P 645 – Berechnungs- und Konstruktionsgrundlagen für sandwichähnliche Verbundträger mit Trapezblechstegen im Brückenbau

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P645

ISBN: 3-937567-65-8 Artikelnummer: P645 Kategorien: ,

Beschreibung

P 645 – Berechnungs- und Konstruktionsgrundlagen für sandwichähnliche Verbundträger mit Trapezblechstegen im Brückenbau

Die bislang in Deutschland nur an einem Pilotbauwerk praktizierte Anwendung von Trapezblechstegen im Verbundbrückenbau bietet durch die charakteristischen Eigenschaften des Trapezblechs konstruktive und wirtschaftliche Vorteile wie z.B. Eigengewichtsreduktion, erhöhten Beulwiderstand und hohe Querbiegesteifigkeit gegenüber bestehenden Brückenbauweisen. Es stehen jedoch keine ausreichenden Erfahrungen und vor allem Regelungen bereit, um die Vorteile voll auszuschöpfen und eine wirtschaftliche Ausbildung zu ermöglichen. Gerade die Ausführung der ersten Pilotbrücke in Deutschland hat hier kritische Punkte aufgezeigt. Im Hinblick auf die Vorteile des Verbundträgers mit Trapezblechstegen war es das Ziel des dargelegten Forschungsvorhabens, diese Bauweise im Brückenbau zu etablieren und die Wettbewerbsfähigkeit des Verbundbrückenbaus gegenüber anderen Bauweisen zu fördern.
Die Ausbildung der Verbindung des Trapezblechs mit den Betongurten ist bei den bisher erstellten Projekten teilweise unbefriedigend gelöst worden. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ergibt sich daher der Bedarf einer Optimierung zu einer baupraktisch effizienten Verbundfugenlösung. Erste Versuche an Push-out-Körpern mit Trapezblechsteg und Beton- oder Kopfbolzendübeln unter Längsschubbeanspruchung zeigten ein duktiles Verhalten, bei denen der Steg einen  nennenswerten Anteil an der Tragfähigkeit übernimmt und die Verbindungsmittel die Tragfähigkeit weiter steigern. Es konnte ein Bemessungskonzept für das Verbindungsmittel Betondübel hergeleitet werden. Versuche zur Querbiegetragfähigkeit zeigten ein gutmütiges Verhalten und beachtliche Tragfähigkeiten. Es konnte ein ebenes Stabwerkmodell hergeleitet werden, bei dem die bestehende dreidimensionale Lastabtragung auf der sicheren Seite praxistauglich vernachlässigt wird und ihre Wirkung näherungsweise konstruktiv erfasst wird. Die Möglichkeit, das Trag- und Verformungsverhalten auf einfache Weise erfassen und berechnen zu können, stellt für das Potential dieser Bauweise eine wesentliche Voraussetzung dar. Ausgehend von Versuchen und Parameterstudien konnte für die Berechnung der Verformungen mit Hilfe von Stabstatik ein Näherungsverfahren basierend auf einer Modifikation der Schubfläche entwickelt werden. Ergänzend zu diesen Näherungslösungen für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit wurden auch für den Grenzzustand der Tragfähigkeit Näherungsformeln angegeben, die die Berechnung der Querkraftaufteilung zwischen den einzelnen Verbundpartnern ermöglichen.
Werden die Stahlbetonverbundträger mit Trapezblechstegen wie normalerweise üblich mit einem Stahlgurt hergestellt, so stößt man auf fertigungstechnische Grenzen, die durch Regeln zum Schweißen in kaltumgeformten Bereichen vorgegeben sind. Nach den bestehenden Normen sind zur Vermeidung eines spröden Bauteilversagens in Abhängigkeit der Blechdicke t entsprechende Mindestbiegeradien min (r/t) einzuhalten. Diese Grenzwerte beruhen noch auf Stahlgüten der älteren Generation und berücksichtigen nicht die hervorragenden Zähigkeitseigenschaften moderner Brückenbaustähle.
Im Rahmen des Projekts wurden daher experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, die deutlich machen, dass bei sachgerecht ausgeführten Schweißverbindungen, neben den Eigenschaftsänderungen des Grundwerkstoffs, beim Schweißen in kaltumgeformten Bereichen keine nachteiligen Einflüsse in Form von Zähigkeitsverlusten verursacht durch Reckalterung oder Grobkornbildung infolge Rekristallisationserscheinungen, zu erwarten sind. Eine Einschränkung der Bedingungen lässt sich für die untersuchten Stahlsorten S355J2, S355N und S460M, für die Blechdicke t = 30mm sowie einem Umformgrad bis 10% Dehnung nicht begründen. Im Stahlbrückenbau wird daher für Umformgrade bis 10% Dehnung und daraus resultierende Mindestbiegeradien von r/t ≥ 5 für alle Blechdicken und Stahlsorten der Festigkeitsklasse S355 und S460 eine vollständige Aufhebung der Bedingungen zum Schweißen in kaltumgeformten empfohlen. Dies führt insbesondere bei Stahlbetonverbundträgern mit Trapezblechstegen durch den Wegfall kostenaufwendiger Wärmbehandlungen zu einer deutlichen Einsparung von Fertigungskosten.
Im Rahmen der Untersuchungen zur lokalen Krafteinleitung in den Trapezblechsteg konnte gezeigt werden, dass bereits für eine geringe Profilierung des Stegblechs mit Faltungswinkeln ab α ≥ 15° die Querbelastungstragfähigkeit aufgrund der verringerten Stabilitätsgefährdung des Stegblechs deutlich gesteigert werden kann. Die Auswertung des Trägerverhaltens zeigte, dass, im Gegensatz zu den bisher üblicherweise untersuchten kurzen Lasteinleitungslängen für Anwendungsfälle des Hochbaus, für lange Lasteinleitungslängen, die für heutige Verschiebelager im Brückenbau typisch sind, neben dem lokalen Beulen innerhalb der Sicken, auch ein globales Beulen über die Stegblechhöhe auftreten kann. Durch einen Vergleich bestehender Bemessungskonzepte mit der experimentellen und numerischen Datenbasis konnte gezeigt werden, dass der Bemessungsvorschlag von Kähönen für den Fall des lokalen Beulens auch für lange Lasteinleitungslängen geeignet ist. Zur Vermeidung des globalen Beulens wurde eine Mindestrippenbreite definiert, die aufgrund geometrischer Parameter globales Beulen ausschließt. Hierbei kann davon ausgegangen werden, dass die berücksichtigten Faltungsgeometrien im Hinblick auf die praktische Anwendung ausreichend sind. Als harmonisierte Ergänzung und Verbesserung des Modells wird außerdem ein Faktor zur Berücksichtigung des Faltungswinkels vorgeschlagen.

Autoren:
B. Novák, F. Reichert, J. Röhm, U. Kuhlmann, P. Günther, B. Braun, J. Raichle,

Veröffentlichung:
2008