Experimentelle Bestimmung der Dauerschwingfestigkeit von punktgeschweißter Bewehrung für den Einsatz in Fertigteilelementen von Fahrbahnplatten

Abstract

The following thesis investigates dynamic fatigue of spot-welded reinforcing bars. For this purpose, the bearing strength of deck slabs exposed to cyclic stress was tested on a scale of 1:1. The phenomenon of fatigue can occur on components subjected to non-static loading (dynamic stress). Especially bridge structures subjected to alternating loads are susceptible to the effects of fatigue. A new construction method for the assembly of deck slabs with pre-cast concrete segments and a covering layer of concrete was developed at the Institute of Structural Engineering. Following a short introductory summary of the thesis, the new construction method is defined in more detail in Chapter 2. A detailed presentation of the topics of the thesis follows in the Chapters 3 through 9. Two series of fatigue tests were carried out. In the first series, single reinforcement bars with welded crossbars were exposed to cyclic stress until failure. For the second test series, Oberndorfer Company produced test specimens in its factory near Herzogenburg in Austria. These contained welded wire meshes set in concrete which were exposed to cyclic stress until failure. These specimens represented neuralgic sections of a deck slab built according to the new construction method. From an economic point of view, the use of pre-cast elements is essential for the viability of this new construction method. These elements are used on site as lost formwork and connected by a covering concrete layer, creating a monolithic slab. The manufacturing of the pre-cast elements should be automatized as much as possible. The welded wire meshes are welded and placed mechanically. These automated processes require structural weld seams on the stress-bearing primary reinforcement in the slab. Cutouts of a slab constructed according to the new method were submitted to a cyclic stress fatigue test. Chapter 3 shows the metallurgical aspects of the welding process and the associated risk of fatigue failure under cyclic stress. Chapter 4 deals with the phenomenon of fatigue failure and describes the current standards on this topic. Discrepancies and contradictions in the verification procedure according to Woehler are discussed and compared. Chapter 5 presents the test equipment used. The fatigue test series with single bars are be described in Chapter 6. The results of the test series are compared to the current standard Woehler lines. Chapter 7 describes the test specimens of the deck slab designed according to the new construction method. In addition to the dimensioning and the manufacture of the test specimens, the test arrangement and measuring technique are shown. The second test series with specimens tested on a 1:1 scale are be evaluated in Chapter 8. In a retrospective of the preceding chapters all data retrieved are compiled and interpreted. Chapter 9 contains a summary of entire thesis.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Thema des Ermüdungsversagens geschweißter Bewehrungsstäbe untersucht. Hierbei wird die Tragfähigkeit von Fahrbahnplatten unter zyklischer Belastung im Maßstab 1:1 getestet. Das Versagensphänomen Ermüdung kann an nicht ruhend beanspruchten Bauteilen auftreten. Gefährdet hiervon sind vor allem Brückentragwerke, die wechselnden Belastungen ausgesetzt sind. Ein neues Bauverfahren zur Herstellung von Fahrbahnplatten für Brücken mittels Halbfertigteilen und Aufbetonschichten wurde am Institut für Tragkonstruktionen entwickelt. Nach einer einleitenden Kurzdarstellung der Diplomarbeit wird das neue Bauverfahren in Kapitel 2 näher erläutert. Die nähere Darstellung der im Rahmen dieser Diplomarbeit behandelten Fragestellungen erfolgt in den Kapiteln 3-9. Es wurden zwei Versuchsreihen zum Thema Ermüdung durchgeführt. In der ersten Versuchsreihe wurden Einzelstäbe mit angeschweißten Querstäben unter zyklischer Belastung bis zum Versagen getestet. In der zweiten Versuchsreihe wurden geschweißte Bewehrungsmatten im einbetonierten Zustand, unter zyklischer Belastung bis zum Versagen getestet. Für die Versuche im einbetonierten Zustand wurden von der Firma Oberndorfer im Werk Herzogenburg Versuchskörper angefertigt. Diese repräsentieren bestimmte neuralgische Punkte, die sich aus dem neuen Brückenbauverfahren ergeben. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten wesentlich für das neue Verfahren ist dabei der Einsatz von Fertigteilen. Vorort als verlorene Schalung verlegt, werden die Fertigteile mittels Aufbeton zu einer monolithischen Platte verbunden. Die Herstellung der Elemente soll in einem möglichst automatisierten Prozess stattfinden. Die nötige Bewehrung wird dafür maschinell gestrickt und verlegt. Dieser Grad der Automatisierung bedingt konstruktive Schweißnähte an der später tragenden Bewehrung in der Fahrbahnplatte. Ausschnitte einer mit diesem Verfahren hergestellten Fahrbahnplatte galt es im Rahmen einer Versuchsreihe unter Ermüdungsbeanspruchung zu testen. Kapitel 3 zeigt die metallurgischen Gegebenheiten eines Schweißprozesses und das damit verbundene Risiko des Ermüdungsversagens unter zyklischer Belastung. In Kapitel 4 wird das Phänomen Ermüdung beschrieben und der aktuelle Normenstand dazu erläutert. Dabei wurden Unterschiede und Widersprüche in den Wöhlerparametern aufgearbeitet und gegenüber gestellt. In Kapitel 5 werden die verwendeten Versuchsapparaturen und Gerätschaften vorgestellt und beschrieben. Die Versuchsreihe der Einzelstäbe unter Ermüdungsbelastung wird im Kapitel 6 angeführt. Es werden die Ergebnisse aus der Versuchsreihe den aktuellen Norm-Wöhlerlinien gegenübergestellt. In Kapitel 7 wird auf die Versuchskörper der Fahrbahnplatte nach dem neuen Brückenbauverfahren eingegangen. Neben der Dimensionierung und der Herstellung wird auch der Versuchsaufbau inklusive der Anordnung der Messtechnik gezeigt. Die Auswertung der Ergebnisse, der im Maßstab 1:1 getesteten Versuchskörper, erfolgt in Kapitel 8. Mit Rückblick auf die vorangegangen Kapitel werden sämtliche gewonnenen Daten aufbereitet und interpretiert. Kapitel 9 enthält eine Zusammenfassung der gesamten Arbeit.