Nachrechnung von Brücken im Bestand ... · Straßenbauverwaltung Landesamt für Straßenbau und Verkehr M-V VSVI-Seminar – Linstow – 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf

Straßenbauverwaltung

Landesamt für Straßenbau und Verkehr M-V

VSVI-Seminar – Linstow – 04. Februar 2010 PD Dr.-Ing. habil. Olaf Mertzsch Folie 1

Nachrechnung von Brücken im Bestand

> Nachrechnungsrichtlinie <




InhaltGrundsätzliches - AusgangspunktKonzept der Nachrechnungsrichtlinie SicherheitskonzeptEinwirkungsseiteWiderstandsseiteAusblick




Ausgangssituation

• Zunahme des Schwerverkehr ⇒ Größere Beanspruchung der Bauwerke

• Es ist ein erheblicher Anteil älterer Bauwerke im Bestand vorhanden.

• Eine Reihe älterer Bauwerken hat, auf Grund der damaligen Vorschriftenlage, Probleme in den Tragfähigkeitsreserven (z. B. Koppelfugen, Temperatureinwirkungen, Spannungsrisskorrosion, Mindestquerkraftbewehrung).

• Die Nachrechnung älterer Bauwerke auf der Grundlager der DIN-Fachberichte ist im Allgemeinen nicht Erfolg versprechend.

• Ein Nachweis auf der Grundlage der alten Vorschriften ist häufig problematisch, da zusätzliche Nachweise erforderlich werden.

Grundsätzliches – Ausgangspunkt




Verteilung der LKW – Fahrzeugtypen in %

Aus: Auswirkungen des Schwerlastverkehrs auf die Brückender Bundesfernstraßen; Berichte der BAST, Heft B 68, 2009

Auxerre (F)

PKW; 77%

LKW; 23%

Häufigkeit in %


Brohltalbrücke BAB A 61LKW > 12 t

1984:ca. 4800 / 24 h2005: ca. 7000 / 24 h

Δ = 1,46 ≈ 1,50

18 t

40 t




Abhängigkeit des Schädigungsfaktors vom PKW-Gewicht und der Art des LKW

Aus: Auswirkungen von neuen Fahrzeugkonzepten auf die Infrastruktur des Bundesfernstraßenetzes; BAST 2006

in t





Altersstruktur der Bauwerke

Aus: Joachim Naumann; Brücken und Schwerverkehr – Eine Bestandsaufnahme; Straße und Autobahn, 10.2009

BK 60/30≤ BK 60 LM 1

Bau

wer

ksflä

che

in M

io m

2

Baujahr





⇒ Es fehlen Regelungen für die Nachrechnung bestehender Bauwerke

Regelwerke für Brücken in Spannbetonbauweise im Bereich der Straßenbauverwaltung Mecklenburg-Vorpommern





Inhaltliche Struktur der Nachrechnungsrichtlinie

Koppelfugen; Spannungsrisskorrosion; Lastmodelle; usw.Anhang

Bauzeitliche Verkehrsführung; Hinweise + Erläuterungen13 und 14

Werkstoffuntersuchungen12

Regelungen zum Mauerwerksbau11

Regelungen zum Stahl- und Stahlverbundbau 10

Regelungen zum Betonbau (Stahlbeton- + Spannbetonbau)9

Sicherheitsbeiwerte; Baustoff7 und 8

Grundkonzept; Bestandserfassung; Entscheidungsfindung4 und 6

Grundsätzliches (Geltungsbereich, Normen, Begriffe)1 bis 3

InhaltAbschnitt

Konzept der Nachrechnungsrichtlinie




Probabilistische Berechnung – Verkehrseinwirk. + Anforderungen gemäß Stufe 2Stufe 4Messwertgestützte Berechnung– Verkehrseinwirk. + Anforderungen gemäß Stufe 2Stufe 3

≤ BK 60 – charakteristische Einwirkung+ Nachweise nach DIN-FB 2009 + Nachrechnungsrichtliniemit u. ohne Einschränkung im GZG

Stufe 2c

30 Jahre GZT GZG

Einschränkung der Restnutzungsdauer ggf. + Kompen-sationsmaßnahmen

GZT GZG 10 Jahre

1.) DIN-FB 2009 + Nachrechnungsrichtlinie mit Einschränkungen im GZG

2.) BK 60/30 – charakteristische Einwirkung+ Nachweise nach DIN-FB 2009 + Nachrechnungsrichtliniemit und ohne Einschränkung im GZG

Stufe 2b

DIN FB 2009 + NachrechnungsrichtlinieOhne maßgebende Einschränkung im GZG

Stufe 2a

DIN-FB : 2009 – Einwirkung + Bemessung

Ohne Einschränkung der Restnutzungsdauer

GZT GZG

DIN EN : 201X – Einwirkung + BemessungStufe 1Standard-

berechnung

Konzept der Nachrechnungsrichtlinie

Gestuftes Verfahren der Nachrechnung

Gep

lant

erN

utzu

ngsz

eitra

um




Grundsatz des Nachweises der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit

Einwirkung Widerstand

E < R?

Sicherheitskonzept




Nachweis der Tragfähigkeit bzw. Gebrauchstauglichkeit

Globales Sicherheitskonzept (bis April 2003)

Teilsicherheitskonzept (ab Mai 2003)*

)()()00,1;...;75,1;10,2(

tischchrakterisEtischchrakterisR

≤γ

[ ] [ ]);();;;;( MkdPQGkd RfREfE γψγγγ ≤

* Auch im Rahmen der TGL 33404

Sicherheitskonzept




Mit

Hierbei gilt: und (s. GruSiBau)

⇒

Annahme: (s. GruSiBau) + Gk / Qk = 65 % / 35 %

⇒

Unter diesen Annahmen ergibt sich nach dem Globalen- und dem Teilsicherheitskonzept, bei gleichen Einwirkungen und gleichen Bauteilwiderständen, die selbe Versagenswahrscheinlichkeit

Übergang vom Globalen- zum TeilsicherheitskonzeptBeispiel: Versagen mit Vorankündigung – Betonbau

)()(75,1

tischchrakterisEtischchrakterisR

MF ≤⋅== γγγM

kkF

REγ

γ ≤⋅⇒

≈== 29,121,1);;;;( LykcksscM fff ργγγ

50,1=cγ 15,1=sγ

40,125,175,1

===M

F γγγ

50,1=Qγ

35,1=Gγ

25,1

Sicherheitskonzept




Modifikation von Teilsicherheitsbeiwerte

Die Sicherheitsbeiwerte dienen im Wesentlichen der Abdeckung folgender Unsicherheiten:• System und Geometrie• Belastung• Materialeigenschaften (Festigkeiten, Dichte usw.)

Sind Teile dieser Unsicherheiten bekannt so ist eine Reduktion der Teilsicherheitsbeiwerte möglich.

Sicherheitskonzept




Modifikation von Teilsicherheitsbeiwerte

Sicherheitskonzept

Einwirkungsseite

Die Teilsicherheitsbeiwerte setzen sich aus zwei Anteilen zusammen:

γF,i = γf,i · γsys

γf,i Teilsicherheitsbeiwert für die Einwirkung

γf,i Teilsicherheitsbeiwert für Ungenauigkeiten im mecha-nischen System und System-empfindlichkeiten

Widerstandsseite

kn Fraktilfaktor (z. B. 1,645)

VM Varianz (bei Beton ca. 0,2)

β Sicherheitsindex (GTZ → 4,7)

( )25,08,0exp1

MM

MnM VV

Vk⋅−⋅⋅−

⋅−=

βγ




Wesentliche Einflüsse auf das Verkehrslastmodell

• Fahrzeugtypen

• Verkehrsvolumen

• Verkehrszusammensetzung

• Dynamische Einflüsse (Fahrbahnbelag, Steifigkeit der Brücke, Fahrzeugtyp usw.)

• Schwerverkehrsanteil

• Breite der Bauwerke (Anzahl der Verkehrsstreifen)

Einwirkungsseite




Trimodale Normalverteilung

Bimodale NormalverteilungVerkehrslastmodellierung 40 t – Fahrzeug

Einwirkungsseite

Aus: Auswirkungen von neuen Fahrzeugkonzepten auf die Infrastruktur des Bundesfernstraßenetzes; BAST 2006




Verkehrslastmodellierung DIN 1072 Einwirkungsseite

Annahmen für die Hauptspur

Belastung H1: 42 t - Fahrzeug mit 1 m Abstand und ϕ = 1,0

Belastung H2: 42 t - Fahrzeug mit 10 m Abstand und ϕ nach DIN 1072

Aus: Lehmann, G.; Adam, J. – Aktualisierung der Verkehrs-Regellasten für Straßenbrücken, Neufassung DIN 1072; Straße und Autobahn – H.2/1983

10 m

1,0 m




Vergleich der Einwirkungen DIN-FB 101 und DIN 1072

⇒ In beiden Fällen handelt es sich um charakteristische Einwirkungen, welche den realen Verkehr widerspiegeln sollen!

• Die Beanspruchungen der DIN 1072 berücksichtigen den zu diesem Zeitpunkt zugelassenen Verkehr nach StVZO.

• Dynamische Einflüsse sind über einen Schwingbeiwert zu berücksichtigen

• Die Beanspruchungen wurden am Auxerre Verkehr (F) kalibriert.

• Die Verkehrszusammensetzung wurde am deutschen Schwer-lastverkehr orientiert.

• In den Beanspruchungen sind dynamische Einflüsse berücksichtigt.

DIN 1072DIN-FB 101

Einwirkungsseite




Möglichkeiten zur Ermittlung von Einwirkungen

Teilsicherheitsbeiwerte:

γG = 1,35

γQ = 1,50

Restnutzungs-

dauer 10 Jahre

oder Nachweis,

dass das

Lastmodell

ausreicht

Restnutzungs-

dauer 30 Jahre

oder Nachweis,

dass das

Lastmodell

ausreicht

Lastmodel modifiziert (LMM)

γQ = 1,35

Ausgabe 201X

Einwirkungsseite

Berücksichtigung des Schwingbeiwertes erforderlich

Aus : Mahrzahn, G.: Sachstand Nachrechnungsrichtlinie, 15. + 16.06.2009




Modifikation des Teilsicherheitsbeiwertes γG (Betonbau)

• Allgemein γG = 1,35• Bestimmung der Eigenlast am Tragwerk

(Aufmass + Bestimmung der Rohdichte des Materials)γG = γg·γsd

γG Teilsicherheitsbeiwert für die Eigenlast

γg mögliche Abeichung vom charakteristischen Wert (statistisch begründeter Anteil) – γg = 1,00

γsd Modellunsicherheit (im Lastmodell) – γsd =1,15

γG = 1,00 · 1,15 ≈ 1,20

Einwirkungsseite




Möglichkeiten der Schnittgrößenermittlung im Rahmen der Nachrechnungsrichtlinie

Linear-elastische Berechnung im GZT und GZG (Elastizitätstheorie)

Schnittgrößenumlagerung (Fließgelenktheorie) im GZT (Betonbau)⇒ Nachweis der plastischen Rotation erforderlich

Schnittgrößenermittlung mittels nichtlinearer Verfahren im GZT(γR-Verfahren)

Abminderung von Zwangsschnittgrößen im GZT (Betonbau)

Einwirkungsseite




Materialkennwerte – GegenüberstellungZuordnung von Betonfestigkeiten

Schnell, J.; Loch, M.: Umrechnung historischer Baustoffkennwerteauf charakteristische Werte; Prüfingenieur; April 2009

Widerstandsseite




Materialkennwerte – GegenüberstellungCharakteristische Streckgrenze und Duktilitäsklassen von Betonstählen

Schnell, J.; Loch, M.: Umrechnung historischer Baustoffkennwerte auf charakteristische Werte; Prüfingenieur; April 2009

Widerstandsseite




Ermittlung der charakteristischen Festigkeit:

Xk = mx (1-kn·Vx)

Xk charakteristischer Wert der Festigkeit mx Mittelwert der StichprobeVx Variationskoeffizient der

Grundgesamtheitkn Fraktilfaktor

Ermittlung der Materialkennwerte auf der Grundlage von VersuchenWiderstandsseite

Modifikation des Teilsicherheitsbeiwertes γc

• Allgemein γc = 1,5

• Bestimmung an Bohrkernen aus demTragwerk

γc = 1,35 Bedingung:Bestimmung der Betonfestigkeit an einer ausreichender Anzahl von Bohrkernen, sowie einer flächigen Über-prüfung durch Unter-suchungen mit dem Schmidthammer

kn·σx

x

xx m

V σ=




Erweiterte Nachweise im Betonbau (Beispiele)

Alternative Nachweise im GZT

• Schubnachweis – Flacherer Druckstrebenwinkel Θ = 18,4°Analog zur DIN 1045-1 u. DIN EN 1992-1 ⇒ Nachweis der Begrenzung der Schubrissbreite erforderlich

• Torsion – Flacherer Druckstrebenwinkel Θ = 30,0°

• Schubnachweis – Anwendung des Sprengwerkmodells nach Hegger/Görtz⇒ derzeit nur bedingt anwendbar → Forschungsbedarf

Alternative Nachweise im GZG

• Keine Forderung nach einer Mindestrissbreitenbewehrung (sofern Rissbildung abgeschlossen)

• Beschränkung der Rissbreite – wk = 0,30 mm bei Stahlbetonwk = 0,20 mm bei Spannbeton

Widerstandsseite




Ausblick

→ Ziel – Fertigstellung der Nachrechnungsrichtlinie im 1. Quartal 2010

→ Es sind Forschungsvorhaben zur Weiterentwicklung der Richtlinie geplant:

• Auswirkungen einer begrenzten Nutzungsdauer auf die Größe der Sicherheitsbeiwerte

• Anwendung alternativen Nachweiskonzepten für Bauteile ohne ausreichende Mindestquerkraftbewehrung

• Zulassung von größeren Rissbreiten bei begrenzter Nutzungsdauer

→ In den nächsten Jahren ist eine weitere Aktualisierung der Richtlinie erforderlich (Begleitung durch Arbeitsgruppe)

→ Die Richtlinie kann nur den großen Rahmen vorgeben – jedes Bauwerk ist ein Unikat, und somit ist, durch den Baulastträger, in jedem Einzelfall gesondert zu entscheiden.




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