Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau | Institut für Tragkonstruktionen

Technische Universität Wien

Erste Brückenverstärkung mit externen CFK-Spanngliedern in Österreich

Das am Institut für Tragkonstruktionen - Betonbau entwickelte konische Vergussverankerungsmodell ist neben einer optimalen Ausnutzung des Verankerungssystems auch auf eine wirtschaftliche und für die Baupraxis zweckmäßige Herstellung ausgerichtet.

Im Sommer des Jahres 2003 konnte der praktische Einsatz dieser Verankerungskörper gleichzeitig mit der erstmaligen Anwendung von CFK-Spanngliedern in Österreich im Zuge einer Verstärkungsmaßnahme der Autobahnbrücke Golling, Salzburg, in Angriff genommen werden.

 

1. Einleitung

Spannglieder aus Kohlenstofffaser - Verbund - Werkstoffen (CFK) bieten unter gewissen Umweltbedingungen eine hervorragende Alternative zu konventionellen Stahlspanngliedern. CFK-Spannglieder zeichnen sich vor allem durch ihre ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften in Faserlängsrichtung, ihre hohe Korrosionsbeständigkeit und ihr äußerst geringes Gewicht aus. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften in Faserquerrichtung sind jedoch relativ schwach ausgeprägt. Sie weisen eine geringe interlaminare Schubfestigkeit und zugleich eine hohe Querdruckempfindlichkeit auf. Das Schlüsselproblem einer praxisorientierten Anwendung von CFK-Elementen als vorgespannte Zugglieder liegt somit in einer geeigneten Verankerung des Spanngliedes.

Im Zuge dieses Aufsatzes wird eine neue, konisch segmentierte Vergussverankerung vorgestellt, die in den vergangenen Jahren am Institut für Tragkonstruktionen - Betonbau an der TU Wien konzipiert und entwickelt wurde und in weiterer Folge zu einem erstmaligen, erfolgreichen Einsatz von CFK-Spanngliedern in einem Brückenbauwerk in Österreich geführt hat.

 

2. Die Verankerung

Um unter Berücksichtigung der anisotropen Materialeigenschaften der Kohlenstofffasern eine gleichmäßige Spannungsverteilung entlang des CFK-Zugelementes innerhalb des Verankerungskörpers zu erzielen und den auftretenden Querdruck in der Verankerung zu minimieren, wird die geometrische Form einer herkömmlichen konischen Spanngliedverankerung gedanklich in einzelne Segmente zerlegt und anschließend in umgekehrter Reihenfolge wieder zusammengesetzt (Bild 1).

Auf diese Weise wird der Vergusskörper am lastnahen Verankerungsende aufgeweitet und gegen das lastferne Ende verjüngt. Aufgrund des größeren Durchmessers des Vergusskörpers und seiner geringeren Steifigkeit gegenüber der Stahlhülse wird der Querdruck im lastnahen Verankerungsbereich abgebaut und in die lastferneren Verankerungsbereiche abgeleitet. Die auftretenden Spannungsspitzen werden somit reduziert und über die gesamte Ankerlänge gleichmäßig verteilt.

Die Regulierung des Querdrucks bzw. der auftretenden Spannungen entlang des CFK-Zugelementes erfolgt durch die Wahl bzw. Einstellung der folgenden geometrischen Parameter (Bild 1):

a.) Neigungswinkel a i der einzelnen Konussegmente,

b.) Neigungswinkel der Gesamtöffnung b des Vergusskörpers,

c.) Länge der einzelnen Konussegmente hi bzw. Gesamtlänge der Verankerung.

Numerische Untersuchungen und experimentelle Versuche an diesem Verankerungsmodell für unterschiedliche Spanngliedgrößen haben bereits ergeben, dass mit diesem System eine hohe Ausnutzung der mechanischen Festigkeitseigenschaften von vorgespannten CFK-Spanngliedern und somit eine hohe Effizienz des Verankerungssystems erzielt werden kann. So konnte beispielsweise bei dem entwickelten Verankerungsmodell für Spannglieder mit einer Kabelgröße von 19 bzw. 37 CFK-Drähten und einem Drahtdurchmesser von 5 mm die Bruchfestigkeit des CFK-Zugelementes und somit der Wirkungsgrad von 100 % des Verankerungssystems erreicht werden.

Schematische Darstellung der konisch segmentierten Vergussverankerung

 

3. Verstärkung der Autobahnüberführung Golling bei Salzburg mit externen CFK-Spanngliedern

Bei der 1970 hergestellten Spannbetonbrücke mit nachträglichem Verbund handelt es sich um einen zweizelligen Kastenquerschnitt über drei Felder(11,50m+33,50m+11,50m; Bild 2).

Aufgrund der in den letzten Jahren stark gestiegenen Verkehrsbelastung erwies sich eine Ertüchtigung des Brückentragwerks als unumgänglich. Zu diesem Zweck erfolgte der Einbau von 16 geradlinig geführten externen CFK-Spanngliedern im Hohlkasten (Bild 3). Die Spannglieder wurden aus je 37 Drähten mit einem Einzeldrahtdurchmesser von 5 mm und besandeter Drahtoberfläche zusammengesetzt. Die Vorspannkraft der CFK-Spannglieder wurde mit je 730 KN festgelegt, was einer Ausnutzung der Kabelbruchlast von 37 % entspricht.

Gesamtansicht der Autobahnüberführung Golling
Vorspannung der neu eingezogenen Querträger, aufgeklebte CFK-Lamellen im Randfeld
Spannglieder im eingebauten Zustand-Ankerkörper
Spannglieder im eingebauten Zustand-Hüllrohre

 

4. Schlussfolgerung

Die externen Spannglieder der Autobahnüberführung aus CFK sind die erste derartige Anwendung in Österreich. Der erfolgreiche Praxiseinsatz hat gezeigt, dass Zugglieder aus CFK vor allem dort eine sinnvolle Alternative zu konventionellen Stahlspanngliedern darstellen, wo besondere physikalische bzw. chemische Anforderungen an das Zugglied gestellt werden (Korrosion) oder das Eigengewicht die Tragfähigkeit des Zuggliedes entscheidend beeinflusst (Schrägkabel).

 

Literatur

[1] Horvatits, J., Gaubinger, B., Dorn, M., Cserno, T. und Kollegger, J.: Entwicklung einer Vergussverankerung für Zugglieder aus Faserverbundwerkstoff. Der Bauingenieur, Vol. 79,März 2004, S. 101 - 110

[2] Horvatits, J. und Kollegger, J.: Anchorage advances. Bridge design and engineering, Issue No. 33, Fourth Quarter, 2003, S. 69 - 71

 

Kontakt: J. Horvatits

E-mail: jhorvat(at)pop.tuwien.ac.at 

www.betonbau.tuwien.ac.at