Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Vorspannung von Segmenten aus dünnwandigen Hohlkästen

Abstract

Aufgrund der Urbanisierung der letzten Jahrzehnte werden viele Brückenbauten in der unmittelbaren Nähe von Ballungszentren errichtet. Da in der heutigen Zeit im Brückenbau eine schnelle Errichtung mit möglichst geringer Sperrzeit, Lärmbelästigung und Ressourceneinsatz im Vordergrund steht, wird an der TU-Wien im Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau ein neues Brückenbauverfahren entwickelt. Bei diesem Brückenbauverfahren werden in einem Fertigteilwerk dünnwandige Bauteile zu einem Hohlkastensegment zusammengesetzt und anschließend mittels Vorspannung auf der Baustelle zu 30−60 m langen Brückensegmenten verbunden. Diese Segmenteverfügen über ein geringes Eigengewicht und können mit speziellen Hebevorrichtungen sehr rasch in ihre finale Position gehoben werden. In einem der letzten Arbeitsschritte werden einzelne Aufbetonschichten hergestellt, um der Brücke ihren schlussendlichen Querschnitt zu verleihen. Da im Zuge der Entwicklung dieses Bauverfahrens versucht wird, den Querschnitt zu optimieren, gibt es Überlegungen, eine Mischung zweier Vorspannarten einzusetzen. Eine Überlegung war, über eine Teillänge der Spannglieder, welche zum Großteil extern im Hohlkasten geführt werden, einen nachträglichen Verbund herzustellen. Da eine solche Verbindung weder von den aktuellen Normen, noch von sonstigen Richtlinien abgedeckt wird, sollten dazu Untersuchungen getätigt werden. Zum besseren Verständnis des Tragverhaltens einer solchen Verbindung wurden im Labor der TU Wien an einem solchen Fertigteilsegment Versuche im großen Maßstab durchgeführt.Ein großer Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Beschreibung, der Auswertung und Interpretation der durchgeführten experimentellen Untersuchungen. Berechnet wurden dabei verschiedenste Reaktionsgrößen des Trägers anhand von direkten Weg- und Kraftmessungen sowie indirekter (fotogrammetrische) Messungen. Im Zuge der Ergebnisauswertung mussten zusätzlich einzelne Größen, welche nicht direkt gemessen werden konnten, mit konstitutiven Modellen ermittelt werden. Die Versuche haben gezeigt, dass ein Verbund über einen Teil der Läge des Spannglieds durchaus Vorteile bezüglich Traglast sowie der Gebrauchstauglichkeit birgt. Neben den geringeren Verformungen können zudem die Spannglieder deutlich höher ausgenutzt werden. Aufgrund von versuchstechnischen Rahmenbedingungen konnte der Erste der beiden Biegeversuche nicht bis zum Versagen belastet werden. In einem weiteren Teil dieser Arbeit sollte deshalb mit einer FE-Analyse versucht werden, das Verhalten des Segmentträgers nachzubilden, um das Versagen zu prognostizieren. Durch die Anwendung von Software, welche mit der finiten Elemente Methode arbeitet, konnte ein Modell erstellt werden, das die Charakteristik des Versuchsträgers gut nachbilden kann. Die Simulation des Versuchs bis zum Versagen hat gezeigt, dass dabei eine schlagartige Zerstörung der Betondruckzone eintritt. Im Anschluss daran konnte in einer Parameterstudie untersucht werden, welche Auswirkung die quantitative Größe der Vorspannkraft auf das Tragverhalten hat. Diese Untersuchung hat gezeigt, dass es einen direkten linearen Zusammenhang der beiden Größen gibt, sobald sich die Fuge zwischen den zwei Segmenten öffnet. Zusammenfassend kann anhand der Evaluierung der gewonnenen Ergebnisse gesagt werden, dass eine Verbindung zweier vorgespannter Segmente mit einem nachträglichen Verbund über eineTeillänge des Spanngliedes durchaus Vorteile bringt. Um im Zuge des neuen Brückenbauverfahrens solche Verbindungen einsetzen zu können, müssen jedoch noch weitere Untersuchungen zum Tragverhalten sowie der Dauerhaftigkeit durchgeführt werden.

As a result of urbanisation in recent decades, many bridges have been built in the vicinity of congested urban areas. To meet the demand for fast construction with the lowest possible noise pollution and resource input, the Research Group for Structural Concrete at the Vienna University of Technology is developing a new bridge erection method. In this new bridge erection method, thin-walled prefabricated elements are assembled to form a hollow box girder in a prefabrication factory. After being transported to the construction site they are connected to 30−60 m long beams on site using post-tensioning. These segments have a very low dead weight and can be lifted into their final position by special machinery. The final stage on site is to pour a layer of concrete on top of the structure to give the section its final shape. As an attempt is made to optimise the structure, consideration is being given to using a mixture of two post-tensioning methods. The idea was to create a bond on a partial length of post-tensioned tendons. Such a connection is not specified in the codes or other guidelines, so some investigation is required. In order to better understand the load-bearing behavior of that connection, large-scale experiments were carried out with such thin-walled pre-fabricated hollow box girders at the laboratory of the Vienna University of Technology. One of the main parts of this thesis is the description, evaluation and interpretation of the experimental investigations. Different reactions of the system have been measured, such as forces and displacements by direct measuring systems or strains by indirect (photogrammetric) measuring systems. In the course of the evaluation of the results some of the parameters had to be calculated using constitutive models. The investigations have shown that a bond on a partial length of post-tensioned tendons has advantages in terms of serviceability and usability. Not only are the deflections reduced, but there is also a better utilisation of the tendons.Due to the experimental conditions, it was not possible to test the external tendon experiment to its limit. Therefore, a second major part of this thesis, an FE-Analysis was to be be carried out to predict the failure behaviour. By using software, which uses the finite element method, it was possible to create a model that was able to behave in the characteristics of the real experiment. The simulation of the experiment up to failure showed that the beam with unbonded post-tensioning will collapse due to a sudden destruction of the compression zone. Also, a parameter study was carried out to better understand the effect of the post-tensioning force on the load bearing behaviour of such a beam. The investigations have shown that there is a direct linear relationship between these two parameters once the joint is opened.In summary, based on the evaluation of the results, it can be said that the connection of two post-tensioned segments by a joint with a bond on a partial length of post-tensioning tendons has advantages. In order to be able to use such connections in the new bridge construction method,further investigations regarding the load-bearing behaviour and durability need to be carried out.