Untersuchung der Haupt- und Quertragwirkung einer Trogbrücke mit SCSC-Fahrbahnplatte

Abstract

Gegenstand dieser Diplomarbeit ist die SCSC-Platte (Steel-Concrete-Steel-Composite-Plate), die am Institut für Tragkonstruktionen – Forschungsbereich Stahlbau der Technischen Universität Wien entwickelt wird. Die SCSC-Platte soll als Alternative zur Grobblechplatte im Bereich des Eisenbahnbrückenbaus mit kurzen Spannweiten dienen und dementsprechend als Fahrbahndeck von Trogbrücken und als Plattenbrücke Anwendung finden. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Quertragwirkung der SCSC-Platte als Teil einer Trogbrücke unter gleichzeitigem Einfluss der Haupttragwirkung. Die beiden Anwendungsfälle unterscheiden sich hauptsächlich darin, dass im Fall der Trogbrücke die SCSC-Platte als Untergurt des Hauppträgers fungiert und dadurch einer Zugbeanspruchung in Brückenlängsrichtung ausgesetzt ist. Diese Zugbeanspruchung hat nicht nur Auswirkungen auf die Kraftflüsse innerhalb der Platte, sondern verlangt auch eine detaillierte Beschreibung des Materialverhaltens von Beton und Hauptbewehrung unter Zugspannungen. Der erste Abschnitt dieser Arbeit widmet sich einer Kurzzusammenfassung der bisherigen Forschungen an der SCSC-Platte. Im zweiten Abschnitt werden einige Grundlagen zur SCSC-Platte wiederholt, bevor die Bezeichnungen der einzelnen Tragwirkungen definiert werden. Diese Bezeichnungen sollen auch für zukünftige Forschungsarbeiten verwendet werden, um Missverständnissen vorzubeugen. Auf Grundlage dieser Begriffsdefinitionen werden die Einwirkungen auf die Hauptbewehrung beschrieben. Der zweite Abschnitt endet mit der Vorstellung einer neuen Ausführungsvariante des Übergangs der SCSC-Platte zum Hauptträgersteg, die die Vorteile von früheren Ausführungsvarianten vereinen soll, ohne dabei deren Nachteile zu haben. Das dritte Kapitel widmet sich zur Gänze der Beschreibung eines Finite-Elemente-Modells, anhand dessen die SCSC-Platte untersucht werden kann. Ähnliche Finite-Elemente-Modelle existieren zwar bereits aus vorangegangenen Arbeiten, anhand der Beschreibung des Modells dieser Diplomarbeit können allerdings sämtliche aktuellen Erkenntnisse bezüglich Materialeigenschaften, Geometrie, Randbedingungen, Belastung und Belastungsgeschichte vereinigt dokumentiert werden. Um die Richtigkeit der Ergebnisse des beschriebenen Modells zu überprüfen, wird eine Reihe von Plausibilisierungsvergleichen angeführt, bevor im vierten Abschnitt eine Modellbildung für die Tragwirkung der SCSC-Platte in Querrichtung vorgestellt wird. Das Ergebnis ist eine relativ einfache Beschreibung des komplexen Tragverhaltens der SCSC-Platte über eine überschaubare Anzahl an ingenieurmäßigen Tragwirkungen. Im letzten Abschnitt dieser Diplomarbeit wird das Modell zunächst einer Parameterstudie unterworfen, bevor ermüdungswirksame Spannungsschwingbreiten für die Hauptbewehrungsstäbe ermittelt werden. Die erste Erkenntnis der Parameterstudie ist, dass Hauptbewehrungsstäbe mit einem Durchmesser von 30mm zu bevorzugen sind. Weiters konnte der positive Einfluss der Haupttragwirkung auf die Durchbiegung und Dübelkräfte beobachtet werden, sowie die vereinfachte Modellierungsvariante der Hauptbewehrungsstäbe als eindimensionale Linienelemente für zukünftige Forschungen ausgeschlossen werden. Im Rahmen der Ermittlung der Spannungsschwingbreiten konnte die Quertragwirkung als ermüdungskritische Tragwirkung für die Hauptbewehrung identifiziert werden. Abschließend wird eine Zusammenfassung der Ergebnisse angeführt und ein Ausblick auf weitere sinnvolle Forschungsarbeiten gegeben.

Subject of this master thesis is the SCSC-Plate (Steel-Concrete-Steel-Composite-Plate), which is beeing developed at the Institute of Structural Engineering – Research Unit Steel Structures of the TU Wien. The SCSC-Plate should serve as an alternative for very thick steel plates for short-span railway bridges and therefore find usage as a deck slab of trough bridges and as a plate bridge. This thesis deals with the investigation of the transversal load-bearing behaviour as a deck slab of a trough bridge whilst simultaneously taking the longitudinal load-bearing behaviour into account.The main difference between the two cases of usage is the fact that the SCSC-Plate as part of a trough bridge functions as the main girder’s bottom flange and is therefore exposed to a tensile force in the longitudinal direction of the bridge. This tensile force doesn’t just influence the flow of force in the slab but also demands a detailed description of the material behavior under tensile stresses.The first section of this master thesis devotes itself to briefly summarize the previous research on the SCSC-Plate. A few basics of the SCSC-Plate will be repeated in the second section, before the designations of the individual load-bearing effects are defined. These designations should be used in future researches to avoid any misunderstandings. The effects on the main reinforcements are described on the basis of these designations. The second section ends with the presentation of a new design version of the transition between the SCSC-Plate and the main girder, which should combine the benefits of previous design versions without having their disadvantages.The third section devotes itself to the description of a finite-element-model, with which the SCSC-Plate can be studied. Similar finite-elemet-models do already exist from previous theses, but all the current findings regarding material properties, geometry, boundary conditions, loading and load history can be collectively documented by means of the discription of the model of this master thesis.To see if the results of the model can be trusted, a few plausibility checks are made before a modelling method of the transversal load-bearing behaviour of the SCSC-Plate is presented in the fourth section. The result is a relatively simple description of the complex load-bearing behaviour of the SCSC-Plate by means of a manageable amount of engineer-like load-bearing behaviours. In the last section of this master thesis the model is subjected to a parameter study before fatigue relevant stress ranges for the main reinforcement bars are calculated. The first finding of this parameter study is that main reinforcement bars with a diameter of 30mm are the most adventageous. Furthermore the positive effect of the longitudinal load-bearing behavior on the deflection and dowel forces can be observed and the modelling version of the main reinforcement as one dimensional beam-elements can be discarded for future researches. In the course of the calculation of the stress ranges, the transversal load-bearing behavior was identified as the critical load-bearing behaviour for the fatigue strength varification of the main reinforcements. Finally the last section consists of a summary of all relevant results as wells as an outlook on further useful researches.