Untersuchungen zum Tragverhalten von strukturintegrierten Verbindungsmitteln bei Stahlverbundträgern mit Trapezblechstegen im Brückenbau

Abstract

Durch die Verwendung von gefalteten Stegen im Verbundbrückenbau entstehen aufgrund der charakteristischen Eigenschaften des Trapezbleches Vorteile gegenüber konventionellen Spannbetonbrücken und der klassischen Verbundbauweise. Durch das geringe Eigengewicht der Brücke in Kombination mit einer kontinuierlichen Querrahmenwirkung und einer hohen Beulstabilität der Stege, lassen sich aufwändig geschweißte Längs- und Quersteifen sowie Querrahmen reduzieren. Die fehlende Längssteifigkeit des Trapezbleches führt zu einer effizienteren Nutzung der Vorspannung, da die Vorspannkraft in den Gurten verbleibt. Die Ausbildung der Verbundfuge ist bisher unbefriedigend gelöst. Ein zusätzlicher Stahlflansch, als Träger der Verbundmittel, führt zu großen Schweißnahtlängen entlang des gefalteten Steges. Insbesondere die Übertragung des Rahmeneckmomentes von Gurt in den Steg führt bei der Verwendung eines Stahlflansches zu einer Vielzahl von Verbundmitteln. Am Beispiel der Talbrücke Altwipfergrund zeigt sich die Notwendigkeit einfacherer und praktikabler Verbindungsmöglichkeiten. Durch eine strukturintegrierte Verbindung zwischen Betongurt und Stahlsteg, wie sie sich mit Betondübeln realisieren lässt, ergeben sich Vorteile bei der Herstellung bei gleichzeitigem Verzicht auf einen zusätzlichen Stahlflansch. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird auf Grundlage der bisherigen Erkenntnisse von Betondübeln an ebenen Stegblechen das Tragverhalten einer ausgewählten Betondübelgeometrie in Kombination mit Trapezblechstegen experimentell und numerisch untersucht. Hierbei wird zwischen Längsschub- und Querbiegebeanspruchung unterschieden. Anhand der theoretischen Untersuchungen und den experimentellen Ergebnissen werden einfache Bemessungsregeln für die Verbundsicherung unter Längsschubbeanspruchung im Grenzzustand der Tragfähigkeit erarbeitet. Für die Bemessung des Rahmeneckmoments werden Stabwerkmodelle entwickelt, die für eine praktische Anwendung als Grundlage dienen und entsprechend den gegebenen Randbedingungen angepasst werden können.

The use of corrugated steel webs in composite girders provides structural and economical advantages compared to the current bridge construction methods. The reduced dead load of the composite girders in combination with high buckling resistance and the lateral stiffness of the corrugated webs avoid expensive longitudinal stiffeners and diaphragms. Due to the weakness of the web in longitudinal direction the prestressing force will be carried only by the slab. The design of the joint between the concrete slab and the corrugated web is actually not satisfactory. An additional steel flange to provide shear connectors leads to expensive welding processes and to plenty of studs and shear loops. Especially the transfer of the transverse bending moment from the upper slab into the steel web has to be carried by these connectors. Existing bridges, mainly the valley bridge Altwipfergrund, show the need for simple and more practicable connection methods. An integrated connection - so called concrete dowels- between the concrete slab and the corrugated steel web offers significant advantages for the construction process by avoiding additional steel flanges. The presented dissertation deals with numerical and experimental studies of concrete dowels in combination with corrugated steel webs. The geometry of the dowel was chosen from present publications on test of concrete dowels placed on a straight web. In this thesis the transfer of shear force in longitudinal direction and the transfer of the transverse bending moment are discussed. On the basis of theoretical and experimental investigations simple design rules for shear connection in the ultimate limit state are developed. To design the connection for transfer of the transverse bending moment some strut and tie models are developed. These strut and tie models can provide a basis for the engineering practice.