Langzeitermüdungsversuche an zwei 19-litzigen Schrägkabeln mit 50 Millionen Lastwechseln

Abstract

Der Bau spektakulärer Brücken wird durch den Einsatz moderner Hochleistungsbaustoffe ermöglicht, welche basierend auf Erfahrungen und experimentellen Untersuchungen ständig weiterentwickelt werden. Neben den klassischen mechanischen Kennwerten, wie etwa der Bruchfestigkeit, ist der Nachweis des ausreichenden Widerstandes gegen Ermüdungsversagen bei Brückenbauwerken ein wichtiges Kriterium für die Bewertung von Material und Konstruktion. Als Haupttragelement bei Schrägkabel- und Extradosedbrücken ist die Summe aller Eigenschaften der Schrägkabel von großer Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit, welche über den gesamten Lebenszyklus der Brücke werden muss. Für Schrägkabelsysteme wird der Nachweis der Ermüdungssicherheit mit Hilfe von Dauerschwingversuchen experimentell geführt. Die Versuchsdurchführung und die zu erreichenden Prüfkriterien werden durch verschiedene internationale Vorschriften geregelt. Üblicherweise muss ein Prüfkörper im Dauerschwingversuch zwei Millionen Lastwechsel bei definierter Oberlast und Schwingbreite schadlos ertragen. Die Schwingbreiten und die Anzahl der Lastwechsel wurden in den Vorschriften aufgrund von Versuchspraktischen und wirtschaftlichen Überlegungen, resultierend aus den Randbedingungen bei konventionellen servo-hydraulischen Prüfeinrichtungen, definiert. Während ihrer Nutzungsdauer werden Schrägkabel von Brücken mit weit höheren Lastzyklenzahlen beansprucht, welche allerdings geringere Schwingbreiten aufweisen. Mit der Versuchseinrichtung der Technischen Universität ist es erstmals möglich, Ermüdungsversuche mit realitätsnahen Lastwechselzahlen, bei vertretbarem wirtschaftlichem und zeitlichem Aufwand, durchzuführen. So wurden unter Ausnutzung des Resonanzeffektes zwei hochfrequente Dauerschwingversuche mit 50 Millionen Lastwechseln am kompletten Schrägkabelsystem durchgeführt. Die direkt im Anschluss an den Ermüdungsversuch durchgeführten statischen Bruchversuche zeigten den hohen Widerstand gegen Ermüdungsversagen der 19-litzigen Schrägkabel. Es konnte ein geringer Rückgang der Bruchlast, sowie eine Verringerung der Bruchdehnung festgestellt werden. Die durchgeführten Versuche konnten die hohe Ermüdungssicherheit und die Redundanz der Litzenzugglieder sehr eindrücklich unter Beweis stellen. Mit den in den Versuchen erreichten 50 Millionen Lastwechseln konnte zudem eine Rekordmarke bei der experimentellen Ermüdungsuntersuchung für Schrägkabelsysteme gesetzt werden.

The construction of spectacular bridges and outstanding structures is made possible by the use of high performance building materials, which are constantly evolving through experimentation and experience. Cable-stayed bridges have been built in rapidly increasing numbers since the late 1950s. Stay cables are the main load bearing element of extradosed and cable stayed bridges. They are subjected to high tensile forces and, given the fact that cable supported structures are typically very light structures, the cables are exposed to high stress variations during their serviceable life time. Hence the importance of high fatigue resistant stay cables in bridge building. In stay cable systems the required resistance against fatigue is ascertained by fatigue testing. Procedures for testing and attainable criterions are regulated by international guidelines and recommendations. Strand stay cables are to withstand certification testing of two million load cycles with a certain stress range and a specific upper load, according to the relevant guideline or recommendation. The limitation of load cycles for fatigue testing is based on cost and time consumption of conventional servo-hydraulic testing facilities during tests on large tendons. In reality stay cables are subjected to a much higher number of load cycles caused by live loads, but lower stress ranges during their working life. The set-up for testing at the Institute for Structural Engineering at Vienna University of Technology provides the possibility of dynamic fatigue tests with a much higher number of load cycles, by the utilizing of the resonance effect. Two fatigue tests with different load parameters were carried out on a 19 strand stay cable system, in the course of this research project. Both cables were subjected to 50 million load cycles. The fatigue tests and subsequent tensile tests demonstrated the high fatigue resistance of the strand system.