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„Verstärkung von Brückentragwerken mittels Aufbeton ohne Verdübelung“

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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. Forschungsvorhaben.

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Presentation Transcript
slide1

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

slide2

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

slide3

Inhalt

  • Grundlagen Verstärkung mit Aufbetonen
  • Fragestellungen u. Ziele im Zuge des Forschungsvorhabens
  • Genereller Versuchsablauf + Versuchsergebnisse
  • Numerische Berechnung + Ergebnisse
  • Zusammenfassung und Ausblick
slide4

Horizontalkraftkomponenete durch schrägen Einbau eines Dübels

a

Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1

Grundlagen

slide5

a) Anteil aus Reibung, der bei Rissverschiebungen in einer bewehrten Fuge entsteht

Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1

Grundlagen

slide6

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

slide7

Anteil der Reibung aus einer äußeren Normalkraft

F

Fv

Fh

Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1

Grundlagen

slide8

Haftwiderstand und lokale Verzahnung

Schubwiderstand in einer Fuge nach EN 1992-1-1

Grundlagen

slide9

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

slide10

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

slide11

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

slide12

15

35

256

Entwicklung der Versuchskörper

„ Tavernenbrücke“

5-feldrige Plattenbalkenbrücke

As=14,53 cm²

Beton: B 300

ST IV (BSt 500)

Versuche

04

slide13

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

slide14

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

slide16

Versuchsanordnung im Labor

Presse bis

max.  600 kN

HE-B 340

Grundplatte

Schubfuge

Aufbeton

Versuche

slide17

Pressenlast

5,03 m

Versuche

07

slide18

HE-B 340

4,5 cm

Presse – max. 600 kN

HE-B 340

Schubfge

Schubfuge

Versuche

07

slide19

Versuchsablauf

  • Erzeugen von Rissen in der Versuchsgrundplatte

Versuche

slide20

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

slide21

Versuchsablauf

  • Erzeugen von Rissen in der Versuchsgrundplatte

2. Aufbetonieren einer 6 cm starken Aufbetonschicht

3. 28 Tage Aushärtung mit einer 7-tägigen Nachbehandlung

Versuche

slide22

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

slide23

 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

slide24

 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

slide25

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

slide26

Belastung abgeleitet aus der geforderten Ermüdungsfestigkeit der schlaffen Bewehrung gemäß EN 1992-1-1 Anhang C

Längsbewehrung

Versuche

16

slide27

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

slide29

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

slide30

Oberfläche 1

D

Oberfläche 2

D

eingeschränkte Aussagefähigkeit des Verfahrens von Kaufmann

trotz gleicher Rautiefe nach Kaufmann  völlig andere Oberfläche

Versuche

slide31

2. Wenzelscher Quotient (Platten 7 – 9)

Messanordnung

Bereich der Untersuchung

Versuche

slide35

1. Verbundbrecher parallel zur Tragrichtung (Platte 6)

Die Oberflächenrauhigkeit der Grundplatte wird in einzelnen Bahnen durch Aufbringen von Zementmörtel geglättet

Versuche

slide43

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

slide44

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

slide45

Gemischte Rissmodelle

Rissmodell mit verzögert eingebetteten Diskontinuitäten (Theiner)

Numerische Berechnung

29

slide46

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

slide47

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

slide48

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

slide49

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

slide50

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

slide51

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
  • Genaue Untersuchung Schwindvorgang – bessere Beurteilung der Beanspruchung aus Schwinden
  • Versuche, die eine zweiachsige Beanspruchung von verstärkten Aufbetonplatten berücksichtigen
  • Ziel: Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse auf praktische Anwendung

Zusammenfassung

slide52

„Verstärkung von Brückentragwerken mittels Aufbeton ohne Verdübelung“

Danke für Ihre Aufmerksamkeit !