Nachrechnung der Querkrafttragfähigkeit bestehender Stahlbetonplattentragwerke mit Aufbiegungen am Beispiel einer Mehrfeldbrücke

Abstract

Die Erhaltung und Ertüchtigung von Bestandsbauwerken werden immer wichtigere Gebiete der Ingenieurpraxis. Diesbezügliche statische Nachrechnungen mit den aktuellen Bemessungsregeln des Eurocodes erlauben oftmals keine positive Nachweisführung. Besonders häufig zeigen sich rechnerische Querkraftdefizite. Ein zentrales Problem der Tragfähigkeitsbewertung von älteren Stahlbetonbrücken mit heutigen Normen besteht darin, dass die aktuell zur Bemessung verwendeten Querkraftmodelle in ihrer Anwendung durch Randbedingungen limitiert sind und in vielen Fällen, nicht alle Gegebenheiten der Bestandsbrücke in der Berechnung ihrer Tragfähigkeit abbilden können. Besonders die historische Ausführungsform der Querkraftbewehrung, über Aufbiegung der Längsbewehrung, kann die konstruktiven Vorgaben des Eurocodes oft nicht erfüllen, weshalb eine Nachrechnung gemäß Eurocode, nur den Querkraftwiderstand des Betons berücksichtigen kann. Im Rahmen eines von der ÖBB-Infrastruktur AG beauftragten Forschungsprojektes wird die, Anfang der 1970er Jahre, über den Enterbach errichtete Eisenbahnbrücke, auf ihre Querkrafttragfähigkeit untersucht. Dabei handelt es sich um ein dreifeldrig durchlaufendes Plattentragwerk aus Stahlbeton, mit einer Feldlänge von jeweils 14,5 Meter. Die Querkraftbewehrung des Tragwerks besteht aus aufgebogenen Längsbewehrungsstäben, deren Verteilung feldweise variiert. Für die Enterbachbrücke wird die statische Nachrechnung der 1. und 2. Stufe, des vierstufigen Verfahrens zur Tragfähigkeitsbewertung von Bestandsbauwerken, gemäß ÖNORM B 4008-2 durchgeführt. Die Nachrechnung beinhaltet die Ermittlung der Schnittgrößen anhand der aktuellen Lastmodelle der ÖNORM EN 1991 und die Ermittlung des Querkraftwiderstandes des Brückentragwerks, sowohl mit dem Querkraftmodell nach ÖNORM EN 1992, als auch mit dem PSC-Modell, welches am Institut für Tragkonstruktionen speziell für die Berechnung von Bestandsobjekten mit Aufbiegungen entwickelt wurde (enthalten in der ÖNORM B 4008-2). Im Modell des potenziellen Schubrisses (PSC – potential shear crack) wird grafisch ein diskreter, idealisierter Schubriss konstruiert und entlang der Tragwerksachse verschoben. Im potenziellen Riss freigewordene Kräfte werden über ein vertikales Kräftegleichgewicht aufsummiert und daraus der Querkraftwiderstand ermittelt. Das Modell ermöglicht die gleichzeitige Berücksichtigung eines Beton- und Stahltraganteils mittels eines Interaktionsbeiwertes. Es hat sich herausgestellt, dass die Brücke die Querkraftnachweise abschnittsweise nicht erfüllen kann. Nach Berechnung der Stufe 1 (gemäß dem aktuell gültigen Eurocode) zeigt sich, dass die Querkraftnachweisgrenze im Grenzzustand der Tragfähigkeit, teils um den Faktor 3 überschritten wird. Bei Anwendung des PSC-Modells (Stufe 2) verbessert sich die rechnerische Tragfähigkeit deutlich, jedoch bleiben drei Zonen mit Querkraftdefiziten pro Symmetriehälfte. Der Grund für die weiterhin nicht vollständig erfüllten Querkraftnachweise gemäß Stufe 2 liegt in der horizontalen Verteilung der Aufbiegerreihen, welche auf die Regelungen der zur Bauzeit gültigen ÖNORM B 4200-8 zurückzuführen sind. Besonders eine Zone weist hohe Ausnutzungsgrade über die gesamte Tragwerksbreite auf. Als mögliche nächste Schritte wären rechnerische oder konstruktive Maßnahmen anzudenken. Vor allem die Tragfähigkeitsbewertung der 3. Stufe und die Ermittlung der tatsächlichen Lastbilder der Betriebszüge können empfohlen werden.

The maintenance and strengthening of existing structures are becoming increasingly important areas of engineering. Related static recalculations with the current design rules of the Eurocode often hinder a positive verification. Shear capacity deficiencies are particularly frequent. A key problem in evaluating the shear capacity of older reinforced concrete bridges with today's standards is that the current shear models are limited in their applicability by boundary conditions, and therefore, cannot represent all the particularities of existing bridges in the calculation of its shear capacity. Particularly, the historical designs of the transverse force reinforcement with bent-up bars cannot fulfill the design specifications of the Eurocode, which is why a recalculation according to the Eurocode can only consider the shear force resistance attributed to the concrete. As part of a research project commissioned by ÖBB-Infrastruktur AG, the shear capacity of the railroad bridge over the Enterbach, which was built in the early 1970s, is investigated. The bridge is a three-span slab structure made of reinforced concrete, with a span length of 14.5 meters each. The shear reinforcement of the structure consists of bent-up longitudinal bars. Their distribution varies from span to span. The recalculation of the 1st and 2nd stage, of the four-stage procedure for the load capacity evaluation of existing structures according to ÖNORM B 4008-2, will be carried out for the Enterbach Bridge. The recalculation includes the evaluation of the internal forces based on the current load models of ÖNORM EN 1991 and the evaluation of the shear resistance of the bridge structure, using the shear force model according to ÖNORM EN 1992, as well as the PSC-model, which was developed by the Institute for Structural Engineering for the purpose of the recalculation of existing bridges with bent-up bars (included in ÖNORM B 4008-2). In the PSC-model (potential shear crack), a discrete, idealized shear crack is graphically drawn and translated along the structure axis. Forces released in the potential crack are summed up by a vertical force balance and the shear resistance can be determined from this. The model allows the simultaneous consideration of a concrete and steel contribution by using an interaction coefficient. It turned out that the bridge cannot fulfill the shear force limits in some sections. After calculation of level 1 (in accordance with the currently valid Eurocode), it was found that the shear force limit in the ultimate limit state was exceeded, in some cases by a factor of 3. When using the PSC-model (level 2), the calculated shear capacity improves significantly, but there are still three zones with shear force deficits in each symmetry half of the bridge. The reason why the shear capacity according to level 2 were still not completely fulfilled lies in the horizontal distribution of the rows from the bent-up bars. Their layout can be attributed to the regulations of ÖNORM B 4200-8, which were valid at the time of construction. Particularly one zone has high utilization rates over the entire width of the structure. As possible next steps, refined calculational approaches or constructive measures could be considered. Above all, the load capacity evaluation of the 3rd stage and the identification of the actual load patterns of the operating trains can be recommended.