Einführung
In den zu dieser Zeit gültigen Vorschriften wurde für den Nachweis von Spannbetonbauwerken kein Ermüdungsnachweis gefordert. Erst ab etwa 1970 wird der Ermüdungsnachweis in den Zulassungsbescheiden der Spannverfahren eingeführt. Insbesondere die Momentenbeanspruchungen infolge Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite des Brückenüberbaus wurden bis ca. 1980 in der Bemessung nicht ausreichend berücksichtigt. Die Beanspruchungen infolge Temperatureinwirkungen sind jedoch in ihrer Größenordnung etwa mit denen infolge der Einwirkungen aus schwerem Verkehr vergleichbar. Sie können bei positiven Temperaturgradienten zum Aufreißen des Querschnitts im Feldbereich führen. Die Risse verlaufen im Allgemeinen senkrecht zur Bauteilachse und treten besonders häufig in Arbeits- bzw. Koppelfugen auf, da in diesem Bereich zum einen die Zugfestigkeit des Betons herabgesetzt ist und zum anderen durch die im Vergleich zum Spannglied größeren und steiferen Koppelelemente beim Kriech- und Schwindvorgang des Betons lokale Spannkraftverluste entstehen (siehe auch [2]). Zudem liegen die Koppelfugen meist in der Nähe der rechnerischen Momentennullpunkte und somit in Bereichen, bei dem schon ein relativ geringes zusätzliches Biegemoment zum Aufreißen des Querschnitts führen kann. Der Übergang in den gerissenen Zustand II bedeutet für die in der Zugzone befindlichen Bewehrungselemente eine erhebliche Mehrbelastung. Gegenüber Zustand I sind die durch die Verkehrslasten erzeugten Spannungsschwingbreiten um ein Vielfaches höher. Gerade die Spanngliedkopplungen besitzen aber im Gegensatz zum ungestörten Spann- oder Betonstahl sehr geringe Ermüdungsfestigkeiten, die etwa zwischen Δσ= 80 und 120 N/mm² liegen. Prinzipiell besteht die Gefahr des Versagens durch Materialermüdung für alle Bauwerke dieser Bauart. Die Dauerhaftigkeit der Spanngliedkopplungen wurde beim vorliegenden Bauwerk bereits durch zwei Gutachten der König und Heunisch Planungsgesellschaft beurteilt. Das erste Gutachten [3] vom 29.02.2008 beinhaltet den rechnerischen Nachweis in drei Nachweisstufen nach Handlungsanweisung der BASt [5]. Das zweite Gutachten [4] vom 09.07.2008 fasst messtechnische Untersuchungen an ausgesuchten Koppelfugen zusammen. Die Dehnungsmessungen wurden nur an den Fugen vorgenommen, bei denen der Ermüdungsnachweis in den Stufen 1 und 2 nicht erfüllt war. Dabei handelt es sich um Kurzzeitmessungen der Betondehnungen und der Rissbewegungen unter laufendem Verkehr und ohne genaue Erfassung des zum Messzeitpunkt vorherrschenden Temperaturgradienten. Um zu prüfen, ob sich die Risse auch ohne nennenswerten Temperaturgradienten (ΔT ≈ 0 Kelvin) öffnen, wurden die Messungen stets bei bedecktem Himmel bzw. in den frühen Morgenstunden durchgeführt. Bei diesen Randbedingungen kann von geringen Temperaturgradienten ausgegangen werden. Ergänzend zu diesem zweiten Gutachten [4] wurde die GMG Ingenieurgesellschaft beauftragt, Langzeitmessungen für drei ausgesuchte Koppelfugenquerschnitte durchzuführen. Hierbei wurden die Verkehrs- sowie die Temperaturbelastung des Bauwerks über einen Zeitraum von mehreren Monaten aufgezeichnet, um die über einen längeren Zeitraum auftretenden ermüdungsrelevanten Beanspruchungen genauer beurteilen zu können. Die im Rahmen dieser Messungen durchgeführten Untersuchungen werden in Abschnitt 4 näher erläutert. Unabhängig von den Untersuchungen der beiden Ingenieurbüros fanden weitere Bauwerksmessungen im Rahmen eines Forschungsprojektes zwischen der TU Berlin und einer von der AiF geförderten Forschergruppe zum Thema „Langzeitmessungen an Bauwerken“ statt. Die von Februar bis Juni 2008 gesammelten Messdaten standen für die Anfertigung dieses Gutachtens in vollem Umfang zur Verfügung.
Historie
Messdaten des TUB/ AiF-Projektes
Ziel dieses Projektes war die Beobachtung des Dehnungsverhaltens an einem gerissenen Koppelfugenquerschnitt über einen längeren Zeitraum mit dem Schwerpunkt der „Datenreduktion bei Dauerüberwachungsaufgaben im Ingenieurbau“. Besonderer Focus wurde hier auf den Einfluss der Temperaturverteilung im Koppelfugenquerschnitt gelegt. Der Messquerschnitt liegt bei Koppelfuge 10.8. Die Fuge wurde nicht durch eine vorherige Tragwerksanalyse sondern insbesondere aufgrund ihres vergleichbar ausgeprägten Rissbildes (0,1 mm über die gesamte Bodenplattenbreite und am Steg) sowie auch unter der Prämisse ihrer guten Zugänglichkeit und der günstigen Lage bezüglich der Stromversorgung ausgewählt. Die verwendete Temperaturmessanlage ist gleich der, welche in Abs. 4.4 beschrieben wurde. Die Messdaten wurden seit dem 20.02.2008 aufgezeichnet. Ein Ende dieser Aufzeichnungen ist frühestens im Frühjahr 2009 geplant. Betondehnungen im gerissenen und ungerissenen Bereich wurden, ähnlich wie oben beschrieben, mit induktiven Wegaufnehmern und einer Messbasis von 50 cm gemessen, wobei die Messdaten an Koppelfuge 10.8 in dem Zeitraum vom 20.02. bis 04.06.2008 aufgezeichnet wurden. Die Dehnungsmessung am freigelegten Spannstahl wurde mittels Dehnmessstreifen realisiert und fand in der Zeit vom 13.03. bis zum 04.06.2008 statt. Obwohl der Ermüdungsnachweis für die Koppelfuge 10.8 schon im ersten Gutachen von KHP [3] mit Nachweisstufe 2 der Handlungsanweisung [5] erbracht werden konnte, bedeutet dies nicht, dass bei dieser Fuge keine Rissöffnung zu erwarten wäre. Die Erfüllung dieses Nachweises bedeutet nur, dass im Falle eines unter Temperaturbeanspruchung geöffneten Risses die vorhandenen Spannstahlspannungen die kritischen Werte nicht überschreiten.
Ursachen
Nach den Angaben in den Bauwerksbüchern sind in allen vier Teilbauwerken (A1, A2, B1 und B2) Risse im Bereich der Koppelfugen vorhanden. Die Risse zeichnen sich vor allem auf der Außenoberfläche der Überbauten ab und die Rissbreiten sind, von wenigen Ausnahmen abgesehen, kleiner als 0,2 mm (Bild 3). Im Innern des Hohlkastens sind visuell entweder keine oder in seltenen Fällen kleine Haarrisse feststellbar. Des Weiteren ist den Bauwerksbüchern ist zu entnehmen, dass die Risse bereits in den 80er Jahren aufgetreten sein müssen, da in diesem Zeitraum die Verpressung der gerissenen Bereiche mit Epoxidharz aus Gründen des Korrosionsschutzes in Auftrag gegeben wurde. Eine relativ detaillierte Risskartierung mit Außenansichten der Koppelfugenbereiche findet sich in Anlage 2 des ersten Gutachtens [3]. Die vorhandenen Spannglieder sind vom Typ Hochtief III (120Mp) St 140/160, wobei die in Bild 4 dargestellte Koppelankerkonstruktion aus dem Zulassungsbescheid vom 29. Februar 1968 zur Anwendung kam.
Vorgehensweise
Im ersten Gutachten von KHP [3] wurden für alle Koppelfugenquerschnitte die Ermüdungsnachweise nach Handlungsanweisung [5] geführt. Für 11 Koppelfugen (A.8, 2.2, 3.2, 4.2, 6.2, 8.2, 12.3, 4.8, 7.8, 8.8 und b25) konnte der Nachweis erst in Stufe 3, d. h. unter Ansatz von bauwerksbezogenen Annahmen erbracht werden. Zur Überprüfung dieser Annahmen folgten in einem zweiten Gutachten von KHP [4] messtechnische Untersuchungen, die zeigen sollten, ob die Koppelfugen unter ständigen Einwirkungen ohne nennenswerte Temperaturgradienten überdrückt bleiben. Im Ergebnis des zweiten Gutachtens [4] wurden an allen 11 Fugen im Rissbereich größere Dehnungen gemessen als im ungerissenen Bereich und mit diesem Befund auf 11 quasi ständig offene Koppelfugen geschlossen. Als Konsequenz wurden Verstärkungsmaßnahmen an diesen Koppelfugenquerschnitten empfohlen. Um zu prüfen, ob die Spanngliedkopplungen tatsächlich ermüdungsrelevanten Beanspruchungen ausgesetzt sind, wurden im Rahmen des vorliegenden Gutachtens Dehnungsmessungen direkt am Spannstahl vorgenommen. Ergänzt wurden diese Messungen durch Dehnungsmessungen am Beton sowie durch Temperaturmessungen über einen längeren Zeitraum. Für die Messung der Spannstahldehnungen ist das bereichsweise Freilegen der Spanngliedkopplungen notwendig. Zunächst wurden auf der Basis der Ergebnisse des zweiten Gutachtens [4] drei maßgebende Koppelfugen ausgewählt. Im Ergebnis dieser Auswahl wurden zusätzlich zu Achse 10.8 (s. Abschnitt 6.2) die Koppelfugen in den Achsen 7.8, 8.2 und 12.3 als maßgebend ermittelt. Details zu dieser Auswahl finden sich im Messkonzept [6] sowie in Abs. 4.1.
Messmethoden
Dehnungsmessungen am Beton
Zu Beginn der Untersuchungen wurden Wegaufnehmer an den genannten drei Querschnitten installiert. Je Koppelfuge handelt es sich um zwei induktive Wegaufnehmer, die auf Höhe der untersten gekoppelten Spanngliedlage am höchstbeanspruchten Steg befestigt wurden, um die Dehnungen im gerissenen und ungerissenen Bereich auf Höhe der maßgebenden Kopplung vergleichen zu können. Hierbei ist der Aufnehmer R genau über der Koppelfuge angebracht, während Aufnehmer D stets um 1,30 m (Achsabstand) in Richtung Feldmitte versetzt liegt. Die Länge der Messbasis betrug in allen Fällen konstant 50 cm. Die Messungen begannen am 24.09.2008. Nach Auswertung der ersten Dehnungsmessungen fiel die Entscheidung, die Spanngliedkopplungen an den Koppelfugen 7.8 und 8.2 freizulegen, da diese Fugen im Vergleich zur Fuge 12.3 die ungünstigeren R/D-Werte aufwiesen.
Dehnungsmessungen am Spannstahl
Beim Freilegen des Spannstahls wurde sehr großer Wert darauf gelegt, so wenig Beton wie möglich zu entfernen. Sowohl an Koppelfuge 7.8 als auch an 8.2 wurde ein Dehnmessstreifen (DMS) direkt am Spannstahl in unmittelbarer Nähe zur Kopplung appliziert. Zusätzlich wurde bei Fuge 7.8 ein zweiter DMS mittig auf den zylinderförmigen Kopplungskörper (Kopplungsrohr) geklebt, Bild 6. Verdeutlicht wird die genaue Lage der DMS noch einmal in Bild 7. Die Spannstahldehnungen wurden seit dem 01.10.2008 aufgezeichnet.
Temperaturmessungen
Wie eingangs beschrieben spielt die vertikale Temperaturverteilung im Bauwerk (Temperaturgradient) eine wichtige Rolle. Entsprechend wurden die Temperaturen an verschiedenen Querschnittspunkten gemessen, um daraus den zum jeweiligen Messzeitpunkt vorherrschenden Temperaturgradienten berechnen zu können. Zur Installation der Temperatursensoren wurden kleine Bohrlöcher in den Beton gesetzt, die Sensoren in der gewünschten Tiefe eingebracht, und das Loch mit Wärmedämmung wieder zu verschlossen. Die Ermittlung des vertikalen Temperaturgradienten erfolgte durch mathematische Interpolationsalgorithmen. Da die Spannglieder im Koppelfugenquerschnitt fast über die gesamte Steghöhe verteilt sind, wurde die Installation der insgesamt 15 Temperaturmesspunkte in Feldmitte durchgeführt, um ein Anbohren der Spannglieder bei der Installation der Messpunkte auszuschließen.
Messobjekte
KF 7.8
Bild 17 gibt eine Übersicht über die Lage der Aufnehmer in Koppelfuge 7.8.Der mit R bezeichnete Aufnehmer liegt in der Rissebene, während sich der Aufnehmer D um 1,30 m in Richtung Feldmitte versetzt im ungerissenen Bereich befindet. Zusätzlich sind 2 Dehnmessstreifen appliziert worden. Die Bezeichnung K weist hierbei auf den DMS auf dem Kopplungsrohr hin, während S für den auf dem Spannstahl applizierten DMS steht, siehe auch Bild 7. In Bild 18 sind die am südlichen Steg befindlichen Aufnehmer mit ihrer genauen Höhenlage dargestellt.
KF 8.2
In Bild 22 sind die am nördlichen Steg befindlichen Aufnehmer mit ihrer genauen Lage dargestellt. Der mit R bezeichnete Aufnehmer liegt in der Rissebene, während sich der Aufnehmer D um 1,30m in Richtung Feldmitte versetzt im ungerissenen Bereich befindet. Zusätzlich wurde ein Dehnmessstreifen DMS auf dem Spannstahl appliziert, siehe Bild 7. Wegaufnehmer und DMS sind in Bauwerkslängsrichtung orientiert, um die aus Durchbiegung resultierenden Längsdehnungen erfassen zu können. Vor dem Freilegen des Spannstahls wurden die Wegaufnehmer 8.2 R und 8.2 D installiert, um den für Fuge 8.2 zugehörigen R/DWert zu ermitteln.
KF 12.3
In Bild 25 sind die am nördlichen Steg befindlichen Aufnehmer mit ihrer genauen Lage dargestellt. Der mit R bezeichnete Aufnehmer liegt in der Rissebene, während sich der Aufnehmer D in einer Entfernung von 1,30m zum Riss befindet.
KF 10.8
Bild 11 gibt eine Übersicht über die Lage der Aufnehmer in Koppelfuge 10.8. Gut zu erkennen ist, dass die rechte Fahrspur, die vorwiegend vom Schwerverkehr genutzt wird, dem südlichen Außensteg am nächsten liegt. In diesem Steg sind daher die größten Spannungsdifferenzen infolge Verkehr zu erwarten, weshalb auch die meisten Aufnehmer in diesem Bereich installiert worden sind.Alle mit R bezeichneten Aufnehmer befinden sich in der Rissebene, während die Aufnehmer mit der Bezeichnung D stets um 1,30 m (Achsabstand) in Richtung Feldmitte versetzt liegen. In Bild 12 sind die am südlichen Steg befindlichen Aufnehmer mit ihrer genauen Lage dargestellt. Wegaufnehmer und DMS sind ausnahmslos in Bauwerkslängsrichtung orientiert, um die aus Durchbiegung resultierenden Längsdehnungen erfassen zu können.
Messungen
KF 7.8 – Messschrieb 24.09.2008 23:03 ΔT = 0,8K [RecordingID 5]
Bild 19 zeigt beispielhaft den Messschrieb einer gewöhnlichen Überfahrt. Für den Aufnehmer 7.8 R beträgt die Dehnungsdoppelamplitude 15,8 μm/m, während sie bei 7.8 D nur 7,3 μm/m beträgt. So ergibt sich ein R/D-Wert von etwa 2,2, der im Übrigen bei allen beobachteten Überfahrten nahezu unverändert blieb.
KF 7.8 – Messschrieb 14.10.2008 20:28 ΔT = 0,1K [RecordingID 4]
In Bild 20 sind die Dehnungsverläufe für den Wegaufnehmer im ungerissenen Bereich 7.8 D, sowie für die beiden Dehnmessstreifen DMS-K und DMS-S zu sehen. Da an Fuge 7.8 planmäßig drei Messkanäle zur Verfügung standen, wurde der Aufnehmer 7.8 R zugunsten des DMS-K abgeklemmt. Der Verlauf von 7.8 R lässt sich aufgrund der Daten des Aufnehmers 7.8 D und dem nahezu konstanten R/D-Wert von 2,2 einfach rekonstruieren.
KF 7.8 – Messschrieb 20.11.2008 05:32 ΔT = -1,5K [RecordingID 6]
Die größte registrierte Überfahrt ist in Bild 21 zu sehen. Es handelt sich um zwei Fahrzeuge, die kurz nacheinander den Messquerschnitt passieren. Die maximale Dehnungsdoppelamplitude im Spannstahl von rund Δε = 52,1μm/m entspricht einer Spannungsschwingbreite von Δσ = 10,9N/mm². Interessant ist, dass die Stahldehnungen am Kopplungsrohr (DMS-K) nur geringfügig kleiner sind als am Spannstahl selbst, obwohl hier ein Querschnittsverhältnis von rund 7,5/1 vorliegt. Querschnittsfläche Spannstahl: AS = 13,6cm² Querschnittsfläche Kopplungsrohr: AK = 102,0cm² AK/AS = 7,5
KF 8.2 – Messschrieb 08.10.2008 22:18 ΔT = 0,7K [RecordingID 7]
Bild 23 zeigt beispielhaft den Messschrieb einer gewöhnlichen Überfahrt. Für den Aufnehmer 8.2 R beträgt die Dehnungsdoppelamplitude 17,6 μm/m, während sie bei 8.2 D nur 7,4 μm/m beträgt. So ergibt sich ein R/D-Wert von etwa 2,4, der im Übrigen bei allen beobachteten Überfahrten nahezu unverändert blieb.
KF 8.2 – Messschrieb 19.12.2008 18:26 ΔT = -0,6K [RecordingID 8]
In Bild 24 sind die Dehnungsverläufe für die Wegaufnehmer 8.2 R und 8.2 D sowie für den auf dem Spannstahl applizierten Dehnmessstreifen 8.2 DMS-S bei einer der größten registrierten Überfahrten dargestellt. Es fällt auf, dass die Spannstahldehnungen etwa denen über dem Riss gemessenen Betondehnungen (R) entsprechen. Wie schon bei den Fugen 10.8 und 7.8 lässt sich also kein signifikanter Dehnungszuwachs für den Spannstahl im Riss feststellen. Daher deutet auch bei Koppelfuge 8.2 nichts auf einen Übergang in den ausgeprägten Zustand II hin. Die dargestellte Dehnungsdoppelamplitude im Spannstahl von rund Δε = 30,4 μm/m entspricht einer Spannungsschwingbreite von Δσ = 6,4 N/mm².
KF 12.3 – Messschrieb 29.10.2008 06:30 ΔT = -0,8K [RecordingID 9]
Auf eine Messung der Spannstahldehnungen wurde bei Koppelfuge 12.3 aufgrund des sehr geringen R/D-Wertes verzichtet. In Bild 26 sind die Aufnehmer 12.3 R und 12.3 D bei einem typischen Überfahrtereignis dargestellt. Wie an diesem Beispiel zu erkennen ist, sind die vorhandenen Dehnungsunterschiede zwischen gerissenem und ungerissenem Bereich sehr gering. Der R/D-Wert liegt bei allen registrierten Überfahrten zwischen 1,1 und 1,3.
KF 10.8 – Messschrieb 21.03.2008 10:31 ΔT = 0,0K [RecordingID 3]
In Bild 13 ist beispielhaft eine Überfahrt bei ΔT= 0 K dargestellt. Aufgrund der Durchlaufwirkung gibt es gemäß der Einflusslinie einen Ausschlag in positiver und einen in negativer Richtung. Für den Aufnehmer R1 beträgt die Dehnungsdoppelamplitude 15,5 μm/m, während sie bei D1 nur 9,5 μm/m beträgt. Dies entspricht einem R/D-Wert von etwa R1/D1 = 1,7. Beachtenswert sind die relativ großen Dehnungen, die am Messpunkt R6 registriert werden. Mit einer Dehnungsdoppelamplitude 25,5 μm/m ergibt sich ein Verhältniswert von R6/D1 = 2,7, wobei der unterschiedliche Abstand zur Schwerachse von R1 und R6 zwangsläufig zu höheren Dehnungen im weiter entfernten Messpunkt führen muss (und die R/DWerte eigentlich nicht direkt vergleichbar sind). Rein rechnerisch müssten unter Ansatz der Bernoulli-Hypothese eben bleibender Querschnitte die Dehnungen von R6 stets 25% größer sein als bei R1: Abstand zur Schwerachse R6: 101 cm Abstand zur Schwerachse R1: 81 cm Rechnerisches Verhältnis R6/R1: 1,25 Mit der Dehnungsdoppelamplitude von 15,5 μm/m bei R1 ergäbe sich damit eine rechnerisch zu erwartende Dehnungsdoppelamplitude bei R6 von 19,4 μm/m, die allerdings vom gemessenen Wert (25,5 μm/m) deutlich übertroffen wird. In Bild 13 ist zu erkennen, dass sich die im Rissbereich gemessenen Spannstahldehnungen in der Größenordnung der Betondehnungen, also in einem völlig unkritischen Bereich, bewegen. Befände sich der Querschnitt im Zustand II, müssten die im Riss gemessenen Spannstahldehnungen die Betondehnungen deutlich überschreiten. Bei der dargestellten Überfahrt beträgt die Dehnungsdoppelamplitude für den Spannstahl Δε = 13,5 μm/m. Dies entspricht etwa einer Spannungsschwingbreite von Δσ = 2,8 N/mm².
KF 10.8 – Messschrieb 03.06.2008 01:26 ΔT = +5,6K [RecordingID 2]
Das größte Überfahrtsereignis im gesamten Messzeitraum ist in Bild 14 dargestellt. Während dieser Überfahrt herrschte ein Temperaturgradient von ΔT = 5,6 K. Die maximale Dehnungsdoppelamplitude im Spannstahl betrug Δε = 48,22 μm/m, was einer Spannungsschwingbreite von Δσ = 10,1 N/mm² entspricht.