Zum schubfesten Anschluss von Druckgurten in Hohlkastenbrücken
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Date
2016
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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.
Description
Table of contents
Keywords
Betonbau, Brückenbau, Druckgurtanschluss, Längsschub, Querbiegung, Interaktion, FEM, Spannbeton, Hohlkasten, Bemessung