Aufbereitung und Auswertung von Dehnungsmessungen in Tübbingen einer segmentierten Tunnelschale : Berechnung von Spannungen und Visualisierung von Auslastungsgraden

Abstract

Der Koralmtunnel ist ein Eisenbahntunnel im Süden Österreichs. Er wird die Fahrzeit zwischen Klagenfurt und Graz von knapp drei Stunden auf 45 Minuten verkürzen. Der Bauabschnitt KAT3 verläuft durch das Lavanttaler Störungssystem. Die segmentierte Tunnelschale besteht dort aus Tübbingringen, die aus jeweils sieben Stahlbetonfertigteilen zusammengesetzt sind. So genannte Messringe sind mit jeweils 38 Schwingsaitensensoren ausgestattet, welche die Normalverzerrung in Umfangsrichtung messen. In der vorliegenden Arbeit werden die Daten aus neun Messringen ausgewertet, um sowohl die Normalspannungen in Umfangs- und Fahrtrichtung zu quantifizieren als auch den Auslastungsgrad der Messtübbinge zu berechnen. Das erfolgt unter Berücksichtigung des viskoelastischen Langzeitverhaltens von Beton im Rahmen des von Razgordanishahari et al. [26] entwickelten Berechnungskonzepts. In diesem Zusammenhang wird gezeigt, wie die Relaxationsfunktion des Betons aus Langzeitkriechversuchen an unbewehrten Betonprismen abgeleitet werden kann. Im Anschluss werden in den Tübbingen gemessene Verzerrungsgeschichten in die gesuchten Spannungsgeschichten übersetzt. Das erfolgt unter Annahme eines ebenen Verzerrungszustands in Tunnelquerschnittsebenen und eines ebenen Spannungszustands in Ebenen parallel zur Tangentialebene an die Schalenmittelfläche. Der Auslastungsgrad des Betons wird mit Hilfe der Anstrengungshypothese nach Drucker-Prager berechnet. Der höchste Auslastungsgrad, der in einem Messtübbing berechnet wird, wird dem Tübbing selbst zugeordnet. Das führt zum zentralen Ergebnis der vorliegenden Arbeit, d.h. zur grafischen Visualisierung der Entwicklung des Auslastungsgrades in den Messringen über die ersten beiden Jahre nach Beginn der strukturellen Bauwerksüberwachung. Der höchste Auslastungsgrad aller ausgewerteten Messtübbinge beträgt rund 42 % am Ende des Auswertungszeitraums. Die Extrapolation des Auslastungsgradverlaufes bis zu einem Tunnelalter von 200 Jahren sagt progressiv aber lediglich moderat steigende Auslastungsgrade bis maximal 55 % voraus.

The Koralm Tunnel is a railroad tunnel in the south of Austria. It will reduce the journey time between Klagenfurt and Graz from some three hours to 45 minutes. The construction lot KAT3 runs through the Lavanttal fault system. There, the segmented tunnel shell consists of tubbing rings, each made up of seven prefabricated reinforced concrete elements. So-called measurement rings are each equipped with 38 vibrating wire sensors which measure the normal strain in the circumferential direction. In the present work, the strain measurement data from nine measuring rings are evaluated in order to quantify normal stresses in the circumferential and driving directions and to calculate the degree of utilization of the measurement tubbings. This is done by considering the long-term viscoelastic behavior of concrete within the framework of the calculation concept developed by Razgordanishahari et al. [26]. In this context, it is shown how the relaxation function of concrete can be derived from long-term creep tests on unreinforced concrete prisms. Thereafter, normal strain histories measured inside the measurement tubbings are translated into the desired stress histories. This is done assuming a plane strain state in tunnel cross-section planes and a plane stress state in planes parallel to the tangential plane to the midsurface of the shell. The degree of utilization of concrete is calculated using the Drucker-Prager failure criterion. The largest degree of utilization calculated in a measurement tubbing is assigned to the tubbing itself. This leads to the central result of the present work, i.e. the graphical visualization of the development of the degree of utilization in the measurement rings over the first two years after the start of structural monitoring. The largest degree of utilization of all evaluated measuring tubbings is around 42 % at the end of the evaluation period. The extrapolation of the degree of utilization up to a tunnel age of 200 years predicts a progressive but only moderate increase in the degree of utilization up to a maximum of 55 %.