Das neue Teilsicherheitskonzept im Tunnelbau – Auswirkungen auf ...

Das neue Teilsicherheitskonzept im Tunnelbau –
Auswirkungen auf das Sicherheitsniveau der Konstruktion
und Empfehlungen zur Anwendung
Dr.-Ing. Axel Städing/Dipl.-Ing. Tina Krocker, Ingenieurbüro Prof. Duddeck + Partner GmbH,
Braunschweig/D
Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Friebel, Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Bonn/D
Dr.-Ing. Frank Heimbecher, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach/D
Kurzfassung
Zur Überprüfung der Auswirkungen aus der Einführung der neuen
Regelwerke auf Basis der neuen europäischen Regelungen im
Grund- und Straßentunnelbau in Deutschland wurden Vergleichsberechnungen
nach dem neuen Teilsicherheitskonzept und nach dem
bisherigen Globalsicherheitskonzept durchgeführt. Der Bericht erläutert
an drei praxisnahen Beispielen – einem Trogbauwerk, einem Tunnel
in offener Bauweise und einem Tunnel in geschlossener Bauweise
– die bei der Berechnung und Bemessung von Straßentunnelbauwerken
anzusetzenden Einwirkungen, die Wahl der Teilsicherheiten, den
Berechnungsgang und die Ergebnisse. Die Auswirkungen des Teilsicherheitskonzeptes
hinsichtlich Sicherheit und Wirtschaftlichkeit werden
durch Vergleich mit den Ergebnissen nach dem Globalsicherheitskonzept
dargelegt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die
ZTV-ING und die zugehörigen fachspezifischen Vorschriften, insbesondere
DIN 1054 und die DIN-Fachberichte 101 und 102, zusammen
eine hinreichende und zweckmäßige Grundlage für die Anwendung
des Teilsicherheitskonzeptes im Tunnelbau darstellen.
1 Aufgabenstellung
Die seit Mai 2003 im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für
Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW) eingeführten Zusätzlichen
Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Brückenund
Ingenieurbauwerke (ZTV-ING [3]) schreiben die Anwendung der
neuen Vorschriftengeneration vor. Für Tunnelbauwerke in geschlossener
und offener Bauweise (ZTV-ING, Teil 5, Abschnitte 1 und 2 – siehe
Bild 1) sind dies in erster Linie die DIN 1054 „Baugrund – Sicherheitsnachweise
im Erd- und Grundbau“, die DIN-Fachberichte 101 „Einwirkungen
auf Brücken“ und 102 „Betonbrücken“ sowie die fachspezifischen
europäischen Normen, z. B. DIN EN 1536 (Bohrpfähle).
Daneben sind selbstverständlich auch die übrigen diesbezüglichen
Vorschriften in ihrer neuesten Fassung zu berücksichtigen, z. B. DIN
4085 (Erddruckberechnung), DIN 4084-100 (Böschungs- und Geländebruchberechnungen),
EAB-100.
Bild 1: Zuordnung des Teils 5 Tunnelbau zur ZTV-ING
The new concept of partial safety
coefficients for road tunnelling – Effects
on the safety level of the construction and
recommendations for the application
Abstract
In order to verify the effects of the introduction of new standards in
the area of foundation works and road tunnelling in Germany on
the basis of new European regulations, comparing calculations
have been established according to the new concept using partial
safety coefficients on the one hand and the previous one of global
safety coefficients on the other hand. On the basis of three realistic
examples – a trough construction, a cut and cover tunnel and a
tunnel driven by underground means – the report illustrates the impacts
and the choice of partial safety coefficients, which have to be
applied in the calculation and dimensioning of road tunnels, and it
shows the calculation process and the results. The effects of the
concept using partial safety coefficients with regard to safety and
profitability are exemplified by a comparison with the results based
on the concept using global safety coefficients. The calculations
have proved that the ZTV-ING (Additional technical contract conditions
and guidelines for constructional engineering) and the respective
specific standards, especially DIN 1054 and the technical
reports 101 and 102 are a sufficient and appropriate basis for the
application of the concept of partial safety coefficients for foundation
works and road tunnelling.
Für den Entwurf und die Bemessung von Straßentunnelbauwerken,
aber auch für die Herstellung der Baugruben und Gründungen – geregelt
im Teil 2 Grundbau der ZTV-ING – wurden damit eine Reihe von
neuen Vorschriften maßgebend, mit deren Anwendung bisher kaum
Erfahrungen vorlagen.
Aus diesem Grund wurde ein Forschungsprojekt [2] im Auftrag des
BMVBW, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt),
initiiert, welches folgende Zielsetzungen hatte:
– Anwendung der neuen ZTV-ING und der zugehörigen fachspezifischen
Normen auf die Berechnung und Bemessung repräsentativer
Tunnel- und Grundbauwerke
– Überprüfung der Auswirkungen des Teilsicherheitskonzeptes hinsichtlich
Sicherheit und Wirtschaftlichkeit durch Vergleichsberechnungen
mit dem bisherigen Globalsicherheitskonzept
– Ableitung von Empfehlungen für die Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes
bei der statischen Berechnung von Tunnel- und
Grundbauwerken.
Zur Durchführung des Projektes wurden für die Berechnung der Tunnelbauwerke
die folgenden praxisnahen Bauwerksbeispiele gewählt:
40 Forschung + Praxis 97

– Stahlbetontrogbauwerk (Straßenquerschnitt RQ 26T)
– Tunnelbauwerk in offener Bauweise als zweizelliger Stahlbetonrahmen
(Straßenquerschnitt RQ 26T)
– Zweischaliger Tunnel in geschlossener Bauweise (Spritzbeton,
Straßenquerschnitt RQ 10,5T).
Nachfolgend werden die Standsicherheitsnachweise für die o.g. Beispiele
nach dem Teilsicherheitskonzept erläutert, die Ergebnisse mit
den Resultaten nach dem Globalsicherheitskonzept verglichen und
Empfehlungen zur Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes im
Straßentunnelbau gegeben.
2 Standsicherheitsnachweis für ein
Trogbauwerk
2.1 Berechnung nach dem Teilsicherheitskonzept
Die Abmessungen des betrachteten Stahlbetontrogs, die Baugrundverhältnisse
und der für den Endzustand maßgebende Grundwasserspiegel
sind Bild 2 zu entnehmen.
Bild 2: Trogbauwerk
Für dieses Bauwerk sind die Regelungen entsprechend ZTV-ING,
Teil 5, Abschnitt 2 sinngemäß anzuwenden. Für die baugrundspezifischen
Nachweise gilt die DIN 1054 und hinsichtlich der Verkehrslasten
der DIN-Fachbericht 101. Auf der Grundlage dieser Vorschriften
sind für die Bau- und Endzustände die Tragfähigkeit inkl. Auftriebssicherheit
und die Gebrauchstauglichkeit nachzuweisen.
Für die statische Berechnung werden die folgenden Grundlagen zusammengestellt:
Die charakteristischen Baugrundkennwerte werden in der Regel im
geotechnischen Bericht angegeben. Sie entsprechen den beim Globalsicherheitskonzept
zu Grunde zu legenden Rechenwerten der
Baugrundkennwerte. Die Materialkennwerte für den Beton und den
Betonstahl sowie die zugehörigen Teilsicherheitsbeiwerte sind dem
DIN-Fachbericht 102 bzw. DIN 488 zu entnehmen. Das statische System
wird mit seinen wahren Abmessungen und charakteristischen
Steifigkeiten im Berechnungsmodell abgebildet.
Als Einwirkungen auf das Trogbauwerk werden angesetzt: das Eigengewicht
nach DIN 1055, der Wasserdruck gemäß geotechnischem
Bericht, der minimale und der maximale Erddruck nach E DIN 4085
unter Berücksichtigung des aktuellen Bearbeitungsstandes, die Verkehrslast
auf der Hinterfüllung sowie die Temperaturbeanspruchungen
nach Abschn. 2 der ZTV-ING, Teil 5 und die Verkehrslasten im
Trog nach DIN-Fachbericht 101.
Als Bauwerk, welches maßgebend durch Erd- und Wasserdruck belastet
wird, liegt der Trog definitionsgemäß im Anwendungsbereich
der DIN 1054 – Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau. Für den
Tragfähigkeitsnachweis sind die Teilsicherheiten für die Einwirkungen
daher in erster Linie der DIN 1054 zu entnehmen. Hinsichtlich der Ver-
Globale Sicherheitsbeiwerte Teilsicherheitsbeiwerte und
Kombinationsbeiwerte
Einwirkungen
ständige, ständige,
Verkehr = 1,0 allgemein G = 1,35
akt. Erddruck,
Wasserdruck G = 1,35
Erdruhedruck G = 1,20
veränderliche
Verkehr i. Trog Q = 1,50
Doppelachse TS O = 1,50
Streifenlast UDL O = 0,40
Temperatur = 1/1,75 Temperatur Q = 1,00
Widerstände
Betonstahl S = 1,75 Betonstahl S = 1,15
Beton B = 2,10 Beton C = 1,50
Tabelle 1: Sicherheits- und Kombinationsbeiwerte für die Tragfähigkeitsnachweise
des Trogbauwerks
kehrslasten ist der DIN-Fachbericht 101 anzuwenden, für die Temperatur,
die in diesem Beispiel die vorherrschende veränderliche Einwirkung
darstellt, ist der Wert nach ZTV-ING anzusetzen. Zusätzlich zu
den Teilsicherheiten erhalten die nicht vorherrschenden veränderlichen
Einwirkungen einen Kombinationsbeiwert. Dieser wird im DIN-
Fachbericht 101 angegeben. Er ergibt sich für die Verkehrslasten im
Trog zu 0,75 bzw. 0,4, siehe Tabelle 1. Um Überbeanspruchungen
des endgültigen Bauwerks aus Bauzuständen zu vermeiden, werden
auch die Bauzustände mit den Teilsicherheiten des Lastfalles 1 (Endzustand)
berechnet.
Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit, d. h. für die Begrenzung
der in den ZTV-ING vorgegebenen Rissbreiten, sind die Einwirkungen
mit ihren charakteristischen Werten und die Kombinationsbeiwerte
nach DIN-Fachbericht 101, Tabelle 9.4 und C.2 heranzuziehen.
Die anzusetzende Einwirkungskombination „häufig“ ergibt sich
aus der Tabelle 4.118 des DIN-Fachberichtes 102, da das schlaff bewehrte
Bauwerk in die Anforderungsklassen D und E fällt (Dekompression
entfällt) und D maßgebend wird.
Die Schnittgrößen im Bauwerk werden mithilfe eines Stabwerkprogrammes
für alle Lastfallkombinationen berechnet. Dazu werden die
aus den einzelnen charakteristischen Einwirkungen resultierenden
Schnittgrößen bei linearer Berechnung mit den o.g. Teilsicherheitsund
Kombinationsbeiwerten multipliziert und miteinander überlagert.
Die Bemessung für den Grenzzustand der Tragfähigkeit erfolgt nach
DIN-Fachbericht 102. Im Unterschied zur bisherigen Biegebemessung
nach DIN 1045 darf dabei die Verfestigung des Betonstahls bis
zu einer Zugfestigkeit von f tk,cal = 525 N/mm 2 berücksichtigt werden
(anstatt s = 500 N/mm 2). Die Bemessung der Schubbewehrung erfolgt
wie bisher in Anlehnung an ein Fachwerkmodell, wobei die
Druckstrebenneigung in Abhängigkeit von der Größe der Querkraft
zwischen 18,4° und 60° anzunehmen ist.
Die Bemessung für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit besteht
in der Beschränkung der Rissbreite, die in ZTV-ING, Teil 5,
Abschn. 2 für Wasserundurchlässige Betonkonstruktionen (WUB-
KO) vorgegeben ist (w k,cal = 0,2 mm bzw. w k,cal = 0,15 mm). Dabei
braucht die aus Temperatur resultierende Stahlspannung nur berücksichtigt
zu werden, wenn die Stahlspannung im Gebrauchszustand
ohne Temperatureinwirkung kleiner ist als die Anrissspannung
im betrachteten Querschnitt. Diese kann mit den Gleichungen 4.194
98 40 Forschung + Praxis

und 4.201 im DIN-Fachbericht 102, Kap. II unter Ansatz von s = sr
ermittelt werden.
2.2 Vergleich der Ergebnisse nach dem Teil- und dem Globalsicherheitskonzept
Im Bild 3 sind die für die Tragfähigkeit erforderlichen Bewehrungsquerschnitte
nach beiden Sicherheitskonzepten gegenübergestellt.
Demnach führen die Berechnungen nach dem Teilsicherheitskonzept
in der Wand zu weniger Biegebewehrung als die Berechnungen nach
dem Globalsicherheitskonzept. Aus den Teilsicherheiten für die Einwirkungen
Erd- und Wasserdruck multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert
für den Betonstahl ergibt sich ein Gesamtwert von etwa 1,20 x
Bild 3: Bewehrungsquerschnitte aus dem Tragfähigkeitsnachweis
nach dem Teil- und nach dem Globalsicherheitskonzept
1,15 = 1,38 bzw. 1,35 x 1,15 = 1,55. Nach dem Globalsicherheitskonzept
ist ein pauschaler Sicherheitsbeiwert für diese Fälle von 1,75
anzusetzen. Zusätzlich ergibt sich aus der neuen Biegebemessung
bei geringer bis mäßiger Biegebeanspruchung durch den Ansatz einer
höheren rechnerischen Stahlzugfestigkeit (f tk,cal = 525 N/mm 2 )
eine weitere Verringerung des erforderlichen Bewehrungsquerschnittes
( ≤ 5 %). Darüber hinaus ist der resultierende Verdichtungserddruck
nach dem aktuellen Bearbeitungsstand der E DIN 4085 etwas
kleiner als nach alter Vorschrift. Diese Einflüsse werden nur unwesentlich
verkleinert durch den um 15 % höheren Teilsicherheitsbeiwert
für die Temperaturbeanspruchungen ( = 1,15 auf der Materialseite).
Im Hinblick auf die zu erwartende hohe Wahrscheinlichkeit, dass der
tatsächliche Erddruck nicht größer wird als der angesetzte Erdruhedruck,
werden die Ergebnisse aus den Wasser- und Erdruhedruckbeanspruchungen
als akzeptabel eingestuft. Die etwas höheren Bewehrungsquerschnitte
aus den Temperaturbeanspruchungen sind für das
Gesamtergebnis der Bemessung von untergeordneter Bedeutung
und ebenfalls akzeptabel.
Der für das Teilsicherheitskonzept größere Bewehrungsquerschnitt
auf der Sohloberseite resultiert im Wesentlichen aus dem ungünstigeren
Ansatz für Wintertemperaturen (Innenseite – 25 °C anstatt – 20 °C)
nach ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 2 gegenüber den bisherigen Ansätzen
nach ZTV-Tunnel, Teil 2.
Bei der Schubbemessung ergeben sich nach den neuen Vorschriften
ebenfalls kleinere Bewehrungsquerschnitte. Auch hier ist das Produkt
der Teilsicherheiten kleiner als die Globalsicherheit von 1,75. Darüber
hinaus wird beim neuen Bemessungskonzept bei vergleichbaren
Schubbeanspruchungen mit flacheren Druckstreben gerechnet. Die
Schubbewehrung in der Sohle ergibt sich aus der Definition von Balken
und Platten nach DIN-Fachbericht 102. Für das Verhältnis von
Breite zu Dicke < 5 (10 m/2,35 m = 4,26) gilt die Sohle als Balken, welcher
der Vorschrift nach eine Mindestbewehrung erhält.
Bild 4: Bewehrungsquerschnitte aus dem Gebrauchstauglichkeitsnachweis
nach dem Teil- und nach dem Globalsicherheitskonzept
Die aus dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit resultierenden Bewehrungsquerschnitte
nach beiden Konzepten sind in Bild 4 dargestellt.
In der Wandmitte ergibt sich hier nach neuem Konzept deutlich
weniger Bewehrung, da für diesen Punkt nach neuem Rissbreitennachweis
die Stahlspannung ohne Temperatureinwirkung größer ist
als die Anrissspannung, sodass die Temperaturschnittgrößen nicht in
die Bewehrungsberechnung eingehen.
Für die Sohlmitte, Unterseite führt das gegenüber dem Globalkonzept
kleinere Bemessungsmoment aus Temperatur (Faktor 0,5 statt 0,7)
bei etwa gleicher Normalkraft aus Erddruck zu einem deutlich kleineren
Bewehrungsquerschnitt.
Der Vergleich mit den statisch erforderlichen Bewehrungsquerschnitten
macht deutlich, dass die Formeln zur Rissbreitenbeschränkung
unter Umständen sensibel reagieren und Bemessungssprünge ( s <
oder > sr ) möglich sind.
3 Standsicherheitsnachweis für ein
Tunnelbauwerk in offener Bauweise
3.1 Berechnung nach dem Teilsicherheitskonzept
Das betrachtete Tunnelbauwerk ist mit seinen Abmessungen, den
Baugrund- und Grundwasserverhältnissen in Bild 5 dargestellt. Die
hierfür maßgebenden Vorschriften sind dieselben, wie die für das
Trogbauwerk genannten. Damit ergeben sich für den Tunnelrahmen
die dem Trog entsprechenden Eingangswerte für die statische Berechnung,
vgl. 2.1. Zusätzlich sind für den Tunnelrahmen die außergewöhnlichen
Einwirkungen Fahrzeuganprall und Brand nach DIN-
Fachbericht 101, Kap. IV bzw. ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 2 anzusetzen.
Für diese beiden Einwirkungen sind die Lastfallkombinationen für
außergewöhnliche Situationen zu untersuchen (DIN-Fachbericht 101,
Kapitel II, 9.4.2 ).
Bild 5: Tunnel in offener Bauweise, Querschnitt
40 Forschung + Praxis 99

Bild 6: Bewehrungsquerschnitte aus dem Tragfähigkeitsnachweis
nach dem Teil- und nach dem Globalsicherheitskonzept
Die Nachweise der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit für
das Bauwerk werden analog zum Vorgehen beim Trogbauwerk geführt,
vgl. 2.1.
3.2 Vergleich der Ergebnisse nach dem Teil- und dem
Globalsicherheitskonzept
Der Vergleich der für die Tragfähigkeit erforderlichen Bewehrungsquerschnitte
zeigt auch für dieses Beispiel, dass das Teilsicherheitskonzept
in allen Querschnitten etwa 7 bis 16 % weniger Biegebewehrung
erfordert als das Globalsicherheitskonzept, siehe Bild 6.
Die Ursachen wurden bereits am Beispiel des Trogbauwerks erläutert.
Im Hinblick darauf, dass Überschüttung, Wasserdruck und Eigengewicht
mit hoher Wahrscheinlichkeit zutreffend erfasst werden können,
wird das Ergebnis als akzeptabel eingestuft.
Auch die Schubbewehrungsquerschnitte sind nach dem Teilsicherheitskonzept
kleiner als nach den alten Vorschriften. Die Ursachen –
kleinere Gesamtsicherheit und flachere Druckstreben – wurden bereits
unter 2.2 erläutert.
Die aus dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit resultierenden Bewehrungsquerschnitte
nach beiden Konzepten weichen mit Ausnahme
der Werte in der Außenwand nur mäßig voneinander ab, siehe
Bild 7. In diesen beiden Punkten überschreitet die nach DIN-Fachbericht
errechnete Stahlspannung die Anrissspannung bereits ohne
Temperatureinwirkung, sodass diese bei der Rissbreitenbemessung
nicht berücksichtigt zu werden braucht. Im Gegensatz dazu muss die
Temperatur bei der Bemessung nach dem Globalsicherheitskonzept
(DAfStb-Heft 400) im vorliegenden Fall mit angesetzt werden.
Bild 7: Bewehrungsquerschnitte aus dem Gebrauchstauglichkeitsnachweis
nach dem Teil- und nach dem Globalsicherheitskonzept
Bild 8: Tunnel in bergmännischer Bauweise, Querschnitt
4 Standsicherheitsnachweis für ein Tunnelbauwerk
in geschlossener Bauweise
4.1 Berechnung nach dem Teilsicherheitskonzept
Der betrachtete Straßentunnel wird in bergmännischer Bauweise aufgefahren.
Er liegt mit einer Überlagerung von 18 m in unverwitterten
bis schwach verwitterten Tonstein-Sandstein-Wechselfolgen. Der
Grundwasserspiegel wird im Bauzustand bis auf Höhe der Tunnelsohle
abgesenkt und liegt im Endzustand 10 m über der Tunnelfirste.
Die Gesamtkonstruktion und die Abmessungen sind Bild 8 zu entnehmen.
Abweichend von der dränierten Regelbauweise [1] wird für
das Beispiel ein undränierter Tunnel gewählt, um sämtliche Bemessungssituationen
erfassen zu können.
Für dieses Bauwerk gelten die Regelungen des Abschnittes 1 der
ZTV-ING, Teil 5. Für die Ansätze im Einzelnen gelten dieselben fachspezifischen
Vorschriften wie für die vorangegangenen Beispiele.
Globale Sicherheitsbeiwerte Teilsicherheitsbeiwerte
Einwirkungen
ständige, ständige,
Verkehr = 1,0 allgemein,
Eigengewicht,
Erd- und
Wasserdruck G = 1,35
veränderliche
Temperatur = 1/1,75 Temperatur Q = 1,0
Widerstände
Betonstahl S = 1,75 Betonstahl S = 1,15
Beton B = 2,10 Beton C = 1,50
Tabelle 2: Sicherheitsbeiwerte für Tragfähigkeitsnachweise der
Tunnelinnenschale
100 40 Forschung + Praxis

Ebenso ergeben sich die Eingangswerte für die statische Berechnung
entsprechend den Ansätzen für den Trog und den Tunnelrahmen.
Als statisches System wird für diesen Tunnel ein Finite-Elemente-Modell
(FE-Modell) gewählt, in welchem Bauwerk und Baugrund mit ihren
wahren Abmessungen und mit ihren charakteristischen Steifigkeiten
abgebildet werden. Darüber hinaus wird mit dem FE-Modell auch
der Baufortschritt mit den daraus resultierenden Lastumlagerungen
erfasst. Die Anforderungen an das Berechnungsmodell sind Abschnitt
1 der ZTV-ING, Teil 5 zu entnehmen.
Hinsichtlich der Sicherheitsnachweise ist festzustellen, dass Tunnel in
geschlossener Bauweise in der DIN 1054 nicht ausdrücklich als Anwendungsbereich
genannt werden. Da jedoch auch diese Bauwerke
in erster Linie durch Wasserdruck und Erd- oder Gebirgsdruck belastet
werden und es keine diesbezügliche Vorschrift für bergmännische
Tunnel gibt, erscheint es zweckmäßig, auch für diesen Tunnel die Sicherheitsnachweise
nach DIN 1054 zu führen. Die Einwirkungen Eigengewicht,
Gebirgsdruck und Wasserdruck werden dabei mit ihren
charakteristischen Werten auf das System angesetzt. Für die Bemessung
werden die Schnittgrößen anschließend mit den in Tabelle 2 dargestellten
zugehörigen Teilsicherheitsbeiwerten nach DIN 1054, Tabelle
2 multipliziert. Der Ansatz erhöhter Lasten auf das FE-Modell ist
wegen des nicht linearen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens des Baugrundes
nicht praktikabel. Lediglich die Temperatureinwirkungen werden
für den Tragfähigkeitsnachweis mit dem Faktor 1/
G multipliziert
und auf das System aufgebracht, um bei der Bemessung als Ergebnis
die Temperaturteilsicherheit von 1,0 zu erreichen.
Bei der Ermittlung der Schnittgrößen für den Nachweis im Grenzzustand
der Gebrauchstauglichkeit werden die Temperatureinwirkungen
entsprechend den Vorgaben der ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 2 mit
einem Kombinationsbeiwert von = 0,5 multipliziert.
Die Bemessung der Außen- und der Innenschale für den Grenzzustand
der Tragfähigkeit erfolgt nach DIN-Fachbericht 102.
Ein Nachweis der Gebrauchstauglichkeit wird in Abschn. 1 der ZTV-
ING, Teil 5 nur für Wasserundurchlässige Betonkonstruktionen (WUB-
KO) gefordert. Im Hinblick auf die korrosionsfördernden Einflüsse, denen
die Tunnelinnenflächen ausgesetzt sind (z. B. Tausalz), wird zur
Verbesserung der Dauerhaftigkeit im betrachteten Beispiel für die
Bild 9: Bewehrungsquerschnitte aus dem Tragfähigkeitsnachweis
nach dem Teil- und nach dem Globalsicherheitskonzept
Innenschale entsprechend den Anforderungen an Tunneln in offener
Bauweise eine Rissbreite von w k,cal ≤ 0,20 mm als zweckmäßig angesehen
und zu Grunde gelegt.
4.2 Vergleich der Ergebnisse nach dem Teil- und dem
Globalsicherheitskonzept
Wesentliche Biegebeanspruchungen infolge Gebirgsdruck treten bei
dem gewählten Beispiel nicht auf, siehe Bild 9. Der Tragfähigkeitsnachweis
für die Außenschale ergibt daher nur in einem Punkt eine
geringe Biegebewehrung. Auch für die Innenschale liefert er nur kleine
Bewehrungsquerschnitte, die sich überwiegend aus dem Lastfall
„Eigengewicht und Temperatur“ ergeben. Hierbei tritt die Besonderheit
auf, dass die Temperatureinwirkungen „Winter“ als weit überwiegende
Einwirkungen beim Teilsicherheitskonzept zu größeren Bewehrungsquerschnitten
auf der Innenseite führen als beim Globalsicherheitskonzept,
da die Temperatureinwirkungen hier mit dem Faktor
1/1,35 und beim Globalsicherheitskonzept mit 1/1,75 auf das System
angesetzt werden. Im Lastfall „Sommer“ dagegen ergibt sich aus der
Temperatureinwirkung neben der Biegebeanspruchung auch eine
wesentliche Ringdruckkraft, da Spritzbetonschale und Gebirge eine
Ausdehnung der Innenschale behindern. Darüber hinaus ist nach
ZTV-ING, Teil 5, Abschn. 1 sowohl für „Winter“ als auch für „Sommer“
eine um jeweils 5 °C größere Änderung der mittleren Bauteiltemperatur
anzunehmen als nach den bisherigen Vorgaben der ZTV-Tunnel,
Teil 1 (neu: T0 = + 10 °C/– 15°C, alt: T0 = + 5°C/– 10 °C). Daraus resultiert
beim Teilsicherheitskonzept (größere Ringdruckkraft) auf der
Außenseite ein kleinerer Bewehrungsquerschnitt als beim Globalsicherheitskonzept.
Eine Übersicht der Bemessungssicherheiten nach beiden Konzepten
für die wesentlichen Einwirkungen (Erd- und Wasserdruck) erhält man
aus der Gegenüberstellung des Produktes der Teilsicherheiten und
des Globalsicherheitswertes:
Für den Bauzustand:
– Stahlversagen:
Teil,Gesamt
Einw. x
Mat = 1,20 x 1,15 = 1,38 (
Glob. = 1,75)
– Betonversagen:
Teil,Gesamt 1,20 x 1,50 = 1,80 (
Glob. = 2,10)
Bild 10: Bewehrungsquerschnitte aus dem Gebrauchstauglichkeitsnachweis
nach dem Teil- und nach dem Globalsicherheitskonzept
40 Forschung + Praxis 101

Für den Endzustand:
– Stahlversagen:
Teil,Gesamt 1,35 x 1,15 = 1,55 (
Glob. = 1,75)
– Betonversagen:
Teil,Gesamt 1,35 x 1,50 = 2,03 (
Glob. = 2,10)
Die vereinfachte Darstellung zeigt, dass sich das Produkt der Teilsicherheiten
für den Bauzustand deutlich und für den Endzustand mäßig
bzw. geringfügig von dem Globalsicherheitsbeiwert unterscheidet.
Bei der Bewertung der oben dargestellten Faktoren ist das Tragverhalten
des bergmännischen Tunnels besonders zu beachten. Wegen
der vollständigen Einbettung der Tunnelschalen ist sowohl für die Außen-
als auch für die Innenschale die Ringdrucktragfähigkeit das maßgebende
Tragelement und die Biegetragfähigkeit von deutlich geringerer
Bedeutung. Für den Endzustand ist damit die nach dem Teilsicherheitskonzept
bemessene Haupttragsicherheit (= Ringdruck)
nahezu genauso groß wie die nach dem Globalsicherheitskonzept
(∆ = – 3,3 %). Die für den Endzustand verringerte Biegetragsicherheit
(– 11 %) ist im Hinblick auf die oben erläuterte geringere Bedeutung
der Biegemomente akzeptabel.
Für den Bauzustand sind die Unterschiede der Tragsicherheiten deutlich
größer: – 14 % bei der Normalkraftsicherheit und – 21 % bei der
Biegetragsicherheit. Im Hinblick auf die Unsicherheiten bei der Abschätzung
der wirksamen Gebirgsdrücke und die oft lange Standzeit
der vorläufigen Sicherung sollten auch die Nachweise für die Spritzbetonschale
in Lastfall 1 (Endzustand) eingestuft werden.
Beim Nachweis der Rissbreiten werden ebenfalls die Lastfälle Eigengewicht
und Temperatur Winter (Innenseite) bzw. Sommer (Außenseite)
maßgebend, siehe Bild 10. Hierbei liefert in allen Bemessungspunkten
das Teilsicherheitskonzept kleinere Bewehrungsquerschnitte
als das Globalsicherheitskonzept. Die Ursache hierfür liegt in den
unterschiedlichen Formeln zur Rissbreitenberechnung und in den
unterschiedlichen Abminderungsfaktoren für die anzusetzenden
Temperaturunterschiede (0,50 x ∆T nach ZTV-ING, Teil 5 Abschn. 2
und 0,70 x ∆T nach ZTV-Tunnel, Teil 2).
5 Ergebnisse der Untersuchungen
Die Ergebnisse der Erprobung des neuen Teilsicherheitskonzeptes
mit den gewählten Beispielen und der Vergleich mit Berechnungen
nach dem bisherigen Globalsicherheitskonzept lassen sich wie folgt
zusammenfassen:
Trog und Tunnel in offener Bauweise
– Erd- und Wasserdrücke sind die vorherrschenden Einwirkungen
auf Tröge und Tunnel in offener Bauweise. Die Teilsicherheitsbeiwerte
für alle ständigen Lasten werden daher nach DIN 1054 angesetzt.
– Die errechnete Biege- und Schubbewehrung des Trogbauwerkes
und des Tunnels ist bei Bemessung nach dem neuen Sicherheitskonzept
etwas geringer als nach dem bisherigen Konzept. Im Hinblick
darauf, dass die wesentlichen Einwirkungen mit hoher Wahrscheinlichkeit
genau erfasst werden können, werden diese Ergebnisse
als zutreffend bewertet und entsprechen der Zielsetzung des
probabilistischen Sicherheitskonzeptes.
– Abweichend vom DIN-Fachbericht 102 unterscheidet DIN 1054
zwischen Bau- und Endzuständen. Im Hinblick auf die oben erläuterte
Reduktion der Tragsicherheit bei Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes
wird empfohlen, für die Trog- und Tunnelbauwerke
in offener Bauweise nur Teilsicherheiten für LF 1 (Endzustand) nach
DIN 1054 anzusetzen.
– Bzgl. des Rissbreitennachweises bietet sich an, den Nachweis zu
vereinfachen, z.B. mittels tabellarischer Zuordnung von Stabdurchmessern
und Stahlspannungen.
Tunnel in geschlossener Bauweise
– Erd- und Wasserdrücke sind die vorherrschenden Einwirkungen
auf das Tunnelbauwerk. Für die Teilsicherheitsbeiwerte dieser Lasten
wird daher DIN 1054 zu Grunde gelegt.
– Die Bemessung der Bauzustände mit Teilsicherheiten nach DIN
1054 ergibt für die Außenschale kleinere erforderliche Ringdruckund
Biegetragsicherheiten als das Globalsicherheitskonzept. Im
Hinblick auf die Unsicherheiten bei der Abschätzung der auf die
Schale wirkenden Gebirgsdrücke und die oft lange Standzeit der
vorläufigen Sicherung wird empfohlen, die Tragfähigkeitsnachweise
für die Spritzbetonschale in Lastfall 1 einzustufen.
– Im Hinblick auf die Streuung der Berechnungsansätze und Ergebnisse
bietet sich auch hier an, den Rissbreitennachweis zu vereinfachen,
z. B. mittels tabellarischer Zuordnung von Stabdurchmessern
und Stahlspannungen.
– Bei der Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes auf Tunnel in geschlossener
Bauweise ist ein geringfügiges Absinken der Biegetragfähigkeit
der Tunnelschalen möglich.
Die Ergebnisse der vorgenannten Untersuchungen wurden im Wesentlichen
bei der Erstellung der Abschnitte 1 und 2 des Teils 5 Tunnelbau
der ZTV-ING berücksichtigt. Zusammen mit den neuen fachspezifischen
Vorschriften stellen die ZTV-ING eine hinreichende und
zweckmäßige Grundlage für die Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes
im Tunnelbau dar.
Literatur
[1] Naumann, J.; Friebel, W.-D.: Straßentunnel planen, bauen und
verwalten. Taschenbuch für den Tunnelbau 2002 (26. Jahrgang).
Essen: Verlag Glückauf
[2] Städing, A.; Krocker, T.: Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes
im Tunnelbau. Forschungsbericht im Auftrag der Bundesanstalt für
Straßenwesen, Bergisch Gladbach 03/1993
[3] ZTV-ING – Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und
Richtlinien für Ingenieurbauten. Sammlung Brücken- und Ingenieurbau,
Verkehrsblatt Verlag, Dortmund
102 40 Forschung + Praxis