Entwicklung einer ingenieurpraktikablen Modellierung der SCSC-Platte als Fahrbahnelement einer Trogbrücke mittels RFEM

Abstract

Die SCSC-Platte (Steel-Concrete-Steel-Composite) stellt einen Verbundquerschnitt mit geringer Bauhöhe als Fahrbahnplatte für Trogbrücken dar. Im Zuge der Forschung wurde die Tragwirkung der SCSC-Platte bereits ausführlich mit dem FE-Programm ABAQUS [1] untersucht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll eine ingenieurpraktikable Modellierung der SCSC-Platteals Fahrbahnplatte einer Trogbrücke mit dem FE-Programm RFEM [2] entwickelt werden. Der Fokus liegt auf der Modellierung der SCSC-Platte. Durch das Modell soll eine rechenzeiteffiziente Möglichkeit zur Ermittlung von realitätsnahen Schnittgrößen geschaffen werden.Zwei Ansätze zur Modellfindung werden verfolgt. Zum einen die getrennte Modellierung von Quer- und Längstragwirkung auf Basis von Untersuchungen in ABAQUS, zum anderen die Modellfindung am Gesamtmodell mit dem Ziel die Tragwirkung der SCSC-Platte durch einen Zweipunktquerschnitt abzubilden.Im ersten Modellierungsansatz wird die Tragwirkung in Quer- und Längsrichtung zunächst getrennt voneinander untersucht. Ausgehend von Deck- und Bodenblech soll die Schubtragwirkung der SCSC-Platte abgebildet werden. Es wird je Richtung ein Parameter gewählt, mit dem die Tragwirkung unabhängig voneinander beeinflusst werden kann.Am Quermodell wird die Schubtragwirkung sowie anderweitige Vereinfachungen der Geometrieüber eine ideelle Dicke der Dübelleiste berücksichtigt. Mit dem Ziel, eine möglichst große Übereinstimmung zwischen RFEM- und ABAQUS-Modell zu erzielen, wird die Dicke iterativ angepasst. Der Fokus liegt dabei auf äquivalenten Vertikalverformungen und Schnittgrößen. Die Quertragwirkung kann durch eine ideelle Dübelleistendicke abgebildet werden.Das Modell zur Längstragwirkung wird auf den Erkenntnissen zum Quermodell aufgebaut.Die ideelle Dübelleiste aus dem Quermodell wird für das Längsmodell übernommen. Die Schubtragwirkung der SCSC-Platte in Längsrichtung soll über fikitive Druckdiagonalen berücksichtigt werden. Es stellte sich heraus, dass dieser Ansatz zu keinem geeigneten Längsmodell führt. Auf ein Zusammenführen der Modelle wurde daher verzichtet.Im zweiten Modellierungsansatz erfolgt die Modellfindung am Gesamtmodell der Trogbrücke,unter der Annahme, dass die SCSC-Platte durch einen Zweipunktquerschnitt bestehend aus Deck- und Bodenblech und unter Vernachlässigung des Betons und der Dübelleisten modelliert werden kann. Es wird eine diskrete Kopplung mit Starrstäben, eine kontinuierliche Kopplung mit Volumenkörpern und eine Verbindung von Deck- und Bodenblech über die ideelle Dübelleisteaus dem ersten Modellierungsansatz unterschieden. Die unterschiedlichen Kopplungsvarianten werden anhand von Modellierungsaufwand, Vorgangsweise zur Ermittlung der Ergebnisse, sowieder ermittelten Verformungen und Schnittgrößen beurteilt. Alle Kriterien berücksichtigend, wird die Modellierungsvariante mit der kontinuierlichen Kopplung von Deck- und Bodenblech als geeignetste Modellierung eingestuft.Für die präferierte Modellierungsvariante wird eine detaillierte Auswertung der Verformung und Schnittgrößen durchgeführt. Es folgt eine Vordimensionierung auf Basis des FE-Modells.Für den Grenzzustand der Tragfähigkeit werden Spannungs- und Stabilitätsnachweise geführt.Zudem wird der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für die Verformung der Trogbrücke und der Nachweis der Ermüdungsfestigkeit geführt.

The SCSC-plate (Steel-Concrete-Steel-Composite) represents a composite cross-section with a lowoverall height as a deck plate for trough bridges. In the course of the research, the load-bearingmechanism of the SCSC-plate has already been investigated in detail using the FE-software ABAQUS [1]. In the present work, an engineering model of the SCSC-plate as a deck slab of a trough bridge is to be developed using the FE-software RFEM [2]. The focus is on the modeling of the SCSC-plate itself. The model is intended to provide a computationally efficient means of determining realistic internal forces.Two approaches to developing a model are being pursued. On the one hand, the separate modeling of transverse and longitudinal load-bearing effects based on investigations in ABAQUS,and on the other hand, the modeling of the entire model to represent the loadbearing effect ofthe SCSC-plate through a two-point cross-section.In the first modeling approach, the transverse and longitudinal load-bearing effects are initially investigated separately. With the top and bottom steel plates as boundary requirements, the shear load-bearing effect of the SCSC-plate is to be modeled. For each direction, a parameter is selected with which the load-bearing effect can be influenced independently of one another.In the transverse model, the shear load-bearing effect as well as other simplifications of the geometry are taken into account by an ideal thickness of the shear connector. To achieve thebest possible alignment between the RFEM and ABAQUS model, the thickness is adjustediteratively. The aim is equivalent deformation and internal forces for both models. In conclusion,the transverse load-bearing mechanism can be represented by an ideal thickness of the shear connector.The model for the longitudinal load-bearing effect is based on the findings of the transversemodel, the refore the ideal thickness of the shear connector is adopted for the longitudinal model.The longitudinal shear resistance of the SCSC plate is to be taken into account through fictitious diagonal compression members. This approach does not lead to a suitable longitudinal model.Therefore it was decided not to merge the models.In the second modeling approach, the model is found on the overall model of the trough bridge,assuming that the SCSC-plate can be modeled by a two-point cross-section. As the concrete andthe shear connectors are neglected, the rigid shear load-bearing mechanism needs to be modeled.RFEM offers the following possibilities; a discrete coupling with rigid members, a continuous coupling with solid members - type contact, and a connection of top and bottom plate via theideal shear connector from the first modeling approach.The different connection options are evaluated based on modeling effort, the way of determining the results, and the results of the calculation for deformation and internal forces. Taking all criteria into account, the model with the continuous coupling of top and bottom plates with solid members is classified as the most suitable version.A detailed evaluation of deformation and internal forces is carried out for the preferred modeling version. This is followed by a preliminary dimensioning based on the FE-model. For the Ultimate Limit State, stress and stability checks are performed. In the Service ability Limit State, the actual deflection is compared to the limit value. For the Fatigue Limit State, selected checks are carried out.