Numerische Untersuchungen von optimierten Bauabläufen bei der Herstellung der Fahrbahnplatte einer Stahlbetonverbundbrücke mit Fertigteilen

Abstract

Für Ersatzneubauten bestehender Brückentragwerke spielen die Gesamtkosten, die Bauzeit,der Materialverbrauch und mögliche Verkehrsbehinderungen und Totalsperren eine große Rolle.Das neue Brückentragwerk kann in Stahlbeton-, Spannbeton- oder Stahlbetonverbundbauweise errichtet werden. Um die gegebenen Anforderungen zu erfüllen, bietet sich besonders die Verbundbauweise an. Die Herstellung der Fahrbahnplatte kann für alle Bauweisen mit Ortbeton oder mit Fertigteilen erfolgen. Bei der Ortbetonbauweise erfolgt die Herstellung üblicherweise mit einem (Verbund-)Schalwagen. Eine raschere Herstellung der Fahrbahnplatte verspricht die Verwendung von Fertigteilen. Hier wird zwischen Vollfertigteilen und Halbfertigteilen, welche mit Aufbeton ergänzt werden, unterschieden.Zur Herstellung der Fahrbahnplatte in Halbfertigteilbauweise wurden am Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien dünnwandige Fertigteile entwickelt. Diese Fertigteile sind im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigteilen mit einem Querträger verstärkt und somit in der Lage ihr Eigengewicht, die Lasten des Aufbetons und die Bauausführungslasten ohne zusätzliche Unterstützungen an die Stahlkonstruktion abzutragen. Ein Großteil der Bewehrung für den Endzustand ist in den Elementen bereits eingelegt und die Elemente wirken auch im Endzustandals verlorene Schalung voll bei der Lastableitung mit. Die entwickelten Fertigteile ermöglichen durch die genannten Vorteile eine weitere Reduktion der Bauzeit.Als Beispiel für einen notwendigen Ersatzneubau einer Bestandsbrücke wird in dieser Arbeit die Luegbrücke am Brennerpass in Tirol behandelt. Dazu werden für die geplante Verbundlösung des Neubaus vier unterschiedliche Bauablaufvarianten, wie die vorgestellten Fertigteile zur Herstellung der Fahrbahnplatte zum Einsatz kommen können, analysiert. Ausgangssituation für die statische Analyse mit der Finite-Elemente-Methode ist die bereits montierte Stahlkonstruktion, auf welcher der Versetzwagen fahren kann, um die Fertigteile zu verlegen. Die Unterschiede zwischen den Bauablaufvarianten bestehen darin, dass das Betonieren des Aufbetons abschnittsweise oder im Pilgerschrittverfahren erfolgt und ob der Aufbeton in einem Arbeitsschritt aufgebracht wird oder vorab ein Teilverbund zwischen den Fertigteilen und der Stahlkonstruktion hergestellt wird. Aus den Kombinationen der beiden Variablen ergeben sich die vier untersuchten Varianten.Die Fragestellung der Diplomarbeit ist, welche der Bauablaufvarianten in statischer Hinsicht die beste Lösung darstellt und im Zuge einer weiteren Optimierung des Querschnitts eine Reduktion der erforderlichen Kosten und des Materialverbrauchs erzielen kann. Es konnte festgestellt werden,dass die Variante 4, bei welcher sowohl eine optimierte Version des Pilgerschrittverfahrens angewendet wird, als auch vorab ein Teilverbund hergestellt wird, hinsichtlich der Spannungsausnutzung die beste Lösung darstellt.

The total costs, construction time, material consumption and possible traffic obstructions and total closures play a major role in the replacement of existing bridge structures. The new bridgestructure can be built using reinforced concrete, prestressed concrete or reinforced concrete composite construction. The composite construction method is particularly suitable for fulfilling the given requirements. The deck slab can be constructed using in-situ concrete or precastelements for all construction methods. In the case of in-situ concrete construction, production is usually carried out using a formwork carriage. The use of precast elements promises a faster production of the deck slab, whereby a distinction is made here between fully prefabricated partsand semi-prefabricated parts, which are supplemented with concrete.Thin-walled precast elements were developed at the Institute of Structural Engineering atTU Wien to produce the carriageway slab using the semi-precast construction method. Incontrast to conventional precast elements, these precast elements are reinforced with a crossbeam and are therefore able to transfer their dead load, the loads of the fresh concrete and the construction loads to the steel structure without additional supports. A large part of there inforcement for the final state is already inserted in the elements and the elements also fully contribute to the load transfer in the final state as permanent form work. The prefabricated elements developed enable a further reduction in construction time thanks to the aforementioned advantages.The Luegbrücke on the Brenner Pass in Tyrol is analysed in this paper as an example ofa necessary replacement construction of an existing bridge. For this purpose, four different construction process variants are analysed for the planned composite solution of the new construction,as to how the prefabricated parts presented can be used to produce the carriageway slab. The starting point for the static analysis using the finite element method is the already assembled steel structure, on which the installation carriage can travel in order to install the precast elements.The differences between the construction process variants are that the concreting of the top concrete layer is carried out in sections or using the pilgrim step method and whether the concrete layer is applied in a single work step or a partial bond is created in advance between the precast elements and the steel structure. The four variants analysed result from the combinations of the two variables.This diploma thesis aims to analyse which of the construction sequence variants represents the best solution in structural terms and can achieve a reduction in the necessary costs and material consumption in the course of further optimisation of the cross-section. It was found that variant 4, in which both an optimised version of the pilgrim step method is used and a partial composite is produced in advance, represents the best solution in terms of stress utilisation.