FE-Untersuchung der Auswirkungen der Haupttragwirkung auf die SCSC-Platte als Fahrbahnplatte einer Trogbrücke anhand von Biaxialversuchen

Abstract

Für die SCSC-Platte als Fahrbahnplatte einer Trogbrücke stellt sich die dringende Frage, welche Mechanismen für ihre Tragfähigkeit verantwortlich sind. Frühere Forschungen haben ergeben,dass die Schubkraftübertragung zwischen dem Deckblech und dem Bodenblech bei dem Anwendungsfall Plattenbrücke durch ein Fachwerkmodell im Betonkern beschrieben werden kann. Beidem Anwendungsfall Trogbrücke ist die Platte einer erheblichen Zugkraft ausgesetzt, wodurch der Beton, mit dem sie gefüllt ist, Risse bekommt und der Quertragmechanismus in Frage gestellt wird.Zu diesem Thema werden Biaxialversuche an der Technische Universität Wien am Institutfür Tragkonstruktionen Forschungsbereich Stahlbau durchgeführt, deren Ergebnisse durch FE Modellanalyse unterstützt werden sollen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, wie sich diese Schubkräfte unter dem Zug aus der Haupttragwirkung verhalten und was mit dem Versuchskörper unter dieser biaxialen Krafteinwirkung geschieht.Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden mehrere Haupttypen und deren Varianten von Versuchskörpern hergestellt. In dieser Diplomarbeit liegt der Schwerpunkt auf dem Versuchskörper-Typ 1 und seiner fünf Untervarianten (VK1/1-VK1/5). Auf vier dieser fünf Versuchskörper wirdder Zug aus der Haupttragwirkung aufgebracht. Drei der Probekörper enthalten unterschiedliche Bewehrungsführungen. Im Folgenden wird vorgestellt, aus welchen Konstruktionselementen die Versuchskörper bestehen, wie sie aufgebaut sind und wie die Biaxialversuche durchgeführt werden sollen.Die Modellierung der Versuche erfolgt mit dem Explicit-Modul der Finite Elemente SoftwareABAQUS von Dassault Systèmes (ABAQUS/CAE 2019) [3]. Die Modelle wurden mit Hilfe von Finite-Elemente-Modellierungstechniken und Materialdefinitionen erstellt, die auf einer Reihe früherer Arbeiten zu diesem Thema basieren. Da das explizite Modul in erster Linie für dynamische Prozesse entwickelt wurde, werden die Berechnungen auf quasi-statische Bedingungen beschränkt.Zusätzlich zu den üblichen Berechnungsergebnissen (Spannungen, Verformungen) wurde ein starker Schwerpunkt auf die Analyse von Energiekurven gelegt, um die Prozesse im Innerender Platte besser zu verstehen. Darüber hinaus wird eine Reihe von Plausibilitätskontrollen des Materialmodells und der Gleichgewichtsbedingungen vorgestellt.Großer Wert wurde auf die Optimierung der Rechenzeit, der Anzahl der finiten Elemente und der Energiekurven für eine gegebene Rechenleistung gelegt. Da die Berechnung auf den Grundlagen der Dynamik basiert, müssen auch die Belastungsphasen nach Zeit und Größenordnungunterschieden werden.Es werden die Ergebnisse für jeden Probekörper unter verschiedenen Belastungsniveaus dargestellt.Die Auswirkungen der Haupttragwirkung auf die Schubtragfähigkeit der SCSC-Platte werden detailliert analysiert. Die Stärken und Schwächen der einzelnen Konstruktionsvarianten der Platte werden vorgestellt, ebenso wie die Schlussfolgerungen und zukünftigen Vorschläge.

For the SCSC slab as deck plate of a trough bridge, the urgent question is which mechanismsare responsible for its load-carrying capacity. Previous researches have shown that the shearforce transfer between the deck plate and the bottom plate in the case of a slab bridge canbe described by a truss model in the concrete core. In case of a trough bridge, the slab issubjected to significant tensile forces, which causes cracks in the concrete and calls into questionthe load-bearing capacity in the transverse direction.Biaxial tests are carried out on this topic at the Vienna University of Technology at the Institute of Structural Steelwork Research Department. The results of these experiments will be supported by FE model analysis. The main objective of this work is to investigate how these shear forces behave under the tension from the main bearing behaviour and what happens to the test specimen under this biaxial force action.Within the scope of this research project, several main types and their variants of test speciment were produced. In this thesis, the focus is on test specimen type 1 and its five sub-variants(VK1/1-VK1/5). The tension from the main load-bearing action is applied to four of these fivetest specimens. Three of the test specimens contain different reinforcements. In the following will be presented, wich elements the specimens contain, how the specimens are constructed andhow the biaxial tests are to be performed.The experiments are modeled using the Explicit module of Dassault Systèmes’ ABAQUS finiteelemente software (ABAQUS/CAE 2019) [3]. The models were created using finite elementmodeling techniques and material definitions based on a number of previous papers on the subject.Since the explicit module was developed primarily for dynamic processes, the calculations are restricted to quasi-static conditions. In addition to the usual computational results (stresses,deformations), a strong emphasis has been placed on the analysis of energy curves to better understand the processes inside the plate. In addition, a series of plausibility checks of the material model and of the equilibrium conditions are presented.Great emphasis was placed on optimizing the computation time, the number of finite elementsand the energy curves for a given computational power. Since the calculation is based on the dynamic theory, the load phases must also be differentiated according to time and magnitude.The results for each specimen under different loading levels are presented. The effects of the main bearing behaviour on the shear capacity of the SCSC slab are analyzed in detail. The strengths and weaknesses of each variant of the slab are presented, as well as the conclusions andfuture proposals.