Brcken- und Ingenieurbau Heft B 78

Berichte derBundesanstalt fr Straenwesen

Bemessung vonWellstahlbauwerken

Bemessung vonWellstahlbauwerken

Vergleich nach den bisherigenund den neuen Richtlinien

von

Ulrike KuhlmannHans-Peter Gnther

Wolfgang Krauss

Ingenieurbro fr Stahlbau und SchweitechnikBrogemeinschaft Kuhlmann Gerold Gnther Eisele

Ostfildern

Berichte derBundesanstalt fr Straenwesen

SachstandVerstrkungsverfahren

Verstrkenvon Betonbrcken im

Bestand

Brcken- und Ingenieurbau Heft B 75

von

Martina Schnellenbach-HeldMichael Peeters

Frank Scherbaum

Universitt Duisburg-EssenFakultt Ingenieurwissenschaften

Institut fr Massivbau

Umschlag B 75 10.03.1907, 21:22 Uhr2

Brcken- und Ingenieurbau Heft B 78

Berichte derBundesanstalt fr Straenwesen

Die Bundesanstalt fr Straenwesenverffentlicht ihre Arbeits- und Forschungsergebnissein der Schriftenreihe Berichte derBundesanstalt fr Straenwesen. Die Reihebesteht aus folgenden Unterreihen:

A - AllgemeinesB - Brcken- und IngenieurbauF - FahrzeugtechnikM - Mensch und SicherheitS - StraenbauV - Verkehrstechnik

Es wird darauf hingewiesen, dass die unterdem Namen der Verfasser verffentlichtenBerichte nicht in jedem Fall die Ansicht desHerausgebers wiedergeben.

Nachdruck und photomechanische Wiedergabe,auch auszugsweise, nur mit Genehmigungder Bundesanstalt fr Straenwesen,Stabsstelle Presse und ffentlichkeitsarbeit.

Die Hefte der Schriftenreihe Berichte derBundesanstalt fr Straenwesen knnendirekt beim Wirtschaftsverlag NW,Verlag fr neue Wissenschaft GmbH,Bgm.-Smidt-Str. 74-76,D-27568 Bremerhaven,Telefon: (04 71) 9 45 44 - 0, bezogen werden.

ber die Forschungsergebnisse und ihreVerffentlichungen wird in Kurzform imInformationsdienst Forschung kompakt berichtet.Dieser Dienst wird kostenlos abgegeben;Interessenten wenden sich bitte an dieBundesanstalt fr Straenwesen,Stabsstelle Presse und ffentlichkeitsarbeit.

ImpressumBericht zum ForschungsprojektFE 15.462/2008/FRB: Vergleichende Berechnung von Wellstahlbauwerkennach den bisherigen und neuen Bemessungsrichtlinien

ProjektbetreuungJrgen BlosfeldThomas Mayer

HerausgeberBundesanstalt fr StraenwesenBrderstrae 53, D-51427 Bergisch GladbachTelefon: (0 22 04) 43 - 0Telefax: (0 22 04) 43 - 674

RedaktionStabsstelle Presse und ffentlichkeitsarbeit

Druck und VerlagWirtschaftsverlag NWVerlag fr neue Wissenschaft GmbHPostfach 10 11 10, D-27511 BremerhavenTelefon: (04 71) 9 45 44 - 0Telefax: (04 71) 9 45 44 77Email: vertrieb@nw-verlag.deInternet: www.nw-verlag.de

ISSN 0943-9293ISBN 978-3-86918-135-6

Bergisch Gladbach, Mai 2011

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Kurzfassung Abstract

Bemessung von Wellstahlbauwerken

Bei Wellstahlbauwerken handelt es sich um wirt-schaftliche und dauerhafte Ingenieurbauwerke fr die Unterfhrung von Verkehrswegen, die sich seit Jahrzehnten in der Anwendung bewhrt haben. Hierbei werden wellprofilierte biegeweiche Stahl-rohre in den Boden eingebettet und als Unterfh-rungsbauwerke benutzt. Die Lastabtragung der eingebetteten biegeweichen Stahlrohre basiert auf einer Interaktion der Rohrschale mit dem umge-benden Boden und erfolgt deshalb hauptschlich in Ringrichtung.

Die Bemessung von Wellstahlbauwerken erfolgt in Deutschland derzeit gem den Allgemeinen Rundschreiben Straenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998. Die darin aufgefhrten Bemessungs-regeln stammen aus den 70iger Jahren und basie-ren auf der Verffentlichung (KLPPEL & GLOCK, 1970). Diese Bemessungsregeln beruhen jedoch noch auf dem damals blichen Globalsicherheits-konzepts fr die Nachweisfhrung und gengen nicht mehr den Anforderungen der neuen europi-schen Normengenerationen deren Sicherheitsphi-losophie auf dem Teilsicherheitskonzept beruht.

Im Zuge der nationalen Einfhrung der europi-schen Bemessungsnormen (Eurocodes) im Stra-enbau in Form der DIN-Fachberichte werden der-zeit auch die bestehenden Bemessungsrichtlinien fr Wellstahlbauwerke berarbeitet und sollen zu-knftig in die Zustzlichen Technischen Vertrags-bedingungen und Richtlinien fr Ingenieurbauten (ZTV-ING, Teil 9, Abschnitt 4) aufgenommen wer-den. Neben allgemeinen nderungen und Anpas-sungen der Einwirkungen wird bei der berarbei-tung hinsichtlich der Bemessung hauptschlich die Umstellung der Nachweise vom Globalsicherheits-konzept auf das Teilsicherheitskonzept vollzogen. Durch diese berarbeitung der bestehenden Richt-linien fr Wellstahlbauwerke werden im Hinblick auf die Bemessung von Wellstahlbauwerken we-sentliche nderungen herbeigefhrt, die eine ge-nauere Betrachtung und ggf. Anpassung der Be-messungsrichtlinien erfordern.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde daher auf Grundlage von vergleichenden Betrach-tungen die Anwendung der neuen Bemessungs-richtlinien fr Wellstahlbauwerke erprobt, sowie das vorliegende Sicherheitsniveau im Vergleich zu den bisher bestehenden Bemessungsrichtlinien fr Wellstahlbauwerke berprft.

Der Schwerpunkt der durchgefhrten Untersu-chungen lag daher auf der Durchfhrung von um-

fangreichen Vergleichsberechnungen an unter-schiedlichen Einbausituationen von Wellstahlbau-werken, anhand derer die Auswirkungen der Re-gelwerksumstellung aufgezeigt wurden. Ergnzend zu diesen Vergleichsberechnungen wurden sepa-rate Untersuchungen zum Nachweis der Schrau-benverbindung und zum Nachweis am Schrg-schnitt durchgefhrt. Ferner wurde in Form von Stabwerksberechnungen nach Theorie II. Ordnung noch das Stabilitts- und Beanspruchungsverhal-ten von Wellstahlbauwerken mit groen Spannwei-ten untersucht.

Auf Grundlage der durchgefhrten Untersuchun-gen und Vergleichsberechungen konnten fr Well-bauwerke nachfolgende wesentliche Erkenntnisse und Empfehlungen fr die weitere berarbeitung des Regelwerks abgeleitet werden:

Mit Ausnahme des Nachweises Durchschlagen des Bauwerksscheitel fr h/s < 0,7 fhrt die vorgenommen Umstellung des Nachweiskon-zepts zu keinen wesentlichen nderungen des Sicherheitsniveaus. Fr diesen Nachweis wird empfohlen, auch zuknftig das hhere Sicher-heitsniveau fr gedrungene Querschnittsformen mit h/s < 0,7 aufrecht zu erhalten.

Die Anpassung bzw. Erhhung der Verkehrs-last von 45 kN/m2 auf 65 kN/m2 fhrt mit Aus-nahme des Nachweises Grundbruch im Schei-tel lediglich zu einer effektiven Vergrerung der Beanspruchung von max. 13%. Dies be-grndet sich in erster Linie durch den Wegfall des Schwingbeiwertes im neuen Regelwerk.

Bezglich der Schraubenverbindung wird emp-fohlen, die Festlegung der Tragfhigkeit gem den europisch harmonisierten Regeln in DIN EN 1990:2002 durchzufhren.

Beim Nachweis Grundbruch im Scheitel kommt es infolge der Umstellung des Regel-werks zu greren nderungen des Sicher-heitsniveaus, das in erster Linie das Ergebnis der Nachweisfhrung selbst und der Lastan-passung ist. Will man wie bei allen anderen Nachweisen, das bestehende Sicherheitsni-veau beim bergang vom alten ins neue Re-gelwerk weitestgehend aufrecht erhalten, so sind weitere Manahmen erforderlich.

Es wird empfohlen den im alten Regelwerk festgelegten Anwendungsbereich bzgl. der Spannweite und der berdeckung auch im neuen Regelwerk bei zu behalten.

4

Design of corrugated steel culverts

Corrugated steel culverts have been approved to be economic and durable steel structures for the undercrossing of roads and highways during the last decades of years. Corrugated steel culverts are built up from corrugated steel elements em-bedded in the earth and used for several types of underground crossings. Their load carrying behav-iour is characterized by an interaction of the flexi-ble steel culvert with the surrounding soil material.

In Germany, the design of corrugated steel culverts is currently regulated by the Allgemeinen Rund-schreiben Straenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998, published by the Federal Ministry of Transportation. The design rules included in these documents go back to the 1970th and are based on the publication of (KLPPEL & GLOCK, 1970). These rules are based on the formerly used so called global safety concept, which is not in line with the basis of design as given in the European harmonized structural codes that comprises a safe-ty concept which uses partial safety factors.

Within the implementation process of the common European structural codes (Eurocodes) for high-way bridges, in form of the so called DIN-Fachberichte, it is intended by the Federal High-way Research Institute to adapt also the design rules for corrugated steel culverts to the general requirements given in these structural Eurocodes and to publish them by the Zustzlichen Tech-nischen Vertragsbedingungen und Richtlinien fr Ingenieurbauten (ZTV-ING, Teil 9, Abschnitt 4). The revision of the existing design rules for corru-gated steel culverts towards the harmonized Euro-pean requirements primarily comprises a change of the design rules by an implementation of the partial safety concept instead of the old global safety concept and additionally the adaption of the traffic loads acting on the culverts. Through this re-vision the existing design rules for corrugated steel culverts undergo several major modifications, which require a more detailed investigation of the whole revision in order the point out and highlight possible changes of the overall safety level.

The research work documented in this document therefore focus on a complete check of the modifi-cations which were done through the revision of the design rules for corrugated steel culverts.

In order to do so, the research work comprise ex-tensive comparative calculations for different built in corrugated steel culverts with the aim to demon-strate and point out the final impact as a result of the adaption of the design rules. In addition to the-ses comparative calculations, investigations on the

bolt connection and the verification at the inclined side-cut of the culverts are included. Moreover, se-cond order analysis based on a typical framework software have been performed in order to check the stability of the pipes crown and to the get an impression on the overall stress behaviour in the culvert during backfilling and under the design loads.

Based on these investigations, the following find-ings and recommendations could be drawn which might be considered for the review of the design rules for corrugated steel culverts:

Except of the stability limit state at the pipes crown for h/s < 0.7, the change of the overall design concept towards the state of the art par-tial safety concept indicated no significant changes within the overall safety level. For this limit state it is therefore recommended to keep the higher safety requirements for h/s < 0.7 as given in the old design recommendations, be-cause of the absence of more details investiga-tions on this subject.

The implementation of the new traffic load, characterized by an increase from 45 kN/m2 as originally used, towards 65 kN/m2 results only in an effective rise of the total stress of max. 13%. This moderate increase is a result of the disap-pearance of the dynamic amplification factor in the new traffic load standard.

With regard to the limit state of the bolt connec-tions, it is recommended to determine the resis-tance value for the bolt connection based on the procedure given in the harmonized Euro-code EN 1990:2002.

For the soil failure limit state at the pipes crown the revision of the design recommendations lead to a significant change within the safety level. This is primarily a result of the general verification procedure itself and the rise of the traffic loads. Further revision is therefore rec-ommend in order to maintain the overall safety level as originally intended.

Because of the lack of more detailed investiga-tions and the increasing total stress in the steel culverts for higher span length and under high cover it is recommended to keep the range of application as given in the old version, which proved to give a sufficient level of safety during the last decades.

5

Inhalt 1 Einleitung ................................................... 7 1.1 Allgemeines................................................. 7 1.2 Problemstellung und Zielsetzung................ 7 1.3 Vorgehensweise und Grundlagen............... 7 2 Wellstahlbauwerke und deren

Tragverhalten............................................. 8 2.1 Wellstahlbauwerke ...................................... 8 2.1.1 Begriffsdefinition und Einsatzbereiche........ 8 2.1.2 Wellung ....................................................... 8 2.1.3 Querschnitt .................................................. 8 2.2 Tragverhalten .............................................. 9 2.2.1 Tragwirkung................................................. 9 2.2.2 Traglastgrenzen ........................................ 10 2.2.3 Durchschlagen des Bauwerksscheitels..... 11 2.2.4 Versagen der Schraubenverbindung ........ 13 2.2.5 Biegebruch beim Hinterfllen .................... 13 2.2.6 Grundbruch im Scheitelbereich................. 14 2.2.7 Grundbruch im Sohlbereich ...................... 17 2.3 Zuordnung des Tragverhaltens zu

Querschnittsformen................................... 18 3 Bemessung von Wellstahlbauwerken... 18 3.1 Regelwerkssituation .................................. 18 3.2 Sicherheitskonzept .................................... 18 3.2.1 Globalsicherheitskonzept .......................... 18 3.2.2 Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte ......... 19 3.2.3 Anpassung des Sicherheitskonzeptsbei

der Bemessung von Wellstahlbauwerken. 20 3.3 Einwirkungen / Lastannahmen.................. 20 3.3.1 Einleitung................................................... 20 3.3.2 Verkehrslasten nach DIN 1072:1985

(Altes Regelwerk) ...................................... 20 3.3.3 Verkehrslasten nach DIN-Fach-

bericht 101:2009 (Neues Regelwerk)........ 21 3.3.4 Stndige Einwirkung aus der

berdeckung ............................................. 22 3.3.5 Scheiteldruck............................................. 22 3.3.6 Vergleich der Einwirkungen/

Lastannahmen........................................... 23 3.4 nderungen der Bemessung .................... 24 3.4.1 Einleitung................................................... 24 3.4.2 Anwendungsgrenze................................... 24 3.4.3 Werkstoff / Streckgrenze der

Stahlblechelemente................................... 24 3.4.4 Durchschlagen des Bauwerksscheitels..... 25 3.4.5 Bruch der Schraubenverbindung .............. 25 3.4.6 Biegebruch beim Hinterfllen .................... 26 3.4.7 Grundbruch im Scheitelbereich................. 27

3.4.8 Grundbruchnachweise im Sohlbereich ......29 3.5 Konstruktive nderungen...........................29 3.5.1 Mindestberdeckung h.min.........................29 3.5.2 Mindestblechdicke tmin................................30 4 Vergleichende Berechnungen an

Wellstahlbauwerken ................................30 4.1 Einleitung ...................................................30 4.2 Auswahl des Parameterfeldes ...................30 4.2.1 Parameter ..................................................30 4.2.2 Voruntersuchungen....................................30 4.2.3 Festlegung des Parameterbereichs...........31 4.3 Vergleichsvarianten, Vergleichskenn-

gren und Berechnungsannahmen .........33 4.3.1 Vergleichsvarianten ...................................33 4.3.2 Vergleichskenngre .................................33 4.3.3 Berechnungsannahmen.............................33 4.4 Allgemeingltige Vergleichs-

betrachtungen ............................................34 4.4.1 Allgemein ...................................................34 4.4.2 Vergleich der Berechnungsvarianten

Alt mit Neu.............................................35 4.4.3 Vergleich der Berechnungsvarianten

AN mit Neu............................................36 4.5 Berechnungsergebnisse ............................37 4.5.1 Allgemeines ...............................................37 4.5.2 Ergebnisse des Standardbeispiels ............37 4.5.3 Einfluss der nderung der

Mindestblechdicke .....................................39 4.5.4 Durchschlagen des Bauwerksscheitels .....40 4.5.5 Bruch der Schraubenverbindung ...............41 4.5.6 Biegebruch beim Hinterfllen.....................41 4.5.7 Grundbruch im Scheitelbereich .................41 4.5.8 Grundbruch im Sohlbereich .......................44 4.5.9 Zusammenfassung der

Vergleichsberechnungen ...........................44 5 Nachweis der Schraubenverbindung ....47 5.1 Einleitung ...................................................47 5.2 Schraubenverbindungen bei

Wellstahlbauwerken...................................47 5.2.1 Schraubenbild ............................................47 5.2.2 Schraubenverbindung, -garnitur und

-werkstoff....................................................47 5.3 Tragfhigkeit und Bemessung von

Schraubenverbindungen............................48 5.3.1 Tragfhigkeit von Schrauben-

verbindungen .............................................48 5.3.2 Bemessung nach DIN EN 1993-1-8

(Eurocode 3 Teil 1-8) .................................48 5.4 Statistische Auswerteverfahren nach

DIN EN 1990..............................................49

6

5.4.1 Allgemeines............................................... 49 5.4.2 Statistische Bestimmung einer

einzelnen Eigenschaft ............................... 49 5.4.3 Statistische Bestimmung eines

Widerstandsmodells .................................. 50 5.5 Versuchsergebnisse zur

Schraubentragfhigkeit ............................. 50 5.5.1 Allgemeines............................................... 50 5.5.2 Versuchskrper, Versuchsaufbau und

Versuchsparameter ................................... 50 5.5.3 Versuchsergebnisse.................................. 51 5.6 Auswertung der Versuchsergebnisse

nach altem Regelwerk............................... 53 5.7 Auswertung der Versuchsergebnisse

nach DIN EN 1990 .................................... 53 5.7.1 Allgemeines............................................... 53 5.7.2 Statistische Auswertung: Bestimmung

einer Einzeleigenschaft ............................. 53 5.7.3 Statistische Auswertung: Bestimmung

eines Widerstandsmodells ........................ 55 5.8 Auswirkungen der Ergebnisse auf die

Bemessung................................................ 56 5.9 Zusammenfassung Auswertung

Schraubenversuche .................................. 57 6 Nachweis am Schrgschnitt................... 58 6.1 Einleitung................................................... 58 6.2 Bemessung der Schrgschnitte nach

Regelwerk.................................................. 58 6.3 Nachweisverfahren in der Praxis............... 58 6.3.1 Allgemeines............................................... 58 6.3.2 Nachweis am Schrgschnitt nach

(GLOCK, 1974).......................................... 58 6.3.3 Nachweis am Schrgschnitt nach

(FEDER, 1984) .......................................... 59 6.4 Vergleich der bestehenden

Nachweisverfahren.................................... 60 6.5 Ergebnisse................................................. 61 7 Stabwerksberechnungen........................ 61 7.1 Einleitung / Anlass..................................... 61 7.2 Modellierung.............................................. 62 7.3 Lastannahmen und Lagerung ................... 62 7.3.1 Belastungen beim Hinterfllen .................. 62 7.3.2 Belastungen aus berdeckung und

Verkehr ...................................................... 62 7.4 Berechnungsverfahren und optionen ...... 63 7.4.1 Berechnungen beim Hinterfllen............... 63 7.4.2 Stabilittsnachweis.................................... 63 7.5 berprfung des Berechnungsmodells..... 63 7.5.1 Verformungen und Beanspruchungen

beim Hinterfllen........................................ 63 7.5.2 Verzweigungslasten .................................. 64

7.6 Untersuchungen am Maulprofil MA8 (Standardbeispiel) ......................................65

7.6.1 Allgemeines................................................65 7.6.2 Berechnungsergebnisse ............................65 7.7 Untersuchungen am flachen Maul-

profil MB24 .................................................67 7.7.1 Allgemeines................................................67 7.7.2 Berechnungsergebnisse ............................67 7.8 Untersuchungen am Unterfhrungs-

profil UH35 .................................................69 7.8.1 Allgemeines................................................69 7.8.2 Berechnungsergebnisse ............................69 7.9 Zusammenfassung der Ergebnisse ...........71 8 Zusammenfassung und Ausblick...........72 8.1 Allgemeines................................................72 8.2 Ergebnisse der Vergleichsberechungen....72 8.3 Empfehlung fr die weitere ber-

arbeitung des Regelwerks .........................76 8.4 Schlussbemerkung und Ausblick ...............77 9 Literatur.....................................................77 9.1 Normen und Richtlinien..............................77 9.2 Verffentlichungen .....................................78 10 Danksagung..............................................79 Anhang 1 .............................................................80 Zusammenstellung Vergleichsberechnungen 80 Anhang 2 .............................................................95 Berechnungsbeispiel Standardprofil MA8.......95 Schriftenverzeichnis ...108

7

1 Einleitung

1.1 Allgemeines

Bei Wellstahlbauwerken handelt es sich um sehr wirtschaftliche und dauerhafte Ingenieurbauwerke fr die Unterfhrung von Verkehrswegen, vgl. Bild 1, die sich seit Jahrzehnten in der Anwendung be-whrt haben. Hierbei werden wellprofilierte biege-weiche Stahlrohre in den Boden eingebettet und als Unterfhrungsbauwerke oder Durchlsse fr typische Straenverkehrswege benutzt. Die Last-abtragung der eingebetteten biegeweichen Stahl-rohre basiert auf einer Interaktion der Rohrschale mit dem umgebenden Boden und erfolgt deshalb hauptschlich in Ringrichtung.

Die Bemessung von Wellstahlbauwerken erfolgt in Deutschland derzeit gem den Allgemeinen Rundschreiben Straenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998. Die darin aufgefhrten Bemessungs-regeln stammen aus den 70iger Jahren und basie-ren auf der Verffentlichung (KLPPEL & GLOCK, 1970). Diese, in den ARS vorgenommene Aufbe-reitung der in (KLPPEL & GLOCK, 1970) doku-mentierten Untersuchungen erlauben eine einfa-che Bemessung und Anwendung der Bauweise auch von Firmen und Tragwerksplanern, die ber keine Spezialkenntnisse im Bereich der Bodenme-chanik und der Schalentragtheorie verfgen. Die Bemessungshilfen beruhen jedoch auf experimen-tellen und theoretischen Untersuchungen aus den 70iger Jahren unter Anwendung des damals noch blichen Globalsicherheitskonzepts sowohl fr die Nachweisfhrung im Stahlbau als auch im Grund-bau und gengen nicht mehr den Anforderungen der neuen europischen Normengenerationen de-ren Sicherheitsphilosophie auf dem Teilsicher-heitskonzept beruht.

Im Zuge der nationalen Einfhrung der europi-schen Bemessungsnormen (Eurocodes) im Stra-enbau in Form der DIN-Fachberichte werden der-zeit auch die bestehenden Bemessungsrichtlinien fr Wellstahlbauwerke berarbeitet und sollen zu-knftig in die Zustzlichen Technischen Vertrags-bedingungen und Richtlinien fr Ingenieurbauten ZTV-ING, Teil 9, Abschnitt 4 aufgenommen wer-den. Die berarbeitung der Bemessungsrichtlinien fr Wellstahlbauwerke wird daher seit dem Jahr 2007 durch die Arbeitsgruppe BASt-AG 2.1.1 Wellstahlbauwerke vorgenommen. Neben allge-meinen nderungen und Anpassungen der Einwir-kungen wird im Rahmen der berarbeitung hin-sichtlich der Bemessung hauptschlich die Umstel-lung der Nachweise vom Globalsicherheitskonzept auf das Teilsicherheitskonzept vollzogen.

Bild 1. Typisches Wellstahlbauwerk als Verkehrswegunter-

fhrung

1.2 Problemstellung und Zielsetzung

Durch die berarbeitung der bestehenden Richtli-nien fr Wellstahlbauwerke durch die BASt-AG 2.1.1 werden im Hinblick auf die Bemessung von Wellstahlbauwerken wesentliche nderungen herbeigefhrt, die eine genauere Betrachtung und ggf. Anpassung der Bemessungsrichtlinien erfor-dern. Ziel der Untersuchungen ist es daher, durch vergleichende Betrachtungen und Berechnungen die Anwendung der neuen Bemessungsrichtlinien fr Wellstahlbauwerke zu erproben sowie das da-bei vorliegende Sicherheitsniveau im Vergleich zu den bisher bestehenden Bemessungsrichtlinien fr Wellstahlbauwerke festzustellen, dabei auftretende Fragen bezglich der Anwendung der neuen Re-geln zu klren und auf Grundlage dieser Untersu-chungen Vorschlge auszuarbeiten, um bei wei-testgehend gleichbleibendem Sicherheitsniveau im Rahmen der neuen Bemessungsrichtlinien auch zuknftig wirtschaftliche Wellstahlbauwerke be-messen und bauen zu knnen.

Das durchgefhrte Forschungsvorhaben wurde vom Bundesministerium fr Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), vertreten durch die Bundesanstalt fr Straenwesen (BASt), beauf-tragt.

1.3 Vorgehensweise und Grundlagen

Zur Beurteilung und Darstellung der Vernderun-gen durch die Anpassung der neuen Bemessungs-richtlinien fr Wellstahlbauwerke wird zunchst in Kapitel 2 das allgemeine Tragverhalten von bie-geweichen in den Boden eingebetteten Wellstahl-rohre aufgezeigt. In Kapitel 3 werden die beste-

8

henden und zuknftigen Bemessungsrichtlinien gegenbergestellt und verglichen. Im Anschluss daran werden in Kapitel 4 fr ein festgelegtes Pa-rameterfeld aus 59 unterschiedlichen Wellstahl-bauwerken allgemeine Vergleichsberechnungen durchgefhrt sowie deren Ergebnisse und Ursa-chen dargelegt. Daran anschlieend werden in den Kapiteln 5 6 zu speziellen Themen: Schrau-benverbindungen und Schrgschnitte weitere Sonderbetrachtungen vorgenommen. In Kapitel 7 werden schlielich an Hand von einfachen Stab-werksberechnungen ergnzende Untersuchungen zur allgemeinen Beanspruchungssituation von Wellstahlbauwerken sowie zur Stabilitt durchge-fhrt. Kapitel 8 fasst die Ergebnisse zusammen und schliet mit einem Ausblick.

Im Anhang 1 zum Bericht sind die Ergebnisse der Vergleichsberechnungen des Kapitels 4 im Detail zusammengestellt. Im Anhang 2 zum Bericht sind exemplarisch fr ein konkretes Anwendungsbei-spiel die einzelnen Nachweise bei der Bemessung von Wellstahlbauwerken gem den bestehenden Richtlinien und zuknftigen Richtlinien aufgezeigt.

Smtliche im Rahmen dieses Berichts durchge-fhrten Berechnungen und Untersuchungen basie-ren auf nachfolgenden Regelwerken:

Altes Regelwerk: ARS 20/97, ARS 12/98 und (KLPPEL & GLOCK, 1970)

Neues Regelwerk: Entwurf ZTV-ING, Teil 9, Abschnitt 4 vom 04.11.2009 inklusive Entwurf Anhang A zu ZTV-ING Teil 9-4 vom 28.10.2009 ausgearbei-tet von der BASt-AG 2.1.1

Alle in diesem Bericht gewhlten Begriffsbestim-mungen und Bezeichnungen orientieren sich am neuen Regelwerk.

2 Wellstahlbauwerke und deren

Tragverhalten

2.1 Wellstahlbauwerke

2.1.1 Begriffsdefinition und Einsatzbereiche

Wellstahlbauwerke sind biegeweiche, sthlerne in den Boden eingebettete Bauwerke. Sie werden aus gewellten und korrosionsgeschtzten Stahl-blechelementen auf der Baustelle zu verschiede-nen Querschnittsprofilen in Lngs- und Umfang-richtung verschraubt und danach in verdichtungs-fhigen Boden eingebettet.

Wellstahlbauwerke werden hauptschlich im Stra-en-, Brcken-, und Wasserbau fr die Unterfh-rung von Fugngerwegen, Bchen, Flssen oder Wilddurchlssen eingesetzt.

2.1.2 Wellung

Die Herstellung der einzelnen Stahlblechelemente erfolgt im Werk durch Kaltumformung ebener Stahlbleche in die in Bild 2 dargestellte Standard-Wellung 200 x 55 mit einer Wellenlnge von 200 mm, einem Stich von 55 mm und einem inne-ren Biegeradius von 53 mm. Als Werkstoffe kom-men in aller Regel unlegierte Bausthle der Stahl-sorte S235JR gem DIN EN 10025 zur Anwen-dung. Die Blechdicke variiert im Bereich von t = 2,75 mm 7,0 mm. In Einzelfllen ist auch eine maximale Blechdicke von t = 8 mm mglich. Tab. 1 enthlt fr eine Auswahl von typischen Blechdi-cken eine Zusammenstellung der magebenden statischen Querschnittskennwerte.

2.1.3 Querschnitt

Bei Wellstahlbauwerken unterscheidet man je nach Anwendungs- und Einsatzgebiet nachfolgende fnf Querschnitte, vgl. auch Bild 3:

Kreisprofil

Maulprofil

Unterfhrungsprofil

Ellipsenprofil und

Bogenprofil.

Die wesentlichen Kenngren fr den praktischen Einsatz sind die Spannweite s und die Hhe h. Bei den Maul- und Unterfhrungsprofilen wird im All-gemeinen noch zwischen einer flachen und einer hohen Querschnittsform unterschieden.

Bild 2. Querschnittsprofil der Standard-Wellung 200 x 55

9

Blech-dicke

t [mm]

Quer-schnitts-

flche A [cm2/m]

Trg- heits-

moment I [cm4/m]

Wider-stands-moment

W [cm3/m]

Biege- steifig

keit EI [kNm2/m]

2,75 32,48 124,14 43,05 260,69

3,25 38,40 147,10 50,54 308,91

4,00 47,29 181,89 61,66 381,91

4,75 56,18 217,08 72,66 455,97

5,50 65,09 252,68 83,53 530,63

6,25 74,00 288,69 94,28 606,25

7,00 82,93 325,10 104,90 682,71

8,00 94,72 368,72 117,05 774,40

Tab. 1. Statische Kenngren der Standard-Wellung 200 x 55 fr Wellstahlbauwerke

s s

h

Kreisprofil Maulprofil

r1

r1

r2 r3

1

s

h

Unterfhrungsprofil

r2 r3

1

r1 1

s

h

Bogenprofil

s

Ellipsenprofil

r1

h r1

r2

Bild 3. Typische Querschnitte von Wellstahlbauwerken

2.2 Tragverhalten

2.2.1 Tragwirkung

Umfangreiche Untersuchungen zum Tragverhalten von Wellstahlbauwerken sind u.a. in (KLPPEL & GLOCK, 1970), (WINDELS, 1966), (GLOCK, 1971), (FEDER, 1984) (SCHWINN, 1967), (FE-DER, 1971), (KIENBERGER, 1975) und (SATT-

LER, 1984) dokumentiert. Nachfolgend wird das grundlegende Tragverhalten kurz zusammenge-fasst.

Die Lastabtragung eines in den Boden eingebette-ten Rohres erfolgt hauptschlich in Ringrichtung. Durch die Wellung der Rohrwandung wird diese Eigenschaft noch verstrkt. Die Lastabtragung in Rohrlngsrichtung kann deshalb im Allgemeinen vernachlssigt werden. Es reicht daher i.d.R. aus, das Rohr als in den Boden eingebetteten Ring-streifen zu betrachten.

Nach der Montage, d.h. dem Verschrauben der einzelnen Fertigteilelemente zum Wellstahlrohr er-folgt das lagenweise Einbringen und Verdichten des Rohres mit dem Hinterfllmaterial. Beim Hin-terfllen mssen die in diesem Lastzustand im Wesentlichen horizontal wirkenden Erddrcke ber den nur geringen Biegewiderstand des Rohres ab-getragen werden. Bereits in diesem Stadium ent-stehen dadurch groe Biegemomente in der Rohr-schale sowie groe Verformungen. Bild 4 zeigt beispielhaft die Gesamtverformung und Gesamtbe-lastung eines bis zum Scheitel hinterfllten Maul-profils.

Nachdem das Rohr vollstndig in den Boden ein-gebettet ist, kann die fr diese Bauweise typische Lastabtragung erfolgen. Die geringe Biegesteifig-keit, die das Rohr ohne magebenden Boden als Tragwerk fr die vertikale Belastung ungeeignet erscheinen lsst, ist fr das Zusammenwirken des eingebetteten Rohres mit dem umgebenden Bo-den von groer Bedeutung. Die unter vertikaler Auflast entstehenden Radialverschiebungen sind im Scheitelbereich nach innen, und an den Seiten sowie am Sohlbereich nach auen gerichtet. Der

Bild 4. Verformungen, Belastung und Erdreaktionsdrcke ei-

nes bis zum Scheitel hinterfllten Maulprofils gem (KLPPEL & GLOCK, 1970)

10

ber dem Rohrscheitel liegende Boden folgt dem nachgiebigen Scheitel. Die dadurch ausgelsten Bodenbewegungen wecken Reibungskrfte im Bodenmaterial, die den Rohrscheitel entlasten, whrend sie den Boden neben dem Rohr zustz-lich belasten.

Besitzt das, die Rohrwandung umgebende Bo-denmaterial elastische Eigenschaften, gekenn-zeichnet z.B. durch die Bettungszahl k, dann er-zeugen die nach auen gerichteten Radialver-schiebungen des Rohres Erdreaktionsdrcke - auch als passive Erddrcke bezeichnet , deren Gre proportional zu diesen Radialverschiebun-gen ist. Die bei der Verformung entstehenden tan-gentialen nach unten gerichteten Verschiebungen der Rohrwandung lassen bei Vorhandensein eines Reibungskoeffizienten zwischen Rohr und Boden Tangentialdrcke entstehen, die diesen Verschie-bungen entgegenwirken und zur Folge haben, dass die Normalkraft in der Rohrwandung zur Soh-le hin abnimmt.

Im Gegensatz zum biegesteifen Rohr besitzt das biegeweiche, in den Boden eingebettete Rohr die Eigenschaft sich unter der Belastung soweit zu verformen, bis sich am Rohrumfang aus aktiver Belastung und den durch die Verformung entste-henden Erdreaktionsdrcken (passiver Erddruck) angenhert eine Sttzlinienbelastung ausbildet, vgl. Bild 5. Als Ma dafr, inwieweit die sich aus-bildende Belastung einer Sttzlinienbelastung gleichkommt, kann nachfolgendes Steifigkeitsver-hltnis angesehen werden:

][rk

EI4

1

= (1)

mit

EI Biegesteifigkeit der Rohrwandung in [kNm2/m]

k elastischer Bettungsmodul des Bodenmateri-als in [kN/m3], der aus dem Steifemodul ES [kN/m2] des Bodens wie folgt ermittelt werden kann: k = 0,5(ES/r1)

r1 Scheitelradius in [m]

Ist das dimensionslose Steifigkeitsverhltnis sehr gro ( 0,05), dann wird die Rohrverformung im Wesentlichen durch die Biegesteifigkeit bestimmt und die Ausbildung von Erdreaktionsdrcken in Richtung der Sttzlinienbelastung des Rohres wird durch die Biegesteifigkeit behindert. Dieser Fall liegt bei biegesteifen Rohren vor. Ist hingegen das dimensionslose Verhltnis sehr klein ( 0,0001), dann verliert die Biegesteifigkeit des Stahlrohres an Bedeutung, die Rohrverformung ist primr vom Bettungsmodul abhngig und die am

Rohrumfang wirkende Belastung kommt einer Sttzlinienbelastung sehr nahe. Im Grenzfall kann dann die elastisch gebettete Rohrwandung durch eine elastisch gesttzte Gelenkkette ersetzt wer-den.

Das in den Boden eingebettete, biegeweiche Rohr stellt also ein statisches System dar, bei dem ein bergang vom M-N-System zum N-System mg-lich ist, ohne dass hierbei durch den Verlust der Biegesteifigkeit die Lastabtragung unmglich ge-macht wird. Die bei der Rohrverformung entste-henden Biegespannungen knnen deshalb theore-tisch als Zwngungsspannungen betrachtet wer-den. Treten an einigen Stellen der Rohrwandung infolge groer Biegemomente Fliegelenke auf, dann ist die kontinuierlich gebettete Rohrwandung bei Bettungsverhltnissen, wie sie bei ausreichend verdichtetem Bodenmaterial vorliegen, auch wei-terhin in der Lage, Normalkrfte zu bertragen, da der Abstand der Fliegelenke nicht unendlich klein ist. Die Gre der unter Belastung auftretenden Biegespannungen stellt also kein Ma fr die Trag-fhigkeit der eingebetteten biegeweichen Rohr-konstruktionen dar. Eine Dimensionierung der Rohre, die auf einer Spannungsberechnung nach Theorie II. Ordnung aufbaut, kann daher der Trag-fhigkeit dieser Rohre nicht gerecht werden.

Bild 5. Druckverteilung am Umfang eines beigeweichen Roh-

res gem (KLPPEL & GLOCK, 1970)

2.2.2 Traglastgrenzen

Das biegeweiche Rohr erhlt seine hohe Tragf-higkeit durch das Zusammenwirken der Rohrscha-le mit dem umgebenden Boden. Die Tragfhigkeit dieses Verbundsystems Wellstahlrohr Boden ist daher durch mgliche Versagensmechanismen beider Tragelemente gekennzeichnet. Bei biege-weichen in den Boden eingebetteten Wellstahlroh-

11

ren werden daher im Allgemeinen nachfolgende Traglastgrenzen unterschieden:

1. Traglastgrenze des Wellstahlrohres Durchschlagen des Bauwerksscheitels

Bruch der Schraubenverbindung

Biegebruch beim Hinterfllen

2. Traglastgrenze des umgebenden Bodens

Grundbruch im Scheitelbereich

Grundbruch im Sohlbereich

Im Folgenden werden diese Traglastgrenzen in Anlehnung an (KLPPEL & GLOCK, 1970) und (GLOCK, 1976) aufgezeigt.

2.2.3 Durchschlagen des Bauwerksscheitels

Bei hohen berdeckungen treten groe Normal-krfte in der Rohrwandung auf, was zu einer Stabi-littsgefahr in Form eines mglichen Durchschla-gens des Rohrscheitels fhrt. Die Stabilittsgrenze ist einerseits dadurch gekennzeichnet, dass bei hoher Scheitelbelastung die Scheitelsenkung ei-nen kritischen Wert annimmt, der zum einwelligen Durchschlagen fhrt, vgl. Bild 5, andererseits be-steht die Mglichkeit des mehrwelligen Durch-schlagens, das eher einem Beulen der Rohrwan-dung gleichkommt. Beide Instabilittsformen treten miteinander gekoppelt auf und mssen daher zu-sammen betrachtet werden.

Fr die Ermittlung der Durchschlagslasten whlten (KLPPEL & GLOCK, 1970) als aktive Belastung eine vom Scheitel zu den Seiten hin abnehmende cosinusfrmige Radialbelastung, deren Ausbrei-tungsbereich bei hohen berdeckungen durch den Winkel B = 2,36 (135), vgl. Bild 6, und bei gerin-gen berdeckungen im Hinblick auf die Wirkung von Verkehrslasten mit B = 1,57 (90) festgelegt wurde. Hinsichtlich der Rohrbettung werden zwei Bettungsbereiche unterschieden: ein unterer Be-reich mit nach auen gerichteten Rohrverschie-bungen und ein oberer Bereich mit nach innen ge-richteten Verschiebungen. Weiterhin wird die Rohrverformung des oberen Bereichs aufgeteilt in bettungsunwirksame (einwellige Sinusfunktion) und bettungswirksame (mehrwellige Sinusfunktion) Rohrverformungen.

Bei der statischen Modellbildung und Systembe-rechnung wurde der durchschlagsgefhrdete obe-re Rohrbereich in den Verformungsnullpunkten der Radialverschiebung von dem unteren getrennt und gesondert betrachtet, vgl. Bild 7. Die Wirkung des unteren Bereiches wurde durch Ersatzfedern be-rcksichtigt. Die Durchschlagsuntersuchungen re-

duzierten sich somit auf die Berechnung eines ent-lang der Bogenlinie elastisch gebetteten und in den Auflagern elastisch gelagerten Bogensystems. Als Ergebnis dieser Stabilittsberechnungen ist in (KLPPEL & GLOCK, 1970) die Durchschlags-last pSD,k in grafischer Form angegeben, vgl. Bild 8. Entsprechend der Tragwirkung werden die Durchschlagslasten in Abhngigkeit des Steifig-keitsparameters = (EI/kr14) und des Lastausbrei-tungsparameters B getrennt fr Kreis- und Maul-profile angegeben.

][rk

EIfrk

p4

11

k,SD

=

(2)

unverformte Rohrwandung

verformte Rohrwandung bis vor Erreichen der Durchschlaglast

verformte Rohrwandung bei Erreichen der Durchschlaglast

einwelliges Durchschlagen

zweiwelliges Durchschlagen

Bild 6. Instabilittsformen beim Durchschlagen des Bau-

werksscheitels gem (KLPPEL & GLOCK, 1970)

Bild 7. Statisches System der Durchschlagsberechnungen

gem (KLPPEL & GLOCK, 1970)

12

Bild 8. Durchschlagslasten pSD,k fr Kreis- und Maulprofile gem (KLPPEL & GLOCK, 1970) und Anhang A gem (ZTV-ING

Teil 9-4, 2009)

Bild 9. Kritische Normalkrfte ND,k fr den Nachweis der Schraubenverbindung bei Kreis- und Maulprofilen gem (KLP-

PEL & GLOCK, 1970) und Anhang A gem (ZTV-ING Teil 9-4, 2009)

13

2.2.4 Versagen der Schraubenverbindung

Neben dem Durchschlagen des Bauwerksscheitels ist beim Stahlrohr auch ein Versagen durch Bruch der Schraubenverbindung mglich.

Die Tragfhigkeit der Schraubenverbindung wurde von unterschiedlichen Herstellern in Form von ex-perimentellen Untersuchungen ermittelt und ist in Traglasttabellen in Abhngigkeit der Blechdicke t und der Anzahl der Schrauben nS angegeben, vgl. auch Abschnitt 5.

Fr die Bemessung der Schraubenverbindung wird als magebende Einwirkung die kritische Normal-kraft ND,k kurz vor dem Durchschlagen des Bau-werksscheitels angenommen. Diese kritische Nor-malkraft ist in (KLPPEL & GLOCK, 1970) eben-falls in grafischer Form, vgl. Bild 9, und in Abhn-gigkeit des Steifigkeitsparameters = (EI/kr14) an-gegeben.

][rk

EIfrk

N4

12

1

k,D

=

(3)

2.2.5 Biegebruch beim Hinterfllen

Whrend sich die vorab genannten Traglastgren-zen auf das vollkommen eingebettete Rohr bezie-hen, stellt der mgliche Biegebruch beim Hinterfl-len einen temporre Traglastgrenze whrend des Bauzustandes dar.

Beim lagenweisen Hinterfllen muss das Rohr in der Lage sein, die primr horizontal wirkenden Erddrucklasten ber den geringen Biegewider-stand abzutragen. Bild 10 zeigt die beim Hinterfl-len auf das Rohr wirkenden Teilbelastungen inklu-sive den zughrigen Bettungsbereichen in Anleh-nung an die statische Modellierung nach (KLP-PEL & GLOCK, 1970). Bedingt durch das lagen-weise Einbringen und Verdichten der Hinterfllung ndert sich in den Bereichen wo die Rohrwandung nach auen gedrckt wird und sich gegen das vorhandene Erdreich absttzt die Gre der elasti-schen Bettung. Da die Gre mit der Hinterfl-lungshhe variiert, liegt ein statisches System mit vernderlichen Randbedingungen vor. Die endgl-tige maximale Beanspruchung beim Hinterfllen ergibt sich dann durch entsprechende Aufsummie-rung der Ergebnisse der einzelnen Teilsystembe-trachtungen.

Bild 11 zeigt exemplarisch fr ein Maulprofil mit einem Scheitelradius von r1 = 3 m die Biege- und Normalkraftbeanspruchung sowie die Bettungs-krfte fr drei unterschiedliche Anschttniveaus (H = 1,74 m, 3,61 m und 4,47 m). Das maximale Biegemoment tritt unmittelbar im Scheitelbereich auf und betrgt im vorliegenden Fall M16 = 14,7 kNm/m. Die maximale Normalkraft im Sohlbereich ergibt sich zu N = 88,2 kN/m. Beim Hinterfllen kommt es zu einer Scheitelhebung von 9,5 cm.

Bild 10. Beim Hinterfllen wirkende Teilbelastungen mit den zugehrigen wirksamen Bettungsbereichen gem (KLP-

PEL & GLOCK, 1970)

14

Bild 11. Beanspruchungen beim Hinterfllen am Beispiel ei-

nes Maulprofils mit r1 = 3 m, = 20 kN/m3, K = 0,5, k = 3.333 kN/m3 und EI = 574 kNm2/m gem (KLP-PEL & GLOCK, 1970)

In (KLPPEL & GLOCK, 1970) durchgefhrte Pa-rameteruntersuchungen an unterschiedlichen Querschnittsformen und unter Variation einzelner Bodenkennwerte haben ergeben, dass fr die Be-messung der Wellstahlrohre fr Beanspruchungen beim Hinterfllen bei einem Erddruckbeiwert von K = 0,5 nachfolgende maximale Biegemomente zugrunde gelegt werden knnen:

31M rfMmax = [kNm/m] (4)

mit

fM = 1,60 [kNm/m4], Momentenfaktor fr Kreisprofile

fM = 0,55 [kNm/m4], Momentenfaktor fr Maulprofile

r1 Scheitelradius in [m]

Ausgehend von der in Gleichung (4) ermittelten maximalen Biegebeanspruchung beim Hinterfllen erfolgt die Bemessung in Form eines Spannungs-nachweises unter Zugrundelegung elastischer Querschnittswerte, d.h. des elastischen Wider-standsmomentes W, vgl. Tab. 1. Da es sich beim Biegebruch beim Hinterfllen lediglich um ein Trag-fhigkeitskriterium im Bauzustand handelt, besteht prinzipiell die Mglichkeit, die Beanspruchungen und Verformungen beim Hinterfllen planmig zu reduzieren. Unter anderem besteht z.B. die Mg-lichkeit die Seiten der Rohrwandung in horizontaler Richtung gegenseitig Abzusttzen oder Scheitel-hebungen durch Auflast zu reduzieren, vgl. Bild 12. Die Erfordernis derartiger Manahmen ist von der Spannweite und der Querschnittform abhngig und wird im Allgemeinen bei greren Spannwei-ten und hheren Querschnittsformen notwendig.

Bild 12. Kompensierung der Scheitelhebungen beim Hinterfl-

len durch Auflast, Quelle: Voestalpine Krems Final-technik GmbH

2.2.6 Grundbruch im Scheitelbereich

Bei Wellstahlbauwerken mit geringer berdeckung besteht grundstzlich die Gefahr eines mglichen Grundbruchs im Scheitelbereich, vgl. Bild 13. Die-ser Bruch ist dadurch gekennzeichnet, dass nach Erschpfen des seitlichen Erdwiderstandes und nach Erschpfen des Biegewiderstandes der Rohrwandung der seitliche Boden unter Bildung von Gleitfugen ausbricht und das Rohr einstrzt. Bei symmetrischer Belastung bilden sich insge-samt 3 Bruchkrper: zwei seitliche Bruchkrper die nach oben ausweichen, und ein mittlerer Bruchkrper der sich nach unten verschiebt.

Weitere Untersuchungen zeigten aber, dass au-ermittig wirkende Oberflchenlasten ungnstigere Werte ergeben, weshalb bei der Bemessung grundstzlich eine halbseitige Belastung ber dem Bauwerksscheitel angenommen wird.

Bei der auermittigen Belastung kann der Boden nur dann ausbrechen, wenn nach Erreichen des Erdwiderstandes auch die durch den Biegewider-stand des Rohres gegebene Lastreserve ver-braucht ist, vgl. Bild 14. Nach Erschpfen des Erdwiderstandes wird bei auermittiger Belastung

Bild 13. Grundbruchfiguren bei symmetrischer Belastung ge-

m (KLPPEL & GLOCK, 1970)

15

der obere Rohrbereich als eingespannter Bogen unter halbseitiger Belastung betrachtet, dessen Tragfhigkeit mit der Bildung eines Fliegelenkes in Punkt 2 erreicht ist. In einem weiteren Schritt wurde daher dieser zustzliche Traglastanteil po,k unter Bercksichtigung der Vorbeanspruchung aus der Hinterfllung ermittelt. Die gesamte Grund-bruchlast potr,k im Scheitelbereich lsst sich somit gem (KLPPEL & GLOCK, 1970) entsprechend nachfolgender Gleichung (5) ermittelten, wobei die einzelnen Traglastkomponenten wiederum in grafi-scher Form und in Abhngigkeit vom Scheitelradi-us r1, der berdeckung h und dem Reibungswin-kel des Bodens k dargestellt sind, vgl. Bild 15 und Bild 16.

k,ok,ogrkotr, ppp += [kN/m2] (5)

mit

pogr,k Grundbruchwiderstand des Bodens in [kN/m2]

po,k zustzlicher Biegewiderstand des Well-stahlrohres in [kN/m2]

Der zustzliche Biegeanteil po,k des Wellstahlpro-fils beim Grundbruchnachweis im Scheitel lsst sich gem (KLPPEL & GLOCK, 1970) durch die beiden Traganteile p1 und p2 infolge Flieen im Punkt 1 und Punkt 2, vgl. Bild 14, durch nachfol-gende Gleichungen (6) bis (8) berechnen.

21ko, ppp += [kN/m2] (6)

mit

AWrr

rWfp

1N12

1M1

31M1yk

1+

+= (7)

AWrr

AWprrprWf

p1N2

21M2

11N22

11M23

1M2yk2

+

= (8)

mit

fy,k Streckgrenze des Wellstahlprofils in [kN/cm2]

W elastisches Widerstandmoment des Well-stahlprofils in [cm3/m]

A Querschnittsflche des Wellstahlprofils in [cm2/m]

1M Momentenfaktor fr den Punkt 1: 0,07 fr Kreisprofile und -0,2 fr Maulprofile, jeweils in [kN/m3]

2M Momentenfaktor fr den Punkt 2: 1,15 fr Kreisprofile und 0,35 fr Maulprofile, jeweils in [kN/m3]

1N 0,4595 in [-]

2N 0,522 in [-]

1M 0,0405 in [-]

2M 0,022 in [-]

2M 0,041 in [-]

2N 0,541 in [-]

An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Darstellung des Momentenfaktors 1M fr Maulpro-file und des Faktors 2M in (KLPPEL & GLOCK, 1970) einem Fehler unterliegt. Die oben angebe-nen Werte sind entsprechend korrigiert.

Aufgrund der geringen Grundbruchgefahr bei ho-hen berdeckungen ist in (KLPPEL & GLOCK, 1970) der Grundbruchwiderstand pogr,k in allgemei-ner Form nur bis zu bis zu einem Verhltnis h r1 angegeben, vgl. Bild 15. Fr grere -berdeckungen lassen sich damit keine Kennwerte fr den Grundbruchwiderstand pogr,k aus der grafi-schen Diagrammdarstellung mehr ermitteln. Aus den Untersuchungen von (KLPPEL & GLOCK, 1970) ist jedoch bekannt, dass der Grundbruchwi-derstand in Abhngigkeit der berdeckung expo-nentiell ansteigt, vgl. Bild 17. Aus diesem Grund wird, fr die in Kapitel 4 durchgefhrten Ver-gleichsberechnungen, bei hohen berdeckungen von h > r1 eine lineare Interpolation ausgehend von den in den Diagrammen von (KLPPEL & GLOCK, 1970) aufgefhrten Sttzstellen von h = r1 und h = r1, fr die Ermittlung des Grundbruchwiderstandes verwendet, vgl. Bild 17. Dieses Vorgehen liegt fr hohe berdeckungen auf der sicheren Seite.

Pkt. 1

Pkt. 2

Bild 14. Grundbruch und Rohrverformung nach Erschpfung

des seitlichen Erdwiderstandes bei halbseitiger Belas-tung gem (KLPPEL & GLOCK, 1970)

16

pogr,k

k = 35

Bild 15. Grundbruchwiderstand pogr,k des Bodens im Scheitelbereich bei halbseitiger Belastung gem (KLP-

PEL & GLOCK, 1970) und Anhang A gem (ZTV-ING Teil 9-4, 2009)

po,k

Bild 16. Biegewiderstand po,k von Maulprofilen gem (KLPPEL & GLOCK, 1970) und Anhang A gem (ZTV-ING Teil 9-4,

2009)

17

pogr,k

[t/m2]

h [m]

r1 = 3,0 m; k = 30; B,k = 20 kN/m2; K = 1,0

Bereich Tafelwerte (KLPPEL & GLOCK, 1970)

h r1

h r1 h r1

lineare Interpolation

Bild 17. Grundbruchwiderstand pogr,k in Abhngigkeit von der

berdeckung h gem (KLPPEL & GLOCK, 1970), Tafel 5, Seite 325, Gewhlte lineare Interpolation fr h > r1

2.2.7 Grundbruch im Sohlbereich

Bei Maul- und Unterfhrungsprofilen mit stark un-terschiedlichen Radienverhltnissen und bei hohen berdeckungen ist auch ein Grundbruch im Sohl-bereich mglich. Unzureichender Scherwiderstand des Untergrundes kann dazu fhren, dass die ho-hen Eckdrcke einen Grundbruch auslsen, bei dem die Ulmenbereiche seitlich nach unten und der Sohlenbereich nach oben ausweichen.

Die Grenzbelastung p2Gr,k fr das Grundbruchprob-lem im Ulmenbereich erhlt man nach (GLOCK, 1976) gem nachfolgender Glei-chung (9). Hierbei handelt es sich um eine Nhe-rungsgleichung unter Verwendung der Plastizitts-theorie nach PRANDTL und unter Zugrundelegung der in Bild 18 dargestellten geometrischen Situati-on fr eine konstante Druckkraft im Rohr.

Bk,Bd3ckk2Gr, NBNpNcp ++= [kN/m2] (9)

mit

ck Kohsion des Bodens im Ulmenbereich in [kN/m2]

B,k Wichte des Bodens im Ulmenbereich in [kN/m3]

p3 Druckbeanspruchung im Sohlbereich wobei gilt: p1 = ps und p1r1 = p2r2 = p3r3 in [kN/m2]

B druckbeanspruchter Bereich B = 1,15r2 in [m]

Nc, Nd, NB Tragfhigkeitskennwerte in [-] gem Tab. 2

p3

/4 - /2

B

p2

/4 + /2

N = p1r1 = p2r2 = p3r3

p1 = ps

Bild 18. Belastung und Bruchfigur beim Grundbruch im Ul-

menbereich gem (GLOCK, 1976)

Reibungswinkel Tragfhigkeitskennwerte

k [] Nc [-] Nd [-] NB [-]

25,0 45,42 22,18 4,5

27,5 58,72 31,57 7,0

30,0 77,19 45,57 10,0

32,5 103,41 66,88 15,0

35,0 141,38 100,02 23,0

37,5 197,97 152,91 34,0

40,0 284,59 239,84 53,0

Tab. 2. Tragfhigkeitskennwerte fr den Grundbruch im Ul-menbereich nach (GLOCK, 1976)

Bei Maul- und Unterfhrungsprofilen und bei set-zungsempfindlichen Untergrnden kann durch strkere Setzungen der Eckbereiche die Krm-mung der Sohle verloren gehen und ein Sohlauf-bruch stattfinden. Die Grenzbelastung p1C,k zur Vermeidung eines Sohlaufbruches lsst sich nach (Glock, 1976) gem der Theorie des elastisch gebetteten, gekrmmten Stabes wie folgt berech-nen, vgl. auch Bild 19:

3

21k,C1 r

rrk375,0p = [kN/m2] (10)

mit

Sk

kS

S

k

1

S

dEdE1

dd1

r2Ek

+

+

= [kN/m3] (11)

mit

r1, r2, r3 Scheitel-, Eck-, und Bodenradius in [m]

ES Steifemodul der Ausgleichsschicht di-rekt unter der Sohle in [kN/m2]

dS Schichtdicke der Ausgleichsschicht di-rekt unter der Sohle in [m]

18

Ek Steifemodul des Bodens im Untergrund in [kN/m2]

dk Schichtdicke des Bodens im Unter-grund in [m]

Bild 19. Spannungen und Bettung beim Aufbruch der Sohle

gem (GLOCK, 1976)

2.3 Zuordnung des Tragverhaltens zu Querschnittsformen

Die Traglastuntersuchungen in (KLPPEL & GLOCK, 1970) und die daraus abgeleiteten Trag-lastdiagramme basieren im Wesentlichen auf Kreis- und Maulprofielen. Fr die Traglastberech-nungen von Querschnittsformen die von Kreis- und Maulprofilen abweichen, d.h. fr Ellipsen-, Bogen- und Unterfhrungsprofile, ist nach (KLPPEL & GLOCK, 1970) die in Tab. 3 aufgefhrte Zuord-nung zum Kreis- bzw. Maulprofil vorzunehmen.

Zuordnung Nachweise Querschnitts-form Durchschlagen

Bauwerksscheitel Bruch Schrauben-verbindung

Grundbruch Scheitel Grundbruch Sohle Biegebruch Hinterfllen

Ellipsenprofil Kreisprofil Kreisprofil

Unterfhr-ungsprofil Maulprofil Kreisprofil

Bogenprofil Kreisprofil Maulprofil

Tab. 3. Zuordnung von Querschnittsformen zu den Traglast-nachweisen fr Kreis- und Maulprofilen gem (KLPPEL & GLOCK, 1970) und (ZTV-ING Teil 9-4, 2009)

3 Bemessung von Wellstahlbau-werken

3.1 Regelwerkssituation

Wellstahlbauwerke wurden bisher nach ARS 20/97 und ARS 12/98 auf Basis der Empfehlungen von (KLPPEL & GLOCK, 1970) bemessen. Im Zuge der Einfhrung der europischen Bemessungs-normen im Straenbau werden derzeit die beste-henden Bemessungsrichtlinien fr Wellstahlbau-werke berarbeitet und sollen zuknftig in die ZTV-ING, Teil 9, Abschnitt 4 aufgenommen werden. Wesentliche nderungen beim bergang vom al-ten ins neue Regelwerk betreffen vor allem das Si-cherheitskonzept und die damit verbundene Um-stellung der Nachweise vom Globalsicherheitskon-zept auf das Teilsicherheitskonzept. Auerdem werden auf der Einwirkungsseite mit dem DIN-Fachbericht 101 die Verkehrslasten gegenber DIN 1072:1985 grundlegend gendert. Tab. 4 gibt einen berblick ber die bisherigen alten Regel-werke und die zuknftigen neuen Regelwerke.

In diesem Kapitel werden die von der BASt-AG 2.1.1. vorgenommenen nderungen der Regel-werke hinsichtlich der Bemessung von Wellstahl-bauwerken aufgezeigt und diskutiert.

Bisherige Regelwerke

Ausfhrung, Konstruktion, Entwurf und Bemessung

ARS 20/1997 und ARS 12/1998

Einwirkungen DIN 1072:1985 und MLC 100 nach STANAG 2021 Zuknftige Regelwerke

Ausfhrung, Konstruktion, Entwurf und Bemessung ZTV-ING, Teil 9, Abschnitt 4

Einwirkungen DIN-Fachbericht 101:2009 MLC 50/50-100 nach STA-NAG 2021

Tab. 4. bersicht ber die bisherige und zuknftige Regel-werkssituation

3.2 Sicherheitskonzept

3.2.1 Globalsicherheitskonzept

Die bisherige Bemessung von Wellstahlbauwerken gem (KLPPEL & GLOCK, 1970) basiert auf dem so genannten Globalsicherheitskonzept, bei dem sowohl fr die Nachweise im Stahlbau als auch im Grundbau die Einwirkungen E unter Ein-haltung eines globalen Sicherheitsbeiwertes Global den Bauteilwiderstnden R gegenbergestellt wer-den, d.h. die vorhandenen Einwirkungen werden

19

zulssigen Widerstnden gegenbergestellt, vgl. Gleichung (12).

RzulEREER

GlobalGlobal

(12)

mit

E Einwirkung

R Widerstand

Global Globaler Sicherheitsbeiwert

zul R zulssiger Widerstand

3.2.2 Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte

Im Zuge der Erarbeitung der europischen Regel-werke wurden in den 70er Jahren vor allen in Deutschland umfangreiche Untersuchungen durch-gefhrt, mit dem Ziel, die Sicherheit von Bauwer-ken wahrscheinlichkeitstheoretisch, d.h. probabi-listisch zu beschreiben. Insgesamt sollte ein fr die Bemessung von Bauwerken konsistentes Sicher-heitskonzept geschaffen werden, das die Mglich-keit bietet die unterschiedlichen Bauweisen, Ein-wirkungen und Werkstoffe zutreffend zu erfassen. Auch sollte der vermehrten Anwendung nichtlinea-rer Berechnungsmethoden besser Rechnung ge-tragen werden. Grundlegende Informationen zur Anwendung und Herleitung dieser modernen pro-babilistischen Sicherheitskonzepte sind z.B. in (GRUSIBAU, 1981), (KNIG, 1982), (SPAETHE, 1992) und (FISCHER, 2001) enthalten.

Im Rahmen der normativen Bemessung hat sich vor allem aus Grnden der Einfachheit das so ge-nannte Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte durch-gesetzt. Hierbei werden die stets vorhandenen Streuungen der Einwirkungen und Widerstnde getrennt, d.h. separat in Form der Teilsicherheits-beiwerte F fr die Einwirkungen und M fr den Materialwiderstand erfasst. Die Festlegung der Gre der einzelnen Teilsicherheitsbeiwerte erfolg-te dabei unter Einhaltung einer festgelegten Versagenswahrscheinlichkeit.

Bei Anwendung des Konzepts der Teilsicherheits-beiwerte ist der Nachweis gem der in Glei-chung (13) dargestellten Form zu fhren. Der Nachweis besagt, dass die um den Teilsicher-heitsbeiwert F vergrerten charakteristischen Einwirkungen Ek stets kleiner sein sollten als der um den Teilsicherheitsbeiwert M reduzierte cha-rakteristische Bauteilwiderstand Rk. Die mit dem Index k bezeichneten charakteristischen Gren fr die Einwirkung Ek und den Widerstand Rk stel-len hierbei festgelegte Fraktilwerte dar, die sich aus der statistischen Verteilungsfunktion der be-

treffenden Eigenschaften ableiten. Bei Bauteilwi-derstnden entspricht der charakteristische Wert Rk im Allgemeinen dem 5%-Fraktilwert der gemes-sen Werkstoffeigenschaft. Bild 20 enthlt eine gra-fische Darstellung der Nachweisfhrung mit Teilsi-cherheitsbeiwerten.

M

kFk

RE

(13)

mit

Ek charakteristischer Wert der Einwirkung

Rk charakteristischer Wert des Widerstandes

F Teilsicherheitsbeiwert fr die Einwirkung

M Teilsicherheitsbeiwert fr den Widerstand

Tab. 5 zeigt beispielhaft eine Auswahl wesentlicher Teilsicherheitsbeiwerte aufgeteilt nach Einwirkun-gen und Widerstnden.

Normativ sind die grundlegenden Sicherheitsan-forderungen an die Bemessung von Bauwerken in DIN EN 1990:2002 geregelt. Darin enthalten ist z.B. auch eine konkrete Vorgehensweise fr die Festlegung von Bauteilwiderstnden basierend auf Versuchen, wie es z.B. bei der Schraubenverbin-dung von Wellstahlbauwerken der Fall ist, vgl. auch Abschnitt 5.

M

kFk

RE

char. Widerstand Rk(5%-Fraktile)

M

char. Einwirkung Ek

F

Verteilungsfunktion fR Widerstand

Verteilungsfunktion fE Einwirkung

Bild 20. Sicherheitsnachweis nach dem Konzept der Teilsi-

cherheitsbeiwerte F und M

Einwirkungen Teilsicherheitsbeiwerte

Stndige Einwirkungen G = 1,35

Vernderliche Einwirkungen Q = 1,5

Widerstand / Material Teilsicherheitsbeiwerte

Stahl, Nachweis Flieen M0 = 1,0

Stahl, Nachweis Stabilitt M1 = 1,1

Stahl, Nachweis Zugfestigkeit M2 = 1,25

Boden, Grundbruch Lastfall 1 Gr = 1,4

Tab. 5. Teilsicherheitsbeiwerte nach DIN-Fachbericht 101, DIN-Fachbericht 103 und DIN 1054

20

3.2.3 Anpassung des Sicherheitskonzepts bei der Bemessung von Wellstahlbau-werken

Um zuknftig eine gem den Anforderungen des europischen Sicherheitskonzepts konforme Be-messung fr Wellstahlbauwerke zu gewhrleisten, wurde von der BASt-AG 2.1.1 eine Umstellung des Globalsicherheitskonzepts in das Teilsicherheits-konzept vorgenommen. Auf Grund der bestehen-den langjhrigen Erkenntnisse und Erfahrungen im Umgang mit dieser Bauweise, erfolgte die Umstel-lung des Sicherheitskonzepts nach der Magabe, dass unter dem Ansatz identischer Einwirkun-gen die fr die unterschiedlichen Grenzzustnde bestehenden globalen Sicherheiten Global mg-lichst beibehalten werden sollten, und lediglich ei-ne daran angepasste Aufteilung in Teilsicherheits-beiwerte vorgenommen wird.

Mathematisch lsst sich die derart angestrebte Beibehaltung des Sicherheitsniveaus unter Be-trachtung der bisherigen und zuknftigen Nach-weisgleichungen (12) und (13) wie folgt ausdru-cken:

MFGlobal (14)

Die endgltige Festlegung der neuen Teilsicher-heitsbeiwerte F fr die Einwirkungen erfolgte schlielich unter Verwendung der gem DIN-Fachbericht 101:2009 definierten Teilsicherheits-beiwerte G und Q. Die Festlegung der Teilsicher-heitsbeiwerte fr die Bauteilwiderstnde M erfolgte im Rahmen eines Abwgungsprozesses unter Be-rcksichtigung der Teilsicherheitsbeiwerte in DIN-Fachbericht 103:2009 (Stahlbau) und DIN 1054:2005 (Grundbau) sowie der in Glei-chung (14) aufgefhrten und angestrebte Beibe-haltung des bestehenden Sicherheitsniveaus. Tab. 6 enthlt eine Zusammenstellung der bisherigen und zuknftigen Sicherheitsbeiwerte.

Altes Regelwerk

Neues Regelwerk

Grenzzustand / Nachweis

Global F M

Durchschlagen Bauwerksscheitel

2,0 fr h/s 0,72,5 fr h/s < 0,7

1,4

Bruch Schrau-benverbindung 2,5 1,7

Grundbruch-nachweise 2,0 1,4

Biegebruch Hin-terfllen 1,0

gem DIN-Fachbericht 101

mit G = 1,35

und Q = 1,5

1,1

Tab. 6. Zusammenstellung der Sicherheitsbeiwerte gem altem und neuem Regelwerk

3.3 Einwirkungen / Lastannahmen

3.3.1 Einleitung

Bei der Bemessung von Wellstahlbauwerken wird lediglich zwischen den stndigen Einwirkungen der Bodenmassen und den vernderlichen Verkehrs-lasten unterschieden. Die Bercksichtigung des Eigengewichts des Wellstahlbauwerks selbst darf im Allgemeinen vernachlssigt werden.

3.3.2 Verkehrslasten nach DIN 1072:1985 (Al-tes Regelwerk)

Bis ins Jahr 2003 erfolgte nach ARS 20/97 die Bemessung von Wellstahlbauwerken unter Ansatz der Lasten nach DIN 1072:1985 fr die Brcken-klasse 60/30 und der Militrlastenklasse MLC 100 nach STANAG 2021 mit dem konstanten Wert ei-ner gleichmig verteilten Flchenlast von pov = 45 kN/m2. Gem (KLPPEL & GLOCK, 1970) stellt dieser Wert die Ersatzflchenlast der alten Brckenklasse 60 gem DIN 1072:1967 in Form eines SLW 60 dar, fr eine Belastungsflche von 3,0 m (Querrichtung) und 1,5 m (Lngsrich-tung), vgl. Bild 21. Ausgehend von den Achslasten des SLW 60 erfolgte die Ermittlung der Ersatzfl-che auf Grundlage detaillierter Untersuchungen in (KLPPEL & GLOCK, 1970) zur lastabtragenden Wirkung des Oberbaus unter Verwendung der Halbraumtheorie nach BOUSSINESQ (BOUS-SINESQ, 1885).

Die gleichmig wirkende Flchenlast pov durfte 20 cm unter der OK Fahrbahn in Ansatz gebracht werden und quer zur Fahrtrichtung bis zur Ober-kante (OK) des Wellstahlbauwerks unter 60 zur Horizontalen verteilt werden, vgl. Bild 22.

Zustzlich war mit Ausnahme des Grenzzustan-des Grundbruch im Scheitel der Schwingbei-wert fr berschttete Bauteile gem DIN 1072:1985 in Ansatz zu bringen.

0,1h1,0l008,04,1 = [-] (15)

mit

l magebende Lnge in [m], bei Wellstahlbau-werken entspricht dies der Spannweite s in [m]

h berdeckung in [m]

In Bild 23 ist beispielhaft der Verlauf des Schwing-beiwerts in Abhngigkeit der Spannweite s und der berdeckung h dargestellt. Bei geringen -berdeckungen und geringen Spannweiten liegt der Schwingbeiwert im Bereich von 1,2 1,3.

21

Da die Einfhrung der Brckenklasse 60/30 mit ei-nem zustzlichen SLW 30 in der Nebenspur erst durch die DIN 1072:1985 (Ausgabe 1985) erfolgte, war bisher in der gleichmig verteilten Flchen-last von pov = 45 kN/m2 der SLW 30 in der Neben-spur nicht bercksichtigt.

Achslasten SLW 60 der Brckenklasse 60 nach DIN 1072:1967

2ov mkN4,44

m3m5,1kN200p =

=

Fahrt-

richtung

1,5m 1,5m

0,5

2,0

0,5

3,0

200kN 200kN 200kN

1,5m 1,5m

1,5m

Bild 21. Umwandlung der Radlast fr eine gleichmig verteil-te Flchenlast eines SLW 60 der Brckenklasse 60 nach DIN 1072:1967 gem (KLP-PEL & GLOCK 1970)

pov = 45 kN/m2

3,0 OK Fahrbahn

pv OK Wellstahl-bauwerk

0,2

h 60

Bild 22. Ansatz und Ausbreitung der Verkehrslast nach

ARS 20/97

1.0

1.1

1.2

1.3

0 2 4 6 8 1

Schw

ingb

eiw

ert

[-]

Spannweite s [m]

1.4

0

h= 0,6m

h= 1,5m

h= 3,0m

Bild 23. Verlauf des Schwingbeiwerts nach DIN 1072:1985 in

Abhngigkeit der Spannweite s und der berdeckung h

3.3.3 Verkehrslasten nach DIN-Fach-bericht 101:2009 (Neues Regelwerk)

Einwirkungen aus Verkehr auf Wellstahlbauwerke sind wie im DIN-Fachbericht 101:2009, Kapitel 4, Abschnitt 4.9.1 (1) fr Hinterfllungen gem dem Lastmodell 1, bestehend aus Einzellasten und gleichmig verteilten Lasten, formuliert anzuneh-men. Die Lasten der Doppelachsen (2QQk) dr-fen dabei auf eine Belastungsflche von 3,0 m (Querrichtung) mal 5,0 m (Lngsrichtung) gleich-mig verteilt angenommen werden. Je Fahrstrei-fen ergeben sich so die in Tab. 7 zusammenge-stellten gleichmig verteilten Gesamtlasten qi aus der Summe der Ersatzflchenlasten der Doppel-achsen qeqi und den zustzlich wirkenden gleich-mig verteilten Belastungen qki, vgl. auch Bild 24.

Fr die einfache Anwendung wurde der in Tab. 7 und Bild 24 dargestellte Lastansatz fr die beiden Fahrstreifen weiter vereinfacht, in dem angenom-men wird, dass sich im ungnstigsten Fall infolge der vertikalen Lastausbreitung die Gesamtlasten qi der beiden Fahrsteifen am Scheitel des Wellstahl-bauwerks berlagern, vgl. Bild 25. Damit ergibt sich der Maximalwert der gleichmig verteilten charakteristischen Ersatzlast nach Gleichung (16) zu pov,k = 65 kN/m2, die nach dem neuen Regel-werk als Verkehrslast anzusetzen ist, vgl. Bild 26.

pov,k = q1 + q2 = 41,0 + 23,83 65 kN/m2 (16)

Lastanteil Fahrstreifen 1 Fahrstreifen 2

Doppelachse (TS-System)

2

k11Q1eq

kN/m 0,32

m5m3kN3008,02

m5m3Q2

q

=

=

=

2

k22Q2eq

kN/m 33,21

m5m3kN2008,02

m5m3Q2

q

=

=

=

Gleichmig verteilte Belas-tung (UDL) 2

2

k11q1k

kN/m 0,9

kN/m 0,90,1

qq

=

=

=

2

2

k22q2k

kN/m 5,2

kN/m 5,20,1

qq

=

=

=

Gesamtlast je Fahrstreifen

2

1k1eq1

kN/m 0,41

0,9 0,32

qqq

=

+=

+=

2

2k2eq2

kN/m 83,23

5,2 33,21

qqq

=

+=

+=

Gesamtlast q = q1 + q2 = 41,0 + 23,83 = 64,83 kN/m2

Tab. 7. Zusammenstellung der gleichmig verteilten Lasten je Fahrstreifen fr Wellstahlbauwerke gem DIN-Fachbericht 101:2009

22

1,2m

QiQik

0,5

2,0

0,5

5,0

3,0

Doppelachse

Fahrt-

richtung0,5

2,0

0,5

3,0

QiQik qiqik

Fahr-streifen 1

Fahr-streifen 2

Q1k = 300kN q1k = 9kN/m2

Q2k = 200kN q2k = 2,5kN/m2

gleichmig verteilte Belastung

Bild 24. Lastansatz nach DIN-Fachbericht 101:2009 fr Hin-

terfllungen

q1 = 41 kN/m2

3,0 OK Fahrbahn

pv,k OK Wellstahl-bauwerk

0,2

h

60

3,0 Fahrstreifen 1 und 2

q2 = 23,8 kN/m2

Bild 25. berlagerung der Verkehrslasten aus den beiden Fahrstreifen 1 und 2 am Bauwerksscheitel gem DIN Fachbericht 101:2009

pov,k = 65 kN/m2

3,0 OK Fahrbahn

pv,k OK Wellstahl-bauwerk

0,2

h 60

Bild 26. Lastansatz fr Wellstahlbauwerke gem neuem Re-

gelwerk ZTV-ING Teil 4-9

Die im DIN-Fachbericht 101:2009 anzusetzenden Verkehrslasten sind als Umhllende aus verschie-denen Verkehrszustnden auf Brcken ermittelten worden. Dabei ergeben sich die maximalen Ver-kehrslasten bei Stausituationen bzw. bei stocken-dem Verkehrs, d.h. bei Situationen mit geringen dynamischen berhhungen, vgl. auch (TIMM, 2004). Die im DIN-Fachbericht 101:2009 angege-benen Verkehrslasten mssen daher im Unter-

schied zu den Lasten der DIN 1072:1985 nicht mit einem dynamischen Erhhungsfaktor bzw. Schwingbeiwert multipliziert werden.

Aktuellen Untersuchungen gem sind die derzeit im DIN-Fachbericht 101:2009 angegebenen Ver-kehrslasten nicht in der Lage, die zuknftigen Ver-kehrsentwicklungen auf Brcken zuverlssig abzu-decken. Es ist daher eine Anhebung der Verkehrs-lasten vorgesehen. Dies wird sich vor allem bei Wellstahlbauwerken mit geringen berschttungen auswirken, bei denen der Verkehrslastanteil im Vergleich zu den stndigen Einwirkungen aus der berschttung dominant ist.

3.3.4 Stndige Einwirkung aus der berde-ckung

Der Lastansatz fr die stndigen Einwirkungen be-schrieben durch das Eigengewicht der berde-ckung bleibt im Wesentlichen unverndert. In bei-den Fllen ergibt sich die aus den Bodenmassen der berdeckung vorhandene Flchenlast pB,k aus dem Produkt der Wichte B,k und der berscht-tung h, vgl. Gleichung (17) und (18).

Altes Regelwerk

pB = h (17)

Neues Regelwerk

pB,k = B,k h (18)

Im Unterschied zum alten Regelwerk wird im neu-en Regelwerk jedoch erstmals konkret Wichte von B,k = 20 kN/m3 fr die Bodenmasse der berde-ckung angegeben. Im alten Regelwerk sind hierzu keine konkreten Angaben enthalten. In der Praxis wurde jedoch bisher i.d.R. mit dem nun im neuen Regelwerk aufgefhrten Wert von = B,k = 20 kN/m3 gerechnet.

3.3.5 Scheiteldruck

Die Bemessung von Wellstahlbauwerken verwen-det auf der Einwirkungsseite i.d.R. die sich aus der stndigen Einwirkung der berdeckung pB,k und der Verkehrslast pv,k zusammensetzende Druck-beanspruchung am Scheitel, die als Scheitel-druck ps,k bezeichnet wird. Die Ermittlung des Scheiteldrucks ist in Gleichung (19) und (20) fr das alte Regelwerk und in Gleichung (21) und (22) fr das neue Regelwerk dargestellt. Da bei gerin-gen berdeckungen der Anteil der Verkehrslast berwiegt, kommt es im Vergleich zu hohen ber-deckungen zu einer strkeren Druckkonzentration am Rohrscheitel, weshalb nach (KLPPEL &

23

GLOCK, 1970) fr geringe berdeckungen ein um den Faktor 1,1 erhhter Scheiteldruck rechnerisch in Ansatz zu bringen ist, siehe Gleichung (20). Die-ses Vorgehen wurde auch im neuen Regelwerk aufrecht erhalten, siehe Gleichung (22).

Wie bereits im vorherigen Abschnitt erwhnt, fllt bei der Ermittlung des Scheiteldrucks gem neu-em Regelwerk aufgrund der vorgenommenen Lastanpassung der Schwingbeiwert weg. Ent-sprechend dem Teilsicherheitskonzept erfolgt nach neuem Regelwerk die Ermittlung der Bemes-sungswerte der einwirkenden Beanspruchung un-ter Verwendung der Teilsicherheitsbeiwerte G und Q.

Altes Regelwerk

Hohe berdeckung:

vBs ppp += fr pB > pov (19)

Geringe berdeckung:

( vBs pp1,1p )+= fr pB pov (20)

Neues Regelwerk

Hohe berdeckung:

k,vQk,BGd,s ppp += fr pB,k > pov,k (21)

Geringe berdeckung:

( )k,vQk,BGd,s pp1,1p += fr pB,k pov,k (22)

3.3.6 Vergleich der Einwirkungen / Lastan-nahmen

Im Vergleich zum alten Regelwerk hat sich die ver-einfacht anzusetzende gleichmig verteilte Fl-chenlast aus dem Verkehr von pov = 45 kN/m2 auf pov,k = 65 kN/m2 (charakteristischer Wert) erhht. Dies entspricht einer nicht unerheblichen prozen-tualen Zunahme der einwirkenden Verkehrslast um ca. 44% (Erhhungsfaktor 1,44). Die Erhhung der Verkehrslasten ist vor allem als das Ergebnis der Anpassung der Lasten an den DIN-Fachbericht 101:2009 zu sehen.

Da mit Ausnahme des Grundbruchnachweises im Scheitel der Scheiteldruck ps,k bei vielen Nachwei-sen als einwirkende Beanspruchung verwendet wird, lassen sich die Auswirkungen der Anpassung der Einwirkungen beim bergang vom alten ins neue Regelwerk am besten durch einen Vergleich der Scheiteldrcke nach altem und neuem Regel-werk aufzeigen, siehe Gleichung (23). Fr den Ver-gleich der resultierenden Einwirkungen wird an

dieser Stelle der charakteristische Wert fr den Scheiteldruck nach neuem Regelwerk verwendet.

vB

k,vk,B

s

k,s

pppp

pp

++

= [-] (23)

ps,k resultierender charakteristischer Wert des Scheiteldrucks aus Bodenberdeckung und Verkehrslast gem neuem Regel-werk in [kN/m2]

ps resultierender Scheiteldruck aus Boden-berdeckung und Verkehrslast gem al-tem Regelwerk, in [kN/m2]

pB, pB,k Scheiteldruck infolge Bodenberdeckung unter der Annahme einer Wichte von = B,k = 20 kN/m3 gem altem bzw. neu-em Regelwerk in [kN/m2]

pv, pv,k Scheiteldruck infolge Verkehrslast pov bzw. pov,k gem altem bzw. neuem Regelwerk in [kN/m2]

Schwingbeiwert gem DIN 1072:1985, Einheit [-]

Bild 27 zeigt den Verlauf des Verhltniswerts der Scheiteldrcke nach Gleichung (23) fr die Lasten gem den jeweiligen Regelwerken. Der Verlauf zeigt zum Einen eine Abhngigkeit von der ber-deckung h bedingt durch die Zunahme der stndi-gen Einwirkungen (berdeckung pB,k) in Relation zu den vernderlichen Einwirkungen (Verkehrs-last pv,k). Infolge des zunehmenden Eigenge-wichtsanteils nimmt der Wert ab. Zum Anderen ist der Verlauf bedingt durch den im alten Regelwerk vorhandenen Schwingbeiwert nach DIN 1072:1985 noch von der Spannweite s des Wellstahlbauwerks abhngig. Diese Abhngigkeit ist jedoch nur bis zu einer berdeckung von ca. 3,8 m vorhanden, darber hinaus nimmt der Schwingbeiwert gem DIN 1072:1985 den Wert = 1,0 an und hat keinen weiteren Einfluss.

Insgesamt variiert der Verhltniswert des Scheitel-drucks im Bereich von 1,02 - 1,13. Das heit, die Anpassung der Einwirkungen von DIN 1072:1985 (altes Regelwerk) auf DIN-Fachbericht 101:2009 (neues Regelwerk) fhrt in Bezug auf den Schei-teldruck lediglich zu einer effektiven Erhhung der Beanspruchungen um den Faktor von 1,02 - 1,13. Die Anhebung der Einwirkungen fllt damit in Be-zug auf den Scheiteldruck wesentlich geringer aus, als dies infolge der Erhhung der Verkehrslasten von pov = 45 kN/m2 auf pov,k = 65 kN/m2 (Fak-tor 1,44) zunchst vermutet wird. Die Ursache hier-fr ist vor allem im Wegfall des Schwingbeiwerts begrndet, wodurch bei geringen berdeckungen

24

und daraus resultierenden hohen Schwingbeiwer-ten, vgl. Bild 23, die Erhhung der Einwirkungen beim bergang vom alten ins neue Regelwerk deutlich kompensiert wird.

1,0

1,1

1,2

0 2 4 6 8 10

Verh

ltn

is

p s.k

/ps

[-]

berdeckung h [m]

s in [m]

10 8 6 4 2

max = 1,13

min = 1,02

Bild 27. Verlauf des Verhltniswertes der Scheiteldrcke ge-

m neuem und altem Regelwerk

3.4 nderungen der Bemessung

3.4.1 Einleitung

Die berarbeitung der Bemessungsregeln fr Well-stahlbauwerke erfolgte, neben der Umstellung des Sicherheitskonzeptes und der Anpassung der Ein-wirkungen, im Wesentlichen unter Beibehaltung der Bemessungskonzepte von (KLPPEL & GLOCK, 1970) als Grundlage fr die Nachweisfh-rungen. Nachfolgend werden daher, getrennt fr die einzelnen Stahl- und Grundbaunachweise, die nderungen der Bemessungsregeln im Detail auf-gezeigt und verglichen.

3.4.2 Anwendungsgrenze

Die Anwendungsgrenze der Bemessungsregeln im alten Regelwerk war auf den Spannweitenbereich s 8 m und berdeckungen h 15 m begrenzt. Im neuen Regelwerk wurde aufgrund von Erfahrun-gen unterschiedlicher Hersteller der Anwendungs-bereich erweitert, in dem nun die Bemessung bis s 10 m und berdeckungen bis h 20 m geregelt ist.

3.4.3 Werkstoff / Streckgrenze der Stahl-blechelemente

Im bisherigen alten Regelwerk wurde auf Grundla-ge eines St 37 die rechnerische Streckgrenze von F = 240 N/mm2 verwendet. Im Zuge der Einfh-rung der neuen Liefernormen fr warmgewalzte Bausthle nach DIN EN 10025:2005 sowie der eu-ropischen Bemessungsnormen fr Stahlbauten

DIN EN 1993-1-1:2005 und DIN-Fachbericht 103 ist der charakteristische Wert der Streckgrenze ei-nes S235 zu fy,k = 235 N/mm2 festgelegt (Blechdi-cke t 40 mm). Dieser Wert entspricht nun auch der Streckgrenze der Stahlblechelemente im neu-en Regelwerk.

Die geringfgige Anpassung der Streckgrenze von 240 N/mm2 auf 235 N/mm2 ist mit Blick auf die ein-zelnen Nachweise wie folgt zu beurteilen:

Durchschlagen des Bauwerksscheitels: Die fr den Nachweis zugrunde gelegten idealen Ver-zweigungslasten sind unabhngig von der Streckgrenze und lediglich von der Biegestei-figkeit EI abhngig, vgl. Gleichung (2). Die An-passung der Streckgrenze ist daher fr diesen Nachweis ohne Auswirkung.

Bruch der Schraubenverbindung: Die Tragf-higkeit der Schraubenverbindung wird insbe-sondere beim Versagensmodus Lochleibung stark von der Streckgrenze des Stahlblechs ge-prgt. Im Rahmen der Bemessung ist der Ein-fluss der Streckgrenze daher bei der Festle-gung der experimentell zu ermittelten Tragf-higkeiten bei der Auswertung der Versuchser-gebnisse zu bercksichtigen, vgl. auch Ab-schnitt 5.

Biegebruch beim Hinterfllen: Der Nachweis des Biegebruchs beim Hinterfllen verwendet die auf Grundlage der Streckgrenze ermittelten plastischen Querschnittswerte. Der Einfluss der Anpassung der Streckgrenze ist daher zu be-rcksichtigen.

Grundbruch im Scheitelbereich: Die Traglast-grenze fr den Grundbruch im Scheitelberich setzt sich aus dem Grundbruchwiderstand pogr,k und dem Biegewiederstand po,k des Stahl-blechs zusammen, vgl. Gleichung (5). Da der Biegewiderstand des Stahlblechs von der Streckgrenze abhngig ist, ist beim Grund-bruchnachweis im Scheitelbereich die Streck-grenzenanpassung zu bercksichtigen, vgl. Gleichung (7) und (8).

Grundbruch im Sohlbereich: Sowohl beim Grundbruch im Ulmenbereich als auch beim Aufbruch der Sohle ist die Streckgrenze des Stahlblechelements unbedeutend. Die Anpas-sung der Streckgrenze hat daher keine Auswir-kungen.

25

3.4.4 Durchschlagen des Bauwerksscheitels

Einwirkungen und Nachweis

Abgesehen von der Erhhung der Verkehrslasten wurde der Nachweis Durchschlagen des Bau-werksscheitels in seiner Form beibehalten. So-wohl nach altem als auch nach neuem Regelwerk sind auf der Widerstandsseite die in (KLPPEL & GLOCK, 1970) aufgefhrten Verzweigungslasten zu verwenden.

Sicherheitsfaktoren

Die Anpassung der Sicherheitsfaktoren erfolgte gem der in Tab. 8 dargestellten Form. Im Unter-schied zum bisherigen Regelwerk ist zuknftig, bedingt durch den einheitlichen Teilsicherheitsbei-wert von M,Ep = 1,4 keine Unterscheidung des Si-cherheitsniveaus in Abhngigkeit vom Verhltnis h/s (Hhe zu Spannweite des Wellstahlbauwerks) mehr vorgesehen.

Sicherheits-faktoren

Altes Regelwerk Neues Regelwerk

Einwirkung G = 1,35 Q = 1,5

Widerstand

Global = 2,5 fr h/s < 0,7 Global = 2,0 fr h/s 0,7

M,Ep = 1,4

Tab. 8. Anpassung der Sicherheitsfaktoren beim Nachweis Durchschlagen des Bauwerksscheitels

Beurteilung und Vergleich

Das beim Nachweis Durchschlagen des Bauwerk-scheitels im alten Regelwerk verankerte hhere Sicherheitsniveau von Global = 2,5 fr flache, und damit strker stabilittsgefhrdete Wellstahlbau-werke mit h/s < 0,7 wird aufgegeben. Anhaltswerte und Grnde fr dieses Vorgehen liegen nicht vor.

In den alten Regelwerken zur Stabilitt der DIN 4114:1952 war die globale Sicherheit generell mit einem Wert von Global = 2,0 geregelt. Recher-chen seitens der BASt haben ergeben, dass dieser Sicherheitsbeiwert unabhngig vom Verhltnis h/s so auch in den vorlufigen Richtlinien fr biege-weiche Rohre des Bundesbahnzentralamtes Mn-chen (Juni 1977) und des Bundesministers fr Ver-kehr (BMV) fr den Straenbereich (Frh-jahr 1980) angegeben war. Im Zuge des Erschei-nens der ersten Richtline fr Wellstahlbauwerke im Straenbau (ARS Nr. 1/1982) wurde jedoch erst-malig eine Unterscheidung des Sicherheitsbeiwer-tes fr h/s < 0,7 mit Global 2,5 und fr h/s 0,7 mit Global 2,0 vorgenommen. Das heit, im Zuge der damaligen Regelwerksbearbeitung muss eine h-here Sicherheit fr die Wellstahlbauwerke mit h/s < 0,7 fr wichtig erachtet worden sein. Die

Grnde hierfr konnten bisweilen nicht geklrt werden. Die im neuen Regelwerk vorgesehene Reduzierung des Sicherheitsniveaus sollte daher nher untersucht und berprft werden.

3.4.5 Bruch der Schraubenverbindung

Einwirkungen und Nachweis

Sowohl nach dem bestehenden als auch dem zu-knftigen Regelwerk hat die Ermittlung der fr den Schraubennachweis magebenden Einwirkung nach Theorie II. Ordnung zu erfolgen. In beiden Fllen ist in Abhngigkeit des Steifigkeitsparame-ters die kritische Normalkraft ND kurz vor dem Durchschlagen des Bauwerksscheitels gem (KLPPEL & GLOCK, 1970) zu verwenden, vgl. Bild 9.

Sicherheitsfaktoren

Die Anpassung der Sicherheitsfaktoren ist in Tab. 9 dargestellt.

Sicherheits-faktoren

Altes Regelwerk Neues Regelwerk

Einwirkung G = 1,35 Q = 1,5

Widerstand Global = 2,5

M = 1,7

Tab. 9. Anpassung der Sicherheitsfaktoren beim Nachweis Bruch der Schraubenverbindung

Widerstand

Sowohl nach altem als auch neuem Regelwerk hat die Ermittlung der Tragfhigkeit der Schraubenver-bindung durch Versuche bei einem anerkannten Prfinstitut zu erfolgen.

Vergleich und Beurteilung

Grundstzlich wurden mit Ausnahme der Anpas-sung der Lasten und Teilsicherheitsbeiwerte im Schraubennachweis keine nderungen vorge-nommen. Was den Schraubenwiderstand betrifft, wird in beiden Regelwerken lediglich eine Bele-gung durch Versuchsergebnisse bei einem aner-kannten Prfinstitut gefordert. Eine Verwendung von Versuchsergebnissen setzt jedoch stets eine statistische Auswertung inklusive Vorgaben ber die Ableitung von Tragfhigkeitskennwerten vor-aus. Im bestehenden alten Regelwerk wurden die Traglasten der Schraubenverbindungen nach Kenntnis der Autoren als Mittelwerte in Verbindung mit der fr den Schraubennachweis erforderlichen Sicherheit von Global = 2,5 festgelegt. Eine entspre-chende Vorgehensweise fr die Festlegung der Tragfhigkeitswerte fr die Schraubenverbindung im neuen Regelwerk steht noch aus. Hinsichtlich

26

der Festlegung von Bauteilwiderstnden auf Basis von Versuchen, enthlt jedoch DIN EN 1990:2002 entsprechende Informationen, wie z.B. die Ermitt-lung charakteristischer Tragfhigkeitswerte erfol-gen, vgl. hierzu auch Kapitel 5.

3.4.6 Biegebruch beim Hinterfllen

Einwirkungen

Im alten Regelwerk erfolgte die Ermittlung der fr den Biegebruch beim Hinterfllen magebenden maximalen Einwirkung (Biegemoment) unter An-satz eines Erddruckbeiwertes von K = 0,5 und es ergaben sich die in Gleichung (4) dargestellten maximalen Biegemomente max |M|.

Im neuen Regelwerk wurden die Biegemomente fr den Nachweis beim Hinterfllen angepasst, in dem unter Einhaltung der in Bild 28 dargestellten Anforderungen fr den Abstand a zwischen Well-stahlbauwerk und Bschung bzw. Verbau ein Er-druckbeiwert von K = 0,4 angesetzt werden darf. Hieraus ergeben sich folgende fr die Bemessung magebenden maximalen Biegemomente:

31M rfMmax = in [kNm/m] (24)

mit

fM = 1,20 [kNm/m4]; Momentenfaktor fr Kreisprofile

fM = 0,42 [kNm/m4]; Momentenfaktor fr Maulprofile

r1 Scheitelradius in [m]

Der neue Ansatz des Erddruckbeiwerts von K = 0,4 anstelle von K = 0,5 in Verbindung mit den Abstandsanforderungen fhrt, bedingt durch die unterschiedlichen Momentenfaktoren fM in Glei-chung (4) und (24), zu einer ca. 25%igen Redukti-on der magebenden Einwirkung.

Bild 28. Mindestabstand a fr den Ansatz des Erddruckbei-

wertes K = 0,4 gem neuem Regelwerk

Sicherheitsfaktoren

Die Anpassung der Sicherheitsfaktoren ist in Tab. 10 dargestellt. Gem dem alten Regelwerk war der Nachweis mit einem globalen Sicherheitsbei-wert von Global = 1,0 (Bauzustand) zu fhren. Im neuen Regelwerk sind die entsprechenden Teilsi-cherheitsbeiwerte von G = 1,35 fr die stndigen Einwirkungen der Hinterfllung und von M = 1,1 fr den plastischen Bauteilwiderstand zu verwenden.

Sicherheits-faktoren

Altes Regelwerk Neues Regelwerk

Einwirkung G = 1,35

Widerstand Global = 1,0

M = 1,1

Tab. 10. Anpassung der Sicherheitsfaktoren fr den Nachweis Biegebruch beim Hinterfllen

Bauteilwiderstand

Im alten Regelwerk wurde der Biegebruch beim Hinterfllen als Nachweis der Grenzspannweite sgr fr den Scheitelradius r1 gefhrt. Diese Nachweis-form gem Gleichung (25) und (26) resultiert aus der Bedingung, dass das vorhandene maximale Biegemoment max |M| stets kleiner sein muss als das elastische Biegemonet Mel des Profilquer-schnitts, vgl. Gleichung (27), und lsst sich durch Umstellung der beiden Gleichungen (26) und (28) erzielen.

gr.1gr r2s (25)

3M

elF3M

elgr.1 f

Wf

Mr == [m] (26)

max |M| Mel (27)

max |M| fM r13 (28)

mit

fM Momentenfaktor fr das maximale Biegemo-ment beim Hinterfllen in Abhngigkeit vom Erddruckbeiwert K und der Querschnittsform in [kNm/m4]

Mel elastisches Biegemoment in [kNm/m] unter Verwendung der Streck-, bzw. Fliegrenze F

F Fliegrenze des Wellstahlprofils nach alter Richtlinie, F = 240 N/mm2

Wel elastisches Widerstandsmoment des Well-stahlprofils in [cm3/m], vgl. z.B. Tab. 1

27

Im neuen Regelwerk wird der Biegenachweis beim Hinterfllen in Anlehnung an DIN EN 1993-1-1 (Ausgabe 2005) und DIN-Fachbericht 103:2009 konsequent als Querschnittsnachweis unter Ver-wendung von Teilsicherheitsbeiwerten gefhrt, in dem das maximal einwirkende Biegemomente max |M| als stndige Einwirkung dem plastischen Bauteilwiderstand in Form von Mpl gegenberge-stellt wird, siehe Gleichung (29).

M

plG

MMmax

(29)

mit

Mpl = 1,24 fy,k Wel (30)

Es ist zu erwhnen, dass bei der Bemessung fr den Biegebruch beim Hinterfllen, der sonst bli-che Ansatz einer Korrosionsreserve von t = 1,0 mm nicht in Ansatz gebracht werden muss.

Beurteilung und Vergleich

Die Umstellung der Nachweisform von dem Nach-weis der Grenzspannweite sgr gem dem alten Regelwerk auf den Nachweis auf Basis von Quer-schnittswerten gem neuem Regelwerk verfolgt konsequent die moderne Bemessungspraxis der europischen Regelwerke.

berfhrt man Gleichung (29) analog dem Nach-weis im alten Regelwerk auf die Einhaltung einer Grenzspannweite bzw. eines Grenzradius r1.gr fr den Scheitel, so ergibt sich gem neuem Regel-werk nachfolgende Darstellung in Gleichung (31).

3MMG

elk,ygr.1 f

Wf24,1r

= (31)

Unter Verwendung von Gleichung (26) und (31) lassen sich somit durch Vergleich der Grenzra-dien r1.gr die Unterschiede beim Nachweis in Ab-hngigkeit von der Querschnittsform (Maul- und Kreisprofil) in allgemein gltiger Form gem Glei-chung (32) darstellen.

3alt.M

elF

3Mneu.MG

elk,y

Alt.gr.1

Neu.gr.1

fW

fWf24,1

rr

= [-] (32)

Mit

fM.neu Momentenfaktoren fr den Nachweis beim Hinterfllen gem neuem Regelwerk in [kNm/m4], siehe Gleichung (24)

fM.alt Momentenfaktoren fr den Nachweis beim Hinterfllen gem neuem Regelwerk in [kNm/m4], siehe Gleichung (4)

Unter Auswertung von Gleichung (32) fhrt die Umstellung und Anpassung des Nachweises Bie-gebruch beim Hinterfllen gem neuem Regel-werk fr die beiden unterschiedlichen Quer-schnittsformen (Kreis- und Maulprofil) lediglich zu einem ca. 2-3% greren maximalen Scheitelradi-us r1.gr. Die Auswirkungen durch die Umstellung des Nachweiskonzeptes und der Reduzierung des Erddruckbeiwertes K fallen damit sehr gering aus.

Die Reduktion des Erddruckbeiwertes von ur-sprnglich K = 0,5 (altes Regelwerk) auf K = 0,4 (neues Regelwerk) fr einen Wandreibungswinkel von = 0 basiert gem (GLOCK, 2010) in erster Linie auf baupraktischen Erfahrungen durch Mes-sungen von Scheitelhebungen und daraus resultie-renden Rckschlssen auf den tatschlich vorlie-genenden Erddruckbeiwert. Der neu gewhlte Erd-druckbeiwert von K = 0,4 orientiert sich dabei am aktiven Erdruckbeiwert Kah und liegt auf der siche-ren Seite. Der gewhlte Ansatz scheint daher ins-gesamt plausibel zu sein.

3.4.7 Grundbruch im Scheitelbereich

Nachweis, Einwirkungen und Widerstand

Der Grundbruchnachweis im Scheitel ist im alten Regelwerk nicht im Detail geregelt. Es wird dort le-diglich auf den Grundbruchwiderstand des Well-stahlbauwerks potr verwiesen, der sich aus dem Grundbruchwiderstand des Bodens pogr und dem Biegewiederstand des Wellstahlprofils po zu-sammensetzt und gem den Tafeln und Formeln nach (KLPPEL & GLOCK, 1970) zu ermitteln ist, vgl. Abschnitt 2.2.6. Das heit, die Gre der Ein-wirkungen ist im alten Regelwerk nicht explizit ge-klrt. Auf Basis der Angaben in (KLP-PEL & GLOCK, 1970) lsst sich jedoch schlieen, dass als magebende Einwirkung die gleichmig verteilte Flchenlast pov aus Verkehr in Ansatz zu bringen ist, whrend das Eigengewicht der ber-deckung pB = Bh als Reduzierung des Grund-bruchwiderstandes potr zu verstehen ist. Der Nach-weis ist dann entsprechend Gleichung (33) zu fh-ren.

Globalov

Botrp

hpER = (33)

28

Das Nachweiskonzept im neuen Regelwerk folgt im Prinzip der bestehenden Vorgehensweise nach Gleichung (33), in dem der Grundbruchnachweis im Scheitel gem Gleichung (34) zu fhren ist. Hierbei wird die um den Teilsicherheitsbeiwert Q vergrerte charakteristische Flchenlast aus dem Verkehr pov,k, dem um den Teilsicherheitsbei-wert M reduzierten Grundbruchwiderstand potr,k abzglich dem Eigengewicht der berdeckung pB,k = B,k h gegenbergestellt.

Gr,M

k,Bk,otrk,ovQ

hpp

(34)

In Ergnzung zur Bemessung im alten Regelwerk wurde im neuen Regelwerk n