Titelaufnahme

Titel
Tragfunktionsanalyse und rechnerische Modellbildung einer neuartigen Sandwich-Verbundplatte (SCSC- Platte) als Fahrbahndeck für Eisenbahnbrücken / von Paul Herrmann
Weitere Titel
Load bearing analysis and mathematical modelling for a new sandwich composite plate (SCSC-plate) as a deckslab for railway bridges
VerfasserHerrmann, Paul
Begutachter / BegutachterinFink, Josef ; Glatzl, Johann
Erschienen2013
UmfangXIX, 404, V S. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Stahlbau / Verbundbau / Brückenbau / Modellbildung / elastischer Verbund
Schlagwörter (EN)steel structures / composite structures / bridge structures / modelling / elastic shear connection
Schlagwörter (GND)Eisenbahnbrücke / Stahlbeton / Sandwichbauteil / Platte / Tragfähigkeit / Finite-Elemente-Methode / Modellierung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-49297 Persistent Identifier (URN)
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Tragfunktionsanalyse und rechnerische Modellbildung einer neuartigen Sandwich-Verbundplatte (SCSC- Platte) als Fahrbahndeck für Eisenbahnbrücken [16.16 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Viele Eisenbahnbrücken älterer Bauart, die sich heute dem Ende ihrer planmäßigen Lebensdauer nähern müssen einer Komplettsanierung unterzogen oder durch einen Ersatzneubau ausgetauscht werden. Zur Errichtungszeit dieser Brücken entsprach die offene Fahrbahn, bei der die so genannten Brückenhölzer direkt auf der tragenden Stahlkonstruktion montiert sind, dem Stand der Technik. Diese Konstruktionsweise zeichnet sich durch eine extrem niedrige Bauhöhe zwischen Konstruktionsunterkante und Schwellenoberkante aus, kann jedoch vorrangig aus Gründen des Lärmschutzes für Neubauten nicht mehr eingesetzt werden. In der Regel kann aber im Rahmen eines Ersatzneubaus weder der Lichtraum des unter der Brücke liegenden Verkehrsweges noch die Höhenlage der Gleise wesentlich abgeändert werden. Dadurch ergibt sich vor allem beim Ersatz von Trog-, Fachwerktrog- und Bogenbrücken das Problem, dass die heute denkbaren Oberbauarten des Schottertrogs oder der festen Fahrbahn einen Großteil der zur Verfügung stehenden Konstruktionshöhe in Anspruch nehmen. Dies führt für diesen speziellen Anwendungsfall zur Notwendigkeit der Entwicklung von extrem schlanken Fahrbahnkonstruktionen. Vom Institut für Tragkonstruktionen/ Stahlbau wurde im Auftrag der ÖBB eine Regelplanung für Trogbrücken unterschiedlicher Stützweiten zwischen 10 und 25m entwickelt, die mit einer Fahrbahnplatte aus einem unausgesteifen, 120mm dicken Blech genau der oben beschriebenen Forderung gerecht wird. Dieser Entwurf stellt das absolute Minimum der möglichen Konstruktionshöhe dar, weist jedoch auch gewisse Nachteile wie die schwierige Verfügbarkeit der Bleche, die hohe Stahltonnage und die technologisch anspruchsvollen Schweißstöße auf.

Zur Vermeidung der Nachteile der unausgesteiften Grobblechfahrbahn wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Alternative vorgestellt, die ausreichende Tragfähigkeit bei einer vergleichbaren Bauhöhe bietet. Die Grundidee der Steel- Concrete- Steel- Composite oder auch SCSC-Platte ist, das Material, das um die Schwerachse herum angeordnet ist und daher bei Momentenbeanspruchung in Brückenquertragrichtung kaum Spannungen erfährt, durch den kostengünstigeren Werkstoff Beton zu ersetzen. Die notwendige Tragfähigkeit wird durch die Anordnung von relativ dünnen Schichten aus Stahl an den hoch ausgenutzten Randfasern erreicht. Dabei muss jedoch sichergestellt werden, dass die außen liegenden Stahlteile schubfest miteinander verbunden sind, um deren Steineranteile möglichst voll ausnutzen zu können. Der stahlbaumäßige Anschluss an das Haupttragwerk bleibt erhalten, um problematische vertikale Fugen zwischen Betonplatte und Brückenhauptträgern zu vermeiden. Des Weiteren übernehmen die außen liegenden Stahlbleche die Funktion der Betonabdichtung auf der gesamten Plattenoberfläche und erhöhen somit die Dauerhaftigkeit der Konstruktion.

Die Arbeit ist in fünf Blöcke unterteilt. Block 1 beschäftigt sich mit der Konstruktion, der Herstellung, der Tragwirkung und den Kosten der SCSC-Platte. Im Zuge dessen wird die neuartige Platte nach einer prinzipiellen Beschreibung ihres fundamentalen Tragmechanismus und der dazu notwendigen Elemente den heute üblichen Fahrbahnkonstruktionen für Eisenbahnbrücken hinsichtlich ihrer Bauhöhe und Herstellkosten gegenübergestellt. In Block 2 werden experimentelle Tragfähigkeitsuntersuchungen erläutert, die im Labor des Instituts für Tragkonstruktionen durchgeführt wurden. Diese Laborexperimente werden in Block 3 mit komplexen, nichtlinearen Finite- Elemente Modellen numerisch nachgebildet und verifiziert. Die FE- Analysen dienen im Wesentlichen der Extraktion von Ergebnissen, die zur Erarbeitung von realitätsnahen Rechenmodellen zur Beschreibung der Tragfunktion notwendig sind. Block 4 beschäftigt sich ausführlich mit der Erstellung von ingenieursmäßigen Berechnungsmodellen unter Zuhilfenahme der Ergebnisse der Laborversuche und der FE- Studien. Es werden mehrere Möglichkeiten der Modellierung untersucht, untereinander verglichen und bewertet. Im Zuge des letzten Blocks, Block 5, wird ein zweckmäßiges Ingenieurmodell im Zuge eines Berechnungsbeispiels auf Basis des Trogbrückenentwurfs angewendet.

Es wird gezeigt, dass die SCSC-Platte eine tragfähige sowie einfach und günstig herzustellende und somit durchaus konkurrenzfähige Konstruktion ist. Außerdem werden ingenieurmäßige Modelle erarbeitet, die es ermöglichen, das komplexe Tragverhalten dieser neuartigen Konstruktion mit relativ einfachen Mitteln zu beschreiben. Somit erfolgt ein erster wichtiger Schritt zur praktischen Einsetzbarkeit der SCSC-Platte.

Zusammenfassung (Englisch)

A fair amount of old railway bridges is reaching the end of their technical life cycle. Therefore, these bridges need to refurbished or replaced by new structures. At the time of their design and construction the open railway deck, where the sleepers are mounted directly on the steel superstructure, was considered as state of the art. This type of railway deck is characterized by an extremely low construction depth between the lowest level of the superstructure and the top of the sleepers. On one hand, the open deck cannot be used any more for modern railway bridges for reasons of its high noise emission.

On the other hand, it is usually impossible to change the levels of the clearance under and the level of the rail track on the bridge. This results especially for the substitution of old trough-, truss- and arc bridges in the discrepancy between the low given construction depth and the relatively high demand of modern railway track systems like the ballast bed or the nonballasted track. This specific problem can only be solved by the use of extremely slender deck slab constructions. The Institute of Structural Engineering/ Steel Structures developed a trough bridge system for the ÖBB, which is applicable for spans up to 25m and contains an unstiffened massive steel deck slab. This deck plate requires a thickness of 120mm and can be understood as the absolute minimum of possible construction depth. On the other hand, these steel decks show various disadvantages like the high construction weight, a limited availability on the market or the technically demanding welded joints.

This thesis shall present an alternative solution to the unstiffened deck plate which provides sufficient load bearing capacity at an approximately similar construction height. The main idea of the Steel- Concrete- Steel- Composite or SCSC-plate is to replace the material which is located near to the neutral axis and therefore barely stressed by transverse load bearing action by the more economical concrete. The high bending moment resistance can be reached by steel layers which are placed at the highly stressed outer zones of the cross section. To be able to activate the "Steiner"- parts of the moment of inertia it is necessary to establish a shear force resistant connection of the outer steel layers. As a side effect the connection of the steel layers to the super structure avoids problematic vertical joints between a concrete plate and the steel main girders of the bridge. Furthermore the outer steel plates work as a sealing of the whole concrete surface and therefore increase the durability in comparison to conventional reinforced concrete decks.

The thesis is divided into five blocks. In Block 1 the construction of the SCSC-plate itself is described as well as its production, the main load carrying function and its production costs. Therefore the plate will be described in detail with its fundamental bearing mechanisms and the necessary elements to activate these mechanisms. After that, the construction height and production costs of the SCSC-plate will be compared to heights and costs of usual modern railway bridge decks according to the state of the art. Block 2 describes the experimental static strength tests which were carried out in the laboratory of the Institute of Structural Engineering. These laboratory tests are numerically verified by the use of highly complex non- linear finite element- models in Block 3. The FE- analysis is mainly needed to extract the required results for the derivation of mathematical models which describe the load bearing function. Block 4 presents the derivation of these engineering models by the help of results of the laboratory tests and the FE- analysis in detail. Various possibilities of modelling are presented, compared and assessed. In the last block, Block 5, an adequate engineering model is applied in an exemplary static analysis of an SCSC-plate, based on the trough bridge design.

Summing up, it will be shown that the SCSC-plate is a sufficiently load-bearing structure which is producible in an easy and economical way and thus is a competitive alternative compared to traditional bridge deck plate systems. Furthermore, some engineering models will be presented to describe the complex load bearing behaviour of this new construction type in a keenly easy way. Hence, this thesis provides a first important step for an applicability of the SCSC-plate in bridge constructions.