Bøger af Bachmann

1. 1 Problemstellung Brücken stellen einen wichtigen Bestandteil des Strassennetzes dar. Sie sollten möglichst erdbebensicher gebaut sein, damit die Verbindungswege für die Erbrin­ gung von Hilfeleistungen in einem Erdbebengebiet benutzbar bleiben. Zahlreiche Schäden und Einstürze von Brücken bei Erdbeben der letzten Zeit waren eine direkte Folge des ungünstigen Verhaltens bzw. der unzulänglichen Bemessung der in Längsrichtung der Brücke festen Lager ([14], [7], [8]). Die Forschung unter­ nahm deshalb erhebliche Anstrengungen, um die Bemessung und die konstruktive Durchbildung der festen Lager zu verbessern. Eine ganze Reihe neuartiger Lager mit grösserem oder kleinerem Energiedissipationsvermögen wurde entwickelt und in Ländern mit starker Seismizität auch in der Praxis verwendet. Demgegenüber hat man sich in Ländern mit mässiger Seismizität noch kaum mit dieser Problematik befasst, obwohl hier, sofern die physikalischen Zusammenhänge richtig erfasst werden, mit keinem oder nur sehr geringem Mehraufwand ein erheblich verbessertes Erdbebenverhalten fest gelagerter Brücken erreicht werden könnte. Der vorliegende Bericht enthält Ergebnisse von Untersuchungen, die am Institut für Baustatik und Konstruktion der Eidgenössichen Technischen Hochschule (ETH) Zürich im Rahmen des vom Schweizerischen Nationalfonds geförderten Forschungs­ projektes "Erdbebenverhalten grosser Balkenbrücken" erarbeitet wurden. Der Bericht befasst sich mit dem Erdbebenverhalten von Balkenbrücken mit fester Lagerung in Längsrichtung und damit auch mit dem Erdbebenverhalten der festen Lager selbst, welche in der Schweiz heute häufig verwendet werden. Er bildet damit eine Fortsetzung der Arbeiten [13], [18], [19], [20], [21], die vorwiegend das Erdbebenverhaltenschwimmend gelagerter Balkenbrücken sowie den Einfluss der Topographie auf die seismischen Bodenbewegungen behandeln.

Zustand geprüft. Mit Hilfe von sechs geraden, nicht injizierbaren Spannstäben konnte eine veränderbare zentrische Vorspannkraft aufgebracht werden.

Der vorliegende Versuchsbericht ist im Rahmen des Forschung~projektes ·Stahlbeton- und Spannbetonbalken unter stossartiger Beanspruchung" ausgearbeitet worden. Dabei interes­ sierte u.a. der Einfluss der erhöhten Dehngeschwindigkeiten auf die Materialkennwerte von Bewehrungs- und Spannstahl und insbesondere auf das gesamte Spannungs-Dehnungs­ Diagramm dieser Materialien. Für naturharten und kaltverformten Bewehrungsstahl sowie für patentiert kaltnachgezogene Spanndrähte und Litzen wurde das Verhalten der Festig­ keits- und Dehnungskennwerte sowie der Brucheinschnürung für den Dehngeschwindigkeits­ 5 bereich von E ¿ 10- pro Sekunde bis ungefähr 5'10° pro Sekunde ermittelt. Rund 240 Zug­ versuche an Proben unterschiedlicher Marken und Durchmesser wurden mit verschiedenen servohydraulischen Prüfmaschinen und mit einer mechanischen Fallgewichteinrichtung bei Temperaturen von 18 bis 22 oe durchgeführt. Beim Bewehrungsstahl der Gruppe III resultierte für den oben erwähnten Dehngeschwindig­ keitsbereich über etwa fünf Zehnerpoterizen eine Erhöhung der Festigkeitswerte von gut 10%; bei den Dehnungswerten konnte insbesondere beim kaltverformten Stahl eine massive Erhöhung der Gleichmassdehnung von bis zu 180% festgestellt werden. Einzig die Bruch­ ainschnürung zeigte eine geringfügige Abminderung gegenüber den Werten aus dem quasi­ statischen Normzugversuch. Bei den Spanndrähten trat mit zunehmender Dehngeschwindigkeit eine nur unwesentliche Er­ höhung der Festigkeitswerte ein. Zudem war eine deutliche Versprödungstendenz infolge abnehmender Dehnungswerte und der Brucheinschnürung festzustellen.

1.1 AIIgemeines Die Technik der dynamischen Analyse von Tragwerken mittels Computerprogrammen ist heute weit fortgeschritten, und es besteht daruber eine umfangreiche Literatur. Die Ergebnisse konnen jedoch nur brauchbar sein, wenn sie auf wirklichkeitsnahen Grundlagen beruhen. Solche Grundlagen fehlen heute auf dem Gebiet des Stahlleichtbetons noch weitgehend, fur den Stahlbeton sind sie noch sehr unvollstandig. Insbesondere fehlen sowohl fur Leicht­ beton- als auch fur Betonkonstruktionen grundlegende Kenntnisse uber den Einfluss der Rissbildung', der Beanspruchungshohe, des Armierungsgehaltes, des Vorspanngrades und der .Betonart auf Bauwerkseigenschaften wie zu erwartende Eigenfrequenz, voraussichtliches Dampfungsverhalten sowie Grosse der Amplituden bei erzwungenen Schwingungen. Leichtbeton weist gegenuber Beton ein geringeres Raumgewicht und einen wesentlich klei­ neren E-Modul auf, erreicht jedoch ungefahr dieselbe Festigkeit. Durch Verwendung von Leichtbeton konnen deshalb Bauwerke mit gegenuber Beton grosserer Schlankheit wirtschaft­ lich erstellt werden. Mit zunehmender Schlankheit steigt jedoch die Anfalligkeit fur dy­ namische Krafteinwirkungen. Bis heute sind noch keine systematischen Untersuchungen zum Vergleich des dynamischen Ver­ haltens von Leichtbetonkonstruktionen mit demjenigen analog ausgebildeter Konstruktionen aus normalem Beton bekannt geworden. Ein solcher Vergleich kann jedoch fur die Baustoff­ wahl von wesentlicher Bedeutung sein.

1.1 Allgemeines In Druck- bzw. Zugflanschen dünnwandiger Plattenbalken- und Hohlkastenquerschnitte tre­ ten ausser Längsdruck bzw. Längszug häufig auch Längsschub und Querbiegung auf. Die Problematik in Druckflanschen wurde in [1] und [2] sowie in [3] und [4] eingehend untersucht und behandelt. Oie Problematik in ~flanschen ist Gegenstand des vorliegenden Versuchsberichtes. Es pollen die Grundlagen für die Entwicklung einfacher, mit der Wirklichkeit gut überein­ stimmender Bemessungsmodelle bereitgestellt werden. An einem Element des zum Beispiel als Kragarm gelagerten Plattenbalkens mit ausserhalb des Steges eingelegter Längsbiegearmierung gernäss Bild 1 können in einem Schnitt I-I, je nach der äusseren Belastung, im Rissezustand folgende Schnittgrössen auftreten: a) Längsschub allein Wirkt eine Belastung P in der Symmetrieebene des I-Trägers, so entsteht eine Längsschub­ kraft T ¿d. yx b) Längsschub mit Querbiegung Wirkt ferner eine Belastung P ausserhalb des Steges, so entsteht zum Längsschub hinzu ein Querbiegemoment M. Die ebenfalls auftretende vertikale Schubkraft 'xy'd ist meist klein und wird in der vorliegenden Untersuchung nicht weiter berücksichtigt. c) Längsschub mit Querbiegung und Quervorspannung Ist die Zugplatte in Querrichtung vorgespannt, so wirkt ausser Längsschub und Querbie­ gung zusätzlich noch die Vorspannkraft V. Zu diesen Problemkreisen wurden in den Jahren 1977 und 1978 am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich Versuche an insgesamt sechs Versuchsträgern durchgeführt. Zum Problemkreis "Längsschub allein" wurden zwei Versuchsträger und zu "Längsschub mit Querbiegung" sowie "Längsschub mit Querbiegung und Quervorspannung" vier Versuchsträger geprüft.

1.1 Allgemeines Der Anschluss von Stahlbeton-Druckplatten an Längsstege ist vor allem im Brückenbau ein wesentliches Problem. An einem Element des z.B. als einfacher Träger gelagerten Plattenbalkens gemäss Bild 1 k6nnen in einem Schnitt I-I je nach den äU3seren Be­ lastungen folgende Schnittgr6ssen auftreten: a) Längsschub allein Wirkt eine Belastung P in der Symmetrie-Ebene des T-Trägers, so entsteht eine Längs­ schubkraft T ·d. yx b) Längsschub und Querbiegung Wirkt ferner eine Belastung P ausserhalb des Steges, so entsteht zum Längsschub hinzu ein Querbiegemoment M ¿ (Die ebenfalls auftretende vertikale Schubkraft T ·d wird q yz in der vorliegenden Untersuchung vernachlässigt.) c) Längsschub mit Querbiegung und Quervorspannung Ist die Druckplatte in Querrichtung noch vorgespannt, so wirkt ausser Längsschub und Querbiegung zusätzlich noch die Vorspannkraft V. Zu den Problemkreisen "Längsschub allein" und "Längsschub und Querbiegung" wurden 1974 am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich Versuche an insge­ samt fünf Stahlbetonträgern (Q1 - Q5) durchgeführt. Die erhaltenen Resultate sind im Versuchsbericht [1) dargestellt. Im Anschluss an die erwähnten Versuche wurde 1975 an zwei weiteren Versuchsträgern (Q6 und Q7) der Fall "Längsschub mit Querbiegung und Quervorspannung" näher unter­ sucht (vgl. Bild 12). Der vorliegende Bericht enthält die Ergebnisse dieser beiden letzten Versuche sowie Vergleiche zu den Resultaten der früheren Versuche ohne Qu- vorspannung.

1.1 Allgemeines Bei dünnwandigen Plattenbalken- und Hohlkastenquerschnitten aus Stahlbeton ist die Bemessung der Druckplatten im Anschlussbereich zu den längsstegen ein noch ungelöstes Problem. Betrachtet man als einfaches Beispiel ein Element des Trägers gemäss Bild 1, so können in einem Schnitt I-I je nach der äusseren Belastung folgende Schnittgrössen auftreten: a) Längsschub allein Wirkt eine Belastung P in der Symmetrieebene des T-Trägers, so entsteht eine Längs­ schubkraft T ·d. yx b) Längsschub mit Querbiegung Wirkt ferner eine Belastung P ausserhalb des Steges, so entsteht zum Längsschub hin­ zu ein Querbiegemoment M . (Die ebenfalls auftretende vertikale Schubkraft T ·d q yx wird in der vorliegenden Untersuchung vernachlässigt.) c) Längsschub mit Querbiegung und Quervorspannung Ist die Platte in Querrichtung noch vorgespannt, so wirkt nebst Längsschub und Quer­ biegung zusätzlich noch die Vorspannkraft V. Die Bemessung des Anschlussbereiches Platte - Steg bzw. die Berechnung der notwendi­ gen Armierungen kann nach verschiedenen Modellen erfolgen. Diese führen indessen zu sehr unterschiedlichen und widersprüchlichen Resultaten. Daher wurden in den Jahren 1974 und 1975 am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich Versuche an insgesamt sieben Betonträgern durchgeführt (Bild 10). An zwei Trägern wurde das Pro­ blem "Längsschub allein" erforscht (Bild 1B). Bei drei Trägern wurde zusätzlich eine Querbiegung aufgebracht (Bild 19). Die Ergebnisse dieser Versuche bildeten die Basis für die Prüfung von zwei weiteren Trägern, die in der Druckplatte die Beanspruchung "Längsschub mit Querbiegung und teilweiser Quervorspannung" aufwiesen.