„Verstärkung von Brückentragwerken mittels Aufbeton ohne Verdübelung“

1. Brückenmanagementtagung Innsbruck 8.5.2008 „Verstärkung von Brückentragwerken mittels Aufbeton ohne Verdübelung“ Universität Innsbruck Arbeitsbereich Massivbau und Brückenbau Univ.Prof. Dr.-Ing Jürgen Feix Dr.techn. Andreas Andreatta

2. Forschungsvorhaben „Aufbetone für Tragwerksverstärkungen und Fahrbahnen auf Brücken“ • Mitwirkende: • A-BT: Anwendungszentrum Betontechnologie der Universität Innsbruck • Baufakultät der Universität Innsbruck • Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften • Institut für Grundlagen der Bauingenieurwissenschaften • Abteilung Brückenbau des Amtes der Salzburger Landesregierung Beantragt bei: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie Abteilung: Strassenforschung

3. Inhalt • Grundlagen Verstärkung mit Aufbetonen • Fragestellungen u. Ziele im Zuge des Forschungsvorhabens • Genereller Versuchsablauf + Versuchsergebnisse • Numerische Berechnung + Ergebnisse • Zusammenfassung und Ausblick

4. Horizontalkraftkomponenete durch schrägen Einbau eines Dübels a Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1 Grundlagen

5. a) Anteil aus Reibung, der bei Rissverschiebungen in einer bewehrten Fuge entsteht Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1 Grundlagen

6. b) Dübelwirkung eines vertikalen Dübels • Biegung • Scherung • Schrägzugwirkung M V V V V V V V M Biegung Scherung Schrägzugwirkung Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1 Grundlagen

7. Anteil der Reibung aus einer äußeren Normalkraft F Fv Fh Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1 Grundlagen

8. Haftwiderstand und lokale Verzahnung Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1 Grundlagen

9. Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1 Fragestellungen im Zuge des Forschungsvorhabens • Inwieweit ist die alleinige Wirkung des Haftwiderstandes in der Lage die Schubbeanspruchungen in der Fuge von verstärkten Platten aufzunehmen. • - Variation der Oberflächenrauhigkeit • - Variation der Geometrie und effektiven Größe der Verbundfläche – Simulation von Verbundfehlstellen • - Einsatz eines schwindarmen Betons Versuche

10. 1. Aufrauhen der Oberfläche 2. Bohren der Löcher für die Dübel 3. Einkleben der Dübel 3. Einkleben der Dübel 4. Verlegen der Bewehrung Versuche 02

11. Schubkraftübertragung in Fugen nach EN 1992-1-1 Fragestellungen im Zuge des Forschungsvorhabens • Inwieweit ist die alleinige Wirkung des Haftwiderstandes in der Lage die Schubbeanspruchungen in der Fuge von verstärkten Platten aufzunehmen. • - Variation der Oberflächenrauhigkeit • - Variation der Geometrie und effektiven Größe der Verbundfläche – Simulation von Verbundfehlstellen • - Einsatz eines schwindarmen Betons 2. Entwicklung eines numerischen Modells 3. Untersuchung der Rissentwicklung in faserverstärkten Aufbetonen Versuche

12. 15 35 256 Entwicklung der Versuchskörper „ Tavernenbrücke“ 5-feldrige Plattenbalkenbrücke As=14,53 cm² Beton: B 300 ST IV (BSt 500) Versuche 04

13. 10 20 35 30 70 Entwicklung der Versuchskörper Versuchsgrundplatte „ Tavernenbrücke“ 5-feldrige Plattenbalkenbrücke As=14,53 cm² 15 35 256 Beton: B 300 Beton C25/30 ST IV (BSt 500) Versuche 04

14. Entwicklung der Versuchskörper Versuchsgrundplatte „ Tavernenbrücke“ 5-feldrige Plattenbalkenbrücke As As=14,53 cm² As= rT• b • dS = 7,71 cm²→7Ø12/15  rT = b • d 15 10 20 35 35 256 30 70 L=155 cm Beton: B 300 Beton C25/30 ST IV (BSt 500) Versuche 04

15. Entwicklung der Versuchskörper Versuche

16. Versuchsanordnung im Labor Presse bis max.  600 kN HE-B 340 Grundplatte Schubfuge Aufbeton Versuche

17. Pressenlast 5,03 m Versuche 07

18. HE-B 340 4,5 cm Presse – max. 600 kN HE-B 340 Schubfge Schubfuge Versuche 07

19. Versuchsablauf • Erzeugen von Rissen in der Versuchsgrundplatte Versuche

20. Versuchsablauf • Erzeugen von Rissen in der Versuchsgrundplatte 2. Aufbetonieren einer 6 cm starken Aufbetonschicht Einsatz von schwindarmen Betonen zur Reduktion der Zwangsbeanspruchungen in der Fuge (Schwindmaß es 20x10-5) Versuche

21. Versuchsablauf • Erzeugen von Rissen in der Versuchsgrundplatte 2. Aufbetonieren einer 6 cm starken Aufbetonschicht 3. 28 Tage Aushärtung mit einer 7-tägigen Nachbehandlung Versuche

22. Versuchsablauf • Erzeugen von Rissen in der Versuchsgrundplatte 2. Aufbetonieren einer 6 cm starken Aufbetonschicht 4. Thermische Beanspruchung –Temperaturgradient + Abkühlung 3. 28 Tage Aushärtung mit 7-tägiger Nachbehandlung Versuche

23.  10 Temperatur-Lastzyklen – Erzeugen eines Temperaturgradienten von15 [K] gemäß EN 1991-1-5 mit anschließender Abkühlung •) 4 [h] 3 Radiatoren bestrahlen die Betonoberfläche Versuche 12

24.  10 Temperatur-Lastzyklen – Erzeugen eines Temperaturgradienten von15 [K] gemäß EN 1991-1-5 mit anschließender Abkühlung •) 4 [h] 3 Radiatoren bestrahlen die Betonoberfläche •) 4 [min] Abkühlung – zum Abbau der Temperaturspitzen •) 1 [h] Beregnen mit ca. 14° kalten Wasser •) 7[h] Rastzeit bis zum erneuten Aufwärmen Versuche 13

25. Versuchsablauf • Erzeugen von Rissen in der Versuchsgrundplatte 2. Aufbetonieren einer 6 cm starken Aufbetonschicht 5. Dynamische Beanspruchung 3. 28 Tage Aushärtung mit 7-tägiger Nachbehandlung 4. Thermische Beanspruchung →Temperaturgradient + Abkühlung → 2 Millionen Lastwechsel → Dokumentation der Rissentwicklung und der Rissweiten Versuche

26. Belastung abgeleitet aus der geforderten Ermüdungsfestigkeit der schlaffen Bewehrung gemäß EN 1992-1-1 Anhang C Längsbewehrung Versuche 16

27. Versuchsablauf • Erzeugen von Rissen in der Versuchsgrundplatte 2. Aufbetonieren einer 6 cm starken Aufbetonschicht 6. Laststeigerung bis zur Traglast 3. 28 Tage Aushärtung mit 7-tägiger Nachbehandlung 4. Thermische Beanspruchung →Temperaturgradient + Abkühlung 5. Dynamische Beanspruchung Versuche

28. Versuchsprogramm Versuche

29. Die Oberflächen aller Platten wurden HDW gestrahlt ! • Zur Beurteilung der Rauhigkeit im Zuge der Herstellung wird das • Verfahren von „ Kaufmann“ angewendet. • Rautiefen von 1 – 3 mm Volumen V Sand  D mittlere Rautiefe Versuche

30. Oberfläche 1 D Oberfläche 2 D eingeschränkte Aussagefähigkeit des Verfahrens von Kaufmann trotz gleicher Rautiefe nach Kaufmann  völlig andere Oberfläche Versuche

31. 2. Wenzelscher Quotient (Platten 7 – 9) Messanordnung Bereich der Untersuchung Versuche

32. Versuchsergebnisse Versuche

33. Versuchsergebnisse Versuche

34. Versuchsergebnisse Versuche

35. 1. Verbundbrecher parallel zur Tragrichtung (Platte 6) Die Oberflächenrauhigkeit der Grundplatte wird in einzelnen Bahnen durch Aufbringen von Zementmörtel geglättet Versuche

36. Versuchsergebnisse Versuche

37. Versuchsergebnisse Versuche

38. Versuchsergebnisse Versuche

39. Versuchsergebnisse Versuche

40. 2. Verbundbrecher parallelund quer zur Tragrichtung (Platte 9) Versuche

41. Versuchsergebnisse Versuche

42. Versuchsergebnisse Versuche

43. Nichtlineare finite Elemente Berechnung Arbeitsbereich Für Festigkeitslehre, Baustatik und Tragwerkslehre Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Günter Hofstetter Dipl.-Ing. Dr.techn. Yvonne Theiner Numerische Berechnung

44. Gemischte Rissmodelle Verschmierte Rissmodelle Überblick über die Rissmodelle Gemischte Rissmodelle Verschmierte Rissmodelle Diskrete Rissmodelle Diskontinuität der Verschiebungen kann erfasst werden Riss wird innerhalb des finiten Elementes verschmiert Aufwendige Netzanpassungsverfahren Sprung im Verschiebungsfeld wir auf Elementsebene zuerst als zusätzlicher FHG eingeführt Numerische Berechnung 27

45. Gemischte Rissmodelle Rissmodell mit verzögert eingebetteten Diskontinuitäten (Theiner) Numerische Berechnung 29

46. Presse I-Profil Grundplatte Aufbetonschicht u u Belastung im Zuge der FE Analyse • Anreißen der Grundplatte: • Entlasten der Grundplatte: F=0 kN • Verstärken der Grundplatte: g1 Aufbetonschicht • Schwinden der Aufbetonschicht: Temperaturbeanspruchung • Belastung der verstärkten Grundplatte Numerische Berechnung 30

47. 0.43 mm 0.36 mm 160.0 140.0 120.0 Fließen der Bewehrung in der Grundplatte F = 112kN 100.0 80.0 Fließen der Bewehrung im Aufbeton Pressenkraft [kN] 60.0 40.0 20.0 experimental experimentell numerical numerisch 0.0 160 180 200 140 120 60 100 40 80 20 Pressenweg [mm] • Rissbild F = 112/2 kN • Vergleich der Last- Verformungsbeziehung Numerische Berechnung 32

48. F = 112/2 kN 1.50 1.21 1.00 0.50 0.50 0.20 Schubspannung [N/mm2] 0.07 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 1800.0 2000.0 2200.0 0.00 100.0 300.0 500.0 700.0 900.0 1100.0 1300.0 1500.0 1700.0 1900.0 2100.0 2300.0 -0.43 -0.50 -1.00 -1.15 Länge der Verbundfuge [mm] -1.50 1.50 1.10 1.00 0.50 Schubspannung [N/mm2] 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 1800.0 2000.0 2200.0 0.00 100.0 300.0 500.0 700.0 900.0 1100.0 1300.0 1500.0 1700.0 1900.0 2100.0 2300.0 -0.20 -0.50 -0.45 -0.50 -1.00 -0.96 -1.43 Länge der Verbundfuge [mm] -1.50 • Schubspannungsverlauf Wesentliches Kennzeichen: Nulldurchgang mit Vorzeichenwechsel Vernachlässigung Übertragung von Schubspannungen entlang rauer Rissufer Numerische Berechnung 35

49. Zusammenfassung und Ausblick • Bei keiner der 9 untersuchten Platten kam es zu einem verbundinduzierten Versagen zwischen Alt- und Aufbeton • Die bisherigen Ergebnisse bestätigen das grundsätzlich hohe Potential von HPC – Aufbetonen für Verstärkungsmaßnahmen • Untersuchungen von Oberflächen mit Fokus-Variations-Mikroskopie Zusammenfassung

50. Untersuchung der Altbetonoberflächen mittels 3-D „Fokus Variations – Oberflächenscan “. Funktionsprinzip – Unterschiede in der Schärfentiefe werden für die Vermessung der Oberfläche verwendet Numerische Berechnungsergebnisse Ziel: Ermittlung neuer Zusammenhänge zwischen Beschaffenheit der 3D - Betonoberfläche und dem Haftwiderstand zwischen Alt- und Neubeton. Zusammenfassung