Ermüdungsfestigkeit von eingebauten Spanngliedern – Versuche an Spannbetonträgern

 

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1 Einleitung

Der Einsatz des Spannbetons im Brückenbau hat in der Vergangenheit zu großen Fortschritten geführt. Durch die günstige Wirkung der Vorspannung ließen sich immer größere Spannweiten realisieren und wirtschaftliche Bauwerke mit einer guten Dauerhaftigkeit erstellen. In Deutschland wurde und wird daher der überwiegende Anteil der Brücken in Spannbetonbauweise ausgeführt. Die steigenden Verkehrsbelastungen infolge des stetig zunehmenden Verkehrs und die fortgeschrittene Nutzungsdauer der Brücken führen zum Beispiel bei Überprüfungen und Nachrechnungen oftmals zu Problemen beim Nachweis der Ermüdung. Für die dann erforderlichen weitergehenden Bewertungen ist eine genaue Kenntnis der Tragfähigkeit unter Ermüdungsbeanspruchung erforderlich. Dabei unterliegen die in Brücken eingebauten Spannglieder im nachträglichen Verbund insbesondere im Bereich von Umlenkungen komplexen Beanspruchungsverhältnissen, die zu erhöhten Ermüdungsbelastungen führen und die Ermüdungsfestigkeit, bezogen auf die reine Materialermüdung des Spannstahls, deutlich reduzieren können.

Durch die heutige Verkehrszusammensetzung erhalten die hohen Lastwechselzahlen bei relativ kleinen Schwingbreiten eine besondere Relevanz. Bisherige Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von eingebauten Spanngliedern beschränkten sich überwiegend auf den Bereich der Zeitfestigkeit (N < 10⁶). Daher basieren die Wöhlerlinien gemäß DIN EN 1992–1–1 und DIN EN 1992–2 inklusive der nationalen Anhänge für Deutschland [1], [2], [3], [4] (nachfolgend insgesamt mit EC 2 + NA bezeichnet) im Bereich hoher Lastwechselzahlen nur auf einer geringen Datenbasis. Außerdem sind in den vorliegenden Versuchen zum Beispiel die Auswirkungen von unterschiedlichen Betonfestigkeiten oder unterschiedlichen Spanngliedkrümmungen nicht untersucht worden.

Aus diesen Gründen wurden im Zuge von zwei DIBt-Forschungsvorhaben die Ermüdungsfestigkeit von eingebauten Spanngliedern im nachträglichen Verbund unter zyklischer Beanspruchung theoretisch untersucht und ergänzende experimentelle Versuche durchgeführt [5], [6]. Zusätzlich wurde das Ermüdungsverhalten von Spanngliedern im sofortigen Verbund überprüft.

2 Ermüdungsnachweis nach EC 2 + NA

Für den Ermüdungsnachweis der Spannglieder sind gemäß EC 2 + NA drei Verfahren möglich:

• Vereinfachter Nachweis,
• Nachweis über schädigungsäquivalente Schwingbreiten,
• Betriebsfestigkeitsnachweis.

Beim Nachweis über schädigungsäquivalente Schwingbreiten wird die einwirkende schädigungsäquivalente Schwingbreite Ds_S,equ der aufnehmbaren Schwingbreite Ds_Rsk für eine entsprechende Lastwechselzahl N (unter Berücksichtigung von Teilsicherheitsbeiwerten) gegenübergestellt (Gleichung (1)).

(1)

Die Ermüdungsfestigkeit des eingebauten Spannstahls wird durch eine Wöhlerlinie für den Spannstahl festgelegt, die die Beziehung zwischen der Spannungsschwingbreite Ds und der Bruchlastspielzahl N beschreibt und durch die Spannungsexponenten k₁ und k₂ sowie die Spannungsschwingbreite Ds_Rsk bei N* Lastwechsel definiert ist.

Die entsprechenden Werte sind abhängig von der Spannstahlart (sofortiger bzw. nachträglicher Verbund) und von der Spannstahlklasse (Klasse 1 und 2). Bei Vorspannung mit nachträglichem Verbund wird weiterhin unterschieden zwischen Einzellitzen in Kunststoffhüllrohren, geraden Spanngliedern sowie gekrümmten Spanngliedern in Kunststoffhüllrohren und gekrümmten Spanngliedern in Stahlhüllrohren.

3 Spannglieder im nachträglichen Verbund

3.1 Versuchsprogramm

Im Rahmen des Versuchsprogramms wurde das Ermüdungsverhalten an vier Versuchsträgern mit Spanngliedern im nachträglichen Verbund untersucht. Um die in [7] festgestellte geringe Anzahl an bisherigen Untersuchungen im Bereich geringer Spannungsschwingbreiten (im Spannstahl) zu erweitern, wurden diese Versuche bei Schwingbreiten von 100 N/mm² bis 150 N/mm² (d.h. im Bereich des Knickpunktes der Wöhlerlinie nach EC 2 + NA) durchgeführt. Aufgrund der geringen Versuchsanzahl konnte lediglich eine begrenzte Auswahl an Einflussgrößen und deren Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit des eingebauten Spannstahls überprüft werden. Dabei wurden im Wesentlichen der Einfluss unterschiedlicher Betonfestigkeiten und die Auswirkungen einer unterschiedlichen Hüllrohrkrümmung geprüft. So wurde bei Versuchsträger B 1 ein normalfester Beton und bei Versuchsträger B 3 ein hochfester Beton bei ansonsten gleicher Konzeption eingesetzt. Die Versuchsträger B 1 bis B 3 wurden mit einem Hüllrohrradius entsprechend dem Mindestradius der Zulassung des Spannsystems ausgeführt. Demgegenüber wurde im Versuchsträger B 4 der doppelte Mindestradius gemäß Zulassung gewählt, um die Umlenkpressungen zu reduzieren. Während die Versuchsträger B 1, B 3 und B 4 für eine Spannungsschwingbreite im Spannstahl von etwa 100 N/mm² (Quasi-Dauerfestigkeitsbereich) dimensioniert waren, wurde der Versuchsträger B 2 mit einer Schwingbreite von etwa 150 N/mm² ausgeführt, um einen Bezug zu vorangegangenen Versuchsergebnissen aus der Fachliteratur herzustellen.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
Bauingenieur 12.2015, Seite 553-561

Literatur

[1] DIN EN 1992–1–1, Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 11: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. Ausgabe Januar 2011.

[2] DIN EN 1992–2: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 2: Betonbrücken – Bemessungs- und Konstruktionsregeln. Ausgabe Dezember 2010.

[3] DIN EN 1992–1–1/NA, Nationaler Anhang – National festgelegte Parameter – Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 11: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau, Ausgabe Januar 2011.

[4] DIN EN 1992–2/NA, Nationaler Anhang – National festgelegte Parameter – Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 2: Betonbrücken – Bemessungs- und Konstruktionsregeln. Ausgabe April 2013.

[5] Empelmann, M.; Sender, C.: Sachstandbericht zur Dauerschwingfestigkeit von Spannstählen unter dynamischer Beanspruchung im eingebauten Zustand. Schlussbericht Nr. P02–02 des DIBt-Forschungsvorhabens DIBt P 52–5– 7.294–1342/09, iBMB TU Braunschweig, 2010.

[6] Remitz, J.; Empelmann, M.: Dauerschwingfestigkeit von Spannstählen unter dynamischer Beanspruchung im eingebauten Zustand. Schlussbericht Nr. P02–16 des DIBt-Forschungsvorhabens DIBt P 52–5– 7.294.1–1425/13, iBMB TU Braunschweig, 2015.

[7] Empelmann, M.; Remitz, J.: Ermüdungsverhalten von Spanngliedern mit nachträglichem Verbund. In: Beton- und Stahlbetonbau 109 (2014), Heft 11, S. 760–770.

[8] Abel, M.: Zur Dauerhaftigkeit von Spanngliedern in teilweise vorgespannten Bauteilen unter Betriebsbedingungen. Aachen, RWTH Aachen, Institut für Massivbau, Dissertation, 1996.

[9] Bökamp, H.: Ein Beitrag zur Spannstahlermüdung unter Reibdauerbeanspruchung bei teilweiser Vorspannung. Aachen, RWTH Aachen, Institut für Massivbau, Dissertation, 1991.

[10] Eskola, L.: Zur Ermüdung teilweise vorgespannter Betontragwerke. Zürich, ETH Zürich, Institut für Baustatik und Konstruktion, Dissertation, 1996.

[11] Hegger, J.; Neuser, J.: Untersuchungen zur Reibermüdung von großen Spanngliedern bei teilweise vorgespannten Bauteilen unter Betriebsbedingungen. Institutsbericht Nr.: 49/98, Institut für Massivbau RWTH Aachen, 1998.

[12] Müller, H. H.: Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben „Prüfverfahren für die Dauerschwingfestigkeit von Spannstählen“. Bericht Nr. 1111, Institut für Bauingenieurwesen III TU München, 1985.

[13] Voß, K.-U., Falkner, H.: Versuche zum Zusammenwirken von Beton- und Spannstahl in Spannbetonbiegebalken unter Betriebsbedingungen. Abschlussbericht, iBMB TU Braunschweig, 1993.

[14] Maurer, R.; Heeke, G.; Marzahn, G.: Ermüdungsfestigkeit der Spannstähle einer Autobahnbrücke von 1957 im einbetonierten Zustand. In: Bauingenieur 87 (2012), Heft 5, S. 226–236.

[15] Ozell, A. M.; Ardaman, E.: Fatigue Tests of Pre-tensioned Prestressed Beams. In: ACI Structural Journal, Vol. 28 (1956), Iss. 4, pp. 413–424.

[16] Nordby, G. M.; Venuti, W. J.: Fatigue and Static Tests of Steel Strand Prestressed Beams of Expanded Shale Concrete and Conventional Concrete. In: ACI Structural Journal, Vol. 54 (1957), Iss. 2, pp. 141–160.

[17] Ozell, A. M.; Diniz, J. F.: Fatigue Tests of Prestressed Concrete Beams Pretensioned with 1/2 Inch Strands. In: PCI Journal, Vol. 3 (1958), Iss. 1, pp. 79–88.

[18] Warner, R. F.; Hulsbos, C. L.: Probable Fatigue Life of Prestressed Concrete Beams Part I – IV. Report No. 223.24C1–4, Lehigh University, 1964.

[19] Abeles, P. W.; Brown II, E. I.; Hu, C. H.: Fatigue Resistance Of Under-Reinforced Prestressed Beams Subjected To Different Stress Ranges; Miner’s Hypothesis SP 41–11. Abeles Symposium – Fatigue Of Concrete, ACI-Publication SP-41, S. 237–277, 1974.

[20] Rabbat, B. G. et al.: Fatigue Tests of Pretensioned Girders With Blanketed and Draped Strands. In: PCI Journal, Vol. 24 (1979), Iss. 4, pp. 88–114.

[21] Harajli, M. H.; Naaman, A. E.: Deformation and Cracking of Partially Prestressed Concrete Beams Under Static and Cyclic Fatigue Loading. Report No. UMEE 84R1, University of Michigan, College of Engineering, 1984.

[22] Overman, T. R.; Breen, J. E.; Frank, K. H.: Fatigue Behavior of Pretensioned Concrete Girders. Research report No. 300–2F, University of Texas at Austin, Center for Transportation Research, 1984.

[23] Muller, J. F., Dux, P. F.: Fatigue of Prestressed Concrete Beams with Inclined Strands. Research Report No. CE 135, University of Queensland, Department of Civil Engineering, 1992.

[24] Heller, B. E.: Fatigue Response of Pretensioned Concrete Beams [Master Thesis], University of Texas at Austin, 2003.

[25] Hagenberger, M. J.: Consideration of Strand Fatigue for Load Rating Prestressed Concrete Bridges. Austin, University of Texas at Austin, Dissertation, 2003.

[26] Grunert, J. P.: Zum Tragverhalten von Spannbetonfertigteilbalken aus Stahlfaserbeton ohne Betonstahlbewehrung, Braunschweig, TU Braunschweib, iBMB, Dissertation, 2006.