Numerische Untersuchungen zur Herstellung von Fahrbahnplatten aus Halbfertigteilen mit Aufbetonschicht am Beispiel einer Stahl-Beton-Verbundbrücke

Abstract

Eine wirtschaftliche Denkweise ist schon seit jeher ein wichtiger Aspekt bei der Errichtung vonBauwerken. Besonders im Brückenbau wird auf kurze Bauzeiten und kostengünstige Baumethoden geachtet, um ein konkurrenzfähiges Bauwerk herstellen zu können. An der Technischen Universität Wien am Institut für Tragkonstruktionen, Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau wird zur Zeit ein neues Bauverfahren zur Herstellung der Fahrbahnplatte für Stahl-Beton-Verbundbrückenentwickelt. Dieses soll die Vorteile der Orbetonbauweise mittels Verbundschalwagen und der Herstellung mit Fertigteilen kombinieren. Dabei werden die Halbfertigteilplatten mit einem Versetzwagen zum Einbauort transportiert, wo sie sowohl als tragende Bauteile wie auch alsSchalung der Aufbetonschicht dienen. Die wesentlichen Vorteile sind der Vorfertigungsgrad der Halbfertigteilplatten, sowie die Möglichkeit einer serienmäßigen Herstellung im Werk. In dieser Arbeit wird auf Grundlage des vorliegenden Konzeptes für das neue Bauverfahreneine numerische Berechnung der Fahrbahnplatte durchgeführt. Die zur Untersuchung gewählteVerbundbrücke führt über einen Fluss und wird als Dreifeldträger ausgeführt. Der Querschnittbesteht aus zwei Stahl-Hohlkastenträgern mit einer gevouteten Fahrbahnplatte. Ziel der statischen Berechnungen ist es, die Machbarkeit des Konzeptes zu hinterlegen. Im ersten Schritt wird die Fahrbahnplatte mit den aufgebrachten Ausbau- und Verkehrslasten dimensioniert. Zur Schnittgrößenermittlung erfolgt eine dreidimensionale Modellierung mit anschließender Bemessung der Fahrbahnplatte, sowie ein Ermüdungsnachweis von Bewehrung und Beton. Nachfolgend wird die Herstellung der Betonfahrbahnplatte nach dem neuen Verfahren mit Berücksichtigung der Bauphasen untersucht. Dazu werden vorerst Überlegungen zu den Halbfertigteilplatten angestellt, damit die Bauabschnitte festgelegt werden können. Bei dem gegebenen Beispiel wird die Fahrbahnplatte im Pilgerschrittverfahren hergestellt. Die abschnittsweise Betrachtung der Herstellung liefert wichtige Erkenntnisse über die Halbfertigteilplatten. Da die abgehängten Platten eine geringe Bauteildicke aufweisen, reagieren sie sehr empfindlich auf Änderungen der Abhängungen. Grundgedanke für die Berechnung ist es, die Abhängungen zu optimieren und so anzuordnen, dass eine serienmäßige Herstellung der Halbfertigteilplatten möglich ist.Um die Ergebnisse des FE-Gesamtmodells auf Plausibilität zu überprüfen, wird ein Vergleichsmodell konstruiert. Dieses besteht aus einem kürzeren Abschnitt der Fahrbahnplatte und wird statt auf den Brückenlängsträgern, auf Linienlagern gelagert. Durch das Verhalten der beiden Modelle kann kontrolliert werden, ob die Randbedingungen des Gesamtmodells richtig modelliert werden und die Schnittgrößen plausibel sind. Durch die zuerst durchgeführte Dimensionierung der Fahrbahnplatte kann wiederum das Modell mit den Berechnungen der Bauphasen überprüft werden. Schlussendlich sollen sich die Schnittgrößen nach dem Durchlaufen aller Bauschritte und dem Kriechen zum Zeitpunkt t = 1 den Schnittgrößen des Lehrgerüstzustands annähern

An economic mindset has always been an important aspect in the completion of constructions.Especially in bridge engineering, attention is paid to short construction times and cost-effectiveconstruction methods in order to be able to produce a competitive building. At the Institute ofStructural Engineering at the Technical University of Vienna, a new construction method forthe fabrication of deck slabs of steel-concrete-composite bridges is being developed. Therebythe advantages of the in-situ construction using a formwork carriage and the production withprecast deck elements are combined. The partial-depth precast deck slabs are transported withan installation carriage to the installation site. The installation carriage is a device, which canmove along the whole length of the bridge like a formwork carriage. At the installation sitethe partial-depth precast elements act as both, supporting part as well as formwork for the topconcrete layer. The main advantages are the prefabrication of the partial-depth precast elements,as well as the possibility of mass production.In accordance with the existing concept for the new construction method a numerical analysisof the deck slab is made. The chosen composite bridge for the analysis traverses a river and isdesigned as a three-span beam. The cross-section consists of two steel-box-girders with a varyingthickness of the deck plate. The aim of the static calculations is to prove the feasibility of theconcept. First of all the deck slab of the bridge with the dead loads and the traffic loads isdimensioned. A three-dimensional finite element model is designed to dimension the deck slaband the resistance of reinforcement and concrete to fatigue. Afterwards the fabrication of thedeck slab according to the new method with consideration of the construction stages is calculated.Initially it is necessary to make considerations to the partial-depth precast elements, so that theconstruction sections can be determined. In this example, the deck slab is manufactured in thepilger process. The section-wise consideration of the production provides important informationabout the partial-depth precast elements. Due to the small thickness of the precast elements, theyare very sensitive to changes in the suspensions. The keynote of the calculation is to optimize thesuspensions and arrange them in a certain way so that a serial production of the partial-depthprecast elements is possible.To check the dimensioning of the entire finite element model, a second model is being developedto compare the results. The second model comprises a shorter section of the deck slab and is notmounted on the longitudinal steel-box-girders but on line bearings instead. Comparing resultsof the two finite element models the boundary conditions of the entire model and the internalforces can be checked. With the dimensioning of the deck slab, the finite element model with thecalculations of the construction stages can be checked. Finally, the internal forces as a result ofthe construction stages and creeping at the time t = 1 should approximate the internal forces ofthe deck slab, when it would be cast in one piece on falsework (without considering constructionstages and creep effects).