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Ausgewählte Projekte

Materialentwicklung

 

Innovative Betonkonstruktionen

 

Modellierung

 

Mechanisch konsistente Bemessungsmodelle

 

Projektbeschreibungen

 

Quickway

Finanzierung:FFG

Beteiligte Organisationen:Wörle Sparowitz Ingenieure, Hans Lechner ZT, TU Graz – Institut für Baubetrieb und Bauwirtschaft, TU Graz – Labor für konstruktiven Ingenieurbau

Beteiligte Personen: Johannes Oppeneder

QUICKWAY ist ein umfassendes Mobilitätskonzept für Personen und Kleingüter in Großstädten. Das System beruht auf zusätzlichen Verkehrsflä-chen in Form von Hochfahrwegen, auf denen sich elektrisch betriebene, softwaregesteuerte Verkehrsmittel des Massenverkehrs und auch des Individualverkehrs bewegen.
2Der Durchsatz des QUICKTRAFFIC lässt sich im Vergleich zu herkömmlichen Verkehrssystemen deutlich erhöhen, indem man folgende Maßnahmen ergreift:

  • Das konsequente Vermeiden von niveaugleichen Kreuzungen.
  • Eine zentrale (städtische) Verkehrssteuerung (Routenoptimierung, Navigation der Fahrzeuge)
  • Eine dezentrale (autonome) Fahrzeugsteuerung
Dieses Hochfahrwege-System soll durch weitgespannte schlanke Fertigteile realisieret werden. Die Fertigteile werden einem einfach er-weiterbaren und austauschbaren Baukastensystem entnommen. Sie bestehen aus UHPC (Ultra Hochleistungsbeton). Die hervorragenden Eigenschaften dieses Materials werden optimal genutzt.
Um die Akzeptanz der Bevölkerung für dieses visionäre Projekt zu gewinnen, werden besondere Bemühungen hinsichtlich der architektonischen Gestaltung und einer innovativen konstruktiven und baulichen Durchbildung angestellt. Auch sind höchste Anforderungen bezüglich der Ökono-mie zu erfüllen. Deshalb werden neue Produktionsmethoden für die UHPC-Fertigteile und ein neues Bauverfahren entwickelt. Sie sollen eine wirtschaftliche und zudem extrem rasche Baudurchführung ermöglichen.
Die Verwendung von UHPC macht das Bauwerk selbst ökologisch und nachhaltig. Wenn auf den QUICKWAYs ausschließlich Elektrofahrzeuge verkehren, fällt die Umweltbelastung aus dem Verkehr (Abgase und Lärm) praktisch vollständig weg!
Quickqay_1

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Integralisierung von Bestandsbrücken und lange integrale Brücken

Finanzierung:ÖBB, BMVIT, ASFINAG

Beteiligte Organisationen: TU Wien – Institut für Tragkonstruktionen, TU WienGraz – Institut für Bodenmechanik und Grundbau

Beteiligte Personen: Regina Della Pietra, Stefan Oberwalder

Integral- und Semi-Integralbrücken weisen Besonderheiten auf, welche beim Entwurf berücksichtigt werden müssen. Die realitätsnahe Berücksichtigung der Interaktion zwischen Bauwerk und anstehendem Boden bzw. Hinterfüllung und die Erfassung der Zwangbeanspruchungen sind hierbei maßgebend für eine gelungene Ausführung von Integralbrücken. Mit zunehmenden Brückenlängen nimmt die Bedeutung der beiden Parameter deutlich zu. Aus diesen Gründen wird im Allgemeinen die Meinung vertreten, dass einer sinnvollen Anwendung von integralen Brücken Grenzen gesetzt sind. Internationale Erfahrungen zeigen jedoch, dass durch kluge Auswahl des Tragwerkskonzeptes und des Bauverfahrens Integral- und Semi-Integralbrücke von mehreren hundert Metern möglich sind. Anhand der Auswertung der Ergebnisse aus einer Literaturrecherche, einer umfangreichen statischen Untersuchung zur Ermittlung der Zwangsbeanspruchungen und einer gezielten Untersuchung zur Erfassung des realitätsnahen Erddrucks im Hinterfüllungsbereich wird ein Designhandbuch für Integralbrücken größerer Längen erarbeitet. Zur Abschätzung der Zwangbeanspruchung sind sowohl Untersuchungen am Querschnitt, mit denen die zu erwartenden Verformungseinwirkungen, z.B. aus Betontechnologie und klimatischen Randbedingungen, für das globales System ermittelt werden, als auch Untersuchungen am Gesamtsystem vorgesehen. Die Boden-Bauwerkswechselwirkung wird durch numerische Berechnungen und Versuche qualitativ und quantitativ erfasst.
In der geplanten Nutzungsdauer eines Brückenbauwerkes von ca. 100 Jahren stehen im Allgemeinen zwei große Instandsetzungen im Abstand von ca. 30 – 35 Jahren an.
Da der österreichische Brückenbestand ein durchschnittliches Alter von 30 bis 40 Jahren aufweist, stehen in naher Zukunft umfangreiche Instandsetzungsarbeiten an. Zusätzlich macht die Zunahme des Güterverkehrs mit immer größer werdenden Achslasten eine Ertüchtigung an Brückenbauwerken notwendig. Da integrale Brücken in Bezug auf die Lebenszykluskosten deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Brücken aufweisen, ist es naheliegend kleinere konventionelle Brücken in integrale Bauwerke umzubauen und mit geringem Aufwand zu ertüchtigen. Die Vorteile der monolithischen Bauweise können auch bei einer Integralisierung genützt werden. Aufgrund der Änderung des statischen Systems muss jedoch die Integralisierung wohl durchdacht, konstruiert und ausgeführt werden. Dabei muss einerseits die normative Zuverlässigkeit des Tragwerkes erreicht und andererseits ein hoher finanzieller Aufwand vermieden werden. In diesem Zusammenhang könnte der Hightech Werkstoff UHPC eine gute Alternative gegenüber der konventionellen Methode darstellen, da UHPC eine äußerst geringe Permeabilität gegenüber Gasen und Flüssigkeiten aufweist, sodass dieser Beton auch unter aggressiver Umweltexposition hervorragende Dauerhaftigkeitseigenschaften besitzt und somit bestens für den Einsatz als Abdichtungs- und Verschleißschicht geeignet ist. Weiteres lässt sich die Grundidee einer gewichtsneutralen bzw. –reduzierenden Ertüchtigung durch den Wegfall des Fahrbahnbelages leicht realisieren. Schwachstellen, wie undichte Stellen der Abdichtung oder Spurrillenbildung des bituminösen Belages, können reduziert werden. Im Zuge der beiden oben genannten Forschungsvorhaben wurde die Erstanwendung von UHPC bei der Instandsetzung und Ertüchtigung einer Straßenbrücke im hochrangigen Straßennetz von Österreich umgesetzt.
Integral_1

Integral_2
Integral_3

 
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Modulare Fachwerkkonstruktionen aus UHPC

Beteiligte Organisationen: Max Bögl

Beteiligte Personen: Regina Della Pietra

Ausgehend von herkömmlichen Fachwerkkonstruktionen aus Stahl oder Beton ergeben sich unter anderem für die Verwendung von modularen Systemen Vorteile in der Flexibilität der Geometrie und dadurch eine leichte Anpassungsfähigkeit an vorgegebenen Randbedingungen. Eine zerstörungsfreie Demontage und die Wiederverwendung der Elemente sind durch das modulare System gewährleistet. Durch die Auflösung in Einzelelemente ist es möglich einen hohen Vorfertigungsgrad im Werk zu erzielen, der bis dato Konstruktionen aus Stahl oder Holz vorbehalten war. Eine Fachwerkkonstruktion erlaubt es die Leistungsfähigkeit von UHPC sowohl unter werkstofftechnischen als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll umzusetzen. Infolge der effizienten Nutzung des Materials ist diese sogar mit Fachwerken aus Stahl konkurrenzfähig. Mit den einzelnen Modulen ist es möglich den Träger rückzubauen und mit wenigen Adaptierungen wiederzuverwenden. Ultrahochleistungsbetone lassen sich überwiegend dort einsetzen wo Normalkraftbeanspruchung auftreten. Fachwerkkonstruktionen eigenen sich daher besonders für den Einsatz von UHPC und können vor allem bei weitgespannten Bindern eingesetzt werden. Bei einem sinnvollen und anwendungsbezogenen Einsatz der Materialien Stahl, Holz oder UHPC können in Zukunft ökologische und ökonomische Konstruktionen entstehen.
Fachwerk_1

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Wettbewerb Bypass-Brücken zur Voestbrücke, Linz – Anerkennungspreis

Beteiligte Organisationen: KHP Leipzig, IKK

Beteiligte Personen: Regina Della Pietra, Thomas Hofer, Duc Tung Nguyen

Das Erscheinungsbild des bestehenden denkmalgeschützten Bauwerks wird hauptsächlich durch den Pylon, die Schrägkabel und die großräumige Öffnung des Flussfeldes bestimmt. Diese objektspezifischen Merkmale wurden im vorliegenden Entwurf weitgehend übernommen. Die Brücken wurden so konzipiert, dass sie von keinem Blickwinkel aus die bestehende Voestbrücke ganz verdecken, sondern diese in Form eines Portals erfassen. Die neuen Seile werden in einer Harfenanordnung parallel zu den bestehenden geführt, wodurch ein ruhiges harmonisches Erscheinungsbild erzeugt wird. Die Hauptöffnung des Flussfeldes und die konstante Querschnitthöhe über die gesamte Länge der Brücke werden ebenso beibehalten. Die großzügige Gestaltung des Gehwegbereichs erleichtert die Wahl der Konstruktion mit einer Seilebene. Die zart gebogene Form der Brücken führt über die Uferwege hinweg, ohne diese dabei zu brechen. Ein weiteres Ziel war es, die zwei Stadtteile nicht nur physisch miteinander zu verbinden, sondern eine gemütliche soziale Interaktion zwischen Mensch und Umgebung zu schaffen. Deshalb wird den Verkehrsteilnehmer eine infrastrukturelle und organisierte Einheit geboten. Unter Berücksichtigung des Erholungswertes der Donau für die Einwohner und Besucher der Stadt Linz, sowie des steigenden Umweltbewusstseins wird ein sehr hoher Wert auf die Gestaltung des Rad- und Fußgängerbereichs beim Entwurf der beiden Bypass-Brücken gelegt. Der Rad- und Fußweg wird zum einen auf die Außenseite der Bypass-Brücken gelegt und zum anderen in einer tieferen Ebene als die Fahrbahn angeordnet.Die Wahl des endgültigen Tragsystems basiert auf einer umfangreichen Variantenstudie. Hierbei sind Balken-, Bogen- und Schrägseillösungen mit unterschiedlichen Pylonstandorten untersucht worden. Bei Balkenlösungen müssen unabhängig von der Werkstoffart zum einen zusätzliche Fußfeiler angeordnet und zum andern die Querschnitthöhe vergrößert werden, während eine Bogenlösung nicht zum Erscheinungsbild der bestehenden Brücke passt. Pylone mit anderen Standorten bzw. anderer Form (z.B. Y-Form) stehen eher in Konkurrenz zu der bestehenden Brücke. Das Projektteam war der Überzeugung, dass für die Schrägseillösung nur Pylone mit einer Seilebene die angestrebte Harmonie unter Beibehaltung des Erscheinungsbildes bieten. Mit der Gestaltung des Querschnitts unter Berücksichtigung der Trennung des Geh- und Radwegs von der Fahrbahn und der Wahl des statischen Systems kann das Torsionsproblem gelöst werden. Die statische Untersuchung mit Annahmen auf der sicheren Seite verdeutlicht dies eindrucksvoll.
Bypass_1

Bypass_2
Bypass_3

 
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Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite infolge Zwang

Finanzierung:BAW

Beteiligte Organisationen: BAW

Beteiligte Personen: Dirk Schlicke, Katrin Turner

Die Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite wird in den heutigen Eurocodes für die Aufnahme der Risskraft des Querschnitts (oder relevanten Teilen des Querschnitts) ausgelegt. Eine konsequente Umsetzung dieser Vorgehensweise führt aber zu sehr hohen Bewehrungsgehalten, deren Erforderlichkeit von den Beobachtungen in der Praxis nicht bestätigt werden kann. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten heraus wurden deshalb verschiedene empirische Modifikationen eingeführt, die aber bei genauerer Betrachtung sehr widersprüchliche Zusammenhänge aufweisen. Insgesamt kann diese Vorgehensweise deshalb nur als eine pragmatische Lösung verstanden werden, da hierbei die wesentlichen Materialeigenschaften sowie das tatsächliche Strukturverhalten nicht berücksichtigt werden. Schäden, insbesondere in der Form von wasserführenden Rissen bei WU Konstruktionen, sind deshalb keine Seltenheit. Details finden sich unter [Bödefeld et al. 2012a].
Mindestbew_1 Mindestbew_2
a) Schäden bei WU-Konstruktionen b) unwirtschaftliche Bewehrungsmengen
Bild 1: Folgen der Empirie im heutigen Bemessungsmodell
In Kooperation mit dem Referat Massivbau der Bundesanstalt für Wasserbau in Karlsruhe wird deshalb ein neues Bemessungsmodell auf Grundlage der Verformungskompatibilität entwickelt, bei dem das tatsächliche Bauteilverhalten berücksichtigt werden kann. Details finden sich unter [Bödefeld et al. 2012b] oder [Schlicke und Tue 2013]. Zum einen erlaubt das neue Bemessungsmodell eine deutliche Reduktion der Empirie bei der derzeitigen Vorgehensweise zur Bestimmung der Mindestbewehrung, zum anderen bietet das neue Bemessungsmodell eine mechanisch konsistente Grundlage für die wirtschaftliche und gleichzeitig sichere Auslegung der zunehmend fugenlosen Bauweise von WU-Konstruktionen.
Mindestbew_4 Mindestbew_2
a) Bodenplatte auf gewöhnlichem Baugrund b) Wand auf Fundament
Bild 2: Rissbildung infolge Zwang bei typischen Bauteilformen, so wie sie im verformungsbasierten Bemessungsmodell berücksichtigt werden

 
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Simulation der Temperatur- und Spannungsgeschichte

Finanzierung:BAW

Beteiligte Organisationen: BAW, iBMB TU Braunschweig

Beteiligte Personen: Dirk Schlicke

Bei der Betonerhärtung wird Hydratationswärme freigesetzt, gleichzeitig treten Schwindverkürzungen durch das Ineinanderwachsen der Zementphasen und Feuchteverlust an der Oberfläche auf. Parallel entwickeln sich die Festkörpereigenschaften des Betons, sodass bei äußerer und / oder innerer Behinderung dieser Verformungseinwirkungen Spannungen aufgebaut werden. Diese Spannungen rufen im Beton viskoelastische Effekte hervor, die sehr stark vom aktuellen Erhärtungszustand des Betons abhängen und darüber hinaus erst mit der Zeit auftreten. Insgesamt erfordern diese Zusammenhänge eine zeitdiskrete Vorgehensweise bei der Ermittlung der erhärtungsbedingten Spannungsgeschichte, wobei die Synchronisation der einzelnen Eigenschaften eine wesentliche Anforderung an das Materialmodell darstellt.
Entgegen der aktuell üblichen Modellierung auf Grundlage von rheologischen Körpern, die eine spezifische Kalibrierung an Versuchsdaten zum Beton erfordern,
wurde am IBB ein Materialmodell entwickelt, bei dem das reine viskoelastische Verhalten aus einem modifizierten Produktansatz gemäß EC2 abgeleitet wurde und über einen verformungsbasierten Ansatz in das Berechnungsmodell integriert wurde. Dies ermöglicht neben der phänomenologisch allgemeingültigen Anwendung eine rechnerische Berücksichtigung der Viskoelastizität ohne Verfälschung des Behinderungsgrades. Zudem können mit diesem Ansatz jüngste Beobachtungen zur Ungültigkeit des Superpositionsgesetzes in Zeiträumen mit Entlastung abgebildet werden. Details hierzu finden sich in [Schlicke 2014].
Die Verifikation des Modells erfolgt auf Grundlage von Laboruntersuchungen mit eigens entwickelten Zwangrahmen sowie weiteren in-situ Messvorhaben an verschiedenen Bauwerken, wie bspw. der [Bodenplatte Boxberg] oder der [Schleuse Sülfeld].
Tempspan_1 Tempspan_2
a) Zwangrahmen TU-Graz b) Gegenüberstellung der Zwangrahmenergebnisse
Bild 1:Zwangbeanspruchung in erhärtendem Beton; Simulation mit Zwangrahmen und Nachrechnung

 
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