Zum Trag- und Ermüdungsverhalten von Verbundbrücken mit randnahen Kopfbolzen und gerissener Betonfahrbahnplatte

Abstract

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.