Erstellung eines vollständigen Referenzmodells der SCSC-Platte als Plattenbrücke mithilfe dreidimensionaler nichtlinearer FE-Berechnungen

Abstract

Diese Diplomarbeit befasst sich mit der SCSC-Platte (Steel-Concrete-Steel-Composite Plate), welche am Institut für Tragkonstruktionen - Forschungsbereich Stahlbau der Technischen Universität Wien entwickelt wird. Dieser neuartige Brückentyp stellt eine Alternative zur Grobblechplattenbrücke dar und bietet bei annähernd gleicher Bauhöhe erhebliche wirtschaftliche Vorteile.Genauer wird in dieser Arbeit der Einsatz der SCSC-Platte als alleiniges Tragelement bei kurzen Spannweiten untersucht. Ziel ist es, ein vollständiges Referenzmodell der gesamten Konstruktion inklusive Lastaufstellung nach den gültigen Eurocodes zu erstellen, um Vergleiche und Kalibrierungen mit entwickelten Ingenieurmodellen und Versuchen zu ermöglichen. Die Modellierung erfolgt in dem Finite Elemente Programm ABAQUS. Bei der Berechnung handelt es sich um eine dreidimensionale, hochgradig nichtlineare Analyse. Aufgrund der enormen Rechenleistung,die eine solche erfordert, wurde das Modell auf einem externen Server des „Vienna Scientific Cluster“, dem VSC-5 [1] gerechnet.Die Geometrie der Konstrukion basiert auf den vorausgegangenen Forschungsarbeiten von Lorenz [2] und Horeschy [3]. Letzterer untersucht in seiner Diplomarbeit den Einfluss von Querbewehrungsstäben auf das Verformungsverhalten der Platte. Diese werden in dieser Arbeit übernommen und um Bügelbewehrungskörbe in den Betonkammern ergänzt. Aufgrund der einfachen Geometrie der Platte im Grundriss haben alle vorausgegangenen Arbeiten die Symmetrie der Konstruktion ausgenutzt und nur ein Viertel der Platte modelliert und berechnet. Diese Vorgehensweise bringt erhebliche positive Auswirkungen auf die erforderliche Rechenzeit mit sich. Der Nachteil liegt jedoch darin, dass die Belastung ebenso symmetrisch auf das System aufgebracht werden muss.Aus diesem Grund wurden bis dato immer nur die vertikalen Lastanteile des Lastmodells 71 laut ÖNORM EN 1991-2 [4] angesetzt. Um auch Horizontallasten berücksichtigen zu können, wurde indieser Arbeit die gesamte Brücke modelliert. Die Lastaufstellung umfasst die Eigengewichtslasten,vertikale Verkehrslasten inklusive Exzentrizitäten, horizontale Verkehrslasten aus Anfahren und Bremsen sowie Seitenstoß und Windlasten. Da es aufgrund der nichtlinearen Berechnung nicht möglich ist automatisch umhüllende Ergebnisse aus den ungünstigsten Lastkombinationen zu ermitteln, wird die Lastkombination für maximale Schnittgrößen in Feldmitte untersucht. Dabei wird ein System für die Lastaufbringung etabliert, bei dem die erforderlichen Lastniveaus für die jeweiligen Nachweise über einen Belastungszeitraum von 1,6 Sekunden erreicht werden.Die Ergebnisse der Finite Elemente Berechnung werden einer Plausibilisierung unterzogen, welche auf eine plausible Berechnung rückschließen lässt. Abschließend erfolgt eine Zusammenfassung der Resultate sowie die Nachweisführung für die Grenzzustände der Tragfähigkeit (ULS), der Gebrauchstauglichkeit (SLS) und der Ermüdungsfestigkeit (FLS) für die gesamte Konstruktion.Es zeigt sich, dass in den Bereichen der Dübel Spannungsspitzen sowohl im Stahl, als auch im Beton auftreten. Da diese Bereiche mit einem feinen FE-Netz modelliert wurden, lassen sich diese Spannungsspitzen mit einer guten Genauigkeit über kleine Bereiche mitteln. Mit dieser Vorgehensweise sind alle untersuchten Nachweise erbringbar. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell erweist sich somit als geeignetes Referenzmodell für weiterführende Untersuchungen an dieser Konstruktion.

This thesis deals with the SCSC plate (Steel-Concrete-Steel-Composite Plate), which is being developed at the Institute of Structural Engineering – Research Unit Steel Structures at TU Wien. This novel bridge type presents an alternative to conventional full section steel platebridges and offers significant economic advantages while maintaining a similar structural depth.This study specifically examines the application of the SCSC plate as the sole load-bearing element for short-span bridges. The objective is to create a complete reference model of the entire structure, including load specifications according to the applicable Eurocodes, to enable comparisons and calibrations with developed engineering models and experiments. The modeling is carried out using the finite element software ABAQUS. The performed calculation is a three dimensional,highly nonlinear analysis. Due to the immense computational power required for such an analysis, the model was processed on an external server of the “Vienna Scientific Cluster“,specifically the VSC-5 [1].The geometry of the structure is based on previous research by Lorenz [2] and Horeschy [3].The latter’s thesis investigates the influence of transverse reinforcement bars on the deformation behavior of the plate. These findings are incorporated into this work and supplemented with the addition of stirr up reinforcement cages in the concrete core segments. Due to the simple geometry of the plate in plan view, all previous studies have exploited the symmetry of the structure and modeled only a quarter of the plate. This approach significantly reduces the required computation time. However, the drawback is that the applied loads must also be symmetrical. For this reason, only the vertical load components of Load Model 71, according to ÖNORM EN 1991-2[4], have been considered in previous studies. To account for horizontal loads as well, this thesis models the entire bridge. The load setup includes self-weight, vertical traffic loads including eccentricities, horizontal traffic loads from acceleration and braking, as well as nosing force and wind loads. Since the nonlinear calculation does not allow for automatically determining themost unfavorable load combinations, the load combination for maximum internal forces at the mid-span is examined. A system is established for load application, where the required load levels for the respective verifications are reached over a loading period of 1.6 seconds.The results of the finite element analysis undergo a plausibility check, which confirms the plausibility of the calculation. Finally, the results are summarized, and verifications are carried out for the ultimate limit state (ULS), the service ability limit state (SLS), and the fatigue limitstate (FLS) for the entire structure. It is observed that stress peaks occur in both the steel and concrete in the areas of the interfaces of the shear connectors. Since these regions have been modeled with a fine FE-mesh, these stress peaks can be averaged with high accuracy over smallareas. Using this approach, all examined verifications can be fulfilled. The model developed in this study thus proves to be a suitable reference model for further investigations of this structure.