Zum Tragverhalten von gleitfest-vorgespannten Schraubverbindungen feuerverzinkter Stahlbauteile für den Einsatz im Brückenbau

Abstract

Feuerverzinkte Stahl- und Verbundbrücken bieten durch einen langlebigen Korrosionsschutz die Möglichkeit, die Kosten des individuellen Bauwerks, aber auch die gesellschaftlichen Kosten gering zu halten. Wesentliche Erkenntnisse hierzu wurden in den letzten Jahren in zahlreichen Forschungsarbeiten gesammelt, und in der Praxis bei ersten feuerverzinkten Brückenbauwerken bereits umgesetzt. Insbesondere der Zinküberzug muss eine größere Dicke aufweisen, um den höheren korrosiven Anforderungen des Brückenbaus gerecht zu werden. Beim Verfahren des Feuerverzinkens wird dieser Überzug durch ein Tauchen des Stahlbauteils in ein heißes Zinkbad hergestellt. Die Abmessungen der zu verzinkenden Brückenträger übersteigt häufig die maximale Größe der Zinkbäder. Die daher notwendigen Montagestöße der Träger werden üblicherweise als Schweißstoß oder Schraubstoß ausgeführt. Geschraubte Montagestöße bieten viele Vorteile, wobei sich im Brückenbau insbesondere gleitfest-vorgespannte Verbindungen (GV-Verbindungen) anbieten. Aufgrund fehlender Kenntnisse hinsichtlich der Tragfähigkeit und dem langfristigen Verhalten von feuerverzinkten GV-Verbindungen für den Brückenbau, wurden an den ersten ausgeführten Bauwerken die Montagestöße als Schweißstoß ausgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Erkenntnisse über die Tragfähigkeit von feuerverzinkten GV-Verbindungen unter den Rahmenbedingungen des Brückenbaus zusammengestellt. Weiterhin wird die Tragfähigkeitsentwicklung über die Lebensdauer der Bauwerke untersucht. Hierfür werden eine Vielzahl von experimentellen Untersuchungen durchgeführt, um anschließend mithilfe dieser das Tragverhalten von feuerverzinkten GV-Verbindungen zu bestimmen und zu analysieren. Insbesondere die auf das Tragverhalten einwirkenden Parameter werden untersucht. In einem zweiten Schritt wird das Verhalten dieser feuerverzinkten GV-Verbindungen unter verschiedenen Einwirkungen betrachtet, um Schlussfolgerungen auf das Verhalten über die Lebensdauer des Brückenbauwerks mit unterschiedlichen Beanspruchungen ziehen zu können. Wesentliche Komponenten hierbei sind die Entwicklung der Vorspannkräfte, der Verformungen und der Tragfähigkeiten über die Lebensdauer. Insbesondere die erforderliche, größere Dicke der Zinküberzüge hat Auswirkungen auf die genannten Komponenten. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in Anwendungshinweisen und einem alternativen Bemessungsmodell für feuerverzinkte GV-Verbindungen zusammengefasst, um eine einfache Anwendung in der Praxis zu gewährleisten. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit werden bestehende Wissenslücken geschlossen, wodurch eine sichere Anwendung von feuerverzinkten GV-Verbindungen bei Stahl- und Verbundbrücken ermöglicht wird. Hot-dip galvanized steel and composite bridges offer the possibility of keeping the costs of the individual structure as well as the public costs low thanks to long-lasting corrosion protection. Key findings on this have been gathered in numerous research projects in recent years and have already been implemented in practice in the first hot-dip galvanized bridge structures. The zinc coating in particular must have a greater thickness in order to fulfill the higher corrosive requirements of bridge construction. In the hot-dip galvanizing process, this coating is produced by dipping the steel component in a hot zinc bath. The dimensions of the bridge girders to be galvanized often exceed the maximum size of the zinc baths. The necessary assembly joints of the girders are therefore usually carried out as welded or bolted joints. Bolted assembly joints offer many advantages, with slip-resistant connections being particularly suitable for bridge construction. Due to a lack of knowledge regarding the load-bearing capacity and long-term behaviour of hot-dip galvanized slip-resistant connections for bridge construction, the assembly joints on the first structures to be built were designed as welded joints. This thesis provides information on the load-bearing capacity of hot-dip galvanized slip-resistant connections under the general conditions of bridge construction. Furthermore, the load-bearing capacity development over the service life of the structures is investigated. For this purpose, a large number of experimental investigations are carried out in order to subsequently determine and analyze the load-bearing behavior of hot-dip galvanized slip-resistant connections. In particular, the parameters affecting the load-bearing behavior are investigated. In a second step, the behavior of these hot-dip galvanized slip-resistant connections under different loads is considered in order to be able to draw conclusions about the behavior over the service life of the bridge structure with different loads. The key components here are the development of the prestressing, the deformations and the load-bearing capacities over the service life. In particular, the required greater thickness of the zinc coatings has an effect on the components mentioned. The knowledge gained is summarized in application notes and an alternative design model for hot-dip slip-resistant connections in order to ensure simple application in practice. The results of this work will close existing knowledge gaps, enabling the safe application of hot-dip galvanized slip-resistant connections in steel and composite bridges.