Browsing by Author "Schäfer, Kurt (Prof. Dr.-Ing)"

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Zur Definition und zum Sicherheitskonzept der Vorspannung
(2004) Ploch, Jan; Schäfer, Kurt (Prof. Dr.-Ing)
In der Fachliteratur sind viele widersprüchliche Meinungen und Aussagen über die Behandlung der Vorspannung zu finden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden diese unterschiedlichen Aspekte diskutiert. Es wird gezeigt, dass manche dieser Aussagen nur in einem begrenzten Anwendungsbereich oder nur unter bestimmten Annahmen gültig sind. Es wird folgende Definition vorgeschlagen, die für alle mechanisch vorgespannten Tragwerke anwendbar ist: Vorspannen ist das kontrollierte Einprägen von Verformungen mit dem Ziel, das Verhalten des Tragwerks günstig zu beeinflussen. Der Effekt des Vorspannens ist folglich als Zwang anzusehen. In typischen Spannbetontragwerken werden die Beanspruchungen aus Vorspannung in geringerem Maße abgebaut als solche infolge anderer eingeprägter Verformungen, z.B. Stützensenkung oder behinderter Temperaturverformung. Dies kann durch die Flexibilitätsmatrix von vorgespannten Tragwerken erklärt werden, in der die Beiträge der elastischen Spannglieder viel größer sind als die des kriechfähigen und möglicherweise gerissenen Betons. Daher verhalten sich die Beanspruchungen infolge Vorspannung eher wie die infolge äußerer Lasten, obwohl sie durch eingeprägte Verformungen hervorgerufen werden. Die Betrachtung der Vorspannung als isolierter Lastfall, beispielsweise im Sinne von „Vorspannung ist das, was übrig bleibt, wenn alle äußeren Lasten entfernt werden“, setzt linear elastisches Verhalten des Tragwerks voraus und schließt zeitabhängige Effekte aus. Diese Vorstellung trifft für die meisten Tragwerke nur während und kurz nach der Herstellung zu und kann dann als anschauliche Erklärung dienen. Die Definition der Vorspannung als Belastung, die zum Einprägen der Verformung aufgebracht wird, führt bei konsequenter Anwendung zu den gleichen Ergebnissen. Aber auch bei dieser Betrachtungsweise muss bei Vorspannung mit Verbund der Effekt des Vorspannens durch die Vordehnung berücksichtigt werden – also wiederum durch eine geometrische Größe. Der zweite Teil der Arbeit behandelt das Sicherheitskonzept für vorgespannte Konstruktionen bei der Bemessung mit Teilsicherheitsbeiwerten. Die nationalen und internationalen Vorschriften für Beton- und Stahltragwerke fassen die Vorspannung als unabhängige Einwirkung auf, die nicht mit den Eigenlasten korreliert ist. Die angegebenen Teilsicherheitsbeiwerte sind jedoch nicht konsistent. Ein anderer Ansatz, der von einigen Autoren vorgeschlagen wird, betrachtet Eigenlasten und Vorspannung als einen Lastfall „ständige Einwirkungen“ und sieht somit denselben Teilsicherheitsbeiwert für Vorspannung und Eigenlasten vor. Die unterschiedlichen Konzepte werden mit den Methoden der Zuverlässigkeitstheorie für Tragwerke verglichen. In einer Parameterstudie wird eine große Anzahl von unterspannten Stahlbetonträgern und von Spannbetonträgern mit Spanngliedern ohne Verbund untersucht. Es wird gezeigt, dass die Annahme von Eigenlasten und Vorspannung als voll korrelierte Einwirkungen nicht zu einem zufriedenstellenden Sicherheitsniveau führt. Es können folgende Empfehlungen für die Behandlung der Vorspannung mit Teilsicherheitsbeiwerten gegeben werden: Im Allgemeinen sollte die Vorspannung mit gammaP,sup=1,2 bei ungünstiger Wirkung und mit gammaP,inf=1,0 bei günstiger Wirkung beaufschlagt werden. Dies entspricht den deutschen Regelungen für vorgespannte Tragwerke aus Stahl. Wenn die Systemgeometrie während der Herstellung durch vermessungstechnische Kontrollen überwacht wird, wird eine hohe Korrelation von Eigenlasten und Vorspannung erzeugt. Dann kann die Vorspannung bei günstiger Wirkung mit gammaP,inf=1,1 erhöht werden, die Eigenlasten sind wie üblich mit gammaG,sup=1,35 zu versehen. Dieses Vorgehen kann jedoch nur gerechtfertigt werden, wenn die Verformungen infolge Streuungen der Eigenlasten oder der Vorspannung relativ groß sind, denn nur in diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die Systemgeometrie während des Vorspannens kontrolliert wird. Es wird ein Kriterium auf der Grundlage von zulässigen Toleranzen vorgeschlagen, mit dem in der Entwurfsphase abgeschätzt werden kann, ob ein solches System vorliegt. Bei typischen Spannbetontragwerken, bei denen die Spannglieder innerhalb des Betons liegen, kann die Vorspannung mit gammaP,inf=gammaP,sup=1,0 versehen werden, wie es auch in der neuen deutschen Norm geregelt ist. Dies kann durch die Tatsache gerechtfertigt werden, dass der kritische Zeitpunkt für diese Tragwerke im Hinblick auf Streuungen der Vorspannung der Herstellvorgang ist. Auf Abweichungen kann daher unmittelbar reagiert werden. Wenn die Vorspannung die einzige oder die dominante ungünstige Einwirkung ist, z.B. in Verankerungsbereichen, sollte sie mit gammaP,sup=1,35 erhöht werden.