Längsausgesteifte Beulfelder unter mehrachsiger Beanspruchung

  • AiF-DASt-Projekt: IGF-Nummer 20455 N/2
  • Projektzeitraum: 2018 - 2021
  • Projektpartner: Institut für Konstruktion und Entwurf der Universtität Stuttgart

Beim Taktschieben im Stahl- und Verbundbrückenbau treten biaxiale Spannungszustände im Steg- und Bodenblech auf, die für die Dimensionierung der Bauteile maßgebend sind. Signifikante Einflüsse auf das Beulverhalten in diesem Spannungszustand sind vor allem das Spannungsverhältnis σx/σz, Schlankheit, Imperfektionen, die Steifen- und Torsionsteifigkeit der Steifen und die Art der Lasteinleitung.

Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen folgende, aktuell offene wissenschaftliche Fragen geklärt werden:

• Knickstabähnliches Verhalten von ausgesteiften Platten unter Querdruck

• Nachweis der Längssteifen unter biaxialen Druckspannungen

• Wahl der geometrischen Ersatzimperfektion für Berechnung nach Theorie II. Ordnung

• Überschätzung der Tragfähigkeit der Beulfelder unter Querbelastungen nach DIN EN 1993-1-5 (10)

• Einfluss entstehender Imperfektionen bei verschiedenen Vorschubsystemen (Verschublager/Wippe)

• Einfluss der Torsionssteifigkeit von Längssteifen

Dazu werden an der TUM insgesamt 7 Versuche durchgeführt werden, bei denen jeweils einer der Parameter variiert. Zusätzlich stehen die Versuchsergebnisse der 6 im Rahmen des Forschungsprojektes „Thulba“ durchgeführten Beulversuche zur Verfügung. Anhand dieser letztendlich großen Datenmenge ist es möglich, die Ergebnisse auf beliebige Querschnitte durch ein an den Versuchen sorgfältig validiertes numerisches Model zu übertragen, welches an der Universität Stuttgart entwickelt wird. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, verbesserte Entwurfs- und Bemessungsgrundlagen für die Beulen unter biaxialem Druck zu entwickeln. Dabei sollen die Nachweiskonzepte für eine sichere und wirtschaftliche Anwendung der Bemessungsregeln nach DIN EN 1993-1-5 weiterentwickelt und verbessert werden, um die Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Klarheit der Regeln in der Norm zu gewährleisten. Dies führt zu einer größeren Attraktivität der Bauweise von der vor allem KMU der Stahlbaubranche und Ingenieurbüros profitieren.

Personen

Nadine Maier

Verzinkte Rahmenbrücken

  • AiF-FOSTA-Projekt: IGF-Nummer 04267/17
  • Projektzeitraum: 2018 - 2021
  • Projektpartner: Lehrstuhl für Massivbau der TUM, Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM)

Feuerverzinkung als lebenslanger Korrosionsschutz wird nun auch bei Brücken eingesetzt. Dies bietet sich vor allem bei Verbundrahmenbrücken an, für die aktuell eine sehr große Nachfrage besteht. Jedoch fehlen Konstruktionsformen, die nach der Verzinkung auf Schweißarbeiten verzichten. Die nachträgliche Spritzverzinkung der Stöße stellt einen Nachteil bzgl. Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit dar. Es sind daher verzinkungsgerechte Konstruktionen für den Brückenbau zu entwickeln, die durch einen Verzicht auf einen stählernen Obergurt und auf das Dichtschweissen der Kästen erhebliche wirtschaftliche Vorteile gegenüber heutigen Lösungen bieten. Forschungsziel ist die Entwicklung eines Vergussstoßes zum Fügen feuerverzinkter Verbundträger im Brückenbau. Dieser wird als Überlappstoß ausgebildet, bei dem das hochfeste Vergussmaterial auf Druck und die Stahlteile auf Zug und Biegung beansprucht werden. Dies ermöglicht ein fertigungsfreundliches Fügen von verzinkten VFT-Trägern, wie sie für Rahmenbrücken typisch sind. Im Projekt wird an Kleinproben ein geeignetes Vergussmaterial entwickelt. Das Trag- und Ermüdungs- und Korrosionsverhalten der Stöße wird durch Versuche an Klein- sowie an Bauteilversuchen experimentell und durch begleitende numerische Berechnungen erforscht. Die Resultate werden in einem Bericht und einer Broschüre zusammengefasst. Die Stahlbauteile von Rahmenbrücken werden von KMU der Stahlbaubranche ausgeführt. Durch die Feuerverzinkung, die neue offene Ausführung der Hohlkästen und dem Verzicht auf eine Spritzverzinkung wird die Wirtschaftlichkeit der Brücken deutlich erhöht. Durch den lebenslangen Korrosionsschutz und der Vermeidung von Wartungsstößen steigt die Attraktivität der Bauweise und der volkswirtschaftliche Nutzen. Der zukünftige Marktanteil von verzinkten Brücken für Überführungsbauwerke über Autobahnen kann damit signifikant erhöht werden. Davon profitieren sowohl mittelständische Stahlbauunternehmen, Verzinkereien und Ingenieurbüros als auch die Allgemeinheit.

Ermüdungssichere Ausführung von Hängeranschlüssen an Stabbogenbrücken

  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner: Universität Stuttgart, Institut für Konstruktion und Entwurf; Universität Stuttgart, Lehrstuhl für Bauphysik; Karlsruher Institut für Technologie, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine

Ein wichtiger Gesichtspunkt für die Dauerhaftigkeit einer Stabbogenbrücke ist die Ermüdungssicherheit der Hänger, die wesentlich von der Ausbildung der Anschlussdetails abhängt. Zur Optimierung dieser kritischen Stellen werden verschiedene Anschlusstypen untersucht, Konzepte zur dynamischen Ermittlung der Spannungsschwingbreiten aus Verkehr unter Berücksichtigung von Exzentrizitäten und Anschlusssteifigkeiten ermittelt und anhand von FE-Modellen Geometrien mit geringen Spannungsspitzen gesucht. Mithilfe von Schweißnahtsimulation werden die Anschlüsse dahingehend optimiert, dass ungünstige Eigenspannungen minimiert und Kerbeffekte aus der Fertigung gering gehalten werden, um so ein günstigeres Ermüdungsverhalten zu erreichen. Die Untersuchungen sind Teil eines interdisziplinären Forschungsprojekts zur Nachhaltigkeitsbewertung von Eisenbahnbrücken. Neben der funktionalen Qualität, auf die sich oben Genanntes bezieht, werden ökologische, ökonomische und soziale Aspekte berücksichtigt, mit der Zielsetzung ein ganzheitliches Bewertungssystem zu schaffen.

Ganzheitliche Bewertung von Stahl- und Verbundbrücken nach Kriterien der Nachhaltigkeit

  • AiF-ZUTECH-Forschungsprojekt
  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner: Universität Stuttgart, Institut für Konstruktion und Entwurf; Universität Stuttgart, Lehrstuhl für Bauphysik; Karlsruher Institut für Technologie, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine; Bundesanstalt für Straßenwesen, Abteilung „Brücken- und Ingenieurbau“

Aufgrund ihrer langen planmäßigen Nutzungsdauer von 100 Jahren spielt die Nachhaltigkeit bei Brückenbauwerken eine besonders große Rolle. Im Rahmen eines großen Forschungsprojekts mit fünf Forschungsstellen und verschiedenen Industriepartnern wird die Nachhaltigkeit von Stahl- und Verbundbrücken untersucht. Für eine ganzheitliche Analyse werden Aspekte der ökologischen Qualität, der ökonomischen Qualität und der sozialen und funktionalen Qualität mit konkreten brückenbauspezifischen Kriterien hinterlegt. Um eine wirklich ganzheitliche Sichtweise zu gewährleisten, sind Analysen auf verschiedenen Ebenen notwendig, von Detailuntersuchungen an kritischen Punkten des Bauwerks über Untersuchungen am Brückenbauwerk selber bis hin zu den Auswirkungen auf die direkt betroffenen Verkehrswege, z.B. durch die Bestimmung des volkswirtschaftlichen Nutzens im überregionalen Zusammenhang. Die Methodenentwicklung zur ganzheitlichen Bewertung der Nachhaltigkeit wird anhand von drei Brückentypen vorgenommen, denen fünf Referenzbrücken zugeordnet sind. Hierfür werden verschiedene Degradations- und Instandhaltungsszenarien auf Basis von Erneuerungszyklen für die einzelnen Bauteilgruppen (Gründung, Widerlager, Lager und Fahrbahnübergänge etc.) definiert und untersucht. Am Ende steht eine Bewertungsmethode um sowohl bestehende Brücken als auch geplante Neu- oder Ersatzneubauten nach Kriterien der Nachhaltigkeit ganzheitlich zu beurteilen.

Entwicklung und Aufbereitung wirtschaftlicher Bemessungsregeln für Stahl- und Verbundträger mit schlanken Stegblechen im Hoch- und Brückenbau

  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner: Lehrstuhl für Metall- und Leichtmetallbau RWTH Aachen, Institut für Konstruktion und Entwurf Universität Stuttgart

Thema dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Aufbereitung wirtschaftlicher Bemessungsregeln von Stahl- und Verbundträgern mit schlanken Stegblechen im Hoch- und Brückenbau. Hauptaugenmerk wird hierbei auf eine verständliche Darstellung und Erläuterung der Regelungen in Eurocode 3 – DIN EN 1993-1-5 für Beulnachweise und eine Ergänzung der Regelungen durch einen neuen Leitfaden für die Bemessung von Stahl- und Verbundträgern mit Stegausschnitten gelegt. Die DIN EN 1993-1-5 bietet für Beulnachweise zwei Methoden an: Methode 1 für Standardausführungen von Beulfeldern mit Zerlegung des Spannungsfeldes in Komponenten, für die jeweils Einzelnachweise geführt werden, die dann über eine plastische Interaktion in einen Gesamtnachweis überführt werden. Methode 2 für beliebige Ausbildungen von Beulfeldern (auch solche mit Stegausschnitten), bei der in einem Schritt nachgewiesen wird, ob das vorhandene Spannungsfeld stabil ist oder nicht. Beide Methoden werden analysiert und verglichen. Es wird festgestellt, dass sich Methode 2 für einen zweistufigen Nachweis eignet, bei der die zweite Stufe eine zusätzliche „plastische Rotation“ bewirkt, die ähnliche Ergebnisse bewirkt wie die Methode 1. Unterschiede liegen dann nur in der Art der Längsspannungs-Schub-Interaktion: Bei Methode 1 aufgrund von plastischen Schnittgrößeninteraktionen, bei der Methode 2 mit dem v. Mises-Kriterium. Die in dem Forschungsbericht niedergelegte Aufarbeitung mit Beispielen dient der Nutzerfreundlichkeit der Eurocode-Regeln und kann als „nicht widersprüchliche Ergänzung (NCCI)“ der Eurocode-Regelungen verstanden werden. Sie ist gleichzeitig ein Beitrag für die Weiterentwicklung der Eurocodes.+

Personen

Dr.-Ing. Joseph Ndogmo

VFT-WIB Externe Bewehrungselemente für Brücken in Verbundbauweise

  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner: RWTH Aachen, Institut für Stahlbau, SSF Ingenieure AG

Brücken sind ein integraler und wichtiger Bestandteil des europäischen Verkehrssystems und gewährleisten die Mobilität im gesamten europäischen Binnenmarkt und darüber hinaus. Externe Bewehrungselemente können vorteilhaft eingesetzt werden um leistungsfähige Verbundkonstruktionen für Eisenbahnbrücken bereitzustellen und dabei die Beeinträchtigungen des Verkehrs durch eine modulare Bauweise so kurz wie möglich zu halten. Externe Bewehrungselemente werden durch einen speziellen Brennschnitt aus Walzprofilen hergestellt und sind durch Verbunddübel mit dem Konstruktionsbeton verbunden. Bemessungskonzepte für die Beanspruchung in Querrichtung und mehraxiale Belastungen im Allgemeinen liegen für Verbunddübel jedoch noch nicht vor. Dementsprechend bedarf es einer Erweiterung der bestehenden Bemessungskonzepte für Beanspruchungen in Querrichtung. Zudem würde eine Erweiterung des Bemessungskonzeptes für Bereiche mit negativer Biegebeanspruchung die Anwendungsmöglichkeit für externe Bewehrungselemente auf Durchlaufträger und Rahmenbrücken erweitern. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Erarbeitung eines erweiterten Bemessungskonzeptes für den Einsatz von Verbunddübeln in externen Bewehrungselementen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung für alle Bauelemente.

Einfluss der Querschnittsverzerrung auf die Spannungsverteilung bei Verbundbrücken

  • Projektzeitraum:
  • Projektpartner:

Verbundträger mit Hohlkastenquerschnitten werden aufgrund ihrer großen Tragfähigkeit und Torsionssteifigkeit vermehrt im Autobahnbrückenbau und im Hochbau eingesetzt. Dennoch sind Forschung und Untersuchungen über das Tragverhalten von Verbundträgern mit Hohlkastenquerschnitten beschränkt, was hauptsächlich auf ihre Komplexität und das Fehlen eines geeigneten Rechenverfahrens zurückzuführen ist. Das Hauptaugenmerk dieses Forschungsprojektes liegt in der Tragfähigkeitsuntersuchung von Hohlkastenverbundbrücken unter der komplizierten Beanspruchung und in der Ausarbeitung eines einfachen Modells zur Untersuchung der Spannungsverteilung im Querschnitt mit Zuhilfenahme der Balkentheorie für dünnwandige Querschnitte. Umfangreiche Parameterstudien werden zur Untersuchung des Torsionsverhaltens und des Einflusses des Querträgerabstandes von Verbundhohlkastenträgerbrücken durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Parameterstudien werden in Form von Diagrammen zusammengefasst, woraus wirtschaftliche Querträgerabstände von Verbundhohlkastenträgerbrücken abgegriffen werden können. Die Diagramme sind nützlich für den Praktiker. Er kann bei gegebenem Spannungsverhältnis einen geeigneten Querträgerabstand dem Diagramm entnehmen.

VFT – Rail – Verbundbrücken mit kurzen Spannweiten für die Deutsche Bahn

  • Projekt der DB Netz AG
  • Projektzeitraum:
  • Zusammenarbeit mit DB Netz AG, Büchting und Streit AG und SSF Ingenieure, München

Die VFT – Rail Bauweise ist eine Entwicklung der Münchner SSF Ingenieure AG für Ersatzneubauten der DB im Bereich kleiner Spannweiten. Mit der experimentellenVerifizierung der Konzepte zum Nachweis der statischen Tragfähigkeit und der Ermüdungssicherheitdurch den Lehrstuhl für Metallbau wurde ein wichtiger Beitrag für den sicheren Einsatz dieses neuartigen Brückentyps geleistet. Bei dem untersuchten Brückentyp handelt es sich um eine Verbundkonstruktion in Fertigbauweise mit externer Bewehrung in Form eines Stahl-T-Profils, die über Verbunddübel schubfest mit dem Betonverbunden ist. Dadurch kann gegenüber einer konventionellen Stabstahlbewehrung ein größerer Hebelarm genutzt und die Konstruktion somit schlanker ausgeführt werden. Die externe Bewehrung wird mit einem mit einer definierten Schnittführung mittig im Steg getrennten Walzträger ausgeführt. Mit Hilfe eines Dauerschwingversuchs an einem Versuchsträger mit 12,0 m Stützweite und sechs weiterer dynamischer Versuche an 4,9 m langenTrägern wurde das Nachweiskonzept zur Ermüdungssicherheit experimentell verifiziert. Dabei wurde überprüft, inwieweit die im Versuch im Dübelgrund gemessenen Spannungsschwingbreiten mit denen der statischen Berechnungen übereinstimmen und ob die in der Statik angewendete Wöhlerlinie (125 N/mm2) konservative Ergebnisse liefert. Vorab wurde das Trag- und Verformungsvermögen anhand von Standard-Abscherversuchen (Push-Out-Versuche) untersucht und das Bemessungskonzept für den Tragsicherheitsnachweis verifiziert. Die erste Brücke (Pilotbrücke Simmerbach) wurde innerhalb eines Wochenendes gebaut. Mittlerweile wurden weitere Brücken realisiert.

Personen

Guoqing Luo