Kippstabilität von langen, vorgespannten Betonfertigteilträgern

Das Auftreten einer Biegung oder einer übermäßigen Durchbiegung um die schwache Achse eines schlanken Spannbetonfertigteilträgers oder gar der Einsturz einer Spannbetonfertigteilträgerbrücke auf einer Baustelle während der Hebephase ist kein seltenes Missgeschick. Aber passiert so etwas heutzutage wirklich noch, trotz aller Sicherheitsvorschriften, Richtlinien und bisherigen Erfahrungen der Ingenieure? Ja, es passiert. Wie kommt es dazu? Was ist das Problem?

Kippstabilität von langen vorgespannten Trägern

Vorgefertigte Betonbalken oder -träger werden bei einer Vielzahl von Projekten eingesetzt, typischerweise bei Industriehallen, Verbrauchermärkten, Lagerhäusern oder Trägerbrücken aus vorgespanntem Beton. Mehrere technologische Fortschritte, wie die verwendeten Materialien, effizientere Querschnittsformen und größere Spannlitzen, ermöglichen größere Spannweiten. Durch die größere Spannweite erhöht sich auch das Gesamtgewicht solcher Träger, so dass die Transport- und Handhabungsphasen manchmal zu den kritischen Lastfällen bei der Tragwerksplanung werden, wie in Abbildung [3] dargestellt.

Die übliche Strategie zur Lösung dieses Problems besteht darin, das Eigengewicht der Träger durch Verringerung der Flanschbreite zu minimieren. Dies führt jedoch auch zu einer Verringerung der Steifigkeit in der schwachen Achse und der Torsionssteifigkeit des Elements, wodurch das Risiko einer seitlichen Instabilität erhöht wird. [1]

Die gemeldeten Unfälle und Schäden aufgrund seitlicher Instabilität stehen in der Regel im Zusammenhang mit Exzentrizitäten, die bei transienten Belastungssituationen (Heben, Transport und Lagerung) Effekte zweiter Ordnung auslösen. Typische Ursachen für diese Exzentrizitäten sind Fertigungstoleranzen, Schwankungen in der seitlichen Positionierung der Litzen, lokale Risse, Kriech- und Schwindbewegungen sowie die Erwärmung durch die Sonne auf einer Seite, die eine Durchbiegung des Trägers verursacht. Da bei Spannbetonträgern davon ausgegangen wurde, dass sie über eine ausreichende Steifigkeit in der schwachen Achse verfügen, wurde diesem Phänomen traditionell nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. [1]

Unfälle bei langen vorgespannten Betonfertigteilträgern

Die 1965 erbaute Dehtiarivskyi-Brücke in Kiew, die am 13. Juni 2023 für Renovierungsarbeiten geschlossen wurde, stürzte ein [2]. Nachdem bereits sechs Träger montiert worden waren, begannen die Arbeiter mit dem Einbau des siebten Trägers, der daraufhin seine Stabilität verlor und die übrigen Träger nach unten drückte, so dass alles zusammenbrach. Glücklicherweise gab es keine Todesopfer, aber natürlich entstand ein enormer finanzieller Schaden.

Ein weiteres Beispiel ist das Versagen während der Hebephase. Ein 45,6 m langer Spannbetonfertigteilträger mit konstantem Querschnitt in I-Form mit einer Höhe von 2 m und einer oberen Flanschbreite von 1,2 m. Stellen Sie sich das vor: eine verformte Form nach dem ersten Hebevorgang und eine drastische Zunahme der seitlichen Verschiebung um bis zu 300 mm (L/150). Der Träger wurde erneut auf den Boden gelegt, um mögliche Schäden zu ermitteln. Bei der Inspektion wurden vertikale Risse am linken oberen Flansch festgestellt. Die Risse waren über 0,4 mm breit und hätten repariert werden müssen, um die Anforderungen an die Standfestigkeit zu erfüllen, wenn das Element endgültig abgenommen werden sollte.

Dann wurde ein zweiter Hebeversuch durchgeführt. Es zeigte sich jedoch eine seitliche Auslenkung von mehr als L/400, was bedeutete, dass dieser Träger nicht in der Lage war, seine ursprüngliche Form wiederherzustellen. Dies war wahrscheinlich auf eine plastische Verformung zurückzuführen, die während der Hebevorgänge auftrat. Daher wurde dieser Träger verworfen und ein neuer Träger hergestellt und zur Baustelle transportiert. [1]

Sichere schlanke Spannbetonträger aus Fertigteilen

Wie können wir solche Unfälle und Schäden verhindern? Hören wir auf, lange Spannbetonbalken zu entwerfen? Natürlich nicht, das wäre ein Rückschritt und eine Schande (der Autor ist ein großer Spannbetonfan)! Für einen Bauingenieur ist es keine leichte Aufgabe, innerhalb von Minuten einen sicheren und wirtschaftlichen Entwurf zu erstellen.

Die Lösung für die Kippstabilität

Gute Nachrichten, es gibt IDEA StatiCa mit komplexer Analyse für die Kippstabilität von langen Spannbetonfertigteilträgern. All dies ist in einem einzigen Werkzeug verfügbar, das einfach zu bedienen ist, klare Ergebnisse liefert und automatisch Berichte erstellt. Folgen Sie einfach dem typischen IDEA StatiCa Beam Arbeitsablauf:

• Geometrie: Querschnitt, Spannweite, Spannglieder, Bauzustandsgeschichte sind bereits in der Beam-App für die globale Analyse und Bemessung definiert. Alle Daten werden automatisch berücksichtigt.
• Registerkarte Seitenstabilität: Definieren Sie detaillierte Eingabedaten über das Anheben, den Transport und andere Bauabschnitte, wie z. B. anfängliche Imperfektionen, Details zu Anschlagmitteln, endgültige Auflagertypen, usw. Alle diese Daten beeinflussen die Kippstabilität-Analyse.
• Führen Sie einen Kippnachweis durch: d.h. eine materiell und geometrisch nichtlineare Analyse mit anfänglichen Imperfektionen. Die fortschrittliche Methode dahinter, nicht vereinfachte Methoden oder Formeln.
• Ergebnisse: Die Ergebnisse der Kippstabilitäts-Analyse sind Reaktionen, Schnittgrößen und Durchbiegungen.
• Kippstabilität-Prüfung: Bislang ist eine manuelle Eingabe in die RCS-App möglich. Nachdem die Kippstabilitäts-Analyse ausgeführt wurde, gehen Sie zu den detaillierten Ergebnissen (RCS-App) und speichern Sie als neue Datei, geben Sie zusätzliche Schnittgrößen aufgrund von Knicken in die maßgebende Kombination aus Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit ein und führen Sie alle Nachweise durch.
  Hinweis: Die automatische Eingabe von Kippstabilitäts-Ergebnissen in die Nachweiskombinationen wird in Kürze entwickelt .
• Bericht: Generieren Sie genaue Berichte mit automatischen Normnachweisen und anpassbaren Ausgaben, um Zeit zu sparen und das Fehlerrisiko zu verringern.

Weitere technische Details über die Kippstabilitäts-Analyse und -Prüfungen finden Sie hier.

Fazit

Gewährleisten Sie die Sicherheit von Trägern in jeder Herstellungs- und Bauphase mit integrierten Kippnachweisen, die alle Bedingungen von der Lagerung über den Transport bis zum Heben abdecken. Machen Sie sich keine Sorgen mehr oder vermeiden Sie sogar die Konstruktion von schlanken Spannbetonfertigteilträgern, weil sie ihre seitliche Stabilität verlieren könnten. Mit IDEA StatiCa an Ihrer Seite können Sie heute sicher sein!

Quellen

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Case Study of Failure of Long Prestressed Precast Concrete Girder During Lifting, Engineering Failure Analysis, Band 100, 2019, Seiten 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061,(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236)

[2] Online verfügbar unter https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html.

[3] Online verfügbar https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/.