Ermüdungsverhalten von Stahlträgern mit schlanken Stegblechen im Brückenbau

Abstract

Stahlträger mit schlanken Stegen haben im Verhältnis zu ihrem Eigengewicht eine sehr hohe Tragfähigkeit. Dies ermöglicht leichte und dadurch sehr wirtschaftliche Konstruktionen. Die Ausnutzung der hohen Tragfähigkeit ist jedoch mit großen Stegblechverformungen aus der Plattenebene verbunden. Bei wechselnder Belastung, wie dies besonders im Brückenbau der Fall ist, kommt es zu einem wiederkehrenden Ausbeulen der Stegbleche das als Stegatmen bezeichnet wird. Durch das Ausbeulen der Stegbleche können an den Schweißnähten entlang der Beulfeldränder Ermüdungsrisse entstehen, die zu einem vorzeitigen Ermüdungsversagen führen können. Die vorliegende Arbeit behandelt das Ermüdungsverhalten von Stahlträgern mit schlanken Stegblechen im Brückenbau. Schwerpunkt dieser Arbeit sind Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an typischen Stahl- und Verbundbrücken unter stochastischer Beanspruchung aus Verkehr. Dabei werden die einzelnen Teilaspekte Verkehrsbelastung, Ermittlung der ermüdungsrelevanten Beanspruchung und Ermüdungsfestigkeit ausführlich behandelt. Durch umfangreiche Parameterstudien an unterschiedlichen Brückensystemen wird getrennt für Straßen- und Eisenbahnbrücken ein einfacher Bemessungsvorschlag abgleitet. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit wird die Ausnutzung der hohen Tragfähigkeit von Stahlträgern mit schlanken Stegblechen auch im Brückenbau ermöglicht.

Steel plate girders with slender webs exhibit a very high bearing capacity in relation to their self weight. This allows lightweight and economical structures. However, the utilization of the high bearing capacity is combined with considerable out-of-plane deformations of the web. When a girder is subjected to cyclic loading, as e.g. in bridge design, repeated web buckling deflections (so called: web breathing) may lead to fatigue cracks. Such cracks generally commence at the fillet welds connecting the web to its boundary elements and can finally lead to the failure of the structure. The thesis deals with the fatigue behaviour of steel plate girders with slender webs in bridge design. Main attention is paid to a new comprehensive fatigue assessment procedure taking into account the real fatigue loading. The investigations are focused on different aspects as fatigue loading, determination of the fatigue relevant stress state and the fatigue resistance. By a large number of case studies on typical highway and railway bridge girders, easy to apply slenderness limitations were derived by which fatigue failure due to web breathing can be excluded. The results presented in this study lead to a more efficient design of slender steel plate girders so that one can take full advantage of the high load bearing capacity.