Bewertung ausgewählter Konstruktionsdetails von Straßenbrücken unter Berücksichtigung der Ermüdung

Abstract

Straßenbrücken müssen während ihrer Nutzung eine Vielzahl von Überfahrten durch Personen- und Schwerlastverkehr überstehen und unterliegen somit hohen Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit. Zwei ausgewählte Tragsysteme für Straßenbrücken aus Stahl stehen deshalb im Mittelpunkt dieser Arbeit. Bei dem ersten ausgewählten Tragsystem handelt es sich um geschweißte dickwandige K-Knoten aus Rundhohlprofilen, wie sie beispielsweise in Stahlverbundstraßenbrücken mit Hohlprofilfachwerk zum Einsatz kommen. Für die Bemessung von dickwandigen K-Knoten (γ > 12; t > 8mm) gibt es jedoch noch keine bauaufsichtlich eingeführten Regeln. Vor allem für die Nachweise im Grenzzustand der Ermüdung, die nicht selten auf der Basis des Strukturspannungskonzeptes geführt werden müssen, existieren bisher keine Regeln. Demzufolge ist die erste Zielsetzung dieser Arbeit, einen normungsgerechten Vorschlag für die ansetzbaren Ermüdungsfestigkeiten für K- und KK-Knoten mit Spalt auf Nenn- und Strukturspannungsniveau herzuleiten. Dazu wurde eine Vielzahl an Versuchsdaten, einschließlich der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Ermüdungsversuche, statistisch ausgewertet. Die erarbeiteten Ergebnisse werden auch bei der Entwicklung der bevorstehenden neuen Normengeneration des Eurocode 3 berücksichtigt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von praxisnahen Empfehlungen zur Ausführung der Schweißnahtgeometrie von K-Knoten. Anhand von 27 Ermüdungsversuchen an einzelnen K-Knoten mit gezielter Wurzelspaltgröße und Nahtform konnten die Einflüsse von Schweißnahtunregelmäßigkeiten und Schweißnahtausbildung quantifiziert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind auch in eine DASt–Richtlinie eingeflossen, mit der ausführenden Firmen für eine wirtschaftliche Gestaltung der Schweißnähte eine Absicherung gegeben werden soll. Schweißnahtunregelmäßigkeiten, die einen bestimmten Wert nicht übersteigen und die bisher ansonsten aufwendig zu reparieren gewesen sind, können somit im Inneren der Hohlprofilknoten verbleiben. Werden jedoch ggf. nicht mehr vernachlässigbare Schweißnahtunregelmäßigkeiten detektiert, wird im Rahmen dieser Arbeit eine vereinfachte Möglichkeit vorgestellt, die Schweißnahtwurzelpunkte nachzuweisen bzw. den Nachweis gegen ein Schweißnahtversagen auf Grundlage des Strukturspannungskonzepts durchzuführen. Für Unternehmen des Stahlbaus im Brücken-, Kran- und Hochbau bzw. für Offshore-Projekte oder Windkraftanlagen wird so eine Möglichkeit gegeben, besonders wirtschaftlich zu fertigen. Darüber hinaus sind Ingenieurbüros durch eine normungsgerechte Erweiterung der ausführbaren Hohlprofilknotengeometrien nicht mehr auf aufwändige Sonderlösungen mit Rippenaussteifungen u.ä. angewiesen. Das zweite ausgewählte Tragsystem umfasst Straßenbrücken mit orthotropen Stahlfahrbahnplatten. Viele dieser Stahlbrücken, darunter auch große Autobahnbrücken, wurden in den 1960er bis 1980er Jahren errichtet und weisen inzwischen gravierende Ermüdungsschäden auf. Der Großteil dieser Stahlbrücken wird heute noch genutzt und nimmt darüber hinaus Schlüsselstellungen in der umgebenden Infrastruktur ein. Aufgrund der besonderen Wichtigkeit der Brücken für den jeweiligen Standort muss ein Ausfall verhindert, aber auch eine Teilsperrung vermieden werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, eine Sanierungslösung für Schäden der Kategorie 2 zu untersuchen, die bei möglichst geringem Eingriff in den laufenden Verkehr robust und dauerhaft ist. Der Fokus liegt hierbei auf geschraubten Lösungen, da diese mehrere Vorteile gegenüber einer geschweißten Sanierungsmaßnahme bieten, wie z. B. der Wegfall vorbereitender Maßnahmen (keine Einhausungen, keine Verkehrssperrungen etc.). Die betrachtete Sanierungslösung sieht darüber hinaus den Einsatz sogenannter Blindniete vor, die deshalb im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls Gegenstand der Untersuchungen sind. Hierzu wurde das Ermüdungsverhalten drei unterschiedlicher Blindniettypen experimentell untersucht und quantitativ nutzbare Ermüdungsfestigkeiten hergeleitet. Mit Hilfe experimenteller und numerischer Untersuchungen wurde anschließend die eigentliche Sanierungslösung näher beleuchtet. Dabei zeigen die Ergebnisse, dass eine dauerhafte Sanierungslösung unter Verwendung von Blindnieten sehr gut möglich ist und die Anwendung von geschweißten Sanierungsmaßnahmen erfolgreich vermieden werden kann. Die abschließend erarbeiteten Bemessungs- und Konstruktionsempfehlungen erleichtern außerdem die praktische Umsetzung der Sanierungslösung und ermöglichen darüber hinaus einen vereinfachten Ermüdungsnachweis auf Basis des Nennspannungskonzeptes. Die in dieser Arbeit und in den zugrundeliegenden Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse an der betrachteten Sanierungslösung waren so vielversprechend, dass zum einen als Pilotmaßnahme einzelne Schäden an der Rheinbrücke Leverkusen und zum anderen die Berliner Brücke bei Duisburg entsprechend der entwickelten Sanierungslösung saniert wurden.