Einwirkungskombination für Straßenbrücken nach EN 1991-2

Fachbeitrag zum Thema Statik und Anwendung von Dlubal Software

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Fachbeitrag

Für die Einwirkungen auf Straßenbrücken sind zusätzlich zu den grundlegenden Kombinationsregeln der EN 1990 noch weitere Kombinationsbedingungen zu beachten, die in EN 1991-2 festgelegt sind. Hierzu bieten RFEM und RSTAB eine automatische Kombinatorik an, die in den Basisangaben bei Auswahl der Norm EN 1990 + EN 1991-2 aktiviert werden kann. Die Teilsicherheitsbeiwerte und Kombinationsbeiwerte je nach Einwirkungskategorie sind bei Auswahl des jeweiligen Nationalen Anhangs bereits hinterlegt.

Einwirkungskategorien

Die Lastfälle können in die verschiedenen Kategorien der ständigen Einwirkungen (ständige Belastung, ungleichmäßige Setzungen, Vorspannung), der veränderlichen Einwirkungen (Verkehr, klimatische Einwirkungen), der Einwirkungen aus Bauzuständen und Montage, der außergewöhnlichen Einwirkungen sowie der Einwirkungen aus Erdbeben eingeordnet werden.

Insbesondere bei der Zuordnung der Verkehrslastfälle muss beachtet werden, dass die Lastfälle bereits hier in die richtige Lastgruppe eingeordnet werden. Anhand eines einfachen Beispiels einer Straßenbrücke mit zwei Fahrstreifen soll die Nutzung der automatischen Einwirkungskombination nach EN 1990 + EN 1991-2 in RFEM erläutert werden.

Lastgruppen für Verkehrslasten

Mit der Gruppierung der Verkehrslasten nach EN 1991-2 soll die Wahrscheinlichkeit für das gleichzeitige Auftreten von Maximalwerten der unterschiedlichen Anteile der Verkehrslast berücksichtigt werden. In RFEM und RSTAB sind nur die Verkehrslastgruppen für die Belastung von Straßenbrücken enthalten, für die Belastung von Eisenbahnbrücken steht aktuell keine automatische Kombination zur Verfügung.

Die Verkehrslastgruppen 1 bis 6 für Straßenbrücken stehen sinngemäß für folgende Belastungssituationen.

gr1a
maximale vertikale Belastung aus Verkehr, LM1
gr1b
maximale vertikale Belastung aus Verkehr, LM2
gr2
maximale horizontale Belastung aus Verkehr
gr3
Belastung der Geh- und Radwege (ohne Straßenverkehr)
gr4
Belastung durch Menschengedränge
gr5
Belastung durch Sonderfahrzeuge
gr6
Belastung beim Austauschen von Lagern, Spannkabeln o. ä.

Mit Zuordnung der Verkehrslastfälle zu den richtigen Einwirkungskategorien werden automatisch die Kombinationsbeziehungen zwischen diesen Lastfällen geregelt. Im Beispiel wird dies exemplarisch für die Lastgruppen gr1a und gr2 gezeigt werden. Auch die Berücksichtigung mehrerer Lastfälle pro Lasttyp ist möglich, beispielsweise als feldweise aufgebrachte Flächenlast wie im Beispiel.

Verkehrslasten in gr1a

Das Lastmodell 1 für Straßenverkehr beinhaltet eine gleichmäßig verteilte Flächenlast (UDL) und zugehörige Einzellasten im Tandemsystem (TS). Diese Belastungen sind zusammen mit den Lasten auf Fuß- und Radweg der Gruppe 1a zuzuordnen. Es werden automatisch alternative Beziehungen zwischen allen als TS gekennzeichneten Lastfällen berücksichtigt, die Lastfälle mit Kennzeichnung UDL oder Fuß- und Radweg können dabei gleichzeitig wirken.

Wenn nicht nur eine mögliche Lage des höchstbelasteten Fahrstreifens 1 untersucht werden soll, so kann die Option "Teilung in fiktive Streifen" aktiviert werden. Anschließend müssen die jeweiligen Lastfälle je nach Richtung manuell zugeordnet werden. Im Beispiel wird zunächst die Lage des Fahrstreifens 1 an der linken Seite der Brücke untersucht. Hierfür wurden LF10 und LF11 als UDL und LF50 bis LF55 als TS erzeugt. Für die Untersuchung des Fahrstreifens 1 an der rechten Brückenseite sind LF20 und LF21 als UDL und LF60 bis LF65 als TS zu berücksichtigen. Die Lastfälle LF30 und LF31 sind als Fuß- und Radweg gekennzeichnet und werden somit unabhängig von der Lage des ersten Fahrstreifens zusätzlich angesetzt.

Verkehrslasten in gr2

Die Horizontallasten aus Bremsen und Anfahren sowie aus Zentrifugalkräften sind in gr2 einzuordnen. Es werden automatisch alternative Beziehungen zwischen den Lastfällen eines Lasttyps gebildet. Entsprechend den Vorgaben der EN 1991-2 werden in Lastgruppe gr2 zusätzlich die vertikalen Belastungen aus Lastmodell 1 mit dem Kombinationsbeiwert psi 1 für die häufige Kombination berücksichtigt.

Andere Einwirkungskategorien

Für Lastfälle anderer Einwirkungskategorien kann die gleichzeitige oder alternative Wirkung der Lastfälle über die bekannten Eingabemasken manuell definiert werden. In der Beispieldatei wurden zwei Lastfälle mit Temperaturbeanspruchung hinzugefügt (LF100 und LF101). Diese beiden Lastfälle sollen eine Erwärmung beziehungsweise Abkühlung der Brückenoberfläche darstellen und werden demzufolge als alternative Lastfälle definiert.

Einwirkungskombination im GZT

Für den Grenzzustand der Tragfähigkeit werden nun im Beispiel die möglichen Einwirkungskombinationen erzeugt. Die Verkehrslastgruppen werden dabei immer als alternativ zueinander wirkende, veränderliche Einwirkungen angesetzt. Andere Einwirkungen werden entsprechend der gewählten Kombinationsregel mit diesen Verkehrslastgruppen kombiniert.

Hierbei werden die Verkehrslastgruppen nicht mit den Lasten aus der Bauausführung und deren zugehörigen Windlasten kombiniert. Ebenso sind die verschiedenen Einwirkungskategorien der Windlasten als alternativ berücksichtigt und Lasten aus der Bauausführung werden nur mit der zugehörigen Windeinwirkung kombiniert.

Zusätzliche Einstellmöglichkeiten ermöglichen die benutzerdefinierte Anpassung der Kombinatorik zum Beispiel zur gleichzeitigen Berücksichtigung der Verkehrslastgruppen mit Schnee- und Windeinwirkung.

Ergebniskombinationen für den GZT

In der Kombination für den Grenzzustand der Tragfähigkeit wird somit von jeder Verkehrslastgruppe einmal sowohl der charakteristische Wert für die Kombination als Leiteinwirkung als auch der mit dem Kombinationsbeiwert abgeminderte Wert für die Kombination als Begleiteinwirkung benötigt. Bei Betrachtung der Verkehrslast aus gr1a für die zwei Fälle der Anordnung des hauptbelasteten Fahrstreifens wird diese Kombination jeweils für beide Fälle gebildet. Im Beispiel ergeben sich somit die Ergebniskombinationen EK3 und EK4 für Fahrstreifen 1 links und EK5 und EK6 für Fahrstreifen 1 rechts. Ebenso werden daher vier Ergebniskombinationen für Lastgruppe gr2 erzeugt, um diese Teilung der Fahrstreifen zu berücksichtigen. Die abschließende Kombination erfolgt über die Erzeugung der Ergebniskombinationen EK11 bis EK15.

Hinweise

Mit der automatischen Einwirkungskombination in RFEM und RSTAB lassen sich entweder Lastkombinationen oder Ergebniskombinationen erzeugen. Im Beispiel wurde die Erzeugung von Ergebniskombinationen gezeigt. Hierbei erfolgt die Berücksichtigung der Lastgruppen und Fahrstreifen über die Erzeugung getrennter Unterkombinationen. Bei der Variante mit Lastkombinationen werden die Beziehungen zwischen den Lastfällen über die automatisch gefüllte Eingabemaske unabhängige/gleichzeitig einwirkende Lastfälle berücksichtigt.

Eine Besonderheit besteht im Ansatz des Teilsicherheitsbeiwertes für ungleichmäßige Setzungen. Sind Lastkombinationen gewählt, so wird automatisch der Beiwert für nichtlineare elastische Berechnung genutzt. Bei der Wahl von Ergebniskombinationen wird der Beiwert für eine linear elastische Berechnung angesetzt.

Die vorhandene Erzeugung von Last- und Ergebniskombinationen kann im Bedarfsfall durch Anpassung der Teilsicherheits- und Kombinationsbeiwerte oder durch anschließende Nutzung eines Kombinationsschemas manuell erweitert werden.

Modell und Belastung wurden nur zur Erläuterung der Kombinatorik erstellt. Weder die Größe noch die Anordnung der Belastung sollten ohne Prüfung auf eigene Anwendungsfälle übertragen werden.

Autor

Dipl.-Ing. Oliver Metzkes

Dipl.-Ing. Oliver Metzkes

Product Engineering & Customer Support

Herr Metzkes beschäftigt sich mit der Entwicklung im Modulbereich Stahlbau und den Anwenderanfragen im Kundensupport.

Schlüsselwörter

Brückenbau Straßenbrücken Einwirkungskombination Straßenverkehr Lastgruppen Fahrstreifen

Literatur

[1]   Eurocode 0: Grundlagen der Tragwerksplanung; DIN EN 1990:2010-12
[2]   EN 1991-2: Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 2: Verkehrslasten auf Brücken. Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2010.

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  • Aktualisiert 27. August 2021

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