Großversuche an Wälzgelenken zur Weiterentwicklung des Brückenklappverfahrens

Abstract

Seit dem 19. Jahrhundert ist die Verwendung von Wälzgelenken aus Beton im Brückenbau bekannt. Während Wälzgelenke damals vorwiegend ungepanzert ausgeführt wurden, kam in den 1930iger Jahren die Idee auf, sie zur Erhöhung der Belastbarkeit und zur Vereinfachung der Herstellung an den Kontaktstellen mit einer stahlgepanzerten Oberfläche zu versehen. Für die Bemessung der Gelenke wurden, mangels Alternativen, die Hertz'schen Formeln als Vergleichswerte herangezogen, die für homogene Körper eine (theoretisch) exakte Lösung liefern; die durch die Stahlpanzerung erzeugte Inhomogenität wird damit allerdings nicht abgebildet. Verbreitet waren kontroverse Ansichten über die tatsächliche Tragwirkung. Die Feststellung, dass die Anordnung einer Panzerung sich positiv auf die Tragfähigkeit auswirkt, blieb aber unbestritten. Die Tragfähigkeit wurde vorwiegend empirisch, auch im Praxistest an Bauwerken, ermittelt. Durch Ansprüche an Dauerhaftigkeit und einkalkulierte Unsicherheiten waren die Gelenke tendenziell überdimensioniert. Im Laufe der Zeit wurden die Wälzgelenke beim Bau von Stahlbetonbrücken von anderen Ausführungen verdrängt und gerieten in Vergessenheit. Erst das Brückenklappverfahren, dessen Bauweise eine wirtschaftliche und einfache Herstellung der Knotenpunke fordert, verlangt die Klärung der Frage, wie Wälzgelenke zwar unter rollender Belastung, dafür ohne Ansprüche an Dauerhaftigkeit (Bauzustand) zu dimensionieren seien. Dazu wird vom Institut für Tragkonstruktionen- Betonbau an der TU Wien, mit finanzieller Unterstützung der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG), eine Versuchsserie durchgeführt, die Gegenstand dieser Diplomarbeit ist. Geklärt werden soll, wie der Radius, die verwendete Betongüte, und die Stärke des Panzerungsbleches die Belastbarkeit der Wälzgelenke beeinflussen. Dazu wird der Radius mit 500mm, 1.000mm und 2.000mm variiert, die Betongüte mit C20/25 und C50/60, und die Stärke der Panzerung mit 10mm und 30mm. Somit wird das in der Praxis zu verwendende Gelenk mit einer Breite von 1,0m im Maßstab 1:1 abgebildet. Die im Frühjahr 2009 hergestellten Wälzkörper werden im Sommer 2009 unter Lasten bis 12.000kN gegeneinander um ca. 17° gedreht, wodurch die rollende Belastung bei der Anwendung des Brückenklappverfahrens simuliert wird. Das Aufbringen der Lasten erfolgt in Stufen von 1.000kN oder 2.000kN, wobei unter jeder Laststufe derselbe Drehvorgang durchgeführt wird. Die Versuche finden im Labor des Institutes für Tragkonstruktionen in der Gußhausstrasse 28, 1040 Wien, am "großen Druckprüfrahmen" statt. Gemessen iii werden einerseits die für das Rollen unter der jeweiligen Laststufe erforderlichen Kräfte/ Momente, andererseits die einaxiale Verformung des Wälzgelenkes im Kontaktbereich der Wälzkörper. Aus beiden Messungen können Aussagen zum Zustand des Wälzgelenkes gewonnen werden, diese Diplomarbeit behandelt rein die Auswertung der Kräfte und Momente. Aus deren Verlauf wird, nach Herausrechnen der Reibungskräfte der Prüfanlage und der Widerstände aufgrund der Versuchsgeometrie, auf eine durch Beschädigung hervorgerufene Rollreibung rückgerechnet. Sie ist mit einem weiteren Parameter das Indiz für die Funktionstüchtigkeit eines Wälzgelenkes. Die Auswertung ergibt, dass der verwendete Radis einen weit geringeren Einfluss auf die Belastbarkeit eines Wälzgelenkes hat als Blechstärke und Betongüte. Für eine Abschätzung der Dimensionierung wird abschließend eine Formel angegeben.<br />

Hinges made of concrete have been used in bridge construction since the 19th century. They were predominantly not steel-clad at the time. In the 1930s an idea to endue the junctions of those hinges with a steel-clad surface was developed in order to increase load capacity and simplify production. Given a lack of alternatives, Hertz formulas were used to size the joints. While being able to deliver exact solutions for homogeneous bodies, these formulas do not map the inhomogeneity created by the process of steel-plating. Controversial notions about their effective structural abilities were common. Nevertheless, the fact that plating positively affects load-bearing capacity was undisputed. Loadbearing capacity used to be assessed empirically, including through practical tests involving buildings. Over time, the use of hinges in the construction of reinforced concrete bridges was forgotten about. Only the tilt-lift method, which demands an economical and simple way of establishing points of intersection, needs an answer to the question of how hinges may be dimensioned without requiring durability (state of construction) while supporting a rolling load. Therefore, the Institute of Structural Engineering - Concrete Construction at the Vienna University of Technology, with financial support by the Austrian Research Promotion Agency (FFG), is conducting a series of trials. These are the subject of this master's thesis. The question at stake is how radius, concrete quality and plating thickness affect load capacity of the hinges. Radiuses of 500 mm, 1.000 mm and 2.000 mm are being used; concrete quality is assumed at C20/25 and C50/60 respectively; and plating thickness at 10mm and 30mm. Hence the joint to be used in practice is pictured with a width of 1,0m at a scale of 1:1. The hinges produced in spring 2009 were loaded up to 12.000kN and rotated by about 17 degrees. This simulates the tilt-lift method's rolling load. Loading is carried out in steps of 1.000kN or 2.000kN with the same rotation being effected at every loading step. The trials have been conducted at the Institute's laboratory at Gußhausstraße 28, 1040 Vienna, using the 'large testing frame'. Both the forces and moments necessary for rolling at each loading step as well as the uniaxial deformation of the hinges at the junctions are being measured. Both measurements deliver insights into the condition of the hinges. This master's thesis exclusively deals with interpretation of forces and moments. The characteristics of those forces and moments are calculated to establish rolling friction due to damaging, controlling for frictional forces of the testing station and resistance due to geometry of set-up. Together with another parameter this allows for conclusions about operability of a hinge. v The results show that the radius affects load capacity of the hinges much less than plating thickness and concrete quality. Finally, a formula is provided to estimate dimension.