Effect of transverse bending on the shear capacity of concrete bridges

Autor: Dimosthenis Karagiannis
Sprache: Englisch
externe SeiteDOI: 10.3929/ethz-​b-000485497call_made

Kurzfassung

Die vorliegende Dissertation soll zu einem besseren Verständnis des Last-Verformungsverhaltens und einer zuverlässigeren Beurteilung der Tragsicherheit von Brücken mit Hohlkastenträgern beitragen, die durch Längsschub und Querbiegung kombiniert beansprucht werden. Aufgrund der Zunahme von Verkehrsvolumen und Verkehrslasten muss die Tragsicherheit einer grossen Anzahl bestehender Brücken überprüft werden, wobei die kombinierte Beanspruchung der Stege durch Längsschub und Querbiegung als wichtiger Lastfall zu berücksichtigen ist. Zwar besteht die Hauptaufgabe der Stege darin, die Querkraft in Brückenlängsrichtung abzutragen; infolge ihrer monolithischen Verbindung mit der Fahrbahnplatte erfahren sie jedoch zusätzlich auch Querbiegemomente. Diese resultieren einerseits aus der lokalen Biegung der Fahrbahnplatte infolge Lastabtrag in Brückenquerrichtung, andererseits aus der Einleitung von Torsionsmomenten, die durch exzentrische Lasten hervorgerufen werden, da der Hohlkasten die damit einhergehenden Verformungen als Rahmen behindert. Durch eine Versuchsreihe, die im Rahmen des Doktorats durchgeführt wurde, konnten die wichtigsten Parameter identifiziert werden, die das Last-Verformungsverhalten der Stege beeinflussen. Darauf basierend wurden verschiedene Nachweismethoden mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad entwickelt.

Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Ursache von Querbiegemomenten, fasst die relevanten Parameter zusammen, die das Last-Verformungsverhalten der Stege beeinflussen, und identifiziert bestehende Wissenslücken. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Definition der Versuchsserie zur Untersuchung des Tragverhaltens der Stege von Hohlkastenbrücken.

Im zweiten Teil wird das Versuchsprogramm vorgestellt. Insgesamt wurden zehn Versuche an orthogonal bewehrten Schalenelementen im Large Universal Shell Element Tester (LUSET), einer neuen Versuchsanlage an der ETH Zürich, durchgeführt. Die Versuchskörper wurden einer Kombination aus homogener Belastung und aufgezwungener Verformung unterworfen, um die aus globaler Beanspruchung resultierenden Randbedingungen für die Stege realitätsnah zu simulieren. Die variierten Parameter umfassten den Bügelbewehrungsgehalt, die kinematischen Randbedingungen und die Reihenfolge der aufgebrachten Belastungen. Um den Einfluss einer infolge Längsschub reduzierten Steifigkeit der Stege auf die Verteilung der Querbiegemomenten zu untersuchen, wurde ein Hybridversuch an einem Querschnitt der Brücke durchgeführt. In diesem Versuch bildete ein Finite-Elemente-Modell, dessen Steifigkeit kontinuierlich an die Biegesteifigkeit eines im LUSET eingebauten Versuchskörpers angepasst wurde, das globale Verhalten eines gesamten Brückenquerschnitts ab und gab die Belastung des Versuchskörpers vor. Eine Diskussion des Einflusses der untersuchten Parameter schliesst diesen Teil der Arbeit ab.

Basierend auf den Arbeiten von Seelhofer und Kaufmann wird im dritten Teil der Arbeit ein geschichtetes Schalenelementmodell definiert und dahingehend erweitert, dass einerseits Verformungen vorgegeben und andererseits verzahnte Risse mit fester Neigung berücksichtigt werden können. Die Eignung des Modells zur Vorhersage des Last-Verformungsverhaltens wird mit den im zweiten Teil der Arbeit erhaltenen Versuchsresultaten verifiziert. Nach erfolgter Validierung des vorgeschlagenen geschichteten Schalenelements wird die Anwendbarkeit von starr-ideal plastischen Modellen auf Bauteile mit sehr geringem Bügelbewehrungsgehalt diskutiert. Unter Verwendung der experimentellen Beobachtungen und analytischen Überlegungen auf Elementebene wird der Modellierungsansatz von Marti aufgenommen und angepasst, um seine Anwendbarkeit auf Fälle mit sehr geringem Bügelbewehrungsgehalt zu erweitern. Schliesslich wird ein zweidimensionales, hybrides Rahmen-/Schalenmodell zur Untersuchung des Systemverhaltens des Querschnitts von Hohlkastenbrücken eingeführt. Dieses ermöglicht eine realistischere Bestimmung der Querbiegemomentenverteilung, da die Steifigkeitsentwicklung der relevanten Elemente mit zunehmender Belastung berücksichtigt wird. Die experimentellen und theoretischen Erkenntnisse werden zur Entwicklung von Nachrechnungsverfahren verwendet, die den günstigen Effekt des Systemverhaltens auf die Grösse des massgebenden Querbiegemoments, das im Bruchzustand im Steg wirkt, berücksichtigen.

Die Arbeit schliesst mit einer Zusammenfassung der in den ersten drei Teilen der Arbeit erzielten Ergebnisse und einer Reihe von Empfehlungen für weiterführende Forschungsarbeiten.