Band 47: Numerische Untersuchung – Maßgebender Einflussgrößen für das Tragverhalten von Aufbetonschichten  VSF-Forschungsarbeit, Jänner 2016

Die steigende Verkehrsbelastung und das hohe Durchschnittsalter von Brückentragwerken in Österreich führen zur Notwendigkeit von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen der bestehenden Tragwerke. Dabei hat sich die Verstärkung eines bestehenden Tragwerks mittels einer Aufbetonschicht als wirtschaftliche und effiziente Methode erwiesen.

Die steigende Verkehrsbelastung und das hohe Durchschnittsalter von Brückentragwerken in Österreich führen zur Notwendigkeit von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen der bestehenden Tragwerke. Dabei hat sich die Verstärkung eines bestehenden Tragwerks mittels einer Aufbetonschicht als wirtschaftliche und effiziente Methode erwiesen.

Mehrere Forschungsprojekte haben sich bereits mit dieser Verstärkungsmaßnahme beschäftigt. Dabei wurde das Trocknungsschwinden der Aufbetonschicht als konstant über die Schichthöhe angenommen. Weiters blieb die Hydratation und die damit verbundene Temperaturentwicklung, sowie die zeitliche Entwicklung der Festigkeitseigenschaften unberücksichtigt.

Die Ziele dieses Projekts liegen deshalb in der Erstellung eines konsistenten Rechenmodells für mit Aufbeton verstärkte Tragwerke, in dem maßgebende Einflussgrößen wie das Schwinden und Kriechen und die Festigkeitsentwicklung des Aufbetons möglichst realitätsnah erfasst werden. Zur wirklichkeitsnäheren Modellierung des Trocknungsschwindens ist es erforderlich, in einem Rechenmodell nach dem Aufbringen der Aufbetonschicht die zeitabhängige Verteilung des Feuchtigkeitsgehaltes im Alt- und Aufbeton zu berücksichtigen. Die Schwindverzerrungen sind ja die Folge der mit dem Austrocknen des Aufbetons zunehmenden Kapillarspannungen, die auf den Beton eine hydrostatische Druckspannung ausüben. Der Feuchtigkeitstransport und damit die zeitabhängige Feuchtigkeitsverteilung werden näherungsweise durch Lösung des zugrunde liegenden Diffusionsproblems bestimmt.

Weiters hängt die Gefahr der Rissbildung im Beton maßgeblich von der Steifigkeits- und Festigkeitsentwicklung des Betons ab. Diese können zum Beispiel als Funktion des Hydratationsgrades oder des Reifegrades beschrieben werden. Der Reifegrad berücksichtigt den Einfluss der Temperatur und des Feuchtegehalts auf die Hydratation und damit auf die aktuellen Festigkeitseigenschaften des Betons. Kriechen kann mit einem rheologischen Modell beschrieben werden, zum Beispiel mittels eines aus mehreren parallel angeordneten Maxwell Modellen bestehenden Kriechmodells. Da die Materialparameter dieser rheologischen Modelle ebenfalls in Abhängigkeit des Reifegrades des Betons angegeben werden können, kann auch das visko-elastische Verhalten jungen Betons beschrieben werden.

Zur numerischen Simulation der Rissbildung in Beton wird ein verschmiertes Rissmodell verwendet. Alle genannten Modelle sind im FE-Programm HEAT-MLS verfügbar, das deshalb auch als Grundlage für das vorliegende Forschungsprojekt verwendet wird. Die wirklichkeitsnähere Modellierung des Verhaltens von Aufbetonschichten erfordert die Kenntnis beziehungsweise die Bestimmung einer großen Anzahl von Materialkennwerten. Die zur Beschreibung des Trocknungsschwindens benötigten Materialkennwerte können aus Versuchsergebnissen eines am Arbeitsbereich durchgeführten Forschungsprojekts über das Trocknungsschwinden von mit Aufbeton verstärkten Betonkonstruktionen bestimmt werden. Zur Validierung des Rechenmodells werden Versuche, die im Rahmen der Forschungsprojekts durchgeführt wurden, nachgerechnet.

Nach einer ausreichenden Validierung des Rechenmodells wird eine numerische Studie an einer mit Aufbeton verstärkten Fahrbahnplatte durchgeführt, die im Maßstab 1 : 2 getestet wurde. In dieser numerischen Studie werden wesentliche Parameter variiert und deren Auswirkungen erfasst und beurteilt. Diese Parameter umfassen die Betonmischung, das Vornässen des Altbetons vor Aufbringen der Aufbetonschicht, das auch in der RVS 15.02.34 verlangt wird, und die Art der Randausbildung.

Den Abschluss bildet die 2D numerische Simulation der im Jahr 2012 durchgeführten Verstärkung eines Brückentragwerks der Burgenlandstraße B50 mit Hilfe eines Dreiphasenmodells für den Beton, mit dem die Einflüsse der Hydratation der Aufbetonschicht sowie der Entwicklung der relativen Feuchtigkeit und der Temperatur auf das mechanische Verhalten in physikalisch konsistenter Weise erfasst werden können.