Contribution to computational assessment of concrete hollow box girder bridges

Die rechnerische Überprüfung von bestehenden Brücken ist ein stetig wachsendes Aufgabengebiet der heutigen Bauingenieure, da 40 bis 60 Jahre alte Betonbrücken Defizite bezüglich der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit aufweisen können. Diese vorhandenen Defizite entstehen infolge ungenügender konstruktiver Ausbildung, im Laufe der Nutzungsdauer steigender Verkehrslasten sowie Brückenschäden bedingt durch Nutzung, Umwelteinflüsse und Materialermüdung. Diese Brücken sind nach dem Stand der Technik bezüglich ihrer Tragfähigkeit zu überprüfen und es gilt ihre Funktionalität für die nächsten Jahre zu beurteilen und sicherzustellen. Bei der rechnerischen Überprüfung bestehender Brücken mit aktuell gängigen, einfachen, statischen Modellen können diese Brücken die heute gültigen Anforderungen oft nicht erfüllen, da die anhand einfacher Modelle bestimmten Einwirkungen größer als die auf der Basis heute gültiger Normen rechnerisch bestimmten Widerstände sind. Vor allem bestehende Betonhohlkastenbrücken weisen heute oft Defizite bezüglich ihrer Querkrafttragfähigkeit auf, da bei der Konstruktion damals einerseits geringere Lastannahmen gültig waren und andererseits das damalige Bemessungskonzept geringere Bewehrungsgrade der Querkraftbewehrung in den Stegen zuließ. Da nach den heute gültigen Vorschriften erforderliche Widerstände in Stegen und/oder Fahrbahnplatten der Querkraftbeanspruchung rechnerisch nicht widerstehen, können aufwendige und teure Verstärkungsmaßnahmen bis hin zum teilweisen oder ganzen Brückenersatz faktisch notwendig werden. Verfeinerte und somit genauere Bestimmung der Einwirkungen und des Tragverhaltens liefern wirklichkeitsnahe Kräfte und Widerstände der Brücken. Dadurch können detaillierte und genauere Erkenntnisse hinsichtlich des Kraftflusses und des Widerstands ermittelt werden. Deshalb beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Bestimmung des Kraftflusses innerhalb von ein- und mehrzelligen Betonhohlkastenbrücken mit dem Ziel, die nach aktuellen Vorschriften notwendigen Anforderungen an die bestehenden Brücken zu erfüllen, damit kostenintensive Ertüchtigungsmaßnahmen vermieden werden können. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Bestimmung von Querkräften in den maßgebenden Nachweisschnitten: in den Stegen im Bereich der Auflager sowie in Fahrbahnplatten im Anschnitt zu Stegen. Erfahrungsgemäß sind bestehende Brücken bezüglich der Biegetragfähigkeit als unkritisch zu bewerten, da sie einerseits meist über ausreichend Biegebewehrung verfügen und andererseits hochgradig vorgespannt sind. Zunächst werden mithilfe von räumlichen Finite Elemente Berechnungen mit Schalenelementen auf der Grundlage linear elastischen Werkstoffverhaltens Querkräfte infolge des Verkehrslastmodells des DIN Fachberichtes bestimmt, die den Querkräften aus der Stabstatik gegenüber gestellt werden. Dabei zeigen sich wesentliche Unterschiede infolge der verschiedenen Berechnungsmethoden. Aus der Stabstatik ergeben sich für mehrzellige Querschnitte auf der unsicheren Seite liegende Ergebnisse, da die Stabstatik alle Stege gleichmäßig zum Abtrag der Querkräfte infolge von Längsbiegung ansetzt. Aus der FE-Berechnung folgt, dass durch den räumlichen Lastabtrag hauptsächlich die lastnahen Stege am Lastabtrag beteiligt sind. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden Querkräfte unter Zugrundelegung eines nichtlinearen Werkstoffverhaltens von Stahlbeton mit räumlichen FE-Modellen bestimmt. Die so bestimmten Werte werden mit den zuvor bestimmten verglichen. Es zeigt sich, dass bei mehrfeldrigen Brücken im Bereich der Mittelstütze mittels nichtlinearen Berechnungen geringere Querkräfte im maßgebenden Nachweisschnitt der Stege bestimmt werden, als mit linear elastischen Berechnungsansätzen. Im Bereich der Endauflager ergeben sich mit nichtlinearen Rechenmethoden größerer Querkräfte in den Nachweisschnitten. Die beiden Unterschiede lassen sich im nichtlinearen Tragverhalten einerseits auf die Beteiligung stegnaher Plattenbereiche beim Lastabtrag der Querkräfte in Längsrichtung der Brücken und zurückführen. Andererseits ändert sich innerhalb der Brücken der Lastabtrag derart, dass die Neigung der Druckfelder kleiner wird und dadurch die Beanspruchung der Stege abnimmt. In weiteren Untersuchungen zeigt sich! , dass inf olge einer Lastumordnung der in Längsrichtung verlaufenden Querkräfte aus den Stegen in die Platten, der Querkraftwiderstand in den Platten erreicht werden kann. Im Rahmen der Untersuchungen werden ebenfalls die mitwirkenden Plattenbreiten in Kragplatten infolge von Einzellasten ermittelt. Es wird verdeutlicht, dass die mitwirkenden Plattenbreiten von der Anordnung der Einzellasten auf diesen Kragplatten sowie der Plattengeometrie abhängen. Im Bereich von Querscheiben der Hohlkastenquerschnitte werden geringere Plattenbreiten errechnet als in den Feldbereichen der Brücken. Aus den Untersuchungen werden Diagramme abgeleitet, mit denen die mitwirkenden Plattenbreiten in der Nähe der Querscheiben bestimmt werden können.The structural assessment of existing bridges is gaining increasing importance within civil engineering, as many reinforced concrete bridges that were built 40 to 60 years ago show deficiencies regarding serviceability as well as load-bearing capacity. These deficiencies are due to poor detailing, increasing traffic loads as well as structural damage caused by vehicles, environmental influences and material fatigue. To ensure that the bridges remain viable, it is necessary to carry out structural assessments using state-of-the-art methods and to estimate the structural performance under current and future traffic loads. When the structural capacity of these bridges is assessed using widely used, simple static models, the bridges often do not meet the requirements of the current design codes. This is due to the fact that the design actions determined from simple models are greater than the capacities calculated according to current design codes. The shear capacities of concrete box girder bridges in particular are often insufficient, because previous design codes stipulated lower design loads and allowed lower shear reinforcement ratios in the webs. As current design codes demand larger shear resistances for webs and deck slabs, elaborate and expensive strengthening measures and even partial or complete bridge renewals can become necessary. Using more detailed analyses of the design loads and the structural behaviour of the bridges, more realistic design actions and structural resistances can be obtained. It is hence possible to gain a more complete understanding of the flow of forces and the structural resistances of the bridges. Therefore, this dissertation is concerned with determining the flow of forces in single- and multi-cell concrete box girder bridges. The goal is to show that the existing bridges meet the requirements stipulated in the current design codes, so that costly rehabilitation measures can be avoided. The focus of this dissertation is on determining the shear forces in the critical sections: in the webs near the supports as well as in the areas of the deck slab close to the webs. Experience shows that existing bridges generally have sufficient bending capacities, as they usually contain a sufficient amount of flexural reinforcement and are highly prestressed. The shear forces are determined according to the traffic load model described in DIN Report 101 [35], using spatial finite element calculations with shell elements and linear-elastic material laws. The comparison of these FE results with the results obtained from a two-dimensional analysis of framed structures shows distinct differences between the two methods. The analysis of framed structures yields non-conservative results for multi-cell sections, as the shear force is assumed to be evenly distributed among the webs as the bridge bends. The 3D FE calculations, however, indicate that the shear forces flow mainly through the webs closest to the load. Subsequently, the shear forces are determined from spatial FE models with non-linear material laws for reinforced concrete and compared with the results from the previous, linear-elastic analyses. Compared with the linear-elastic approach, the non-linear calculations yield lower shear forces in the critical web sections near the central support and higher shear forces in the critical sections near the end supports. An explanation for the different results obtained from the non-linear calculations is that the areas of the deck slab close to the webs aid in resisting the shear forces in the direction of the bridge axis. On the other hand, the load paths within the bridges change significantly, causing a decrease in the inclination of the compression fields and a hence a reduction of stress in the webs. Further investigations show that due to the redistribution of the longitudinal shear forces from the webs to the slabs the existing shear resistance in the slabs is not exceeded. The effective width of the deck slab overhang for point loads is also determined in this document. It is shown that the effective width is dependent on the slab geometry as well as on the location of the point load on the deck slab overhangs. The calculated effective widths are smaller for sections close to the diaphragms than elsewhere in the span. Diagrams based on these calculations are presented; they can be used to determine the effective slab widths for sections close to the diaphragms