Zum schubfesten Anschluss von Druckgurten in Hohlkastenbrücken

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zum Tragverhalten der Gurte gegliederter Querschnitte auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Die bei aktuellen Nachrechnungen bestehender Spannbetonbrücken häufig festzustellenden rechnerischen Defizite, welche insbesondere in den Druckgurtbereichen der Bodenplatten von Brücken mit Hohlkastenquerschnitt ermittelt werden, haben den Ausschlag zu dieser Arbeit gegeben. Mit der Weiterentwicklung der technischen Regelwerke zur Konstruktion und Bemessung von Spannbetonbrücken war auch eine Umstellung der Nachweiskonzepte zur Ermittlung der Schubtragfähigkeit verbunden. Bis zur Einführung der DIN Fachberichte für den Brückenbau war der Nachweis auf Basis zulässiger Hauptspannungen in Deutschland eine anerkannte Regel der Technik. Seither erfolgt die Ermittlung des Bauteilwiderstands auf Grundlage eines Fachwerkmodells im gerissenen Zustand II. Die für Stegquerschnitte konzipierten Bemessungsregeln werden dabei sinngemäß auf die Gurtbereiche gegliederter Querschnitte übertragen. Eine entscheidende Größe für die Ermittlung der Tragfähigkeit der schubfesten Verbindung zwischen Gurt- und Stegquerschnitt ist die möglichst wirklichkeitsnahe Berücksichtigung der wahrscheinlichen Rissentwicklung. Im derzeit in Deutschland bei der Bemessung zur Anwendung kommenden Fachwerkmodell mit Rissreibung wird der Schubrisswinkel auf Grundlage der vorhandenen Längsspannung bestimmt. Die zur Rissbildung führende Schubspannung korrespondiert bei dieser Vorgehensweise nicht mit der Längsspannung. Durch die zunächst analytische Untersuchung der Unterschiede im Tragverhalten zwischen Steg- und Gurtquerschnitt wird gezeigt, dass das zu erwartende Rissverhalten in den beiden Querschnittsteilen deutlich voneinander abweicht, und dass für eine wirklichkeitsnahe Prognose der Rissrichtung innerhalb von Druckgurten die Berücksichtigung der vorhandenen Längs- und Schubspannungen als korrespondierende Größen erforderlich ist. In den im weiteren Verlauf der Studien durchgeführten numerischen Simulationsrechnungen wird dieser Zusammenhang bestätigt und es werden weitere das Tragverhalten und den Tragwiderstand beeinflussende Größen identifiziert und untersucht. Die Kalibrierung und Verifizierung der verwendeten FE-Modelle erfolgt zunächst durch die Nachrechnung gut dokumentierter Versuche und die Auswertung der Simulationsergebnisse an kleinmaßstäblichen Versuchskörpern. Während letztgenannte insbesondere zur Erlangung eines besseren Verständnisses zum Modellverhalten relevant sind, wird durch die Nachrechnung von Versuchen zum Tragverhalten gegliederter Querschnitte die Modelleignung im Hinblick auf die Abbildung der untersuchten Tragwirkung überprüft. Neben einem elasto-plastischen Kontinuumsmodell wird für die Modellierung der Betonquerschnitte ein Schalenmodell auf Basis der nichtlinearen Elastizitätstheorie verwendet. Mit beiden Modellen gelingt es, die Bruchlasten und die Versagensart wirklichkeitsnah abzubilden. Aufgrund der im Vergleich zu den Versuchen insgesamt besseren Übereinstimmungen der mit der nichtlinearen Elastizitätstheorie erzielten Ergebnisse erfolgt die Anwendung dieses Modells auf Systeme mit für den Brückenbau relevanten Abmessungen. Die im Vergleich zu den Versuchsträgern deutlich schlankeren Querschnitte führen dazu, dass die durch lokale Lasteinleitungen bedingten Störbereiche im Verhältnis zur Gesamtspannweite deutlich reduziert werden. Daher können die Auswirkungen des sich über die Bauteillänge stetig ändernden Längsspannungszustands auf das Tragverhalten an diesen Systemen untersucht werden. Auf Basis der Ergebnisse der durchgeführten analytischen und numerischen Studien werden Bemessungsmodelle abgeleitet, die das tatsächliche Tragverhalten realitätsnäher erfassen. Neben Modellen, die eine Bemessung im gerissenen Zustand II ermöglichen und das wahrscheinliche Rissverhalten in vereinfachter Form berücksichtigen, werden auch Berechnungsvorschläge unter Einbeziehung kombinierter Scheiben- und Plattenbeanspruchungen (Interaktion von Längsschub mit Querbiegung) sowie Möglichkeiten zur rechnerischen Berücksichtigung des Tragwiderstands ungerissener Gurtbereiche (Hauptspannungskriterium) vorgestellt.