Panenka, Andreas

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Conference Paper, Published VersionPanenka, AndreasRobustheit nach TbVS: Lohnt sich der Aufwand?Verfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/108384Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Panenka, Andreas (2021): Robustheit nach TbVS: Lohnt sich der Aufwand?. In:Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Angewandte Forschung, von der Forschung in diePraxis. Online-Veranstaltung der Abteilung Bautechnik am 3. November 2021 in Karlsruhe.Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 17-23.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Bundesanstalt für Wasserbau  Kolloquium Angewandte Forschung, von der Forschung in die Praxis ▪  3. November 2021 17 Robustheit nach TbVS: Lohnt sich der Aufwand? Dipl.-Ing. Andreas Panenka (Bundesanstalt für Wasserbau) 1 Motivation  Mit der Robustheitsbewertung stellt das BAWMerkblatt Bewertung der Tragfähigkeit bestehen-der Verschlüsse im Stahlwasserbau (TbVS) (Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) 2018) ein Ver-fahren zur Verfügung, das Informationen über die Tragsicherheit und das Tragverhalten von be-schädigten Stahlwasserbauten liefert. Kennzahl der Robustheitsbewertung ist die Traglast des be-schädigten Tragwerks, deren Berechnung mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Der Beitrag geht der Frage nach, in wie weit sich dieser Aufwand hinsichtlich des Entscheidungsprozess bei der Gewichtung und Reihung von Überwachungs- und Instandhaltungsmaßnahmen. lohnt.   Nach den Begriffsdefinitionen in Abschnitt 2 wird der Aufwand bei der Berechnung der Traglast mittels GMNIA in Abschnitt 3 verdeutlicht. Die Beschreibung des Tragverhaltens der unterschied-lichen Tragwerkskomponenten in Abschnitt 4 hilft für das Verständnis der Beispiele in Ab-schnitt 5, anhand denen die Robustheitsbewertung nach TbVS dargestellt wird. Eine Zusammen-fassung in Abschnitt 6 gibt einen Überblick über die wichtigsten Aspekte bei der Anwendung des Verfahrens. 2 Robustheit und Traglast 2.1 Robustheit Robustheit wird für (massive) Wasserbauwerke in TbW (Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) 2016) definiert als „die Eigenschaft eines Tragwerks, unvorhergesehenen bzw. unberücksichtig-ten Beanspruchungen oder Ausfällen zielgerecht zu widerstehen.“ Darauf aufbauend definiert TbVS ein Bauteil als ausgefallen, sollte ein normativer Nachweis der Querschnitts- oder Bau-teiltragfähigkeit nicht gelingen. Zur Abschätzung der Resttragfähigkeit ist dann eine Robustheits-bewertung anhand der Traglast des durch den Bauteilausfall geschwächten Tragwerks erforder-lich. Im Sinne einer außergewöhnlichen Bemessungssituation muss das Tragwerk unter Inkauf-nahme plastischer Tragwerksverformungen mindestens das Gebrauchslastniveau aufnehmen können, um weiterhin als tragfähig zu gelten. Mit der Möglichkeit einer Robustheitsbewertung schließt TbVS eine normative Lücke in der für den Stahlwasserbau maßgebenden Norm DIN 19704-1:2014-11, die weder einen Bauteilausfall als außergewöhnliche Bemessungssitua-tion kennt noch die Ausnutzung plastischen Materialverhaltens erlaubt.  2.2 Traglast Als Traglast wird im Allgemeinen das Lastniveau, das zum Kollaps des Tragwerks führt, verstan-den. Der Grenzzustand in dieser Betrachtungsweise ist der Übergang zur kinematischen Kette bzw. das Ausbilden eines Mechanismus, der den Verlust der globalen Steifigkeit zur Folge hat (Thürlimann 1961). Da der tatsächliche Wert der Traglast von einer Vielzahl von Parametern ab-hängt, die nur unter erheblichem Aufwand in einem Rechenmodell abgebildet werden können, ist die rechnerische Traglast ein operativer Wert, der für Vergleichszwecke verschiedener Bau-Bundesanstalt für Wasserbau  Kolloquium Angewandte Forschung, von der Forschung in die Praxis ▪  3. November 2021 18 werke oder Tragwerksvarianten herangezogen werden kann. Im Zusammenhang mit der Robust-heit ist die Traglast ein Kennwert des Tragsystems: Je stärker die Traglast durch einen Bauteil-ausfall verringert wird, desto geringer ist die Robustheit des Bauwerks demgegenüber (vgl. Wis-niewski et al. 2018). 3 Aufwand in der Berechnung der Traglast 3.1 Grundlegendes zur numerischen Traglastberechnung  Die numerische Ermittlung der Traglast geschieht nach der Finite-Element-Methode (FEM) mit-tels einer geometrisch und materiell nichtlinearen sowie unter Berücksichtigung von Imperfekti-onen durchgeführten Analyse (GMNIA). Geometrische Nichtlinearität entsteht aus großen Ver-schiebungen und Verzerrungen sowie der daraus resultierenden Lage- und Richtungsänderung der Lastangriffspunkte. Sie ist bei der Analyse von dünnwandigen Stahlwasserbauwerken im Be-sonderen wichtig, damit die Auswirkungen der Wasserlast korrekt berechnet werden. Materielle Nichtlinearität berücksichtigt im Falle von Stahl das plastische Verformungsvermögen des Werk-stoffs. Im Allgemeinen begrenzt TbVS die Auswahl der nach DIN EN 1993-1-5:2017-11 möglichen Werkstoffmodelle auf einen bilineare Spannungs-Dehnungslinie ohne jegliche Widerverfestigung. Zur Erhöhung der numerischen Stabilität der Berechnung ist ggf. das Verwenden einer geringen Widerverfestigung im Bereich von Eh < E/10.000 notwendig.  Geometrische und materielle Nichtlinearität sind in den gängigen Softwarepaketen ohne großen Aufwand anwendbar. Der Aufwand für die Berücksichtigung von Imperfektionen hängt dagegen vor allem von der Tragwerkart ab. Während für Stäbe und Platten spezialisierte Softwarelösungen existieren, die die normgerechte Vorverformungen automatisch generieren und die passenden Nachweise führen, ist die Ermittlung der maßgebenden Imperfektion für Schalen aufgrund deren komplexen Beulverhaltens nicht ohne weiteres automatisierbar und erfordert einen deutlich hö-heren Aufwand (vgl. u.a. Schneider 2004; Schmidt 2012; Rotter 2017; Sadowski et al. 2017). 3.2 Interpretation der Ergebnisse Die Nichtlinearität des Berechnungsmodell erfordert große Sorgfalt bei der Interpretation der Analyseergebnisse. Einerseits lassen sich die Ergebnisse nicht ohne weiteres durch Handrechnun-gen plausibilisieren. Andererseits muss sichergestellt werden, dass ein physikalischer Grenzzu-stand die Traglast bestimmt. Ein physikalischer Grenzzustand gilt als erreicht, wenn sich ein Me-chanismus einstellt und das Tragwerk dadurch seine globale Steifigkeit verliert (d.h. die Determi-nante der Steifigkeitsmatrix KT des FE-Modells geht gegen 0). Der Verlust der globalen Steifigkeit äußert sich durch einen nahezu horizontalen Verlauf der Last-Verformungskurve. Allerdings kön-nen auch numerische Randbedingungen zu einem frühzeitigen Abbruch der Berechnung führen (z. B. stark verzerrte Elemente oder plötzlich ansteigende plastische Verformungen). Bild 1 zeigt die Last-Verformungskurve eines Berechnungsmodells in Abhängigkeit von der Vernetzungs-dichte in den maßgebenden Bereichen. Während mit grober Vernetzung die Last-Verformungs-kurve beim numerisch bedingten Abbruch der Berechnung noch eine deutliche Steigung aufweist (d.h. KT ≫ 0), erreicht die Berechnung mit feinerer Vernetzung den nahezu horizontal verlaufen-den Bereich (d.h. KT → 0) und erfasst somit den physikalischen Grenzzustand.   Bundesanstalt für Wasserbau  Kolloquium Angewandte Forschung, von der Forschung in die Praxis ▪  3. November 2021 19 Die Aussagekraft der Berechnung lässt sich im Allgemeinen durch die Reduktion des Modellum-fangs auf die wesentlichen Bauteile, die Qualität der Vernetzung und die Einstellungen des Glei-chungslösers beeinflussen. Zur Plausibilisierung der ermittelten Traglast beinhaltet eine GMNIA in der Regel einen iterativen Prozess, aus dem sich das Verständnis über das Tragverhalten des Bauwerks entwickelt. Da die Aussagekraft einer GMNIA auf den maßgebenden Bereich lokal be-grenzt ist, sind zur Untersuchung unterschiedlicher Bauwerksbereiche gegebenenfalls mehrere Teilmodelle zu erstellen und zu analysieren.    Bild 1: Last-Verformungskurven bei Verletzung eines numerischen Abbruchkriteriums (grau) und beim Erreichen eines physikalischen Grenzzustands des Tragwerks (blau). 4 Tragverhalten von stab-, platten- und schalenbasierten Tragwerken Das unterschiedliche Tragverhalten von Stäben, Platten und Schalen erfordert eine auf das Bau-teil abgestimmte Herangehensweise bei der Robustheitsbewertung. Aufgrund der umfassenden Berechnungsvorschriften in DIN EN 1993-1-1:2010-12 ist eine numerische Berechnung für stab-basierte Tragwerke in der Regel nicht erforderlich. Lediglich für Sonderquerschnitte, die im Stahl-wasserbau jedoch häufig vorkommen, sind u. U. detaillierte GMNIA erforderlich. Typische Stab-tragwerk im Stahlwasserbau sind die räumlichen Fachwerke von Drei- und Viergurtschützen.   Für plattenartige Querschnitte, wie sie unter anderem in Kastenschützen vorkommen, erlaubt DIN EN 1993-1-5:2017-11 rein numerische Verfahren, in denen sich plattentypischen Besonder-heiten realistischer als in den algebraischen Nachweisen abbilden lassen. Dazu gehört u.a. die Be-rücksichtigung des effektiv wirksamen Querschnitts eines Bauteils, das überkritische Tragverhal-ten, die Interaktion der Belastungen und den daraus resultierenden Spannungszuständen sowie die Abbildung der realistischen Auflagerbedingungen an den Plattenrändern. Bundesanstalt für Wasserbau  Kolloquium Angewandte Forschung, von der Forschung in die Praxis ▪  3. November 2021 20 Ähnliches gilt theoretisch für schalenbasierte Tragwerke, beispielsweise von Wehrwalzen oder Fischbauchklappen. DIN EN 1993-1-6:2017-07 beinhaltet neben den algebraischen Nachweisen für die Standardfälle von unversteiften Schalen auch Vorschriften für die numerische Bemessung. Aufgrund des komplexen Beulverhaltens von Schalen läuft die numerische Bemessung in der Pra-xis jedoch anders als bei Stäben und Platten auf eine umfassende Parameterstudie hinaus, in der die ungünstigste Kombination aus Imperfektionsform, Amplitude und Vorzeichen ermittelt wer-den muss. Abschließend ist zusätzlich eine Kalibrierung der Ergebnisse anhand bekannter Beul-fälle bzw. physikalischer Versuche oder einer allgemein anerkannten Theorie erforderlich. Ist eine Kalibrierung nicht möglich, erlauben die Ergebnisse einer numerischen Analyse von Schalentrag-werken lediglich qualitative Aussagen über das Tragverhalten. Bei Rotter und Schmidt (2013) fin-den sich darüber hinaus Empfehlung im Umgang mit versteiften Schalen. 5 Beispiele 5.1 Stabbasiertes Tragwerk: Untertor Ladenburg  Als Beispiel für die stabbasierten Tragwerke dient das Tragwerk des alten Untertors in der Hoch-wasserschutzanlage Ladenburg. Das Viergurtschütz besteht aus zwei Hauptriegeln, die als Fach-werkträger ausgebildet sind und über gelenkig angeschlossene Querrahmen und rückwärtige Verbände miteinander verbunden sind. Gemäß der Voranalyse ist einer der Diagonalstreben im oberen Riegel das maßgebende Bauteil, für das eine GMNIA eine Traglast von Rd = Rk/γM = 2580/ 1,1 ≅ 2345 kN ergibt. Im neuwertigen Soll-Zustand kann die Belastung um einen Lastfaktor von rd. 1,40 gesteigert werden, bevor die Diagonalstrebe und mit ihr das gesamte Tragwerk kollabiert. Unter der Annahme eines Ausfalls des benachbarten Querrahmens sinkt der Lastfaktor auf einen Wert von 1,25. Da der Lastfaktor über dem Gebrauchslastniveau liegt (d.h. LFZiel > 1,0), kann das Tragsystem des Untertors dem Schadensbild eines ausgefallen Querrahmens gegenüber als ro-bust angesehen werden. Bild 2 zeigt die Knickfigur des maßgebenden Bauteils und den Mechanis-mus des Gesamttragwerks.    Bild 2:  Knickfigur der maßgebenden Diagonalstrebe (links); Mechanismus des Gesamttrag-werks beim Erreichen der Traglast (rechts) XZYIsometrieLF5 : LF * Wo + Wu EinzellastenLF-Faktor: 1.396Faktor für Verformungen: 0.20Max u: 16210.1, Min u: 30.0 [mm]Bundesanstalt für Wasserbau  Kolloquium Angewandte Forschung, von der Forschung in die Praxis ▪  3. November 2021 21 5.2 Plattenbasiertes Tragwerk: Kastenschütz ähnlich zu Wehrverschluss Pop-penweiler Das Beispiel eines plattenbasierten Tragwerks beruht auf dem Wehrverschluss Poppenweiler. Das Kastenschütz besteht neben der Stauwand aus einem geschlossenen Torsionskasten, die bei-de mittels Aussteifungen gegen lokales Versagen verstärkt sind. Ab dem Drittelspunkt der Ver-schlussbreite ist der Torsionskasten gevoutet ausgeführt. Der Querrahmen am Übergang zum ge-vouteten Seitenbereich wird aufgrund der Umlenkkräfte, die dort herrschen, am stärksten belas-tet. Maßgebendes Bauteil ist gemäß einer algebraischen Voranalyse jedoch der Auflagerbereich. In der ständigen Bemessungssituation beult das Bodenblech aufgrund der Schubbelastung bei ei-nem Lastfaktor von rd. LFd = 1,40. Die GMNIA ergibt einen etwas höheren Lastfaktor von rd. LFd,soll = LFk,soll / (γF⋅γM) = 1,54. Der Ausfall der Querrahmen im Übergang zum gevouteten Seitenbereich hat weder Einfluss auf den Lastfaktor zum Erreichen der Traglast (d. h. LFd,ist = LFk,soll = 2,29) noch auf den Ort des Versagens. Das Tragsystem des Kastenschützes ist somit robust gegenüber dem Ausfall der Querrahmen.    Bild 3: Spannungsverteilung im Kastenschütz in der ständigen Bemessungssituation (links); Mechanismus durch Schub im Auflagerbereich bei LFk,soll (rechts). 5.3 Schalenbasiertes Tragwerk: Wehrwalze Randersacker Als Beispiel für ein schalenbasiertes Tragwerke dient die Normalwalze der Wehranlage Rander-sacker. Tragendes Element der Wehrwalzen ist der zylindrische, mit Längsrippen versteifte Wal-zenkörper. Gemäß der algebraischen Berechnung nach Rotter und Schmidt (2013) ist der Wal-zenkörper in Wehrfeldmitte maßgebend. Die Querrahmen sind dagegen, wie bei geschlossenen, zylindrischen Querschnitten generell der Fall, gering belastet. Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der GMNIA zusammen. Im Soll-Zustand erreicht das Teilmodell der Walzenmitte den geringsten Last-faktor. Andere Bereiche versagen dagegen erst bei teilweise deutlich höheren Lastfaktoren. Auf eine Parameterstudie zur Bestimmung der ungünstigsten Vorverformung wurde an dieser Stelle verzichtet. Zur Simulation des Ausfalls von Querrahmen werden die Bauteillängen der Teilmo-delle um den Abstand zu den nächsten Querrahmen vergrößert. Der Lastfaktor in allen Teilmo-dellen fällt dadurch geringer aus, liegt jedoch noch deutlich über dem nach TbVS für ein Bauwerk Bundesanstalt für Wasserbau  Kolloquium Angewandte Forschung, von der Forschung in die Praxis ▪  3. November 2021 22 dieses Alters geforderten Wert von LFZiel = γM,alt =1,15. Maßgebend bleibt auch im beschädigten Zustand das Versagen in Feldmitte. Das Tragsystem der Wehrwalze Randersacker zeigt demnach ein robustes Verhalten gegenüber dem Verlust von Querrahmen. Tabelle 1: Zusammenstellung der Ergebnisse aus der GMNIA für die drei Bereiche des Walzen-körpers mit der höchsten Auslastung.  LF Feldmitte Wechsel t Auflager Belastung M M + Q Q LFSoll 2,55 2,94 4,08     LFIst 2,33 2,72 3,54     LFZiel 1,15 1,15 1,15 Bewertung: robust robust robust 6 Zusammenfassung Die Robustheitsbewertung nach TbVS setzt eine intensive Auseinandersetzung mit dem Tragsys-tem eines Bauwerks voraus. Grundlage ist ein plausibilisiertes Berechnungsmodell, mit dessen Hilfe in einer iterativen GMNIA die Traglast des Tragwerks ermitteln wird. Der Aufwand für die Berechnung und die Qualitätssicherung der Ergebnisse hängt von der Tragwerkart ab. Wie die Beispiele mit den ausfallenden Querrahmen verdeutlichen, liegt der Lohn des Aufwands in einem detaillierten Verständnis über das Tragverhalten und die Mechanismen des Tragsystems. Darauf aufbauend lässt sich die Bedeutung einzelner Bauteile für die Systemtragfähigkeit erkennen. Eine Robustheitsbewertung nach TbVS ist jedoch kein Ersatz für den Tragfähigkeitsnachweis nach Norm, sondern dient der Unterstützung bei der Maßnahmenplanung zur Überwachung und Be-seitigung von Bauwerksschäden. Insofern stellt sich die Frage, ob im instandhaltungsintensiven (Stahl-)Wasserbau eine Robustheitsbewertung nicht schon für jeden Neubau sinnvoll wäre, da-mit die WSV als Anlagenbetreiberin von Beginn an eine solide Grundlage für die Inspektions-, Überwachungs- und Instandhaltungsplanung zur Hand hat.  Der ausführliche Forschungsbericht zum Thema „Systemtragfähigkeit unter Berücksichtigung von Schädigungsgraden“ steht ab Juni 2022 zur Verfügung. Bundesanstalt für Wasserbau  Kolloquium Angewandte Forschung, von der Forschung in die Praxis ▪  3. November 2021 23 7 Literatur Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) (Hg.) (2016): BAWMerkblatt Bewertung der Tragfähigkeit bestehender, massiver Wasserbauwerke. (TbW). Karlsruhe (BAW-Merkblätter, -Empfehlun-gen und -Richtlinien). Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) (Hg.) (2018): BAWMerkblatt Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Verschlüsse im Stahlwasserbau. (TbVS). Karlsruhe (BAW-Merkblätter, -Emp-fehlungen und -Richtlinien). DIN EN 1993-1-5, 2017-07: Eurocode 3 - Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-5: Plattenförmige Bauteile. DIN EN 1993-1-6, 2017-07: Eurocode 3 - Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-6: Festigkeit und Stabilität von Schalen. DIN EN 1993-1-1, 2010-12: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. DIN 19704-1, 2014-11: Stahlwasserbauten - Teil 1: Berechnungsgrundlagen. Rotter, J. Michael (2017): Challenges and their resolution in both philosophy and process to ex-ploit advanced computation in shell structure design. In: W. Pietraszkiewicz und W. Witkowski (Hg.): Shell Structures: Theory and Applications Volume 4: CRC Press, S. 41–50. Rotter, J. Michael; Schmidt, Herbert (Hg.) (2013): Buckling of steel shells. European design rec-ommendations. European Convention for Constructional Steelwork (ECCS). 5th Edition. Brussels, Belgium: ECCS - European Convention for Constructional Steelwork (Publication, 125-2). Sadowski, Adam J.; Fajuyitan, O. Kunle; Wang, Jie (2017): A computational strategy to establish algebraic parameters for the Reference Resistance Design of metal shell structures. In: Ad-vances in Engineering Software 109, S. 15–30. DOI: 10.1016/j.advengsoft.2017.02.012. Schmidt, Herbert (2012): Kommentar zu DIN EN 1993-1-6: Festigkeit und Stabilität von Schalen. Stahlbaunormen. In: Ulrike Kuhlmann (Hg.): Stahlbau-Kalender 2012. Eurocode 3 - Grund-norm, Brücken. 14. Jahr. Berlin: Ernst & Sohn (Stahlbau-Kalender), S. 135–204. Schneider, Werner (2004): Die "ungünstigste" Imperfektionsform bei stählernen Schalentrag-werken - eine Fiktion? In: Bauingenieur 79, S. 436–442. Thürlimann, Bruno (1961): Grundsätzliches zu den plastischen Berechnungsverfahren. In: Schweizerische Bauzeitung 79 (48 u. 49), S. 863–880. DOI: 10.5169/seals-65642. Wisniewski, Dawid; Casas, Joan R.; Ghosn, Michel (2018): Load Capacity Evaluation of Existing Railway Bridges based on Robustness Quantification. In: Structural Engineering Internatio-nal 16 (2), S. 161–166. DOI: 10.2749/101686606777962440.   

Robustheit nach TbVS: Lohnt sich der Aufwand?

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/108384/1/03_Robustheit_TbVS.pdf

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