HANV als Verstaerkung von Stahlbruecken mit Kategorie-1-Schaeden

Strengthening of steel bridge deck plates with category I damages using HANV

Durch die in den letzten Jahren enorm gestiegenen Verkehrsbelastungen und damit einhergehenden gestiegenen lokalen Beanspruchungen im Deckblech kommt es bei bestehenden Stahlbruecken mit orthotropen Fahrbahnplatten vermehrt zu Ermuedungsschaeden im Bereich der geschweissten Anschluesse der Laengsrippen an das Deckblech (Kategorie-1-Schaeden). Ziel des Forschungsprojekts war es zu untersuchen, ob sich durch eine erhoehte mittragende Wirkung des Fahrbahnbelags die lokalen Radlasten besser verteilen lassen und die Spannungen im Bereich der Anschluesse Laengsrippe-Deckblech somit reduziert werden koennen. Zum Nachweis einer erhoehten mittragenden Wirkung wurden numerische und experimentelle Untersuchungen durchgefuehrt. Untersucht wurden die folgenden Asphaltvarianten: Gussasphalt als Referenzsystem, sowie hohlraumreiche Asphaltgerueste mit nachtraeglicher Verfuellung (HANV, verfuellt mit Epoxidharz und mit Bioharz). Zusaetzlich wurde untersucht, ob es moeglich ist, auf den Einsatz der Pufferschicht zu verzichten, um damit die mittragende Wirkung des Fahrbahnbelags zusaetzlich zu erhoehen. Die experimentellen Untersuchungen umfassten sowohl statische als auch dynamische 5-Punkt-Biegeversuche, die bei unterschiedlichen Temperaturen durchgefuehrt wurden. Die Pruefkoerper bestanden aus einem Stahlblech mit Asphaltbelag und Pufferschicht nach ZTV-ING Teil 7, Abschnitt 4 und einer Abdichtung nach Bauart 1. Waehrend der Versuchsdurchfuehrung wurden die Verformungen an der Unterkante des Stahlblechs gemessen. Aus den aufgezeichneten Versuchsdaten wurden zunaechst Kraft-Verformung-Kurven erstellt, aus denen anschliessend Verformungsmodule abgeleitet wurden, um die mittragende Wirkung der einzelnen Belagsvarianten zu bewerten. Auf Grundlage der experimentellen Untersuchungen liessen sich lediglich erste Tendenzen zur Erhoehung der mittragenden Wirkung ableiten. Der geringe Pruefumfang von zwei Pruefkoerpern je Variante und die teilweise starken Streuungen in den Versuchsergebnissen liessen keine quantitative Bewertung der Ergebnisse zu. Die numerischen Untersuchungen an einem 3D-Finite-Elemente-Modell ergaben, dass sich durch eine hoehere Asphaltsteifigkeit die Spannungen im Deckblech um bis zu 40 % reduzieren lassen. Der Verzicht auf die Pufferschicht kann bei niedrigen Asphaltsteifigkeiten, so wie sie beim derzeit eingesetzten Gussasphalt vorliegen, ebenfalls eine Reduktion der Spannungen um circa 25% bewirken. Fuer eine quantitative Bewertung der untersuchten Varianten sind Grossbauteilversuche unverzichtbar. Hierdurch liessen sich herstellungsbedingte Streuungsfaktoren minimieren und die Auswirkungen der Verwendung von verfuellten Asphaltmaterialien am tatsaechlichen Detail Laengsrippe – Deckblech untersuchen. ABSTRACT IN ENGLISH: Traffic loads on steel bridges have highly increased during the last decades. As a result of these higher loads, steel bridges show more and more fatigue damages in the welded connection between the steel deck plate and the longitudinal stiffeners (category I damages). The aim of this research project was to investigate whether it is possible to reduce the local stresses by the use of a modified asphalt surfacing with a higher stiffness which should lead to a more favorable stress distribution even at high temperatures. In the frame of the research project experimental and numerical investigations were performed. The following asphalt surfacings were investigated: mastic asphalt which is used by default, hollow spaced asphalt which were filled afterwards (HANV, filled with epoxy-resin and filled with bio-resin). Additionally, it was investigated whether it is possible to use asphalt surfacings without a buffer layer. The test setup of the experimental investigations was built up by material tests of the different asphalt materials and static and dynamic small scale component tests (5-point-bending-tests). The test specimens consisted of a steel plate with asphalt surfacing and buffer layer according to ZTV-ING Part 7, Section 4 and a sealing layer according to Construction Type 1. During the tests the displacements at the bottom of the steel plates were measured. With the help of load-displacement curves, moduli of deformation were determined to assess the effectiveness of the modified asphalt surfacings. Based on the results of the experimental investigations a quantitative evaluation of the effectiveness was not possible because the number of single tests at each variant was too small and the scatter of the test results to high. The tendency was observed that the modified asphalt surfacings could show a higher effectiveness. The evaluation of the numerical investigations using a 3D-finite-element-model led to the conclusion that local stresses in the deck plate can be reduced by approximately 40 % by increasing the asphalts stiffness. A renouncement of the buffer layer can lead to a stress reduction of approximately 25 % in case of low asphalt stiffness. The influence of the buffer layer on the local stresses decreases with increasing asphalt stiffness. In order to quantify the test results of the different asphalt surfacings it is necessary to perform large scale component tests. Hereby, manufacturing reasons for scattered test results could be minimized and the effect of using different asphalt materials on the stresses in the connection between steel deck plate and longitudinal stiffeners could be proved at real detail.

Language

  • German

Media Info

Subject/Index Terms

Filing Info

  • Accession Number: 01643993
  • Record Type: Publication
  • Source Agency: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
  • ISBN: 978-3-95606-313-8
  • Files: ITRD
  • Created Date: Jun 19 2017 3:16AM