugen.BeidenBohrkernentnahmenwurdeeinBetonmitintaktem,geschlossenemGefügeangetroffen,ohneeinenHinweisaufgroßflächigeVerdichtungs-undsonstigeEinbaufehler.Diesspiegeltsichindengu-tencharakteristischenFestigkeitswertensowie indergeringenWasserdurchlässigkeitdesBetons inden Wasserdruckversuchen und in den im Labor gemessenen geringen Porenvolumina zur Was-seraufnahmedesBetonsunterAtmosphärendruckwieder.Die andenBohrkernen ermitteltenFestbetonwertewurdennachdem BAW-Merkblatt „BewertungderTragfähigkeitbestehendermassiverWasserbauwerke(TbW)“ausgewertet.DieAnzahlderBohr-kernewurdefürdieeinzelnenUntersuchungsbereiche„Pfeiler3“,„Pfeiler4“und„SohleWehrfeld3“sofestgelegt,dassdieAnforderungenderStufe„B“gem.TbWerfülltwerden.FürdieeinzelnenBerei-chewurdendieinTabelle1aufgeführtencharakteristischenFestigkeitswerteermittelt.

Tabelle1:CharakteristischeMaterialkennwertedermassigenBauteile[1]ImRahmenderProjektbearbeitungwurde festgelegt,die inZeile4aufgeführtenWerte,diesichausderAuswertungallervorliegendenFestbetonwerteergeben,nichtfürdieBerechnungdervoneinan-derunabhängighergestelltenBauwerksteileheranzuziehen,dadieSohleunddieWändesignifikantunterschiedliche charakteristische Festigkeiten liefern.DurchAbgleich der errechneten Festigkeits-wertegemäßTabelle1mitdentabelliertenWertenausdemBAW-MerkblattTbWfürAltbetone(TbWTabelle3)ohneProbenentnahmewirddeutlich,dassessichlohntdieBewertungdesAltbetonsnachTbWaufGrundlagegewonnenerProbendurchzuführen.FürdasBaubestandswerkwarimvorliegen-denFallvoneinemBetonderFestigkeitsklasseB225auszugehen.OhneentsprechendeUntersuchun-genwärengem.TbWinderStufeAdieWertegem.TbWTab.3anzusetzen(fürB225:15,0N/mm²fürdiecharak.Druckfestigkeitbzw.0,6N/mm²fürdiecharak.Zugfestigkeit)undsomitwesentlichkleine-reWertealsdiehiernachTbWStufe„B“ermittelten(27,6/2,4 N/mm²fürPfeiler4gem.Tabelle1).DieLeistungsfähigkeitdesAltbetonswürdealsoohnediedurchgeführtenmaterialtechnischenUnter-suchungendeutlichunterschätzt.


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UnerwartetwurdekritischerChloridgehaltimBereichderBewehrungundauchingrößerenBauteil-tiefenbis90cmangetroffen (vgl.Tabelle2).DementsprechendmussdieVerankerungderVorsatz-schalebeiderweiterenPlanungeinebesondereBeachtungzu teilwerden.Umsicherzustellen,dasskeinechloridinduzierteKorrosionandenVerankerungenderVorsatzschaleundsonstigenBauwerks-ankernauftretenkann,sinddieAnkermiteinemgrößerenRingraumalsüblichherzustellenundmitAbstandshalternlagezusichern.DiedurchgeführtenAnkerzugversuchestellensicher,dassdieVorsatzschale inderweiterenPlanungvertragssichergestaltetundverankertwerdenkann.Versuchsanker:

Stahltyp:BST500Stabdurchmesser:14mmBohrlochdurchmesser:25mmBohrlochneigung:15°nachuntengeneigtVerbundlänge:40cm

DerVerbundzwischenAnkerstabundBohrlochwandwurdeübereinenVergussmörtelgem.„DAfStb-RichtlinieVergussbetonundVergussmörtel“hergestellt.HierbeiwurdederberechneteGrenzwert fürVerbundversagenvon58kNüberschritten,sodassdieersteVorbemessungslastderVorsatzschalenverankerungauchandiesenStellennachgewiesenist.

Tabelle2:ChloridgehaltingrößerenBauwerkstiefen;gelbkritischeWerte>0,5%[1]


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4. AusblickzurweiterenVorgehensweise

Die Ergebnisse aus den materialtechnischen Untersuchungen sowie die festgestellten Anlagendefizite sind ineiner Voruntersuchung zur Grundinstandsetzung des Wehres Geesthacht sowie den Entwurf-HU für dieGrundinstandsetzung der Wehranlage eingeflossen. Die Voruntersuchung ist genehmigt, der Entwurf HU fürdie Grundinstandsetzung der Gesamtanlage ist zur Prüfung und Genehmigung eingereicht. Die wesentlichenEntwurfsinhalte sind exemplarisch für das Wehrfeld 3 im Bild 13 und 14 dargestellt. Bei Durchführung derGrundinstandsetzung wird der bestehende Massivbau durch eine bewehrte Vorsatzschale für die angestrebtelangfristige Nutzung instand gesetzt. Im Anschluss an die bestehende Wehranlage wird ein neues Tosbeckenin Massivbauweise nachgeschaltet. Die geometrische Ausbildung des neuen Tosbeckens wurde durch dieBAW in einer nummerischen Simulation betrachtet und wird derzeit durch die BAW in einem hydraulischenModell im Maßstab 1:20 verifiziert.Die Grundinstandsetzung soll im Schutze von Fangedämmen realisiert werden.

Auf Grundlage des Entwurfes HU werden die weiteren Planungen, Entwürfe AU und Vergabeunterlagen biszur Ausschreibung der Baumaßnahme vorbereitet.

Bild 13: E-HU, Draufsicht Wehrfeld 3 [3]

Hierfür wurden bezüglich der Baugrundsituation Planungsannahmen getroffen und mit dem Baugrundgut-achter unter Berücksichtigung vorliegender Altgutachten abgestimmt.

Diese Vorgehensweise ist hier sinnvoll, da aus der Zeit vor Errichtung der Wehranlage brauchbare Altauf-schlüsse vorliegen. Gleichwohl müssen diese zur Absicherung der abgestimmten Annahmen durch ergän-zende Baugrunderkundungen verifiziert werden und ein vollständiges, vertragssicheres und dem heutigenStand der Technik entsprechendes Baugrundgutachten, auch unter Berücksichtigung von Homogenberei-chen, muss ausgearbeitet werden.


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Bild14:E-HU,LängsschnittWehrfeld3[3]5. Fazit

WiebereitsunterAbschnitt 1ausgeführt,wurdedasWehrGeesthachtursprünglich für einenStau-wasserstandvonNHN+5,65mausgelegtundsollteinVerbindungmiteinemLaufkraftwerkrealisiertwerden.DaderStau imRahmenderPlanfeststellungaufNHN+4,00mfestgelegtwurdeundauch inZukunftkeinLaufkraftwerkzuerwartenist,sinddiedamitverbundenenBetriebsbedingungenbeiderPlanungzurGrundinstandsetzungzuberücksichtigen.DiedurchgeführtenmaterialtechnischenUnter-suchungen sind existentielle Voraussetzung für eine belastbare Grundinstandsetzungsplanung undmüssendaherfrühzeitigineinemInstandsetzungsprojektvorliegen.Besonders hervorzuheben ist hier:

· Mit Entfall des Laufkraftwerkes haben sich die Betriebsbedingungen an der Wehranlage gravierendgeändert. Die erforderliche Anpassung des Tosbeckens ist damit seit Errichtung der Wehranlageüberfällig und muss bei der Grundinstandsetzung berücksichtigt werden.

· Hydrologische Veränderungen sind zu berücksichtigen· Bauliche Verbesserungen sind auch bei Instandsetzungsplanungen wirtschaftlich möglich und sinn-

voll.

6. Quellennachweise

[1] Zustandsuntersuchung und Baustoffgutachten Massivbau zum Wehr Geesthacht (WTM Engineers mit LPI

Ingenieurgesellschaft)[2] Voruntersuchung Grundinstandsetzung Wehr Geesthacht (WSA Lauenburg mit WTM Engineers)[3] Entwurf-HU Grundinstandsetzung Wehr Geesthacht (WSA Lauenburg mit WTM Engineers)


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BesonderheitenbeiderNachrechnungbestehenderWehranlagenDipl.-Ing.MatthiasLutz(BAW)AnnikaKieselM.Sc.(BAW)EinleitungDieStauregelungandenBundeswasserstraßenerfolgtdurchüber300festeundbeweglicheWehran-lagen.SiegewährleistendieSchiffbarkeitdesGewässersunddienenderAbführungvonHochwasser.DieAnlagenweiseneinegroßeVielfaltauf,wasdieAnzahlderWehrfelder,ihreStauhöheunddieArtundAusbildungderVerschlüssebetrifft.VonfestenWehrenüberkleineSchlauchwehremitStauhöhenvonwenigenMeternbishinzugroßen,mehrfeldrigenAnlagenmitStauhöhenvon6-9msinddieun-terschiedlichstenBauwerkevertreten(Bild1).DerBeitragkonzentriertsichaufdenMassivbauvonbeweglichenWehranlagen.

Bild1: ÜberblicküberverschiedeneArtenvonWehranlagen:SchlauchwehrMarklendorf,WehrViereth,RuhrwehrDuisburg(vonlinks)[Quelle:BAWBildarchiv]

EinwirkungenaufWehrpfeilerGemäßDINEN1990(Abschnitt3.2„Bemessungssituationen“)sinddieGrenzzuständederTragfähig-keitundGebrauchstauglichkeitfürverschiedeneBemessungssituationennachzuweisen,wobeijeweilsdiemaßgebendeBemessungssituationzubestimmenist[DINEN1990:2010-12].ObwohlWehrpfeilerzunächst in ihrerhäufigäußerstmassivenAusbildungrechtunspektakulärwir-ken,sindsiekomplexenEinwirkungskombinationenausgesetzt,sodassdieBestimmungmaßgebenderBemessungssituationennichttrivialist.EinigeEinwirkungenhabenmehrereRichtungskomponenten,weshalbnichtdirektersichtlich ist,obsie füreinenNachweiseinengünstigenoderungünstigenEinflusshaben.Liegen inbeidenWehrfel-dern unterschiedliche Verschlüsse und/oder verschiedene Verschlussstellungen vor, führt dies zuunsymmetrischenBelastungssituationen,sodassunterschiedlicheKombinationenverglichenwerdenmüssen.WeitereunsymmetrischeLastsituationenkönnenbeiTrockenlegungeinesWehrfeldesoderbeinurineinemWehrfeldvorhandenenEislastenauftreten.


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AnsatzvonRiss-undPorenwasserdruckEineEinwirkung,die inderVergangenheithäufigvernachlässigtwurde, istderRiss-undPorenwas-serdruck.GemäßDIN19702istbeimassivenBauteilen,dievonWasserberührtwerden,mitRisswas-serdruck inoffenenFugenoderRissensowiePorenwasserdruck imungeschädigtenBetonkörperzurechnen (Bild2).DieBeanspruchungdurch innerenWasserdruck führt zu einerVergrößerungderklaffendenFugebeiunbewehrtenBauteilenbzw.zueinerVergrößerungderZugzonebeiStahlbeton-bauteilen.SiesindzudenBeanspruchungenausäußerenLastenzuaddieren,wobeiinderklaffendenFugevonMauerwerks-oderunbewehrtenBetonbauteilendervollehydrostatischeWasserdruckan-zusetzenist[DIN19702:2013-02].

Bild2: AnsatzvoninneremWasserdruckgemäßDIN19702

DieinDIN19702undergänzendimBAWMerkblatt„BewertungderTragfähigkeitbestehender,mas-siverWasserbauwerke(TbW)“(BAW2016)zurVerfügungstehendenRechenansätzeeignensichfürdieAnwendungaufQuerschnitteunterDruckundeinachsigerBiegung.BeiWehrpfeilernliegenjedochhäufigLastsituationenvor,diezuDruckundzweiachsigerBiegung führen,weshalbweiterführendeÜberlegungen zur Ermittlung der klaffenden Fuge sowie der auftretenden Wasserdruckverteilungnotwendigwerden.DieTiefederklaffendenFugeistiterativinAbhängigkeitderimOberwasserundUnterwasser anstehendenWasserdrücke zu ermitteln. Für einfache Berechnungen können auf dersicherenSeiteliegendeAnnahmengetroffenwerden,wiebeispielsweiseeinKlaffenbiszueinerfikti-venDichtungslinie,dieaufHöhedesVerschlussesverläuft.Es ist jedochzuberücksichtigen,dass jenachNachweisderWasserdruckaufderUnterwasserseitegünstigoderungünstigwirkenkann.Zu-dem istfürdenNachweisderSohlpressungeneineÜberschätzungderFugenklaffungggf.zuungüns-tig.EineMöglichkeit,den innerenWasserdruckrechnergestütztanzusetzen,wirdamBeispieldesRuhr-wehrsDuisburgfürdenLastfallRevisionerläutert.


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DasRuhrwehrregeltdenWasserspiegelderHaltungDuisburgbiszurStaustufeRaffelbergunddientderAbführungdesRuhrhochwassers indenRhein.MitdemBaudesRuhrwehrswurde1942begon-nen.AufgrundkriegsbedingterUnterbrechungenkonntedieAnlageerst1956 fertiggestelltwerden.DieAnlagebesitztvierWehröffnungenmiteinerlichtenWeitevonjeweils30,00m.DieKonstruktionwurdeinnerhalbvonSpundwandkästenflachgegründet.

Bild3:DarstellungdesStrompfeilersmitMaschinenhaus,WehrstegundLagederSpundwände

AlsVerschlusssystemkommt inallenWehrfelderneinDoppelhakenschützmitTrapezkastenalsUn-terschützundhakenförmigemOberschützzumEinsatz.EswurdeeinzweistufigesVorgehenentwickelt,beidemzunächstdieNormalspannungsverteilungimzuuntersuchendenQuerschnittinfolgederäußerenEinwirkungenermitteltwird(Stephan,2016).InAbhängigkeitdieserVerteilungwirdderinnereWasserdruckaufaddiert.IneinemzweitenSchritt,derandieserStellenichtweitererläutertwird,kanndieScherspannungsverteilung inAbhängigkeitderNormalspannungensowiederQuerkräfteVyundVzunddesTorsionsmomentsMTermitteltwerden.AufdieseWeisewirdeinrechnergestützterNachweisgegenGleiteninderArbeits-bzw.Gründungsfu-gemöglich.DieErmittlungderNormalspannungsverteilungbasiertaufderAnnahmeeinesstarrenQuerschnittssowiederVariationderDehnungsebenegemäß[Killing,2014]und[Busjaegeret.al.,1990].DieNor-malkraftNentsprichtdemIntegralderNormalspannungenüberdieQuerschnittsfläche.EntsprechendsinddieBiegemomenteMyundMzwiefolgtdefiniert:

- = ∫ ( , ) - = ∫ ( , ) ⋅

- = −∫ ( , ) ⋅


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Übereinbeliebiges,nichtlinearesMaterialgesetz istdieNormalspannungsverteilungσ(y,z)miteinerzugehörigenDehnungsverteilung ε(y,z) verknüpft.DieDehnung kann beiAnnahme ebenbleibenderQuerschnittefürjedeQuerschnittsstelledurchdiedreiParameterLängsdehnungε0,Verkrümmungumdiey-AchseκyundVerkrümmungumdiez-Achseκzbeschriebenwerden.Diesedefinierendiesoge-nannteDehnungsebene.

Bild4: KomponentenderDehnungsebene[Killing,2014]

DieBerechnungerfolgt iterativ imProgrammsystemMatLab ineinemvon[Stephan,2016]geschrie-benenModul.DieDehnungsebenewirditerativsolangevariiert,bisdieresultierendenSchnittgrößendenzuvorvorgegebenenentsprechen.DieBerechnungerfolgtdiskret ineinemDreiecksnetzmittelsNewton-Verfahren.FürdasRuhrwehrDuisburgergibtsichfürdievorübergehendeBemessungssitua-tion(Revision)zunächstdieinBild5dargestellteNormalspannungsverteilung.

Bild5: NormalspannungsverteilungimQuerschnittausäußerenLasten[kN/m²]

AusderVerteilungdesinnerenWasserdrucksσ*w(y,z)ergebensichzusätzlicheSchnittgrößen,diefürdieNachweisezudenSchnittgrößenausäußerenLastenaddiertwerdenmüssen:

= ∫ ∗ ( , )

, = ∫ ∗ ( , ) ⋅

, = −∫ ∗ ( , ) ⋅ Bei derQuerschnittseingabewerden Stützstellen an denQuerschnittsrändern definiert, für die deranstehendeWasserdruckvorgebebenwird.EntsprechendderVorgabeninDIN19702wirddieVertei-

y

z


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lungdesWasserdruckszwischendenStützstellenlinearüberdieQuerschnittsflächeinterpoliert.DieseAnnahmeentsprichteinemungerissenenQuerschnitt.Das im Beispiel verwendete nichtlineare Materialgesetz basiert auf einer linear-elastischen Span-nungs-Dehnungsbeziehung imDruckbereichsowieeinemvollständigenZugausfall.IndengerissenenBereichenwirdunabhängigderauftretendenRissweitedervollehydrostatischeWasserdruckange-setzt.DieauftretendeFugenklaffungwirddabei iterativberechnet.Mit jedem IterationsschrittwirdunterBerücksichtigung aktuellerWasserdrückedieVerteilungdesWasserdrucks ermittelt (Bild6).Die resultierendeNormalspannungsverteilung unter Berücksichtigung innerenWasserdrucks ist inBild7dargestellt.

Bild6: VerteilungdesinnerenWasserdrucksimQuerschnitt[kN/m²]

Bild7: NormalspannungsverteilungimQuerschnittunterBerücksichtigunginnerenWasserdrucks[kN/m²]

AnsatzvonEisdruckFürdieNachrechnungbestehenderWasserbauwerke imBinnenbereich,dieerfahrungsgemäßkeinerexponierterEisbelastungausgesetztsind,kanndieEinwirkungausEisdrucknachTbWmiteinerhori-zontalenLinienlastvon45kN/mberücksichtigtwerden,währenddieVerwendungderEAUimAllge-meinenhöhereWerteliefert.In der DIN 19702 von 1992 wurden die Angaben zu Eiseinwirkungen am Ende gar verbal abge-schwächt: „NachBeobachtungen sowohl imBinnenland als auch imKüstenbereich sindMassivbau-werkedesWasserbausdurchEinwirkungvonEisbislangnichtnennenswertbeschädigtworden.“

y

z

y

z


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SektorbeiEisführunghochgefahren EisbeihohemWasserstandBild8:EisamWehrGeesthacht.Quelle:WSALauenburg

DagegenwerdendieLastansätzegängigerRegelwerkezurAbschätzungderEislastenamWehrGeest-hacht durch dasmituntermassiveEisaufkommen den tatsächlich vorliegendenVerhältnissen nichtgerecht.BedingtdurchdenTideeinflussimUnterwasseraberauchdurchEisaufschiebungenausdemOberwassertretenhierEisverwerfungenmitEis-bzw.Packeisdickenauf,diemitbiszu2,50mPack-eisdickeweit über denEingangswerten zurBerechnung vonEislasten nach gängigenRegelwerkenliegen:InderEAU(2012)sowiederDIN19704-1wirdimKüstenraumvonEisdickenbisetwa0,8mausgegangen,währendimBinnenbereichgewöhnlich0,3mangesetztwerden.DadieEisdickenebenderEisfestigkeitdermaßgebendeEingangsparameterfürdieGrößederBemes-sungswerte ist,ergebengebräuchlicheLastansätzeunrealistischhoheKräfte,wenndiebeobachtetenEisdickenblindlings indiegängigenBerechnungsformelneingesetztwerden.FürdieErmittlungvonEislastenfürdenMassivbaudesWehrsGeesthachtwurdedahereinAnsatzzurDiskussiongestellt,derdavonausgeht,dassdieFestigkeitenmächtigerPackeislagengeringeralsdiedesKerneisessindunddieBemessungskräftedamitnichtimselbenMaßmitderDickeansteigen.Bild9zeigteinengrafischenVergleichderhorizontalenBemessungslasten,diesichunterVerwendungdurchschnittlicherEingangsparameternachEAU (2012)unterVerwendungderVorgaben fürbreiteBauwerkeunddenAngabennachTbWundDIN19704-1abhängigvondenEisdickenergeben.DarüberhinauskannesamWehrGeesthachtbeistarkerEisfrachtabhängigvonderWasserführungzuEisständen imOber-oderUnterwasserkommen,wobeiEisbarrierenmitQuerschnittseinschränkun-genverbundenmiteinemAnstiegdesOberwasserspiegelsmöglichsind.Werden indiesemFallgrößereMengenvonEisschollenandenPfeilernangestautundbildendieseeineBarriere,istdieÜbertragungvonKräftenzuberücksichtigen,dieüberdieWerteeinermaximalenEisdickevon2,50mhinausgehen.


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Bild9: UnterschiedlicheEislastansätzeabhängigvonderEisdickealsLinienlastdargestellt

InsgesamtstelltderAnsatz fürdenMassivbau imBereichderWehrsohleausreichendReservenbisübereinfiktivesVersagendesVerschlusseshinaussicherundberücksichtigtdasimGegensatzzudenStahlwasserbaukonstruktionenweitgehendstarreBauteilverhalten.LiteraturBAW (2016):BAWMerkblatt „BewertungderTragfähigkeitbestehender,massiverWasserbauwerke

(TbW)“,AusgabeJuli2016.Busjaeger,D.etal.(1990):ProgrammgesteuerteBerechnungbeliebigerMassivbauquerschnitteunter

zweiachsigerBiegungmitLängskraft (ProgrammMASQUE). [Buchverf.]DeutscherAusschuss fürStahlbeton.Heft415.Berlin:BeuthVerlagGmbH,1990.

DIN19702:2013-02:MassivbauwerkeimWasserbau–Tragfähigkeit,GebrauchstauglichkeitundDau-erhaftigkeit.NormenausschussWasserwesenimDIN.BeuthVerlag,Berlin.

DINEN1990:2010-12:Eurocode:GrundlagenderTragwerksplanung.NormenausschussBauwesenimDIN.BeuthVerlag,Berlin.

Killing,L.(2014):NormalspannungsberechnunganallgemeinenQuerschnittenunterBerücksichtigungbeliebigernichtlinearerMaterialgesetze.Wuppertal:Masterarbeit,BergischeUniversitätWupper-tal,LuFGBaumechanikundNumerischeMethoden,2014.

Stephan,C.(2016):EinflussdesTorsionsmomentsaufdieScherspannungsverteilung,unveröffentlichtEAU (2012): Empfehlungen des Arbeitsausschusses „Ufereinfassungen“ Häfen und Wasserstraßen

EAU2012,Ernst&Sohn,2012DIN 19704-1: 2014-11: Stahlwasserbauten –Teil 1: Berechnungsgrundlagen im DIN. Beuth Verlag,

Berlin.Schuh,A.(2011):EishochwasseranOderundElbeaushistorischenundmeteorologischenGesichts-

punktenundimHinblickaufmöglicheGefährdungen.Dissertation.


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Carstensen,D.(2007):EisimWasserbau–Theorie,Erscheinungen,Bemessungsgrößen,Wasserbauli-cheMitteilungen,Heft37,2007

Lattermann,E.(2007):Wasserbau–PraxismitBerechnungsbeispielen,3.Auflage2010.BauwerkVer-lag

Hager,M.(2001):Eisdruck.In:Grundbau-TaschenbuchTeil1,6.Auflage2001.Ernst&Sohn


Notizen

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