Die Halbfertigteil-Segmentbauweise: Entwicklungsschritte zu einer neuen Brückenbaumethode

Abstract

Weit gespannte Balkenbrücken werden häufig aus Spannbeton und mit einem hohlkastenförmigen Querschnitt hergestellt, da dieser sehr große Widerstände gegenüber Biegung,Querkräften und auch Torsion aufweist. Die Träger solcher Spannbeton-Hohlkastenbrücken werden aktuell entweder vor Ort auf der Baustelle mit einer Schalung auf einer Tragkonstruktion betoniert oder aus vorgefertigten Teilstücken, sogenannten Segmenten, zusammengebaut.Beide Ansätze haben gewisse Vor- und Nachteile, was beispielsweise die Baugeschwindigkeit oder die Anzahl und Ausbildung von Fugen im Bauwerk betrifft.Diese kumulative Dissertation setzt sich aus einem einleitenden Teil und drei in Fachzeitschriften veröffentlichten Artikeln zusammen. Darin wird ein neues Bauverfahren für Brückenträger von Spannbeton-Hohlkastenbrücken vorgestellt und es werden drei wesentlicheSchritte im Zusammenhang mit der Entwicklung dieses Bauverfahrens gezeigt. Diese wurden im Zuge eines mehrjährigen Forschungsprojektes am Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien erreicht. Die Idee des neuen Brückenbauverfahrens ist es, die Vorteile existierender Bauverfahren mit Ortbeton und Fertigteilen zu vereinen. Dafür kommen aus dem Hochbau bekannte dünnwandige Halbfertigteile zum Einsatz. Aus diesen werden Segmente gebaut, welche wiederum zu einem Brückenträger verbunden werden, welcher in seiner endgültigen Lage im Tragwerk als verlorene Schalung für bauseits ergänzten Ortbeton dient. So entsteht am Ende ein monolithisches Brückentragwerk ohne Fugen,welche über den gesamten Querschnitt durchgehen.Im Teil I „Einleitung“ werden zuerst die Problemstellungen, die sich im Zusammenhang mit gängigen Bauverfahren ergeben, erläutert, um darauf aufbauend die Zielsetzung für das Gesamtprojekt und die drei behandelten Detailgebiete darzulegen. Im Anschluss daran werden die angewandten Methoden präsentiert und es wird auf den Stand der Technik und Forschung eingegangen. Nach der Zusammenfassung der drei Publikationen werden im letzten Kapitel Schlussfolgerungen gezogen, welche den wissenschaftlichen Beitrag der Dissertation aufzeigen und es wird ein Ausblick auf weitere Entwicklungsschritte, die notwendig sind, um eine Praxisreife zu erlangen, präsentiert.Teil II „Publikationen“ zeigt die drei zugrunde liegenden Veröffentlichungen in deroriginalen Formatierung des jeweiligen Verlags beziehungsweise in der Formatierung derfinalen Einreichung. Im ersten Aufsatz mit dem Titel „Semi-precast segmental bridges:Development of a new construction method using thin-walled prefabricated concrete elements“[1] wird zunächst ein Anwendungsbeispiel von dünnwandigen Halbfertigteilen für eine Brücke mit einem plattenbalkenförmigen Querschnitt präsentiert. Basierend auf der erfolgreichen Anwendung von Halbfertigteilen im Brückenbau wird das neue, als Halbfertigteil-Segmentbauweise bezeichnete Bauverfahren präsentiert. Der Fokus lieg tdabei auf dem Bau eines Prototyp-Brückensegments im Maßstab 1:1 aus 70 mm dünnen Halbfertigteilen mit einer Länge von 3,5 m, einer Breite von 12,2 m und einer Höhe von 2,5 m. Im Anschluss daran werden Anwendungsmöglichkeiten der neu entwickelten Halbfertigteilsegmente gezeigt. Am Ende der ersten Publikation werden die Vorteile, die sich im Zusammenhang mit dem reduzierten Eigengewicht im Bauzustand ergeben, anhand des Taktschiebeverfahrens veranschaulicht.Die zweite Publikation „Semi-Precast Segmental Bridge Construction Method: ExperimentalInvestigation on the Shear Transfer in Longitudinal and Transverse Direction“ [2]widmet sich dem Schubtragverhalten im Bauzustand von Brückenträgern aus dünnwandigen Halbfertigteilsegmenten. Die Publikation zeigt Versuche und vergleichende Berechnungen zum Tragverhalten von zwei verschiedenen Konstruktionselementen.Das erste betrifft die Querrahmen innerhalb der viereckigen Segmente. Dabei werden verschiedene Verbinder-Bauteile, welche im Steg der Brückensegmente zum Einsatz kommen,untersucht und wichtige Erkenntnisse erzielt. Diese betreffen das Tragverhalten von Gitterträgerdiagonalen und Stahl-Verbindungselementen in Doppelwänden.Der zweite untersuchte Bereich betrifft die Fugen zwischen einzelnen Brückensegmenten.Es werden unterschiedliche Ausführungsformen als trockene Fugen und mit Vergussmörtelverfüllte Varianten untersucht.In Halbfertigteil-Brückensegmenten können als Stege sowohl Doppelwände, als auch leichtere einschalige Wände mit nur einer Betonplatte zum Einsatz kommen. In der dritten Publikation mit dem Titel „Zur Ortbeton-Ergänzung einschaliger Halbfertigteilwände“[3] werden drei Lösungsmöglichkeiten für die Ergänzung solcher einschaliger Halbfertigteilwände präsentiert und anschließend auf einer Baustelle in Wien praktisch erprobt.Der Fokus liegt dabei auf einer schalungsfreien Variante mit Spritzbeton, welche mit einer Variante mit einer Schalung und einer mit einem weiteren Fertigteil verglichen wird.Neben dem Versuchsaufbau wird auf die Durchführung und die erhaltenen Ergebnisse aus Betondruckmessungen, Bohrkernen und zerstörenden Materialprüfungen eingegangen. Am Ende werden Empfehlungen für die Praxis abgegeben.

Long-span bridge girders are often made of prestressed concrete and with a box-shapedcross-section, as this has very high resistances to bending, shear forces and also torsion.Such prestressed concrete box girder bridges are currently either constructed on site witha form work on a supporting structure or they are assembled from prefabricated elements,so-called segments. Both approaches have certain advantages and disadvantages, for example in terms of speed of construction or the number and design of joints in the structure.This cumulative dissertation is composed of an introductory part and three articles published in scientific journals. It describes a new construction method for girders of prestressed concrete box girder bridges and shows three essential steps towards thedevelopment of this construction method. These were developed in the course of a multi year research project at the Institute for Structural Engineering at the TU Wien. The idea of the novel bridge construction method is to combine the advantages of existing construction methods with in-situ concrete and prefabricated segments. For this purpose,thin-walled semi-prefabricated elements known from building construction are used. These elements are utilized to construct segments which in turn are connected to form a bridge girder. In its final position, this bridge girder acts as a supporting structure and lostformwork for the additional in-situ concrete. In the end, the result is a monolithic bridge structure without joints going through the entire cross-section.In Part I „Introduction“ problems that arise in connection with common bridge construction methods are first explained and, building on this, the objectives for the overall project and the three detailed areas dealt with are presented. Subsequently, the applied methods and the state of the art and research are presented. After summarising the three publications, the last chapter draws conclusions that show the scientific contribution ofthe dissertation and presents an outlook on further development steps that are necessary to achieve practical maturity.Part II „Publications“ shows the three papers on which the thesis is based in the original formatting of the respective publisher or in the formatting of the final submission. In thefirst paper entitled „Semi-precast segmental bridges: Development of a new construction method using thin-walled semi-precast concrete elements“ [1] first an application example of thin-walled semi-prefabricated concrete elements for a bridge with a T-shaped crosssectionis presented. Based on the successful application of semi-prefabricated elements inbridge construction, the new construction method called „semi-precast segmental bridge construction method“ is presented. The focus lies on the construction of a prototypebridge segment on a scale of 1:1 from 70 mm thin semi-precast elements with a length of3.5 m, a width of 12.2 m and a height of 2.5 m. After that, the application possibilities ofthe newly developed semi-precast segments are shown. At the end of the first publication,the advantages that arise in connection with the reduced dead weight during construction phases are illustrated with the example of the incremental launching method.The second publication „Semi-Precast Segmental Bridge Construction Method: ExperimentalInvestigation on the Shear Transfer in Longitudinal and Transverse Direction“ [2] is devoted to the shear transfer behaviour of bridge girders made of thin-walled semi-precastsegments during construction. The publication shows tests and comparative calculationson the load-bearing behaviour of two different structural elements.The first concerns the transverse frames within the quadrangular segments. Different connector components used in the web of the bridge segments are investigated and important findings are obtained. These concern the load-bearing behaviour of lattice girder diagonals and steel connecting elements in double walls.The second area investigated is the one of the joints between individual bridge segments.Different designs are examined as dry joints and grouted joints and grout-filled variants are investigated.In semi-precast bridge segments, both double walls and lighter single-panel walls withonly one concrete panel can be used as webs. In the third publication entitled „Onthe completion of single-panel semi-precast walls with in-situ concrete“ [3] three possible solutions for completing such single-panel semi-precast walls are presented and subsequently tested in practice on a construction site in Vienna. The focus is on a formwork-free version with shotcrete which is compared with a variant with formwork and one with another precast element. In addition to the test setup, the execution and the results obtained from concrete pressure measurements, drill cores and destructive material tests are discussed.At the end, recommendations for practice are given.