Quantification of Compressive Membrane Action in Reinforced Concrete Bridge Decks

Autor: Yannick Kummer
Sprache: Englisch

Kurzfassung

Die Ermüdungsnachweise bestehender Brücken in der Schweiz können aufgrund höherer Lasten und konservativer Ansätze oft nicht erfüllt werden. Die Berücksichtigung der Compressive Membrane Action (CMA) kann das Tragverhalten besser abbilden, womit teure Massnahmen verhindert werden können. Die CMA entsteht durch die Behinderung der rissbedingten Ausdehnung der Brückenplatte und resultiert in einer bogenförmige Lastabtragung, was wiederum die Spannungen in der Bewehrung reduziert (Abb. 1).

Die Forschung befasste sich vorwiegend mit CMA in Querrichtung im GZT ohne Berücksichtigung der Längsrichtung. In dieser Arbeit wird der mittlere Abschnitt einer Hohlkastenbrücke untersucht, um die Auswirkung lokaler CMA kombiniert mit globalen Membrankräften (GMF) aus vertikalen Lasten und Vorspannung abzuschätzen.

Um das Tragverhalten besser zu verstehen, wurde ein liniengestütztes Modell erstellt. In diesem entstehen durch die Belastung keine GMF-Membrankräfte aus Biegung. Das mittlere Element reisst quer bei 0,2-facher Ermüdungslast (Abb. 2), was zu erhöhten Membrankräften führt (CMA-Effekt, Abb. 3). Zudem führt die GMF längs zu einem komprimierten Querschnitt und reduziert die Bewehrungsspannungen weiter (Fig. 2).

Abb.1: Bogenförmiges Lastverhalten von seitlich gehaltenen Trägern [1]

Die Belastung des mittleren Abschnitts der dreifeldrigen Hohlkastenbrücke führt sowohl zu GMF als auch zu lokaler CMA. Die Isolierung der lokalen CMA-Kräfte wurde durch das Einpassen einer Fläche an die Schnittkräfte gelöst (Abb. 4).

Das vereinfachte Modell hilft bei der Interpretation der Ergebnisse des komplexeren Verhaltens des Brückenplatte. Es wird angenommen, dass die Stege und der Zugring die seitlichen CMA-Kräfte mehr konzentrieren. Es zeigt unter anderem, dass die Neigung der Stege die CMA in der Kragplatte erhöht, was die Bewehrungsspannungen über dem Steg reduziert.

Diese Arbeit demonstriert das Potenzial von CMA, die berechneten Bewehrungsspannungen durch die Verwendung einer verfeinerten Analyse zu reduzieren, insbesondere kombiniert mit GMF. Zukünftige Forschung sollte die Berechnungen auf niedrigere GMF oder Zugkräfte und andere Brückentypen ausweiten. Eine experimentelle Validierung ist erforderlich, um den Weg für eine Integrierung von CMA in die Überprüfung bestehender Bauwerke zu ebnen.

[1] Thoma et al. (2019). Fatigue strength of deck slabs loaded predominantly in bending, AGB Project 2010/001

Fig. 4: Isolation of CMA from overall membrane forces

Fig. 5: Principal CMA for inclined vs. vertical webs