• DFG-Projekt: ME 3296/11-1
• Projektdauer: 2023-2026
• Projektpartner: Technische Universität Berlin (TUB), Institut für Bauingenieurwesen,  Entwerfen und Konstruieren – Stahlbau

Stahlverbundkonstruktionen haben sich bei Großbrücken mit Stützweiten über 50 m als wirtschaftliche Bauweise etabliert. Die Verbundfugen werden in der Regel mit Kopfbolzendübeln ausgebildet, die bei Brücken dieser Bauart planmäßig häufig sowohl in Haupttragrichtung, als auch in Quertragrichtung beansprucht werden. Durch die Überfahrt der einzelnen Achsen der Fahrzeuge ergeben sich über die Nutzungsdauer Lastwechselzahlen im ultrahochzyklischen Bereich mit vergleichsweise kleinen Spannungsschwingbreiten. Zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von Kopfbolzendübeln sieht die DIN EN 1994-2 aktuell eine charakteristische Wöhlerlinie mit einer linearen Steigung von m = 8 ohne Dauerfestigkeitsbereich vor.

Im Rahmen dieses DFG-Forschungsvorhabens der Technischen Universität München (TUM) wird in Kooperation mit der Technischen Universität Berlin (TUB) eine experimentell und zuverlässigkeitstheoretisch begründete Dauerfestigkeitsgrenze herausgearbeitet und eine Analyse des Einflusses von mehrachsiger Beanspruchung für den ermüdungsbeanspruchten Schubverbund mit Kopfbolzendübeln durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wird ein neuartiger Prüfstand konstruiert, welcher Ermüdungsversuche von Kopfbolzendübelgruppen von bis zu 25 Dübeln in verschiedenen Belastungsrichtungen zulässt. Mithilfe der auf Ultraschall basierenden zerstörungsfreien Prüfmethode PAUT-Total-Focusing-Method (PAUT-TFM) werden die Dübel während der Versuche in festgelegten Abständen auf mögliche Anrisse untersucht, da vermutet wird, dass eine dauerfeste Konstruktion nur durch die Vermeidung eines Anrisses an den Kerben des Schweißwulstes der Kopfbolzendübel umgesetzt werden kann. Zusätzlich werden die Ergebnisse durch numerische Untersuchungen eines Finite-Elemente-Modelles unter Ansatz des Concrete Damaged Plasticity (CDP) Modelles ergänzt und verglichen. Abschließend werden Vergleichsmessungen an realen Verbundbrücken durchgeführt, um die erarbeiteten Ergebnisse zu verifizieren.

• AiF-FOSTA-Projekt: IGF-Nummer 22741 N/2
• Projektdauer: 2023-2025
• Projektpartner: Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Stahl- und Leichtbau, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine

WiB-Brücken sind Verbundbrücken mit in Längsrichtung einbetonierten Walzträgern. Die WiB-Bauweise findet mit zunehmender Tendenz verstärkt im (Ersatz-)Neubau von Eisenbahnüberführungen Anwendung. Im Spannweitenbereich zwischen 10 m und 30 m ist diese Verbundbauweise eine bewährte, wirtschaftliche und dominierende Lösung. Die integrale Bauweise im Brückenbau eröffnet zusätzlich ein wirtschaftliches, konstruktives und gestalterisches Potential. Durch den Entfall von Verschleißteilen, wie z.B. Lager-, Fugen- und Übergangskonstruktionen, als wesentliche Kostentreiber bei Errichtung und Unterhalt werden die Lebenszykluskosten deutlich reduziert.

In diesem Forschungsvorhaben sollen die wesentlichen Randbedingungen bei der Planung einer modularen WiB-Rahmenbrücke analysiert und identifiziert und eine einfache, praktikable und kostengünstige konstruktive Lösung für die WiB-Rahmenecke erarbeitet werden. Insbesondere werden die Leistungsfähigkeiten in der Erstellungs-, Betriebs- und Rückbauphase durch die geplante Umsetzung der WiB-Rahmenbrücke in modularer Bauweise optimiert, was vor allem einer Minimierung der Lebenszykluskosten als auch der volkswirtschaftlichen Effekten führen soll.

In enger Abstimmung mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) werden an der Technischen Universität München (TUM) zyklische Versuche an skalierten Probekörpern zur Untersuchung der Fügeverfahren der WiB-Fertigteile an der Rahmenecke durchgeführt, da das Verhalten der Fertigteilfugen eine wichtige Komponente bei der Konstruktion der WiB-Rahmenbrücke darstellt. Am KIT werden zeitgleich großmaßstäbliche statische und zyklische Versuche sowie numerische Untersuchungen durchgeführt, um ein ganzheitliches Bild des Tragverhaltens einer modularen WiB-Rahmenbrücke zu erarbeiten. 
 

• AiF-DASt-Projekt
• Projektzeitraum: 2022 - 2025

Nichtbegehbare Hohlkästen stellen im Brückenbau aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, den Vorteilen in der Fertigung und der Möglichkeit des Verzichts einer Korrosionsschutzschicht im Inneren der Träger eine nachhaltige und ressourcenschonende Bauweise dar. Aufgrund der geringen Größe des Hohlkastens ist die Zugänglichkeit jedoch beschränkt und eine Inspektion der Hohlkästen nur schwer möglich. Um Schäden vorzeitig zu vermeiden, unterliegt die Bauweise deshalb in Bezug auf die Dichtheit besonders hohen Anforderungen. Durch die täglichen und saisonalen Temperaturschwankungen im Inneren des Hohlkastens kommt es wegen dieser Dichtheit zu Druckschwankungen im Inneren des Kastens.

Der Geometrie geschuldet lassen sich zwei der Längsnähte von dichtgeschweißten Hohlkästen zwangsläufig nur von außen schweißen, sodass aufgrund fertigungstechnischer und wirtschaftlicher Aspekte die Schweißnähte i.d.R. als einseitig geschweißte Kehlnähte ausgeführt werden. Durch die Druckschwankungen im Inneren des Kastens erfahren diese einseitig geschweißten Kehlnähte im Vergleich zu den zweiseitig geschweißten Nähten eine zusätzliche Biegebeanspruchung um die Längsachse.

Im Forschungsvorhaben soll dieser außerplanmäßige Lastfall und die Tragfähigkeit einseitig geschweißter Kehlnähte näher betrachtet werden. Dafür werden zum einen auf Grundlage von Wetterdaten numerische Untersuchungen zum Erwärmungsverhalten dichtgeschweißter Hohlkästen durchgeführt. Aus diesen Untersuchungen lässt sich die zur Bemessung erforderliche Einwirkung herleiten. Zum anderen sollen durch experimentelle und numerische Untersuchungen an einseitig geschweißten Kehlnähten sowie am gesamten System „dichtgeschweißter Hohlkasten“ das Trag- und Ermüdungsverhalten betrachtet werden. Die Ergebnisse dienen der Entwicklung eines Modells zur Abbildung des Tragverhaltens und des Widerstands und können im weiteren Schritt zur Entwicklung eines wirtschaftlichen Bemessungsverfahren verwendet werden.

• AiF-FOSTA-Projekt: IGF-Nummer 04267/17
• Projektzeitraum: 2018 - 2021
• Projektpartner: Lehrstuhl für Massivbau der TUM, Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM)

Feuerverzinkung als lebenslanger Korrosionsschutz wird nun auch bei Brücken eingesetzt. Dies bietet sich vor allem bei Verbundrahmenbrücken an, für die aktuell eine sehr große Nachfrage besteht. Jedoch fehlen Konstruktionsformen, die nach der Verzinkung auf Schweißarbeiten verzichten. Die nachträgliche Spritzverzinkung der Stöße stellt einen Nachteil bzgl. Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit dar. Es sind daher verzinkungsgerechte Konstruktionen für den Brückenbau zu entwickeln, die durch einen Verzicht auf einen stählernen Obergurt und auf das Dichtschweissen der Kästen erhebliche wirtschaftliche Vorteile gegenüber heutigen Lösungen bieten. Forschungsziel ist die Entwicklung eines Vergussstoßes zum Fügen feuerverzinkter Verbundträger im Brückenbau. Dieser wird als Überlappstoß ausgebildet, bei dem das hochfeste Vergussmaterial auf Druck und die Stahlteile auf Zug und Biegung beansprucht werden. Dies ermöglicht ein fertigungsfreundliches Fügen von verzinkten VFT-Trägern, wie sie für Rahmenbrücken typisch sind. Im Projekt wird an Kleinproben ein geeignetes Vergussmaterial entwickelt. Das Trag- und Ermüdungs- und Korrosionsverhalten der Stöße wird durch Versuche an Klein- sowie an Bauteilversuchen experimentell und durch begleitende numerische Berechnungen erforscht. Die Resultate werden in einem Bericht und einer Broschüre zusammengefasst. Die Stahlbauteile von Rahmenbrücken werden von KMU der Stahlbaubranche ausgeführt. Durch die Feuerverzinkung, die neue offene Ausführung der Hohlkästen und dem Verzicht auf eine Spritzverzinkung wird die Wirtschaftlichkeit der Brücken deutlich erhöht. Durch den lebenslangen Korrosionsschutz und der Vermeidung von Wartungsstößen steigt die Attraktivität der Bauweise und der volkswirtschaftliche Nutzen. Der zukünftige Marktanteil von verzinkten Brücken für Überführungsbauwerke über Autobahnen kann damit signifikant erhöht werden. Davon profitieren sowohl mittelständische Stahlbauunternehmen, Verzinkereien und Ingenieurbüros als auch die Allgemeinheit.

Ein wichtiger Gesichtspunkt für die Dauerhaftigkeit einer Stabbogenbrücke ist die Ermüdungssicherheit der Hänger, die wesentlich von der Ausbildung der Anschlussdetails abhängt. Zur Optimierung dieser kritischen Stellen werden verschiedene Anschlusstypen untersucht, Konzepte zur dynamischen Ermittlung der Spannungsschwingbreiten aus Verkehr unter Berücksichtigung von Exzentrizitäten und Anschlusssteifigkeiten ermittelt und anhand von FE-Modellen Geometrien mit geringen Spannungsspitzen gesucht. Mithilfe von Schweißnahtsimulation werden die Anschlüsse dahingehend optimiert, dass ungünstige Eigenspannungen minimiert und Kerbeffekte aus der Fertigung gering gehalten werden, um so ein günstigeres Ermüdungsverhalten zu erreichen. Die Untersuchungen sind Teil eines interdisziplinären Forschungsprojekts zur Nachhaltigkeitsbewertung von Eisenbahnbrücken. Neben der funktionalen Qualität, auf die sich oben Genanntes bezieht, werden ökologische, ökonomische und soziale Aspekte berücksichtigt, mit der Zielsetzung ein ganzheitliches Bewertungssystem zu schaffen.

Aufgrund ihrer langen planmäßigen Nutzungsdauer von 100 Jahren spielt die Nachhaltigkeit bei Brückenbauwerken eine besonders große Rolle. Im Rahmen eines großen Forschungsprojekts mit fünf Forschungsstellen und verschiedenen Industriepartnern wird die Nachhaltigkeit von Stahl- und Verbundbrücken untersucht. Für eine ganzheitliche Analyse werden Aspekte der ökologischen Qualität, der ökonomischen Qualität und der sozialen und funktionalen Qualität mit konkreten brückenbauspezifischen Kriterien hinterlegt. Um eine wirklich ganzheitliche Sichtweise zu gewährleisten, sind Analysen auf verschiedenen Ebenen notwendig, von Detailuntersuchungen an kritischen Punkten des Bauwerks über Untersuchungen am Brückenbauwerk selber bis hin zu den Auswirkungen auf die direkt betroffenen Verkehrswege, z.B. durch die Bestimmung des volkswirtschaftlichen Nutzens im überregionalen Zusammenhang. Die Methodenentwicklung zur ganzheitlichen Bewertung der Nachhaltigkeit wird anhand von drei Brückentypen vorgenommen, denen fünf Referenzbrücken zugeordnet sind. Hierfür werden verschiedene Degradations- und Instandhaltungsszenarien auf Basis von Erneuerungszyklen für die einzelnen Bauteilgruppen (Gründung, Widerlager, Lager und Fahrbahnübergänge etc.) definiert und untersucht. Am Ende steht eine Bewertungsmethode um sowohl bestehende Brücken als auch geplante Neu- oder Ersatzneubauten nach Kriterien der Nachhaltigkeit ganzheitlich zu beurteilen.

Thema dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Aufbereitung wirtschaftlicher Bemessungsregeln von Stahl- und Verbundträgern mit schlanken Stegblechen im Hoch- und Brückenbau. Hauptaugenmerk wird hierbei auf eine verständliche Darstellung und Erläuterung der Regelungen in Eurocode 3 – DIN EN 1993-1-5 für Beulnachweise und eine Ergänzung der Regelungen durch einen neuen Leitfaden für die Bemessung von Stahl- und Verbundträgern mit Stegausschnitten gelegt. Die DIN EN 1993-1-5 bietet für Beulnachweise zwei Methoden an: Methode 1 für Standardausführungen von Beulfeldern mit Zerlegung des Spannungsfeldes in Komponenten, für die jeweils Einzelnachweise geführt werden, die dann über eine plastische Interaktion in einen Gesamtnachweis überführt werden. Methode 2 für beliebige Ausbildungen von Beulfeldern (auch solche mit Stegausschnitten), bei der in einem Schritt nachgewiesen wird, ob das vorhandene Spannungsfeld stabil ist oder nicht. Beide Methoden werden analysiert und verglichen. Es wird festgestellt, dass sich Methode 2 für einen zweistufigen Nachweis eignet, bei der die zweite Stufe eine zusätzliche „plastische Rotation“ bewirkt, die ähnliche Ergebnisse bewirkt wie die Methode 1. Unterschiede liegen dann nur in der Art der Längsspannungs-Schub-Interaktion: Bei Methode 1 aufgrund von plastischen Schnittgrößeninteraktionen, bei der Methode 2 mit dem v. Mises-Kriterium. Die in dem Forschungsbericht niedergelegte Aufarbeitung mit Beispielen dient der Nutzerfreundlichkeit der Eurocode-Regeln und kann als „nicht widersprüchliche Ergänzung (NCCI)“ der Eurocode-Regelungen verstanden werden. Sie ist gleichzeitig ein Beitrag für die Weiterentwicklung der Eurocodes.+

Personen

Dr.-Ing. Joseph Ndogmo

• Projektzeitraum:
• Projektpartner: RWTH Aachen, Institut für Stahlbau, SSF Ingenieure AG

Brücken sind ein integraler und wichtiger Bestandteil des europäischen Verkehrssystems und gewährleisten die Mobilität im gesamten europäischen Binnenmarkt und darüber hinaus. Externe Bewehrungselemente können vorteilhaft eingesetzt werden um leistungsfähige Verbundkonstruktionen für Eisenbahnbrücken bereitzustellen und dabei die Beeinträchtigungen des Verkehrs durch eine modulare Bauweise so kurz wie möglich zu halten. Externe Bewehrungselemente werden durch einen speziellen Brennschnitt aus Walzprofilen hergestellt und sind durch Verbunddübel mit dem Konstruktionsbeton verbunden. Bemessungskonzepte für die Beanspruchung in Querrichtung und mehraxiale Belastungen im Allgemeinen liegen für Verbunddübel jedoch noch nicht vor. Dementsprechend bedarf es einer Erweiterung der bestehenden Bemessungskonzepte für Beanspruchungen in Querrichtung. Zudem würde eine Erweiterung des Bemessungskonzeptes für Bereiche mit negativer Biegebeanspruchung die Anwendungsmöglichkeit für externe Bewehrungselemente auf Durchlaufträger und Rahmenbrücken erweitern. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Erarbeitung eines erweiterten Bemessungskonzeptes für den Einsatz von Verbunddübeln in externen Bewehrungselementen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung für alle Bauelemente.

Personen

Andreas Näßl, Guoging Luo, Dr.-Ing. Joseph Ndogmo

• Projektzeitraum:
• Projektpartner:

Verbundträger mit Hohlkastenquerschnitten werden aufgrund ihrer großen Tragfähigkeit und Torsionssteifigkeit vermehrt im Autobahnbrückenbau und im Hochbau eingesetzt. Dennoch sind Forschung und Untersuchungen über das Tragverhalten von Verbundträgern mit Hohlkastenquerschnitten beschränkt, was hauptsächlich auf ihre Komplexität und das Fehlen eines geeigneten Rechenverfahrens zurückzuführen ist. Das Hauptaugenmerk dieses Forschungsprojektes liegt in der Tragfähigkeitsuntersuchung von Hohlkastenverbundbrücken unter der komplizierten Beanspruchung und in der Ausarbeitung eines einfachen Modells zur Untersuchung der Spannungsverteilung im Querschnitt mit Zuhilfenahme der Balkentheorie für dünnwandige Querschnitte. Umfangreiche Parameterstudien werden zur Untersuchung des Torsionsverhaltens und des Einflusses des Querträgerabstandes von Verbundhohlkastenträgerbrücken durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Parameterstudien werden in Form von Diagrammen zusammengefasst, woraus wirtschaftliche Querträgerabstände von Verbundhohlkastenträgerbrücken abgegriffen werden können. Die Diagramme sind nützlich für den Praktiker. Er kann bei gegebenem Spannungsverhältnis einen geeigneten Querträgerabstand dem Diagramm entnehmen.

Personen

Guoging Luo, Dr.-Ing. Joseph Ndogmo

• Projekt der DB Netz AG
• Projektzeitraum:
• Zusammenarbeit mit DB Netz AG, Büchting und Streit AG und SSF Ingenieure, München

Die VFT – Rail Bauweise ist eine Entwicklung der Münchner SSF Ingenieure AG für Ersatzneubauten der DB im Bereich kleiner Spannweiten. Mit der experimentellenVerifizierung der Konzepte zum Nachweis der statischen Tragfähigkeit und der Ermüdungssicherheitdurch den Lehrstuhl für Metallbau wurde ein wichtiger Beitrag für den sicheren Einsatz dieses neuartigen Brückentyps geleistet. Bei dem untersuchten Brückentyp handelt es sich um eine Verbundkonstruktion in Fertigbauweise mit externer Bewehrung in Form eines Stahl-T-Profils, die über Verbunddübel schubfest mit dem Betonverbunden ist. Dadurch kann gegenüber einer konventionellen Stabstahlbewehrung ein größerer Hebelarm genutzt und die Konstruktion somit schlanker ausgeführt werden. Die externe Bewehrung wird mit einem mit einer definierten Schnittführung mittig im Steg getrennten Walzträger ausgeführt. Mit Hilfe eines Dauerschwingversuchs an einem Versuchsträger mit 12,0 m Stützweite und sechs weiterer dynamischer Versuche an 4,9 m langenTrägern wurde das Nachweiskonzept zur Ermüdungssicherheit experimentell verifiziert. Dabei wurde überprüft, inwieweit die im Versuch im Dübelgrund gemessenen Spannungsschwingbreiten mit denen der statischen Berechnungen übereinstimmen und ob die in der Statik angewendete Wöhlerlinie (125 N/mm²) konservative Ergebnisse liefert. Vorab wurde das Trag- und Verformungsvermögen anhand von Standard-Abscherversuchen (Push-Out-Versuche) untersucht und das Bemessungskonzept für den Tragsicherheitsnachweis verifiziert. Die erste Brücke (Pilotbrücke Simmerbach) wurde innerhalb eines Wochenendes gebaut. Mittlerweile wurden weitere Brücken realisiert.

Personen

Guoqing Luo