Ein neues Verfahren zur Herstellung von Brückenfahrbahnplatten aus Fertigteilplatten mit Aufbetonschichten : A new construction method for building bridge deck slabs with partial depth precast elements and concrete layers

Abstract

Aus Sicht der Betreiber von Hoch- und Infrastrukturbauten soll die Bauzeit eines Objekts so kurz alsmöglich gehalten werden. Dies hat neben politisch motivierten Gründen auch die Motivation des Wegfallensvon Straßensperren oder etwaigen Belästigungen von Anrainern. Aber auch die mit der Eröffnungeinhergehenden Einnahmen durch das Betreiben des Objekts sprechen dafür, die Bauzeiten kurz zu halten.Zur Minimierung der Herstellzeit von Stahlbetonfahrbahnplatten für Brücken, wurde am Institut fürTragkonstruktionen der TU Wien ein neues Bauverfahren entwickelt. Dieses neuartige Verfahren kannals Alternative zur bekannten Herstellungsmethode mit einem Verbundschalwagen angesehen werden.Bei der neu entwickelten Baumethode kommen dünnwandige Halbfertigteilelemente zum Einsatz, dieentweder in einem Fertigteilwerk oder auf einer mobilen Fertigungsstätte am Baufeld produziert werden.Die Fertigteilplatten haben, neben dem Nutzen als verlorene Schalung, die untere statisch erforderlicheBewehrung in Brückenquerrichtung bereits eingebaut. Nachdem die Brückenlängsträger montiert wurden,kann ein für das Bauverfahren benötigter Montageplatz hinter dem Brückenwiderlager errichtet werden.Dort werden die Fertigteilelemente eines Bauabschnittes lagerichtig positioniert und durch das Verlegender unteren Bewehrung in Brückenlängsrichtung und dem Einbau einer ersten Aufbetonschicht miteinanderverbunden. Solch ein Bauabschnitt wird mit Hilfe eines Versetzwagens zum Einbauort auf der Brücketransportiert. Dieser Wagen wird in einer erhöhten Position bewegt, um bereits hergestellte Bauabschnittepassieren zu können. Auf, am Brückenlängsträger montierten, Auflagerkonstruktionen wird der Versetzwagenzum Einbauort bewegt und dort hydraulisch abgesenkt. Die für den Bauabschnitt der Fahrbahnplatteerforderliche Bewehrung wurde mittransportiert, sodass diese nur mehr lagerichtig positioniert werdenmuss. Nachdem der nun montierte Bauabschnitt mit einer zweiten Aufbetonschicht auf die tatsächlicherforderliche Dicke ergänzt und damit mit dem vorherigen Bauabschnitt verbunden worden ist, bleibt derVersetzwagen so lange am Einbauort, bis der Frischbeton eine ausreichende Festigkeit aufweist. Danachwerden die Abhängungen, die die Betonbauteile mit dem Wagen verbunden haben, gelöst und dieserwird zum Montageplatz bewegt, um dort den bereits vorbereiteten nächsten Bauabschnitt abzuholen. Diefür die Herstellung der Fahrbahnplatte zu erledigenden Arbeiten werden somit auf verschiedene Orteaufgeteilt. Die Fertigteilelemente werden abseits der Baustelle produziert und vor Ort wird sowohl amMontageplatz als auch am Einbauort zeitgleich gearbeitet. Dadurch wird es möglich zwei Bauabschnitteder Fahrbahnplatte pro Woche herzustellen, was zu einer Reduktion von Bauzeit und Herstellungskostenführt.In der vorliegenden Arbeit werden statisch-konstruktive Detailfragen betreffend der Ausbildung derBetonbauteile, die im Zusammenhang mit der neuen Bauweise auftreten, bearbeitet. Der Einsatz vonHalbfertigteilelementen bringt durch deren Produktion im Werk eine hohe Qualität sowohl hinsichtlichder zu erwartenden Oberfläche als auch der Toleranzen mit sich. Obwohl sich die spätere Fahrbahnplatteaus einzelnen Fertigteilelementen zusammensetzt, entsteht durch eine sorgfältige Ausarbeitung einergeeigneten Fugenausbildung eine dauerhafte Konstruktion. Durch das Zusammenwirken von Fertigteilenmit einer Ortbetonergänzung entstehen monolithische Tragwerke. Die in den Halbfertigteilplatten üblicherweiseverlegte heftgeschweißte Bewehrung weist im Vergleich zu ungeschweißter Bewehrung einegeringere Ermüdungsfestigkeit auf. Die durchgeführten Ermüdungsversuche an zwei unterschiedlichenVersuchstypen, einerseits an freien Stäben unter einer axialen Zugbeanspruchung und andererseits anauf Biegung beanspruchten Plattenelementen mit einbetonierter Bewehrung, werden in der vorliegendenArbeit vorgestellt. Außerdem wurden Konstruktionsdetails zur Einleitung von Verankerungskräften in die dünnwandigen Fertigteilelemente entworfen und sowohl experimentell als auch numerisch untersucht.Neben diesen Forschungsfragen, die die Fertigteile betreffen, wurde der für die Anwendung des Bauverfahrensnotwendige Versetzwagen in einer Kooperation mit der Schalungsfirma Doka GmbH entwickelt.Die baubetriebliche Umsetzung eines Beispielprojekts wurde an der TUWien in Zusammenarbeit mit demInstitut für Interdisziplinäres Bauprozessmanagement - Forschungsbereich für Baubetrieb und Bauwirtschaftdurch die Erstellung eines Bauzeitplanes und einer Kostenkalkulation wissenschaftlich untersucht.Dabei konnte die beschriebene Zeitersparnis und das Einsparungspotenzial in den Errichtungskostenanschaulich gezeigt werden.

Operators of buildings and infrastructure projects want the construction time of their projects to be asshort as possible. In addition to all financially and politically motivated reasons, also the effects on roadtraffic and neighbours as well as future earnings from the finished object are further incentives for a fastconstruction. In order to accelerate the production of concrete deck slabs of bridges, a new constructionmethod was invented at the Institute of Structural Engineering at TU Wien. This new building techniquecan be seen as an alternative to the existing building method with a composite forming carriage. Crucialelements of the new method are partial depth precast elements which can be produced in off-site or on-siteprecast plants. Besides acting as a permanent formwork, the elements are produced with already integratedstatically required lower reinforcement in transverse direction of the bridge. After the installation of thebridge girders on site, an assembly area next to the abutment, which is required for all further constructionsteps, has to be provided. There, all precast elements of one section are assembled and reinforced inlongitudinal bridge direction before being connected by casting of a first concrete layer. The transport ofthe assembled sections to the installation site is carried out by the means of an installation carriage. Thiscarriage moves in an elevated position in order to drive over already manufactured sections. The carriagemoves on supports mounted on top of the bridge main girders until reaching the desired location andbefore hydraulically lowering the sections. The remaining reinforcement is transported together with thesections and is installed at the final position of the segments. After the application of the second concretelayer to achieve the total width of the deck slab and connect the new section with the already existingsections on the bridge, the installation carriage dwells at the installation site until the young concretereaches sufficient strength. Then the suspensions, which connect the concrete elements and the carriage,are released and the installation carriage moves to the assembly area to pick up the next, already preparedsection. The workload of the production of the deck slab of the bridge is therefore divided among differentplaces. The precast elements are produced off-site, and the tasks on-site can be conducted simultaneouslyat the assembly area and the installation site resulting in the ability of producing two sections of the deckslab within one week and therefore reducing the construction time and costs.Within this thesis the answers to detailed questions concerning the design of the concrete elementswhich arose in connection with the new building technique are given. Using partial depth precastelements produced in prefabricating plants implicates a high quality of the concrete surface as wellas precise geometry. Although the deck slab is made out of individual precast elements, a durablestructure is created through a careful joint construction. A monolithic deck slab is built due to theinteraction of the precast elements with the in-situ concrete layers. Spot-welded reinforcement whichis usually installed in the partial depth precast elements has a reduced fatigue resistance compared tounwelded bars. This problematic was looked into using two different types of fatigue testing, one beingaxial loading in air and the other bending of reinforced concrete beams. Construction details for theintroduction of anchoring forces into the thin-walled precast elements were designed and subsequentlyexamined experimentally and numerically. In addition to the question relating to the concrete elements,the installation carriage was developed in cooperation with the formwork company Doka GmbH. To learnmore about the construction operation, a sample project was analysed in collaboration with the Instituteof Interdisciplinary Construction Process Management at TU Wien by creating a construction scheduleas well as a cost calculation. The described time savings and the potential cost savings could be clearlyshown within this work.