Areas of application of thin-walled precast concrete elements: From integral bridges with short and medium spans to multi-span bridges

Abstract

Eine Kombination aus rasant wachsender Infrastruktur und dem Streben nach innovativen Bauverfahren, die besonders wirtschaftlich auf Grund von ihrer Kosteneffizienz, Zeiteinsparung und Dauerhaftigkeit sind, können als Motivation für die Forschung, die in dieser Dissertation präsentiert wird, angesehen werden. Die grundliegende Idee auf der die vorliegende Forschung basiert ist die Kombination von regulären dünnwandigen Betonhalbfertigteilen und Ortbeton für eine schnelle und ökonomische Errichtung von Brücken. Durch die Umfunktionierung von den kostengünstigen Betonhalbfertigteilen zu Fertigteilträgern, die als verlorene Schalung für den nachträglich einbeziehungsweise aufgebrachten Ortbeton dienen, entsteht ein monolithisches Tragwerk, wobei der Vorfertigungsgrad sich äußerst positiv auf die Bauzeit auswirkt. Zusätzlich gewährt die hohe Qualität, die durch die Werkproduktion gewährleistet wird, eine erhöhte Dauerhaftigkeit der Struktur. In dieser Arbeit werden die Anwendungsgebiete für dünnwandige Betonhalbfertigteile, basierend auf den Forschungen von Gmainer (2011) und Wimmer (2016), für integrale Brücken mit kurzen und mittleren Spannweiten bis zu Mehrfeldbrücken genauer untersucht. Im Laufe von drei Forschungsjahren wurde eine gründliche Literaturstudie in Verbindung mit einer internationalen Umfrage fokussierend auf die Dauerhaftigkeit und die Nachhaltigkeit von Fertigteilbrücken durchgeführt. Zusätzlich wurden Mörtelproben standardisierten und nicht standardisierten Versuchen unterzogen, die Fugen zwischen den dünnwandigen Halbfertigteilen neugestaltet, Dauerschwingversuche durchgeführt, eine Beurteilung der Eignung von Fertigteilträgern aus Betonhalbfertigteilen für den integralen Brückenbau geprüft, Kastenquerschnitte für Brücken mit größeren Spanweiten entwickelt, produziert und getestet und für einen Designwettbewerb adaptiert. Verbesserungsmöglichkeiten für den Entwurf, die Berechnung und die Produktion von Fertigteilträgern aus Betonhalbfertigteilen, eine Beurteilung des Anwendungsbereiches für jene Fertigteile im integralen Brückenbau, die Umsetzbarkeit von den entwickelten Kastenquerschnitten sowie alle Erkenntnisse die aus den Großund Kleinversuchen gewonnen werden konnten werden in der folgenden Arbeit präsentiert.

The rapid growth in the worlds infrastructure in combination with the high expectations in innovative construction solutions, that should not only be costbut also time-efficient and durable, have been a great motivation for the research presented in this thesis, with the main idea being the implementation of standard thin-walled precast concrete elements in combination with cast in-situ concrete for the construction of bridge girders. By repurposing standard and cost-efficient prefabricated elements, which would serve as permanent formwork for the subsequently added in-situ concrete, creating monolithic structures, considerable reduction in the on-site construction work would be achieved. Additionally the high production quality of the elements would ensure the durability of the structure. This thesis describes the continuation of the research of Gmainer (2011) and Wimmer (2016) by looking into the areas of application of these thin-walled concrete elements starting from integral bridges with short and medium spans to multi-span bridges. In the course of three years of research a thorough literature study in combination with an international survey on the experiences with prefabrication in bridge construction with a focus on durability and sustainability, standardized and non-standardized tests of mortars needed for the construction of the girders out of thin-walled precast elements, a redesign of the joints between individual precast elements, large-scale fatigue testing, the assessment of the suitability of thin-walled precast bridge girders in regard to integral bridge construction, the design, construction and testing of large box-cross-sectioned prototypes made out of thin-walled precast elements as well as the participation in a design competition had been carried out. Considerations on possible improvements in design, the affirmation of the feasibility of building integral and multi-span bridges with girders out of thin-walled precast elements as well as all insights gained from the positive and negative outcomes of the conducted large-scale tests are described in the following thesis.