Zum Tragverhalten von dünnwandigen Brückenträgern mit Hohlkastenquerschnitt

Abstract

Eine ressourceneffiziente und zeitsparende Herstellung von Brücken ist angesichts derheutigen Anforderungen an die Reduzierung von Treibhausgasen und Nachhaltigkeit von entscheidender Bedeutung. Für den Bau von Brücken ist der Baustoff Beton trotz seines hohen CO2 Fußabdrucks nach wie vor unerlässlich. Deshalb gab es in den letzten Jahren Bestrebungen, mit Hilfe des Einsatzes von dünnwandigen Betonfertigteilen in neuentwickelten Brückenbaumethoden, den genannten Anforderungen gerecht zu werden. Diese Arbeit soll durch die Beantwortung von Fragestellungen hinsichtlich der Tragfähigkeit von Brückenträgern, welche bei der Anwendung dieser Verfahren entstehen, einen Beitrag dazuleisten. Es soll damit der Brückenbau mit dünnwandigen Betonfertigteilen zugänglicher gemacht werden und im Vergleich zu vorigen Ansätzen neue Möglichkeiten eröffnet werden.Hierfür werden die Querkraft- und Torsionstragfähigkeit von dünnwandigen Hohlkästen mit Bauteilfugen sowie die Einleitung von Vorspannkräften in diese Hohlkästen untersucht.Die hier vorliegende kumulative Dissertation setzt sich aus zwei Teilen zusammen, dem Teil I „Einleitung” und Teil II „Publikationen”. In Teil I werden zunächst die Problemstellungen,welche sich beim Bau von Brücken mit dünnwandigen Betonfertigteilen ergeben,erläutert und anschließend die Zielsetzung und die Forschungsfragen definiert. In den Grundlagen wird ein kurzer Rückblick zur Entstehung der neuen Bauweisen und deren erste Anwendung in der Praxis gezeigt. Zudem werden die Halbfertigteil-Segmentbauweise und das LT-Brückenbauverfahren beschrieben, welche als zentraler Ausgangspunkt für die auftretenden Fragestellungen dienten. Schließlich werden noch die mechanischen Grundlagen zum Querkraft- und Torsionstragverhalten von Hohlkästen und der Einleitung von Vorspannkräften beschrieben. Diese sind essentiell für das Verständnis der in TeilII beschriebenen Untersuchungen. Die grundsätzliche Vorgangsweise zur Beantwortung der gestellten Forschungsfragen erfolgt im Kapitel Methodologie. Dabei wird speziell auf die den einzelnen Publikationen zugeordneten Fragestellungen eingegangen. Im Zuge der Zusammenfassung der Publikationen werden die wichtigsten Erkenntnisse der jeweiligen Publikation erläutert sowie die Beantwortung der Forschungsfragen übersichtlich dargestellt.Teil II behandelt drei in internationalen Zeitschriften erschienene Publikationen. Alle drei Veröffentlichungen durchliefen dabei ein Peer-Review Verfahren. In der Publikation[1] wird die Querkrafttragfähigkeit von dünnwandigen Hohlkästen aus Beton untersucht,welche eine unbewehrte Bauteilfuge in den Stegen, jedoch durchgehende Boden- und Deckplatten besitzen. Hiefür wurden zwei großformatige, experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Bauteilfuge zwar zu einer Schwächung der Querkrafttragfähigkeit des Hohlkastens führt, jedoch trotzdem nennenswerte Querkräfteübertragen werden können. Weiters wurde der Einfluss einer Vorspannung untersucht,indem nichtlineare Finite-Elemente Berechnungen durchgeführt wurden. Hierbei zeigt sich,dass mittels Vorspannung ein Träger mit Bauteilfuge in den Stegen, dem Tragverhalten eines gewöhnlichen Hohlkastenträgers weitgehend entspricht.In der Publikation [2] wird das Torsionstragverhalten von dünnwandigen Hohlkästen aus Beton untersucht, welche eine unbewehrte und mit Querdruck belastete Bauteilfuge in den Stegen, jedoch durchgehende Boden- und Deckplatten besitzen. Hierfür wurden anhand von zwei großformatigen Versuchskörpern experimentelle Untersuchungen durchgeführt.Dabei zeigte sich, dass mit ausreichendem Querdruck auf der Bauteilfuge grundsätzlich keine Schwächung im Hinblick auf die Torsionstragfähigkeit entsteht. Das aufnehmbareTorsionsmoment wird jedoch durch die maximal übertragbare Schubspannung in der Bauteilfuge beschränkt.In der Publikation [3] wird ein neues Konzept zur Einleitung von Vorspannkräften in dünnwandige Hohlkästen vorgestellt. Dabei wird mit Hilfe des Einsatzes von Zug und Druckgliedern aus Stahl eine zentrische Lasteinleitung untersucht. Eine Serie aus 6 Versuchskörpern wurden im Labor der TU Wien in einer Druckprüfmaschine zur Simulation von Vorspannkräften getestet und mit nichtlinearen-Finite-Elemente Berechnungen analysiert. Dabei konnten die Lisenenlänge und die Anzahl der Stahlglieder als maßgebende Einflüsse identifiziert werden. Weiters wurde untersucht, ob die Herstellung der Lisenen in Form von Ortbeton oder als Fertigteilvariante effizienter im Hinblick auf die Krafteinleitung ist. Dabei stellte sich die Fertigteilvariante aufgrund der Möglichkeit zurdirekten Kraftübertragung mittels Normalspannungen in die Platten als die bevorzugte Variante heraus.

A resource-efficient and time-saving construction of bridges is crucial in light of today’srequirements for reducing greenhouse gases and enhancing sustainability. Despite its highCO2 footprint, concrete remains indispensable for bridge construction. In recent years,efforts have been made to meet these requirements by using thin-walled precast concrete elements in newly developed bridge construction methods. This work aims to contribute to this goal by addressing questions related to the load-bearing capacity of bridge girders that arise when applying these methods. It seeks to make bridge construction with thin-walled precast concrete elements more accessible and open up new possibilities compared to previous approaches. To achieve this, the shear and torsional load-bearing capacity of thin-walled hollow box girders with construction joints, as well as the introduction of post-tensioning forces into these hollow box girders, are investigated.This cumulative dissertation consists of two parts: Part I, "Introduction," and PartII, "Publications." In Part I, the problems that arise in the construction of bridges using thin-walled precast concrete elements are first explained, followed by the definition of the objectives and research questions. The fundamentals section provides a brief overview of the development of new construction methods and their initial applications in practice. Additionally, the semi-precast segmental construction method and the LTbridge construction method, which serve as the central basis for the emerging questions,are described. Finally, the mechanical principles of the shear and torsional load-bearing behavior of hollow box girders and the introduction of post-tensioning forces are explained.These principles are essential for understanding the investigations described in Part II. The fundamental approach to answering the research questions is presented in the methodology chapter, with a specific focus on the questions addressed in each publication. In the summary of the publications, the main findings of each publication are explained, and the answers to the research questions are presented.Part II addresses three publications that have appeared in international journals. All three publications underwent a peer-review process. In the publication [1], the shear capacity of thin-walled concrete hollow box girders, which have an unreinforced construction joint in the webs but continuous bottom and top plates, is investigated. For this purpose,two large-scale experimental investigations were carried out. It was found that although the construction joint weakens the shear capacity of the hollow box girder, significants hear forces can still be transmitted. Furthermore, the effect of post-tensioning was examined by performing nonlinear finite element calculations. The results showed that with post-tensioning, a girder with a construction joint in the webs largely corresponds tothe load-bearing behavior of a conventional hollow box girder.In the publication [2], the torsional load-bearing behavior of thin-walled concrete hollowbox girders, which have an unreinforced and transversely loaded construction joint in thewebs but continuous bottom and top plates, is investigated. For this purpose, experimental investigations were carried out using two large-scale test specimens. It was found that with sufficient transverse pressure on the construction joint, no weakening in terms of torsional load-bearing capacity occurs. However, the torsional moment is limited by the maximum transferable shear stress in the construction joint.In the publication [3], a new concept for the introduction of post-tensioning forces into thin-walled hollow box girders is presented. Using tensile and compressive steel members,a central load introduction is investigated. A series of six test specimens were tested in a compression testing machine at the TU Wien laboratory to simulate post-tensioning forces and analyzed with nonlinear finite element calculations. The length of the blisters and the number of steel members were identified as significant influences. Furthermore, itwas investigated whether the production of the blisters in the form of in-situ concrete oras precast elements is more efficient for load introduction. The precast variant proved tobe the preferred option due to the possibility of direct force transmission through normal stresses into the plates.