Rechnerische Beurteilung der Schubtragfähigkeit einer Spannbetonbrücke mit geringem Querkraft bewehrungsgrad

Assessment of the shear strength of an existing post‐tensioned concrete bridge with a low amount of shear reinforcement – First application of the ”Flexural Shear Crack“ model in practice In recent years it was reported several times, that within a static assessment according to current standards the shear strength of post‐tensioned bridges, which were built in Austria before 1989, cannot be fulfilled any more. However, test results prove, that especially prestressed structures have additional load bearing capacities, which cannot be reproduced with current calculation models. In the framework of a pilot project a new developed shear model (Flexural Shear Crack Model) was used. In this paper the approach as well as the main results of a statical reevaluation of an existing post‐tensioned road bridge at the Tauern Autobahn A10 will be presented.     

Beurteilung des Tragverhaltens von Spannbetonbrücken mit spannungsrisskorrosionsgefährdetem Spannstahl

Die Beurteilung des Tragverhaltens von Spannbetonbrücken, die in den 1960er und 1970er Jahren in Deutschland und Österreich gebaut wurden und für deren Herstellung vergütete Spannstähle Verwendung fanden, ist seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung mit starkem Praxisbezug. Im vorliegenden Beitrag werden nach einer theoretischen Erläuterung des Tragverhaltens die praxisrelevanten Fragestellungen wie das Vorgehen bei der Beurteilung sowie weiterführende Untersuchungen erörtert. Zudem werden aktuelle Entwicklungen in der Forschung zur Beurteilung von gefährdeten Spannbetonbrücken aufgezeigt und diskutiert. Assessment of Load Bearing Behaviour of Post‐Tensioned Concrete Bridges Equipped with Prestressing Steel Susceptible to Stress Corrosion Cracking Basics, Practical Application and Current Developments Due to extending lifetime of infrastructure in general and posttensioned concrete bridges in particular the importance of durability aspects increases. Especially older prestressed bridges built in the 1960s and 1970s in Germany and Austria are subject of these investigations. Some of these post‐tensioned concrete bridges consist of quenched and tempered prestressing wires with high susceptibility to stress corrosion cracking as we know nowadays. This article deals with recalculation, assessment and evaluating methods for post‐tensioned concrete bridges including further analytic for endangered bridges. The procedure is shown by an example of an existing multi girder bridge and furthermore, future prospects are given.     

Nachrechnen und Verstärken älterer Spannbetonbrücken

Es zeichnet sich ab, dass die Investitionen in die Verstärkung und Erneuerung des Straßenbrückenbestands in Deutschland zukünftig stark erhöht werden müssen, damit das Fernstraßennetz bestmöglich nutzbar bleibt. Erste Erfahrungen mit der Nachrechnung von Brücken zeigen, dass viele ältere Brücken sehr kurzfristig verstärkt oder erneuert werden müssen. Besonders kritische ältere Brücken, die nicht kurzfristig verstärkt oder erneuert werden können, müssen für den Schwerverkehr eingeschränkt werden, da sie nach den Regeln der Nachrechnungsrichtlinie erheblich überbeansprucht sind. Zur Verstärkung älterer Spannbetonbrücken hat sich in den letzten Jahren eine Externe Vorspannung als vorteilhafteste Verstärkungstechnik herausgestellt. Die Regeln zur Bemessung, Konstruktion und Bauausführung sind inzwischen vielfach angewendet und erprobt. Noch verbleibende Regeln für die Querkraftbemessung älterer Spannbetonbrücken im Rahmen der Nachrechnung sind in der Entwicklung und müssen den Tragwerksplanern baldmöglichst zur Verfügung gestellt werden. Checking and Strengthening older Prestressed Concrete Bridges In Germany it seems to indicate, that very high investments are necessary to strengthen or replace older road bridges in order to maintain a sustainable and effective traffic infrastructure. First experiences with a new guideline for checking older bridges are, that many older bridges have to be checked and strengthened in a short‐term. Weak structures without strengthening have to be closed for the heavy‐duty traffic, because these bridges are overloaded. The strengthening with additional external tendons is the best available technology for older prestressed concrete bridges. That is the experience of the last years. In the following paper principles of design, detailing possibilities and construction works are illustrated. Special rules for shear design of older bridges with low thrust reinforcement and additional external tendons are at the development stage.     

Versuche zur Querkrafttragfähigkeit von gevouteten Stahlbetonbalken ohne Querkraftbewehrung

Bei der Bestimmung der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonträgern mit veränderlicher Höhe ist bislang unzureichend geklärt, in wie weit der Einfluss eines geneigten Druck‐ oder Zuggurts (V_ccd bzw. V_td) bei Balken bzw. Platten ohne Schubbewehrung berücksichtigt werden kann. Zu dieser Problematik wurde eine umfangreiche Versuchsserie mit 18 gevouteten Balken durchgeführt, deren Ergebnisse in diesem Beitrag erläutert werden. Die Untersuchungen zeigen, dass bislang kein Rechenverfahren existiert, welches das Querkrafttragverhalten von gevouteten Stahlbetonbalken zutreffend beschreibt. Die im Versuch erreichten Traglasten waren bei Berücksichtigung der Vertikalkomponente eines geneigten Druck‐ bzw. Zuggurts (V_td and V_ccd) teilweise geringer als die Rechenwerte der DIN. Shear Strength of Haunched Concrete Beams without Transverse Reinforcement The shear capacity of concrete members without transverse reinforcement is still under debate. Within this paper one aspect, the favourable contribution of inclined tension and compression chords (V_td and V_ccd) of members with variable depth, like haunched beams, will be discussed in detail. A series of 18 tests on 9 different specimens was performed to examine the real shear capacity of haunched beams without shear reinforcement. The evaluation of the test results revealed, that none of the available design methods can describe the shear behaviour of haunched beams. The vertical component of the inclined compression chord V_ccd leads in some cases to unsafe values.     

Zur Querkraftgefährdung bestehender Spannbetonbrücken

Zur Formulierung einer Handlungsanweisung wurden in Teil I die geänderten Lastannahmen für Brücken nach DIN Fachbericht 101 mit den Belastungsklassen nach alten Normen verglichen und gezeigt, wie anhand aktueller Verkehrszahlen die Lastansätze modifiziert werden können. Der aktuelle Brückenbestand in Hessen wurde mit der Straßeninformationsbank (Teilprojekt Bauwerksdaten) ausgewertet, um Klassifizierungs‐ und Bewertungskriterien zu erarbeiten. Zur Beurteilung des Querkraftwiderstandes wurden die Grundlagen der Querkraftbemessung nach DIN 1045, DIN 4227, DIN Fachbericht 102 und aus der Literatur gegenübergestellt. In Teil II werden Verfahren zur nachträglichen Verstärkung von Querschnitten und Tragsystemen mit zu geringer Querkrafttragfähigkeit zusammengestellt. Des Weiteren werden verschiedene Varianten der Modellierung verglichen, die bei der linearelastischen Schnittgrößenermittlung nach der Finite‐Elemente‐ Methode verwendet werden. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse werden schließlich Empfehlungen für eine Handlungsanweisung zur Beurteilung querkraftgefährdeter Brückenbauwerke formuliert. Shear‐Vulnerability of Existing Pre‐Stressed Concrete Bridges In Part I, to formulate an operation directive the revised load assumptions for bridges of DIN Technical Report 101 are compared with the loading classes according to old standards and it is demonstrated, how the loading models can be modified based on actual traffic data. The current bridge asset in the Federal State of Hesse is evaluated using the “Road Information Database (Sub‐Project: Structural Data)” in order to work out classification and evaluation criteria. Regarding the assessment of the shear load‐bearing capacity the fundamentals of the shear load design models of DIN 1045, DIN 4227, DIN TR 102 and from the literature are compared. In Part II, the procedures for the subsequent strengthening of cross‐sections and structural systems with a low shear load‐bearing capacity are compiled. In addition, different types of finite element modelling are compared used for the calculation of the linear‐elastic internal forces. Finally, based on the findings recommendations are formulated for an operation directive in regard to the assessment of shear‐vulnerable bridges.     

Großversuch WILD‐Brücke – versuchsgestützte Bemessung einer UHPC‐Bogenbrücke

Full‐Scale Experiment Bridge WILD – Design of an UHPC Arch Bridge based on Experiments The outstanding durability of UHPC makes this material predestined for the construction of bridges. In Austria UHPC is introduced into the practice of road bridges through the realisation of the bridge WILD. The cross section of the arch, which spans 70 m, is just 6 cm thick and doesn't contain any passive reinforcement. The design is based on international recommendations on the one hand and on specific experiments on the other hand. This paper deals with the evaluation of two full‐scale laboratory tests. The setup is configured for getting a broad field of results as it is necessary for approval tests. In this way, all critical design states, which are also determined by calculation, are investigated experimentally. Furthermore, the experiments cover secondary effects, which don't have any verification through practical experience but can clearly be seen in FE‐results. The test results are carefully interpreted and explained by the use of simple mechanical models. The final examination of the results is figured out by means of comparison between calculation and experiment.     

Über die Querkrafttragfähigkeit des Betongurts von Verbundträgern im Bereich von großen Stegöffnungen

Im folgenden Teil 2 wird ein Nachweiskonzept für den Betongurt im Öffnungsbereich vorgestellt. Es basiert auf den im Teil 1 erläuterten Ergebnissen der umfangreichen rechnerischen und experimentellen Untersuchungen. Das Nachweiskonzept sieht entsprechend den verschiedenen im Versuch beobachteten Versagensarten drei Querkraftnachweise für den Betongurt vor, wobei die Querkrafttragfähigkeiten in Anlehnung an die bekannten in DIN 1045‐1 angegebenen Formeln nachgewiesen werden. Damit kann auch die festgestellte lokale Wirkung der Kopfbolzendübel als Querkraftbewehrung berücksichtigt werden. Die Ermittlung der einwirkenden Querkräfte des Betongurts erfolgt anhand der Steifigkeiten des oberen und unteren Teilträgers und der Steifigkeit des Betongurts. On the Shear‐Bearing Capacity of the Concrete Slab of Composite Beams in the Region of Large Web Openings – Part 2: Design Concept In part 2 of the report, a concept for the design of the concrete slab in the region of web openings is presented. It is based on the results of the extensive experimental und numerical investigations which are described in. Resulting from the different occurring failure modes of the concrete slab, three critical shear‐bearing capacities have to be considered. These shear‐bearing capacities are calculated according to the formulas of DIN 1045‐1. In this way, the effect of the headed studs acting as local shear reinforcement can be included. The shear forces of the concrete slab are calculated depending on the stiffness of the top and bottom chord, as well as by the stiffness of the concrete slab.     

Querkraftversuche an Spannbetonträgern mit carbontextilbewehrter Spritzmörtelverstärkung unter zyklischer Beanspruchung

Shear tests on prestressed concrete beams strengthened with carbon textile reinforced spray mortar under cyclic loading Many highway bridges in Germany exhibit shear capacity deficits under static and cyclic loading. A lot of structures are expected to demand refurbishment and strengthening within the next years, especially due to the current condition of many older road bridges in Europe. Different strengthening methods with specific advantages and disadvantages have proven to be suitable for the shear strengthening of bridges. In order to investigate the effect of an additional spray mortar layer with carbon textile reinforcement on the webs on the shear capacity, two tests on prestressed concrete beams were carried out at the Institute of Structural Concrete at RWTH Aachen University. The results of the tests were compared with previous tests on two identical beams which were not strengthened. The tests have shown that the strengthening measure leads to a considerably higher shear resistance concerning cyclic loading as well as the remaining static shear capacity.