Zur Anwendung von karbonfaserverstärkten Polymeren im Brückenbau

Autor: Pascal Hodel
Sprache: Englisch

Kurzfassung

Konventionelle Hänger aus Stahl, die üblicherweise bei Netzwerkbogenbrücken verwendet werden, sind häufig anfällig für Dauerhaftigkeitsprobleme (Korrosion) und Ermüdung während ihrer Nutzungsdauer. Aufgrund ihres vorteilhaften Korrosions- und Ermüdungsverhaltens wird die Verwendung von Hängern aus karbonfaserverstärkten Polymeren (CFK) ungeachtet der relativ hohen Kosten als vielversprechende Alternative angesehen. Ziel dieser Ar-beit war es, bestimmte geometrische Parameter für Strassenbrücken, welche als Netzwerkbogenbrücken, ausgebildet sind zu ermitteln, bei denen der Einsatz von CFK-Hängern wirtschaftlich vorteilhaft sein könnte. Zu diesem Zweck wurden sowohl die Anschaffungs- als auch die Lebenszykluskosten in die Untersuchung einbezogen.

Um die praktischen Grenzen des wirtschaftlichen Einsatzes von CFK-Hängern auszuloten, wurde eine parametrische Studie mit dem Softwareprogramm Rhino/Grasshopper in Verbindung mit der Allzweck-Analyse-Software Sofistik durchgeführt. Zu den untersuchten geometrischen Parametern gehörten die Spannweite und die Breite (Anzahl der Fahrspuren) der Brücke. Darüber hinaus wurde der Einfluss der anwendbaren Verkehrslastmodelle unter Berücksichtigung der schweizerischen, europäischen und amerikanischen Normen (SIA, EN bzw. AASHTO) untersucht.

Die parametrische Studie zeigte, dass die Abmessungen der Hänger bei kurzen/schmalen Brücken durch den Ermüdungsgrenzzustand (FLS) bestimmt wird, während für längere/breitere Brücken der Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) maßgeblich ist. Für die angenommenen Materialeigenschaften, die Bemessungsmethode (die Bemessung von CFK-Bauteilen ist derzeit nicht kodifiziert) und die Stückkosten wurde festgestellt, dass CFK-Hänger wettbewerbsfähig werden, wenn der erforderliche Querschnitt der Stahlhänger unter dem FLS etwa doppelt so groß ist wie unter dem ULS, d.h. der FLS muss die Abmessungen der Hänger mit einer erheblichen Differenz gegenüber dem ULS bestimmen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass das Ergebnis der Studie stark von der gewählten Entwurfsvorschrift und den jeweiligen Verkehrslastmodellen abhängt. Da das AASHTO-Ermüdungslastmodell deutlich geringere Anforderungen an die Hänger stellt als die SIA- oder Eurocode-Modelle, sind CFK-Hänger unter den AASHTO-Bestimmungen generell weniger wettbewerbsfähig (siehe Abbildungen).

Um endgültige Empfehlungen zu den erforder-lichen geometrischen Parametern für wettbewerbsfähige CFK-Hänger geben zu können, sind weitere Untersuchungen in Bezug auf die Verankerung der Hänger und die Installationskosten erforderlich. Darüber hinaus muss die Interaktion des CFK-Hängernetzwerkes mit dem Bogensystem genauer untersucht werden: Im Allgemeinen werden im Vergleich zu einem äquivalenten Hängernetzwerk aus Stahl höhere Biegebeanspruchungen im Bogen und in den Verbindungen beobachtet. Nichtsdestotrotz scheint der Einsatz von CFK-Hängern eine vielversprechende Lösung zu sein, insbesondere für Netzwerkbogenbrücken, die nach europäischen Normen (EN/SIA) entworfen wurden.