DE19831984C2 - Bauteil mit externen Spanngliedern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein trägerförmiges Bauteil mit externen Spanngliedern gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.

Bei der Konstruktion von Brückenbauwerken werden zur Lastabtragung neben der Armierung mit schlaffem Betonstahl in der Regel auch vorgespannte Zugglieder verwendet. Bei diesen Zuggliedern wird grundsätzlich zwischen Spanngliedern mit und ohne Verbund unterschieden. In der Vergangenheit sind Zugglieder hauptsächlich mit Verbund ausgeführt worden. Der Verbund kann dabei sofort oder auch nachträglich durch Injizieren hergestellt werden. Demzufolge verlaufen Spannglieder mit Verbund innerhalb des Betonquerschnitts. Die Kraftübertragung vom Spannglied in den Betonquerschnitt erfolgt an den Verankerungen und kontinuierlich über die gesamte Spanngliedlänge.

Vor allem bei der Sanierung bestehender Brückenkonstruktionen, in jüngster Zeit aber auch bei der Herstellung neuer Brückenbauwerke ist es bekannt, die Spannglieder ohne Verbund auszubilden. In diesem Fall verlaufen die Spannglieder außerhalb des Betonquerschnitts, weshalb sie auch externe Spannglieder genannt werden. Externe Spannglieder sind lediglich mit ihren Enden in Verankerungselementen verankert, die wiederum fest mit dem Träger verbunden sind. Über die Verankerungselemente wird punktuell die gesamte Vorspannkraft in das Brückenbauwerk eingeleitet.

Für gewöhnlich bestehen bekannte Verankerungselemente aus einem linienförmigen Konsolauflager, das z. B. im Falle eines Bauwerks mit Hohlkastenquerschnitt an der Innenseite des Hohlkastens quer zur Brückenlängsachse polygonförmig verläuft. Mit Hilfe entsprechender Bewehrung ist das Konsolauflager starr an den Hohlkasten angeschlossen. Das Konsolauflager besitzt rechteckförmigen Querschnitt und weist in Brückenlängsachse ausgerichtete Öffnungen auf, durch die die Enden der Zugglieder geführt und an der Rückseite des Auflagers verankert sind.

Durch Spannen der Zugglieder werden Kräfte in das Verankerungselement eingeleitet und auf den fest mit dem Verankerungselement verbundenen Bereich des Hohlkastens übertragen. Dabei führt die Anordnung der Spannglieder außerhalb des Hohlkastenquerschnitts zwangsläufig zu einem exzentrischen Lastangriff bezüglich des Hohlkastenquerschnitts, so daß ein örtliches Zusatzmoment erzeugt wird. Bei kleineren Spannkräften können diese zusätzlichen Beanspruchungen noch vom Bauwerk aufgenommen werden, bei größeren Spannkräften von z. B. 3 MN je Spannglied und mehr führt die zusätzliche Momentenbeanspruchung in der Überlagerung aus Momenten infolge anderer Lastfälle zu Verformungen, Rißbildung und zu Überbeanspruchungen des Bauwerks im Verankerungsbereich.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil mit Ankerstellen für externe Spannglieder zu schaffen, das die Vorspannkräfte in statisch günstiger Weise aufnimmt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein trägerförmiges Bauteil mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteil der Erfindung ist es, daß Kräfte aus externer Vorspannung, die bisher immer zu einer zusätzlichen örtlichen Momentenbelastung geführt haben, zur Vermeidung einer solchen Zusatzbeanspruchung direkt in den Hohlkastenquerschnitt eingeleitet werden. Dies gelingt durch Änderung der statischen Rahmenbedingungen im Bereich der Verankerungsstelle. Bei Verankerungen gemäß dem Stand der Technik ist das Verankerungselement nach Art eines linienförmigen Konsolauflagers über seine gesamte Länge mit dem Ober- bzw. Untergurt verbunden, das bei Belastung Momente in den Ober- bzw. Untergurt einleitet.

Ein erfindungsgemäßes Verankerungselement hingegen besitzt vorteilhafterweise stab- oder scheibenförmige Gestalt und ist mit einem Ende im Obergurt des Hohlkastenquerschnitts und mit dem anderen Ende in dessen Untergurt verankert.

Erfindungsgemäße Verankerungselemente lassen sich im Vergleich zu Lösungen gemäß dem Stand der Technik einfacher und schneller und dadurch kostengünstiger herstellen.

Darüber hinaus wird im Verankerungsbereich durch die Verankerungselemente eine vertikale Unterteilung des Hohlkastenquerschnitts erzielt, die den Vorteil bietet, daß in den seitlichen Öffnungen Raum für Entwässerungsleitungen geschaffen wird, die entlang der Stege angeordnet sein können. Öffnungen in der Mitte können als Durchgang genutzt werden, frei von Querträgern, die ansonsten den Durchgang erheblich erschweren.

Ist das Verankerungselement scheibenförmig ausgebildet, so entsteht dadurch naturgemäß ein Element mit sehr hoher Biegesteifigkeit, das in der Lage ist, die Vorspannkräfte direkt in den Hohlkastenquerschnitt einzuleiten, ohne dabei Momente zu erzeugen. Die Biegesteifigkeit des Verankerungselements wird im wesentlichen durch die Ausdehnung des Verankerungselements in Brückenlängsrichtung bestimmt, wobei auch die Höhe des Kastenquerschnitts zu berücksichtigen ist. Durch geeignete Wahl der Abmessungen ist es möglich, das Verankerungselement auf die tatsächlichen Vorspannkräfte abzustimmen. Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist eine minimale Länge des Verankerungselement von ca. 1,5 m vorgesehen.

Nach einer weiteren besonderen Ausführungsform weisen die Verankerungselemente einen trapezförmigen Querschnitt auf. Dadurch erfolgt eine Anpassung der Größe des Verankerungselementes an die Anzahl der zu verankernden Spannglieder. Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Verankerungselement in Brückenlängsrichtung Ausnehmungen auf. Sie dienen beispielsweise zur Durchführung weiterer Spannglieder, die an anderer Stelle verankert sind.

Für gewöhnlich wird ein hohlkastenförmiges Bauteil vorteilhafterweise in zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten hergestellt. In einem ersten Arbeitsschritt wird dabei ein Trog, bestehend aus Untergurt und Seitenstegen, hergestellt, in einem zweiten Arbeitsschritt erfolgt die Herstellung des Obergurts. Um die Tragfähigkeit des Trogs schon während des Bauzustands zu nutzen, muß dieser mit einem Teil der endgültigen Vorspannkraft vorgespannt werden. Damit dies auch bei einem erfindungsgemäßen Bauteil möglich ist, werden die oberen Enden der Verankerungselemente mit einer Querverbindung abgestützt, die wiederum in den Seitenstegen verankert ist. Die Querverbindung leitet also die Spannkräfte in die Stege ein, die in diesem Bauzustand die Last abtragen. Beim späteren Herstellen des Obergurts ist es vorteilhaft, die Querverbindung nicht an den Obergurt anzuschließen, da dies wie auch beim Stand der Technik zu einem Zusatzmoment führen könnte.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Fahrbahnträger gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Fahrbahnträger entlang der in Fig. 3 dargestellten Linie II-II,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Fahrbahnträger im Bereich eines Pfeilers entlang der in Fig. 2 dargestellten Linie III-III,

Fig. 4 weitere Querschnitte eines erfindungsgemäßen Fahrbahnträgers,

Fig. 5 einen weiteren Querschnitt eines erfindungsgemäßen Fahrbahnträgers mit Querverbindung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung von in Trägerlängsachse gestaffelt angeordneten Verankerungselementen.

Fig. 1 zeigt einen Fahrbahnträger 1, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Fahrbahnträger 1 besitzt einen Kastenquerschnitt, der sich aus dem Obergurt 2, den beiden Stegen 3 und 4 und dem Untergurt 5 zusammensetzt, die einen Hohlraum 6 umschließen. Zur besseren Lastabtragung sind der Obergurt 2 an seiner Unterseite und der Untergurt 5 an seiner Oberseite in den Bereichen der Steganschlüsse leicht gevoutet.

Die freien Enden des Obergurts 2 kragen quer zur Fahrbahnträgerlängsachse über die Stege 3 und 4 hinaus und bestimmen damit die Breite des Fahrbahnträgers 1. An seiner Oberseite ist der Obergurt 2 in drei Funktionsbereiche unterteilt. Zu beiden Seiten der Symmetrieebene 7 erstreckt sich der Bereich der Fahrbahn, der mehr als die halbe Breite des Hohlkastens einnimmt. In diesem Bereich ist auf den Obergurt 2 ein Fahrbahnbelag 8 aufgebracht, der an seinen Längsrändern durch längs verlaufende Schrammborde 9 und 10 begrenzt ist. Von den Schrammborden 9 und 10 erstrecken sich zu den freien Rändern des Obergurts 2 hin Gesimse 11 und 12, die über die längsverlaufenden Stirnseiten des Obergurts 2 reichen, und dabei einen Überstand gegenüber der Unterseite des Obergurts 2 bilden. Auf der Oberseite der Gesimse 11 und 12 sieht man entlang der Außenkanten jeweils ein Geländer 13 und 14, das fest in dem Gesims 11 bzw. 12 verankert ist. In gleichbleibendem Abstand zwischen Schrammbord 9 bzw. 10 und Geländer 13 bzw. 14 verläuft ein Anprallschutz 15 bzw. 16, der ebenfalls fest mit dem Gesims 11 bzw. 12 verbunden ist.

Der Fahrbahnträger 1 besteht aus Beton, der mit in der Zeichnung nicht dargestelltem, schlaffem Betonstahl konstruktiv bewehrt ist. Zur Abtragung der wesentlichen Verkehrslasten besteht die Bewehrung darüber hinaus zu einem gewissen Anteil aus in Fahrbahnträgerlängsrichtung vorgespannten Zuggliedern 17, die außerhalb des Betonquerschnitts geführt sind. Am wirkungsvollsten werden diese vorgespannten Zugglieder 17 entsprechend dem Momentenverlauf parabelförmig angeordnet. Da damit aufwendige Umlenkungen der vorgespannten Zugglieder 17 nötig sind, werden die Zugglieder 17 auch geradlinig geführt, wobei sie auch hier immer im Bereich der Zugzone liegen, d. h. im Pfeilerbereich sind sie dem Obergurt 2 und im Feldbereich dem Untergurt 5 zugeordnet (Fig. 3).

Zur Verankerung der vorgespannten Zugglieder 17 ist innerhalb des Hohlkastenquerschnitts an den Innenseiten von Obergurt 2, Stege 3 und 4 und Untergurt 5 polygonförmig und quer zur Fahrbahnträgerlängsachse verlaufend ein geschlossenes Verankerungselement 18 angeordnet. Das Verankerungselement 18 besitzt rechteckförmigen Querschnitt und ist monolithisch mit dem Kastenquerschnitt verbunden. In Fahrbahnträgerlängsrichtung ist es mit einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Öffnungen durchsetzt, durch welche die Enden der vorgespannten Zugglieder 17 reichen und an deren Rückseite die Zugglieder 17 mit Hilfe nicht dargestellter Ankerplatten und Ankerkeilen verankert sind.

Beim Spannen der Zugglieder 17 wird infolge des exzentrischen Lastangriffs in dem Verankerungselement 18 bezüglich dessen Längsachse ein Torsionsmoment erzeugt, das einen mit 19 bzw. 20 gekennzeichneten Verlauf im Verankerungselement 18 bewirkt. Die Torsionsmomente 19 bzw. 20 führen direkt zu örtlichen Einleitungen von Biegemomenten in den Obergurt 2 und Untergurt 5, die sich mit den Momenten aus den übrigen Lastfällen überlagern. Bei hohen Vorspannkräften führt dies zu einer örtlichen Überbeanspruchung des Betons, was zu Schäden am Bauwerk führt.

In Fig. 2 sieht man einen erfindungsgemäßen Fahrbahnträger, der sich von dem in Fig. 1 dargestellten lediglich in der Art der Verankerung der vorgespannten Zugglieder unterscheidet. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie unter Fig. 1 versehen.

Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Fahrbahnträger 1 ist hier auf ein Verankerungselement, das sich in Form einer Konsole entlang der Innenseite des Hohlkastenquerschnitts erstreckt, verzichtet worden. Statt dessen sind zwei erfindungsgemäße Verankerungselemente 21 und 22 zwischen Obergurt 2 und Untergurt 5 angeordnet. Die Verankerungselemente 21 und 22 besitzen scheibenförmige Gestalt (Fig. 3), wobei die Scheibenebenen parallel zur Fahrbahnträgerlängsachse ausgerichtet sind. Dadurch entsteht ein Verankerungselement mit sehr hoher Biegesteifigkeit in Belastungsrichtung.

Die Verankerungselemente 21 und 22 sind allein an ihren beiden Enden monolithisch mit dem Obergurt 2 bzw. Untergurt 5 verbunden. Zur Aufnahme der vorgespannten Zugglieder 23 weisen die Verankerungselemente 21 und 22 in Richtung der Fahrbahnträgerlängsachse Öffnungen auf, an deren stirnseitigem Ende Zugglieder 23 verankert sind. Um Momente in den Verankerungselementen der vorgespannten Zugglieder 23 möglichst zu vermeiden, ist der Abstand der Zugglieder 23 zum Obergurt 2 bzw. Untergurt 5 so gering wie möglich gehalten.

Eine mögliche Anordnung der erfindungsgemäßen Verankerungselemente 21 und 22 in Längsrichtung zeigt Fig. 3 im Schnitt. Man sieht einen Abschnitt eines Fahrbahnträgers im Bereich eines Mittelauflagers. Von unten kommend ist nur der obere Teil eines Pfeilers 24 dargestellt. Auf seiner Oberseife ist ein Brückenlager angebracht, auf dem wiederum der Untergurt 5 des Fahrbahnträgers ruht. Direkt über dem Pfeiler 24 weist der Kastenquerschnitt zur besseren Aufnahme der Querkräfte eine Verstärkung 25 auf, die vom Pfeiler 24 weg nach beiden Seiten hin allmählich in den Regelquerschnitt ausläuft.

In einem bestimmten Abstand von der Pfeilerachse, der sich aufgrund statischer Berechnungen ergibt, ist auf beiden Seiten ein Verankerungselement 22 bzw. 26 angeordnet. Entsprechend dem Verlauf der Zugkräfte ist ein oberes, zwischen diesen beiden Verankerungsstellen 22, 26 über das Mittelauflager verlaufendes vorgespanntes Zugglied 23 angeordnet. Die vorgespannten Zugglieder 23 in Feldmitte sind dagegen unten im Bereich des Untergurts 5 angeordnet.

Beim Aufbringen der Vorspannung erfolgt aufgrund der hohen Biegesteifigkeit der Verankerungselemente 22, 26 eine direkte Krafteinleitung der Vorspannkräfte in den Obergurt 2 bzw. Untergurt 5, ohne dabei nennenswerte Zusatzmomente zu erzeugen.

Fig. 4 zeigt mögliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Fahrbahnträgers. Der Einfachheit halber ist jeweils nur eine Hälfte eines symmetrischen Hohlkastenquerschnitts dargestellt. Die rechte Hälfte entspricht weitestgehend dem unter Fig. 2 beschriebenen Fahrbahnträger. In Ergänzung dazu weist das Verankerungselement 27 zwischen den Ankerstellen für die vorgespannten Zugglieder 25 eine weitere Öffnung 29 auf. Diese dient zur Durchführung weiterer vorgespannter Zugglieder, die an anderer Stelle verankert sind.

Der links dargestellte Fahrbahnträger zeigt als alternative Ausführungsform ein Verankerungselement 30 mit trapezförmigem Querschnitt, wobei die größte Breite dem Untergurt 5 zugeordnet ist und sich zum Obergurt 2 hin verjüngt. Durch die größeren Querschnittsabmessungen des Verankerungselements 30 im Bereich des Untergurts 5 ist es möglich, drei nebeneinander liegende vorgespannte Zugglieder 31 unterzubringen. Am gegenüberliegenden Ende des Verankerungselements ist ein weiteres dem Obergurt 2 zugeordnetes Zugglied 31 dargestellt. Zwischen den oberen und den unteren Zuggliedern ist wiederum eine Öffnung 32 zur Durchführung weiterer Zugglieder vorgesehen.

Fig. 5 zeigt einen Fahrbahnträger mit einer Querverbindung 33. Eine solche Querverbindung 33 wird dann notwendig, wenn beim Bau eines Fahrbahnträgers in einem vorauseilenden Arbeitsschritt ein Trog, bestehend aus Untergurt 5 und den Stegen 3 und 4, und im Nachgang der Obergurt 2 hergestellt wird, wobei anstelle eines Leergerüstes die Kräfte im Bauzustand über eine teilweise Vorspannung des Trogquerschnitts erfolgt. Diese Vorgehensweise ist bei der Herstellung von Brückenbauwerken auf Lehrgerüst von Bedeutung.

Die Querverbindung 33 besteht aus einem scheibenförmigen Element, das die oberen Enden der Verankerungselemente 34 horizontal verbindet und darüber hinaus durch seitliche Überstände an die Stege 3 und 4 anschließt. Die Oberseite der Querverbindung 33 folgt der Kontur der Unterseite des Obergurts 2, wobei ein geringfügiger lichter Abstand eingehalten wird. Dadurch ist sichergestellt, daß im Endzustand keine Momente infolge der Vorspannkräfte in den Obergurt 2 eingeleitet werden.

In Fig. 6 ist schließlich eine in Fahrbahnträgerlängsachse gestaffelte Anordnung von Verankerungselementen 35 und 36 dargestellt. Man sieht den Brückenunterbau in Form eines Pfeilers 37, auf dem der Fahrbahnträger aufgelagert ist. Symmetrisch zur Pfeilerachse und in vorbestimmten Abständen dazu sind im Fahrbahnträger auf beiden Seiten jeweils zwei Verankerungselemente 35 und 36 hintereinander angeordnet. Die zu verankernden Zugglieder 38, 39, 40 sind an ihren Enden jeweils durch das Verankerungselement 35 und die Zugglieder 38', 39', 40' durch das Verankerungselement 36 geführt und dort verankert. Ebenso wäre eine verschränkte Anordnung der Zugglieder möglich, bei der die Enden eines ersten Zugglieds am ersten Verankerungselement 35 und am zweiten Verankerungselement 36 und die Enden eines zweiten Zugglieds am zweiten Verankerungselement 35 und am ersten Verankerungselement 36 verankert sind. Dabei kann man durch geläufige Maßnahmen die Vorspannkraft auf die beiden Verankerungselemente 35 und 36 verteilen und dadurch eine örtlich gestaffelte Einleitung der Vorspannkräfte in den Obergurt 2 bzw. den Untergurt 5 erreichen. Die erfindungsgemäße Anordnung der Verankerungselemente und die dadurch erreichte Aufteilung der Vorspannkraft ist in Verbindung mit dem Erfordernis der "Dekompression" von Bedeutung, wonach unter einer bestimmten Lastkombination an keiner Stelle des Fahrbahnträgers Zugspannungen auftreten dürfen. Durch die punktuelle Einleitung großer Kräfte besteht stets die Gefahr örtlicher Zugspannungen im Betonquerschnitt, die durch die erfindungsgemäße Anordnung der Verankerungselemente beseitigt wird.

Claims (9)

1. Trägerförmiges Bauteil, insbesondere Fahrbahnträger (1) eines Brückenbauwerks, mit einem aus Obergurt (2), Stegen (3, 4) und Untergurt (5) gebildeten Kastenquerschnitt und innerhalb des Kastenquerschnitts in Brückenlängsrichtung verlaufende externe Spannglieder (23, 28, 31, 38, 39, 40), deren Enden in kraftschlüssig mit dem Bauteil verbundenen Verankerungselementen (21, 22, 26, 27, 30, 34, 35, 36) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente (21, 22, 26, 27, 30, 34, 35, 36) für die externen Spannglieder (23, 28, 31, 38, 39, 40) geradlinig zwischen Obergurt (2) und Untergurt (5) angeordnet und ausschließlich an ihren Enden mit diesen kraftschlüssig verbunden sind.

2. Trägerförmiges Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente (21, 22, 26, 27, 30, 34, 35, 36) scheibenförmig ausgebildet sind, wobei die Scheibenebene parallel zur Längsachse des Bauteils verläuft.

3. Trägerförmiges Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenförmige Verankerungselement (21, 22, 26, 27, 30, 34, 35, 36) eine Länge von ca. 1,5 m oder mehr aufweist.

4. Trägerförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente (30) trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

5. Trägerförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente (27, 30, 34) mindestens eine Ausnehmung (29, 32) in Richtung der Längsachse des Bauteils aufweisen.

6. Trägerförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Obergurt (2) zugeordneten Enden der Verankerungselemente (34) durch eine Querverbindung (33) gehalten sind, die zwischen den oberen Enden der Stege (3, 4) angeordnet und kraftschlüssig mit diesen verbunden ist und die keinen Verbund zum Obergurt (2) aufweist.

7. Trägerförmiges Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querverbindung (33) scheibenförmig ausgebildet ist.

8. Trägerförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Verankerungsbereich in Richtung der Längsachse des Bauteils mindestens ein erstes Verankerungselement (35) und ein zweites Verankerungselement (36) im Abstand zueinander angeordnet sind und zur gestaffelten Lasteintragung in das Bauteil ein erster Teil der externen Spannglieder (38, 39, 40) am ersten Verankerungselement (35) und ein zweiter Teil der externen Spannglieder (38', 39', 40') am zweiten Verankerungselement (36) verankert ist.

9. Trägerförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Verankerungsbereich in Richtung der Längsachse des Bauteils mindestens ein erstes Verankerungselement (35) und ein zweites Verankerungselement (36) im Abstand zueinander angeordnet sind und zur gestaffelten Lasteintragung in das Bauteil wenigstens ein Teil der externen Spannglieder (38, 38', 39, 39', 40, 40') verschränkt an den Verankerungselementen (35 und 36) angeordnet und verankert sind.