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Composite bridges with cracked concrete deck spanning between transverse beams under fatigue shear loading
(2023) Stempniewski, Lena; Kuhlmann, Ulrike
For concrete deck of large steel-concrete composite road bridges cracking occurs due to tension because of negative bending moments at the support area, at the same time traffic load with high wheel loads passes the deck spanning between transverse beams. They induce cyclic shear loading in the cracked concrete deck. In composite bridges the application of prefabricated concrete elements has led to economical designs with a benefit in construction time. In this case, the prefabricated concrete elements are supported by the transverse beams when the on-site concrete is poured. For this construction, the concrete is subjected to tension forces resulting from the global load-carrying effect, which needs to be superimposed with local effects as wheel loads acting as shear fatigue loading. In this paper, the fatigue strength of cracked concrete deck under tension and shear fatigue loading is discussed.
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Steel and composite bridges : enabling sustainable solutions
(2024) Kuhlmann, Ulrike; Arnim, Mareike von; Gölz, Lisa‐Marie; Hofmann, Gloria; Knecht, Wigand; Mönch, Simon; Pourostad, Vahid; Stempniewski, Lena
Sustainable bridges are characterised by three main aspects: saving resources by an efficient construction, allowing for a lifelong use of bridges by optimal detailing in view of fatigue and flexible design concepts for strengthening and adapting to changed user requirements. After a short introduction in the assessment of sustainability for bridges, an overview on recent bridge research in view of sustainability is given. The key point of efficient construction in future is the use of high strength steel (HSS): basic research and adaptation of rules are needed for welding of matching and mismatching connections. Joints and their relevant failure modes are to be investigated before hollow sections of HSS can be used in a wider range. And for steel and composite bridges, optimised plate buckling rules may serve for more efficiency in construction. Bridges are designed for a service life of 100 years. This can easily be achieved and even exceeded if the detailing is realised in view of fatigue. Research on welded details such as butt welds or joints of tubular bracings will be presented. Welds can be improved by post‐weld treatment such as high‐frequency mechanical impact (HFMI) treatment. Fatigue is also a key issue when steel and concrete or timber and concrete are combined for composite bridges. Reinforced composite slabs without prestressing require a fatigue verification for the transverse shear also in areas with cracked concrete. The notch forms an efficient connection in timber‐concrete composite (TCC) bridges, where, however, little has been known up to now on the fatigue behaviour.
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Zum Trag- und Ermüdungsverhalten von Verbundbrücken mit randnahen Kopfbolzen und gerissener Betonfahrbahnplatte
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2024) Stempniewski, Lena; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
In Deutschland und Europa wurden in den letzten Jahren vermehrt Verbundbrücken aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile hinsichtlich einer kurzen Bauzeit, eines hohen Vorfertigungsgrades und einem effizienten Materialeinsatz realisiert. Durch moderne Brückentypen, die auf hohe Verkehrsbeanspruchungen und eine lange Lebensdauer ausgelegt werden, entstehen neue Fragestellungen für die einzelnen Tragelemente. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Fragestellungen, die die aktuelle Forschung aus dem Verbundbrückenbau betreffen, nachgegangen. Darunter zählen zum einen das Tragverhalten randnaher Kopfbolzen und zum anderen das Ermüdungsverhalten gerissener Betonfahrbahnplatten. Dabei erlauben die in dieser Arbeit vorgestellten neuen Bemessungskonzepte für die Verbundsicherung mittels randnaher Kopfbolzen und der Ermüdungsfestigkeit von Betonfahrbahnplatten eine wirtschaftliche und effiziente Auslegung der Tragelemente moderner Verbundbrücken. Die erste Fragestellung betrifft die Verbundsicherungen, die maßgeblich die Wirtschaftlichkeit und Effizienz von Verbundbrücken beeinflussen. Dabei kommen randnahe Kopfbolzen zum Einsatz. Aufgrund des reduzierten Randabstandes bei randnahen Kopfbolzen kann es jedoch im Vergleich zu randfernen Kopfbolzen zu einem Spalten der Betonplatte kommen. Gleichzeitig ist die Anwendung der randnahen Kopfbolzen derzeit an geometrische Randbedingungen geknüpft. Durch die Einhaltung einer Mindestverankerungslänge sollte ein vorzeitiges Versagen durch Herausziehen der Kopfbolzen, das durch eine aus der Längsschubbeanspruchung entstehende Zugbeanspruchung bei Kopfbolzen in Randlage verursacht wird, verhindert werden. In der Befestigungstechnik ist dieser Versagensmodus als Betondruckstrebenbruch bekannt. Auf Basis experimenteller und numerischer Untersuchungen wurden in der vorliegenden Arbeit Parameter identifiziert, die ein Herausziehen beeinflussen. Weiterhin wurde ein Bemessungskonzept entwickelt, das es erlaubt, die randnahen Kopfbolzen außerhalb der geometrischen Randbedingungen nachzuweisen. Als zweite Fragestellung wurde weiterhin das Ermüdungsverhalten gerissener Betonfahrbahnplatten untersucht. Im Innenstützbereich von mehrfeldrigen Verbundgroßbrücken ist die Betonfahrbahnplatte aufgrund einer aus der negativen Momentenbeanspruchung resultierenden Zugbeanspruchung gerissen. Dabei spannt die weit auskragende Betonfahrbahnplatte bei Anordnung von stählernen Kragträgern vorwiegend in Längsrichtung und wird anders als im Massivbau nicht vorgespannt. Gleichzeitig wirken lokale Radlasten als zyklische Querkraftbeanspruchung direkt auf die Fahrbahnplatte. Die zyklische Querkraft muss dann über die aus Längszug gerissenen Betonfahrbahnplatte zu den Querträgern hin übertragen werden. Zur Klärung des Tragverhaltens der gerissenen Betonfahrbahnplatte unter einer zyklischen Querkraftbeanspruchung wurden Versuchsdaten aus der Literatur gesammelt und zusammen mit eigenen Versuchen ausgewertet. Dazu wurden Einstufen-Versuche vorgestellt, die es erlauben das Tragverhalten und den Einfluss einzelner Parameter auf das Ermüdungsverhalten zu identifizieren sowie Ermüdungsfestigkeitskurven abzuleiten. Der Einfluss einer realitätsnahen Beanspruchung mit wechselnder Belastungshöhe auf die Ermüdungsfestigkeit wurde anhand von Mehrstufen-Versuchen analysiert und die lineare Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner überprüft. Auf Basis der Versuche aus der Literatur und den eigenen experimentellen Untersuchungen wurden bestehende Regelungen zur Rissbreitenbeschränkung gerissener Betonfahrbahnplatte und der bisherige Ermüdungsnachweis überprüft. Schließlich wurde das bisherige Konzept des Ermüdungsfestigkeitsnachweis, das einen Nachweis der Quasi-Dauerfestigkeit vorsieht, um einen expliziten Betriebsfestigkeitsnachweis auf Basis der linearen Schadensakkumulationshypothese unter Verwendung der ermittelten Wöhler-Linien erweitert.