Analyse des Ermüdungsverhaltens der SCSC-Platte = Analysis of the fatigue behaviour of the SCSC-Plate

Abstract

An der Technischen Universität Wien am Institut für Tragkonstruktionen im Forschungsbereich für Stahlbau wird eine neue, extrem schlanke Steel-Concrete-Steel-Composite (SCSC) Platte untersucht, mit der wesentliche Randbedingungen (niedrige Bauhöhe, Reduktion Lärmemission durch Schotteroberbau) bei Ersatzneubauten von Eisenbahnbrücken älterer Bauart befriedigt werden. Der mehrschichtige Aufbau der Platte besteht aus zwei außenliegenden Stahlblechen mit unbewehrtem Betonkern, daher der Name Sandwichplatte. Lochdübelleisten, wechselweise nur am oberen und nur am unteren Blech angeschweißt, dienen der Schubübertragung zwischen den äußeren Blechen durch die Aktivierung von diagonal liegenden, horizontalen Betondruckstreben zwischen benachbarten Dübelleisten. Zusätzlich zur Weiterleitung der Vertikallasten in Querrichtung zu den Hauptträgern wirkt die SCSC-Platte als Untergurt der Brückenhauptträger. Untersuchungen zur Tragfähigkeit ohne Ermüdung sowie die Erläuterung des Tragmechanismus der SCSC-Platte erfolgten in [1, 2, 3]. Der nächste Schritt zur Anwendbarkeit der SCSC-Platte als Fahrbahndeck für Eisenbahnbrücken war die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens dieses Bauteils. Die rechnerische Beurteilung des Tragverhaltens bei Ermüdungsbeanspruchungen wird in dieser Arbeit vorgestellt, wobei der Fokus auf das Ermüdungsverhalten der Lochdübelleiste als Konstruktionselement mit Schlüsselfunktion (Schubübertragung durch Betondruckstreben) für die Tragwirkung der SCSC-Platte gerichtet ist. Die Ermüdungsanalysen wurden anhand nichtlinearer, dreidimensionaler Finite-Elemente- Modelle als Grundlage für die Lebensdauerberechnung mithilfe der Kerbdehnungsmethode durchgeführt. Ziel war es, die Beziehung zwischen dem Niveau der Verkehrslast (Lastmodell 71 [4]) und der ertragbaren Anzahl der Schwingspiele bis Rissbildung in den Dübelleisten entsteht, zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt, bei denen sowohl der Einfluss vieler Modellierungsparameter auf die Lebensdauer, als auch reale Einflüsse wie Stahlsorte, Betongüte und Schotterbetthöhe, die während der Planung und der Realisierung eines Brückenprojektes variiert werden können, untersucht wurden. Schließlich wurden die Wöhlerlinien in Analogie zu den im Eurocode 3 [5] angegebenen Kerbfallklassen nach Linearisierung ihrer nichtlinearen Funktionsverläufe nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate durch die Wöhlerlinienneigung und der ertragbare Verkehrslastschwingbreite bei zwei Millionen Lastwechseln definiert.

At Vienna University of Technology, Institute of Structural Engineering, Research Centre of Steel Structures, a new, extremely slender steel-concrete-steel composite (SCSC) plate is under investigation to meet the requirements of todays standards related to the geometric conditions and noise emission in the substitution of old railway bridges. The multi-layer structure of the plate consists of two steel cover plates with an unreinforced concrete core, hence the name of sandwich plate. Perforated shear connectors, welded alternately to only one of the outer steel plates, work together to ensure the transmission of the shear flow between the outer plates, by the activation of diagonal, horizontal concrete compression struts between neighboring dowel bars. In addition to the distribution of the vertical loads in cross direction to the main girders, the SCSC deck slab also acts as main girder bottom flanges. Investigations on the static loadbearing capacity as well as an explanation of the load-carrying mechanism of the SCSC plate were made in [1, 2, 3]. The next step towards the application of the SCSC plate as a deck slab for railway bridges was to investigate the fatigue behaviour of this structural element. Evaluation of the fatigue behaviour of the SCSC plate is presented in this work, focusing on the fatigue life of shear connectors. In the course of research nonlinear, three-dimensional finite element models served as basis for the lifetime calculations using the local strain-life method. The aim was to investigate the relation between the range of traffic load (Load Model 71 [4]) and the bearable number of load cycles of the SCSC plate till crack initiation in the shear connectors. For this purpose, extensive parameter studies were carried out, which examined the influence of many modeling parameters on the lifetime, as well as real influences such as steel grade, concrete grade and ballast beg height, which can be varied during the planning and realization of a bridge project. Finally, the Wöhler curves were defined analogously to the fatigue strength categories specified in Eurocode 3 [5]: After linearization of their nonlinear functions using the least squares method they were defined by the slope and the sustainable traffic load range at two million cycles.