Über das Projekt
Die Nachrechnung der Brücke wurde auf Anfrage des Tiefbauamts des Kantons Zürich durchgeführt. Im Rahmen einer gutachterlichen Bewertung der Querkrafttragfähigkeit der Brücke wurde festgestellt, dass die spezifische Spanngliedverankerung des Nachspannsystems an einem der Eckauflager des Überbaus der Schrägbrücke unzureichend ist.
Ingenieurtechnische Herausforderungen
Der Überbau weist verschiedene statisch relevante Besonderheiten auf, wie eine unzureichende konstruktive Durchbildung der Querkraftbewehrung und den Einfluss des besonderen Nachspannsystems auf die Trägerauflager. All diese Aspekte wurden in der anschließenden detaillierten Tragwerksanalyse berücksichtigt.
Die Stege der Längsträger sind mit Bügeln querkraftbewehrt. Einige Schenkel sind an der Oberseite des Querschnitts nur teilweise verankert, während sie an der Unterseite durch Biegehaken vollständig verankert sind. Die übrigen Bügel erfüllen die konstruktiven Anforderungen gemäß der Schweizer Norm.
Der Auflagerbereich des am stärksten belasteten Stegs wurde detailliert mit einem Näherungsansatz mit zunehmendem Genauigkeitsgrad analysiert. Zunächst wurden die Bemessungsgleichungen der Schweizer Norm zur Abschätzung der Querkrafttragfähigkeit herangezogen. Dieser Standardansatz musste auf Basis wissenschaftlicher Literatur und experimenteller Forschung angepasst werden, um die unzureichende konstruktive Durchbildung der Bügel zu berücksichtigen. Die Analysen wurden anschließend durch detaillierte Fachwerkmodelle weiter verfeinert. Als letzter Schritt wurde der lokale Kraftfluss mittels nichtlinearer Finite-Elemente-Analysen (FE) auf Basis der elastisch-plastischen Spannungsfeldmethode mit IDEA StatiCa Detail untersucht.
Die inelastische FE-Analyse lieferte eine wichtige Bestätigung der vorherigen Ergebnisse aus den Strebe-und-Zugband-Modellen. Sie berücksichtigte die verteilte Querkraftbewehrung auf detailliertere Weise und untersuchte gleichzeitig automatisch den entsprechenden Spannungszustand im Beton anhand der optimalen lokalen Neigungen des Druckfeldes. Durch die explizite Modellierung des Bewehrungsverbunds ermöglichte dieser Ansatz eine detaillierte Berücksichtigung der spezifischen Verankerungsbedingungen der Bügel. In diesem Sinne stellte er eine weitere Verfeinerung der Strebe-und-Zugband-Analysen dar.
Es war wertvoll, diese Überprüfung in IDEA StatiCa Detail durchzuführen, um die theoretischen Überlegungen zu bestätigen, die wir den Handberechnungen mittels Fachwerkmodellen zugrunde gelegt hatten.
Dr. Martin Bimschas
Leitender Ingenieur – dsp Ingenieure + Planer AG
Schweiz
Da IDEA StatiCa Detail das Verformungsverhalten und die Dehnungskompatibilität berücksichtigt, lieferte es auch wertvolle Einblicke in die Verformungsbeanspruchung der Materialien. Insbesondere bei Bauteilen mit geringem Querkraftbewehrungsgrad sind sehr flache Neigungen des Betondruckfeldes zu erwarten. Einerseits reduzieren die entsprechend großen Querdehnungen die Betondruckfestigkeit. Andererseits können die resultierenden Bügeldehnungen ein kritisches Niveau erreichen und damit maßgebend für die Grenztragfähigkeit des Trägers sein. Während beide verformungsabhängigen Effekte in einem Strebe-und-Zugband-Modell nur schwer zu berücksichtigen sind, werden sie in IDEA StatiCa Detail explizit erfasst. Das Programm reduzierte die Betondruckfestigkeit in Abhängigkeit vom lokalen Querdehnungszustand und überprüfte zudem die Bügeldehnungen. Die Implementierung des Zugchordmodells in IDEA StatiCa Detail war von großem Wert für die Quantifizierung der Bewehrungsdehnungskonzentration in den Rissen und damit für die realistische Bewertung der Verformungsbeanspruchung bei flachen Druckfeldneigungen.
Ergebnisse und Lösungen
Für einen Großteil der Struktur konnte auf Basis der detaillierten Analysen eine ausreichende Tragsicherheit nachgewiesen werden. An einem der 10 Lager der Brücke verblieb jedoch ein Defizit aufgrund einer unzureichenden Verankerung der Biegebewehrung am Auflager. Dieser konzeptionelle Schwachpunkt wurde mit einer eigens entwickelten Verstärkungsmaßnahme ertüchtigt, um einen sicheren Weiterbetrieb für die verbleibende Nutzungsdauer der Struktur von einigen Jahren ohne wesentliche Nutzungseinschränkungen zu gewährleisten. Zur Verstärkung des maßgebenden Auflagerbereichs wurde ein externes Stahlzugband als zusätzliche Biegebewehrung eingebaut, um die infolge der Querkraft am Auflager entstehende Längszugkraft aufzunehmen. Die Verbindung mit der bestehenden Struktur wurde mechanisch durch durchgebohrte Gewindestangen und eingeklebte Dübel sowie eine Kontaktverbindung zum vorhandenen Brückenlager und dem Endquerträger hergestellt.
Die Maßnahme wurde bei laufendem Brückenbetrieb mit reduziertem Verkehr umgesetzt. Die gesamte Planung und Bauleitung der Ertüchtigungsmaßnahme wurde von dsp durchgeführt. Die zur Bestimmung der genauen Bohrpositionen erforderliche Bestandsbewehrungsortung wurde ebenfalls von dsp mittels Profometer und Georadar durchgeführt.
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