Um die Anwendung der Methode der experimentellen Tragsicherheitsbewertung auch für Bauteile zu ermöglichen, die eine Gefährdung eines gering duktilen Versagens, wie des Biegeschubversagens, aufweisen, wurden diese Versagensform und ihre messtechnisch erfassbare Vorankündigung ausführlich analysiert. Bisher waren solche sprödbruch-gefährdeten Bauteile von einer experimentellen Untersuchung ausgeschlossen, weil keine geeigneten Kriterien zur sicheren Bestimmung der Versuchsgrenzlast existierten. Diese Wissenslücke wurde in dieser Arbeit geschlossen und Indikatoren bzw. Kriterien entwickelt, die eine sichere Bestimmung der maximal zulässigen Beanspruchung während eines Belastungsversuches an einem schubbeanspruchten und sprödbruchgefährdeten Bauteil ermöglichen. In der Arbeit wurde ein zweigeteilter Ansatz verfolgt, bei dem zunächst durch theoretische Überlegungen die Gefahr eines spröden Schubversagens beurteilt werden kann. Dazu wurden die geschichtliche Entwicklung der Schubbemessung analysiert und eine Bewertung sowie ein Vergleich der verschiedenen Bemessungsregeln durchgeführt. Damit und aus der Analyse der maßgeblichen Einflussfaktoren auf das Schubtragverhalten von Stahlbetonbauteilen, konnten Randbedingungen formuliert werden, für die ein Schubversagen bereits im Vorfeld einer experimentellen Untersuchung ausgeschlossen werden kann. Ist es trotzdem notwendig, die Schubtragsicherheit eines Stahlbetonbauteiles experimentell nachzuweisen, können die in dieser Arbeit formulierten Kriterien zur Beurteilung des Tragzustandes verwendet werden. Um die theoretisch entwickelten Indikatoren zu praxistauglichen Kriterien hocharbeiten zu können, wurden experimentelle Untersuchungen an Stahlbetonbalken ohne und mit geringer Schubbewehrung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass für die Beurteilung des Schubtragverhaltens vor allem die schräge Rissentstehung und entwicklung maßgeblich sind. Um den kritischen Rissbildungszustand beurteilen zu können, wurde zwischen lokaler und globaler Schubschädigung unterschieden. Für die messtechnische Wahrnehmung bzw. Erfassung der schrägen Rissentwicklung wurden herkömmliche Verformungsmesstechniken wie Induktive Wegaufnehmer und Dehnungs-messungsstreifen mit der Nahbereichsphotogrammetrie und der Schallemissionsanalyse kombiniert eingesetzt. In den Versuchen konnte der Übergang vom spröden Versagen infolge Querkraft hin zu duktilem Biegeversagen durch die Veränderung der Schubschlankheit und des Bügelbewehrungsgrades gezeigt werden. Bereits geringe Bügelbewehrungsmengen führten zu einem wesentlich duktileren Verformungsverhalten und einem Versagen, das eine deutliche Vorankündigung zeigt. Aus den durchgeführten theoretischen Überlegungen und experimentellen Untersuchungen wurden Empfehlungen für die Vorgehensweise bei experimentellen Tragsicherheitsbewertungen schubgefährdeter Konstruktionen abgeleitet. / In order to allow the application of loading tests (experimental evaluation of the load bearing safety) for structural members, that are deemed to fail brittle, e. g. in shear compression, this type of failure and its measurable announcement have been studied in detail. Up till today structural members endangered of brittle failures could not be investigated experimentally, because no appropriate criteria for the determination of the ultimate test load existed. This gap in knowledge was closed in this thesis and indicators and criteria were developed, which allow the detection of the maximum allowable load during load testing of shear critical structures with the risk of a brittle failure. In this work a two-step approach is chosen. At first theoretical considerations are presented with which the danger of a brittle shear failure can be evaluated. Therefor the historical development of the shear design was analyzed and an evaluation and comparison of the different shear design rules are given. Therewith and with the analysis of the significant influencing factors on the shear bearing behavior of reinforced concrete members, boundary conditions were proposed for which a shear failure can be excluded in advance of an experimental evaluation of the load bearing safety. However, if it is still necessary to experimentally evaluate the shear bearing safety of a reinforced concrete structural member, the criteria given in this thesis can be utilized for the evaluation of the bearing condition. To develop the theoretically derived indicators up to practical criteria experimental investigations on reinforced concrete beams without and with low shear reinforcement have been carried out. It was shown that the formation and development of inclined cracks are the most significant indicators for a developing shear failure. For the assessment of the critical crack condition a distinction between local and global shear damage was formulated. For the perception and detection of the inclined crack development common deformation measurements as inductive displacement transducers and strain gauges were combined with close-range photogrammetry and acoustic emission analysis. In the experimental investigations the transition from brittle shear failure to ductile bending failure was shown by varying the shear-to-depth-ratio and the amount of shear reinforcement. Already low amounts of shear reinforcement led to a significantly ductile deformation behavior and a failure with a clear advanced notice. With the theoretical considerations and the experimental investigations recommendations for experimental evaluations of the shear bearing safety were derived.

Die Zielstellung des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung von speziellen Indikatoren, welche im Zuge einer Probebelastung für die sichere Beurteilung der Tragfähigkeit von Massivbaukonstruktionen mit geringem Ankündigungsverhalten geeignet sind. Der Begriff "Ankündigung“ bezieht sich dabei auf die beim Belastungsversuch wichtige Bestimmung der Versuchsgrenzlast, deren Überschreiten zu inakzeptablen Schädigungen führt und daher mit ausreichender Sicherheit ausgeschlossen werden muss. Durch den Einsatz und vor allem die Kombination moderner Messverfahren kann eine wesentliche Verbesserung der Informationsqualität während des Belastungsversuches erreicht werden. Eine Echtzeitauswertung der Messergebnisse erlaubt die Definition objektiver Kriterien der Versuchsgrenzlast. Dadurch soll zukünftig gewährleistet werden, dass bereits minimales nichtlineares Strukturverhalten unmittelbar während des Versuches festgestellt und damit die Versuchsgrenzlast nahezu schädigungsfrei ermittelt werden kann. Den Kernpunkt der Sensorik und Datenverarbeitung bilden flexibel einsetzbare photogrammetrische Verfahren zur automatisierten hochgenauen flächenhaften Erfassung von Schädigungen bei Probebelastungen aus Bilddaten von Digitalkameras mit permanenter Rechnerverbindung. Durch die Anwendung von speziellen Verfahren der Bildanalyse kann die Auswertung der Bilddaten weitestgehend automatisiert werden und in Echtzeit während des laufenden Versuchs erfolgen. Durch Subpixeloperatoren und geeignete Kalibrierverfahren können Genauigkeiten im Bereich weniger Mikrometer erzielt werden. Dieser Abschlussbericht gibt einen Überblick über die bisher durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Anpassung und aufgabenspezifischen Entwicklung der gewählten Messverfahren (Photogrammetrie und Schallemissionsanalyse). Diese wurden in Tastversuchen und Schubversuchen an Stahlbetonbauteilen ohne Bügelbewehrung erprobt und erlauben durch die Kombination der Messinformationen Schlussfolgerungen auf eine messbare Vorankündigung auch bei nicht-duktilen Massivbaukonstruktionen.

Die Zielstellung des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung von speziellen Indikatoren, welche im Zuge einer Probebelastung für die sichere Beurteilung der Tragfähigkeit von Massivbaukonstruktionen mit geringem Ankündigungsverhalten geeignet sind. Der Begriff "Ankündigung“ bezieht sich dabei auf die beim Belastungsversuch wichtige Bestimmung der Versuchsgrenzlast, deren Überschreiten zu inakzeptablen Schädigungen führt und daher mit ausreichender Sicherheit ausgeschlossen werden muss. Durch den Einsatz und vor allem die Kombination moderner Messverfahren kann eine wesentliche Verbesserung der Informationsqualität während des Belastungsversuches erreicht werden. Eine Echtzeitauswertung der Messergebnisse erlaubt die Definition objektiver Kriterien der Versuchsgrenzlast. Dadurch soll zukünftig gewährleistet werden, dass bereits minimales nichtlineares Strukturverhalten unmittelbar während des Versuches festgestellt und damit die Versuchsgrenzlast nahezu schädigungsfrei ermittelt werden kann. Den Kernpunkt der Sensorik und Datenverarbeitung bilden flexibel einsetzbare photogrammetrische Verfahren zur automatisierten hochgenauen flächenhaften Erfassung von Schädigungen bei Probebelastungen aus Bilddaten von Digitalkameras mit permanenter Rechnerverbindung. Durch die Anwendung von speziellen Verfahren der Bildanalyse kann die Auswertung der Bilddaten weitestgehend automatisiert werden und in Echtzeit während des laufenden Versuchs erfolgen. Durch Subpixeloperatoren und geeignete Kalibrierverfahren können Genauigkeiten im Bereich weniger Mikrometer erzielt werden. Dieser Abschlussbericht gibt einen Überblick über die bisher durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Anpassung und aufgabenspezifischen Entwicklung der gewählten Messverfahren (Photogrammetrie und Schallemissionsanalyse). Diese wurden in Tastversuchen und Schubversuchen an Stahlbetonbauteilen ohne Bügelbewehrung erprobt und erlauben durch die Kombination der Messinformationen Schlussfolgerungen auf eine messbare Vorankündigung auch bei nicht-duktilen Massivbaukonstruktionen.

Um die Anwendung der Methode der experimentellen Tragsicherheitsbewertung auch für Bauteile zu ermöglichen, die eine Gefährdung eines gering duktilen Versagens, wie des Biegeschubversagens, aufweisen, wurden diese Versagensform und ihre messtechnisch erfassbare Vorankündigung ausführlich analysiert. Bisher waren solche sprödbruch-gefährdeten Bauteile von einer experimentellen Untersuchung ausgeschlossen, weil keine geeigneten Kriterien zur sicheren Bestimmung der Versuchsgrenzlast existierten. Diese Wissenslücke wurde in dieser Arbeit geschlossen und Indikatoren bzw. Kriterien entwickelt, die eine sichere Bestimmung der maximal zulässigen Beanspruchung während eines Belastungsversuches an einem schubbeanspruchten und sprödbruchgefährdeten Bauteil ermöglichen. In der Arbeit wurde ein zweigeteilter Ansatz verfolgt, bei dem zunächst durch theoretische Überlegungen die Gefahr eines spröden Schubversagens beurteilt werden kann. Dazu wurden die geschichtliche Entwicklung der Schubbemessung analysiert und eine Bewertung sowie ein Vergleich der verschiedenen Bemessungsregeln durchgeführt. Damit und aus der Analyse der maßgeblichen Einflussfaktoren auf das Schubtragverhalten von Stahlbetonbauteilen, konnten Randbedingungen formuliert werden, für die ein Schubversagen bereits im Vorfeld einer experimentellen Untersuchung ausgeschlossen werden kann. Ist es trotzdem notwendig, die Schubtragsicherheit eines Stahlbetonbauteiles experimentell nachzuweisen, können die in dieser Arbeit formulierten Kriterien zur Beurteilung des Tragzustandes verwendet werden. Um die theoretisch entwickelten Indikatoren zu praxistauglichen Kriterien hocharbeiten zu können, wurden experimentelle Untersuchungen an Stahlbetonbalken ohne und mit geringer Schubbewehrung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass für die Beurteilung des Schubtragverhaltens vor allem die schräge Rissentstehung und entwicklung maßgeblich sind. Um den kritischen Rissbildungszustand beurteilen zu können, wurde zwischen lokaler und globaler Schubschädigung unterschieden. Für die messtechnische Wahrnehmung bzw. Erfassung der schrägen Rissentwicklung wurden herkömmliche Verformungsmesstechniken wie Induktive Wegaufnehmer und Dehnungs-messungsstreifen mit der Nahbereichsphotogrammetrie und der Schallemissionsanalyse kombiniert eingesetzt. In den Versuchen konnte der Übergang vom spröden Versagen infolge Querkraft hin zu duktilem Biegeversagen durch die Veränderung der Schubschlankheit und des Bügelbewehrungsgrades gezeigt werden. Bereits geringe Bügelbewehrungsmengen führten zu einem wesentlich duktileren Verformungsverhalten und einem Versagen, das eine deutliche Vorankündigung zeigt. Aus den durchgeführten theoretischen Überlegungen und experimentellen Untersuchungen wurden Empfehlungen für die Vorgehensweise bei experimentellen Tragsicherheitsbewertungen schubgefährdeter Konstruktionen abgeleitet. / In order to allow the application of loading tests (experimental evaluation of the load bearing safety) for structural members, that are deemed to fail brittle, e. g. in shear compression, this type of failure and its measurable announcement have been studied in detail. Up till today structural members endangered of brittle failures could not be investigated experimentally, because no appropriate criteria for the determination of the ultimate test load existed. This gap in knowledge was closed in this thesis and indicators and criteria were developed, which allow the detection of the maximum allowable load during load testing of shear critical structures with the risk of a brittle failure. In this work a two-step approach is chosen. At first theoretical considerations are presented with which the danger of a brittle shear failure can be evaluated. Therefor the historical development of the shear design was analyzed and an evaluation and comparison of the different shear design rules are given. Therewith and with the analysis of the significant influencing factors on the shear bearing behavior of reinforced concrete members, boundary conditions were proposed for which a shear failure can be excluded in advance of an experimental evaluation of the load bearing safety. However, if it is still necessary to experimentally evaluate the shear bearing safety of a reinforced concrete structural member, the criteria given in this thesis can be utilized for the evaluation of the bearing condition. To develop the theoretically derived indicators up to practical criteria experimental investigations on reinforced concrete beams without and with low shear reinforcement have been carried out. It was shown that the formation and development of inclined cracks are the most significant indicators for a developing shear failure. For the assessment of the critical crack condition a distinction between local and global shear damage was formulated. For the perception and detection of the inclined crack development common deformation measurements as inductive displacement transducers and strain gauges were combined with close-range photogrammetry and acoustic emission analysis. In the experimental investigations the transition from brittle shear failure to ductile bending failure was shown by varying the shear-to-depth-ratio and the amount of shear reinforcement. Already low amounts of shear reinforcement led to a significantly ductile deformation behavior and a failure with a clear advanced notice. With the theoretical considerations and the experimental investigations recommendations for experimental evaluations of the shear bearing safety were derived.

In September 2000 the DAfStb issued a technical recommendation for the experimental assessment of structural safety and usability of concrete structures. By now, the influence of pavement or floor layers and of other factors on the load carrying capacity is not known exactly. In this thesis, it has been investigated how road pavements, the geometry and bridge caps reduce the actions on concrete bridge structures and how these influences should be taken into account in the experimental evaluation of the bending capacity by an additional test load increment. In co-operation with a local authority in Stralsund, Germany, comprehensive loading test could be performed at an abandoned concrete bridge with prefabricated girders. Between loading cycles, the pavement has been stepwise disassembled. In addition, the ultimate load of the structure as well as of an individual girder has been determined in fracture tests. By means of a hybrid analysis, i.e. a numerical simulation supported by experimental data, the influences of the pavement layers have been determined. These results were verified by experimental observations obtained in past bridge tests. The influence of the pavement layers on the load carrying capacity appeared to be as high as 28% at the maximum for the bridges investigated. Since the loading vehicle BELFA has been completed in March 2001, test loads can be applied now self-securing to bridges in the so-called large load circuit, i.e. the structure is loaded including supports and foundation. The technical concept, the principle and possible applications of the BELFA are described. The results presented will allow to determine the additional test load increment for compensating the influence of pavement layers, structural geometry and bridge caps in future experimental safety evaluations. For this analysis, the exact geometry of the structure, the thickness of the pavement layers as well as their material properties, especially the modulus of elasticity, have to be known. Guidelines for the analysis procedure as well as for simplifying assumptions are given. / Experimentelle Nachweise der Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Betonbauwerken sind seit September 2000 in einer DAfStb-Richtlinie geregelt. Der Einfluss mittragender Aufbauschichten und anderer Faktoren war bisher quantitativ unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie Straßenbeläge, Bauwerksgeometrie und Kappen die Beanspruchung der Tragkonstruktion von Massivbrücken mindern und im experimentellen Nachweis der Biegetragsicherheit durch eine Überlast zu berücksichtigen sind. In Zusammenarbeit mit dem Straßenbauamt Stralsund konnten an einer Fertigteilträgerbrücke Belastungsversuche mit sukzessivem Rückbau des Fahrbahnaufbaus sowie Bruchversuche am Gesamtsystem und an ausgebauten Fertigteilträgern mit Ortbetonergänzung erfolgen. Mit Hilfe der hybriden Statik, also der Modifikation und Evaluation von Rechnungen anhand experimentell erlangter Messwerte, wurden die Einflüsse der Aufbauschichten quantifiziert und durch Auswertung weiterer Brückenbelastungsversuche verifiziert. Der Einfluss der Aufbauschichten betrug bei den untersuchten Brücken bis zu 28%. Seit der Inbetriebnahme des Belastungsfahrzeuges BELFA im März 2001 können Versuchlasten auch im großen Kräftekreislauf, d.h. am Gesamtsystem einschließlich Auflager- und Gründungssituation, selbstsichernd aufgebracht werden. Die Entwicklung des BELFA, seine Funktionsweise und seine Einsatzmöglichkeiten werden erläutert. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit ist es zukünftig möglich, die notwendige Überlast bei Belastungsversuchen zur Kompensation der Einflüsse aus Straßenbelag, Bauwerksgeometrie und Kappen mit genauem Aufmaß der Bauwerksgeometrie und der Schichtdicken sowie mit ingenieurmäßigem Abschätzen der Materialkennwerte (E-Moduli) hinreichend genau zu bestimmen. Handlungsempfehlungen geben Hinweise zur generellen Vorgehensweise sowie für vereinfachte Rechenannahmen.

In September 2000 the DAfStb issued a technical recommendation for the experimental assessment of structural safety and usability of concrete structures. By now, the influence of pavement or floor layers and of other factors on the load carrying capacity is not known exactly. In this thesis, it has been investigated how road pavements, the geometry and bridge caps reduce the actions on concrete bridge structures and how these influences should be taken into account in the experimental evaluation of the bending capacity by an additional test load increment. In co-operation with a local authority in Stralsund, Germany, comprehensive loading test could be performed at an abandoned concrete bridge with prefabricated girders. Between loading cycles, the pavement has been stepwise disassembled. In addition, the ultimate load of the structure as well as of an individual girder has been determined in fracture tests. By means of a hybrid analysis, i.e. a numerical simulation supported by experimental data, the influences of the pavement layers have been determined. These results were verified by experimental observations obtained in past bridge tests. The influence of the pavement layers on the load carrying capacity appeared to be as high as 28% at the maximum for the bridges investigated. Since the loading vehicle BELFA has been completed in March 2001, test loads can be applied now self-securing to bridges in the so-called large load circuit, i.e. the structure is loaded including supports and foundation. The technical concept, the principle and possible applications of the BELFA are described. The results presented will allow to determine the additional test load increment for compensating the influence of pavement layers, structural geometry and bridge caps in future experimental safety evaluations. For this analysis, the exact geometry of the structure, the thickness of the pavement layers as well as their material properties, especially the modulus of elasticity, have to be known. Guidelines for the analysis procedure as well as for simplifying assumptions are given. / Experimentelle Nachweise der Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Betonbauwerken sind seit September 2000 in einer DAfStb-Richtlinie geregelt. Der Einfluss mittragender Aufbauschichten und anderer Faktoren war bisher quantitativ unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie Straßenbeläge, Bauwerksgeometrie und Kappen die Beanspruchung der Tragkonstruktion von Massivbrücken mindern und im experimentellen Nachweis der Biegetragsicherheit durch eine Überlast zu berücksichtigen sind. In Zusammenarbeit mit dem Straßenbauamt Stralsund konnten an einer Fertigteilträgerbrücke Belastungsversuche mit sukzessivem Rückbau des Fahrbahnaufbaus sowie Bruchversuche am Gesamtsystem und an ausgebauten Fertigteilträgern mit Ortbetonergänzung erfolgen. Mit Hilfe der hybriden Statik, also der Modifikation und Evaluation von Rechnungen anhand experimentell erlangter Messwerte, wurden die Einflüsse der Aufbauschichten quantifiziert und durch Auswertung weiterer Brückenbelastungsversuche verifiziert. Der Einfluss der Aufbauschichten betrug bei den untersuchten Brücken bis zu 28%. Seit der Inbetriebnahme des Belastungsfahrzeuges BELFA im März 2001 können Versuchlasten auch im großen Kräftekreislauf, d.h. am Gesamtsystem einschließlich Auflager- und Gründungssituation, selbstsichernd aufgebracht werden. Die Entwicklung des BELFA, seine Funktionsweise und seine Einsatzmöglichkeiten werden erläutert. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit ist es zukünftig möglich, die notwendige Überlast bei Belastungsversuchen zur Kompensation der Einflüsse aus Straßenbelag, Bauwerksgeometrie und Kappen mit genauem Aufmaß der Bauwerksgeometrie und der Schichtdicken sowie mit ingenieurmäßigem Abschätzen der Materialkennwerte (E-Moduli) hinreichend genau zu bestimmen. Handlungsempfehlungen geben Hinweise zur generellen Vorgehensweise sowie für vereinfachte Rechenannahmen.