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Nachrechnung bestehender Stahl- und Verbundbrücken – Restnutzung
BASt-Bericht B 123
Karsten Geißler, Sebastian Krohn, Technische Universität Berlin Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau
50 Seiten
Erscheinungsjahr: 2016
Preis: 15,50 €
Bestellung eines gedruckten Exemplars beim Carl Schünemann Verlag GmbH
Dieser Bericht steht auch kostenfrei im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Verbesserungsbedarf für Ermüdungsnachweise gemäß Nachrechnungsrichtlinie zu identifizieren und darauf aufbauend Anpassungs- und Ergänzungsvorschläge zu formulieren sowie weiteren Forschungsbedarf zu benennen. Da die Gesamtheit aller für den Ermüdungsnachweis an Stahl- und Verbundbrücken in Frage kommenden Nachweisverfahren und Anwendungsfälle sehr umfangreich ist, wurden Untersuchungen zu den verschiedenen Nachweiskonzepten an einer repräsentativen Auswahl vorhandener Straßenbrücken durchgeführt und hieraus entsprechende Verbesserungsvorschläge für die Regelungen der Nachrechnungsrichtlinie abgeleitet. Nachfolgend werden die wesentlichen Ergebnisse stichpunktartig zusammengefasst:
Die Verwendung von bauwerksspezifischen Daten (zum Beispiel Daten aus Verkehrszählungen) kann die Nachweisgenauigkeit erheblich verbessern. Jedoch bleiben folgende Fragen bisher unbeantwortet:
- Wie kann das zukünftig steigende Verkehrsaufkommen beziehungsweise das gegenüber der Zählung geringere Verkehrsaufkommen vergangener Jahrzehnte berücksichtigt werden?
- Wie können die Daten einer Verkehrszählung auch im Zusammenhang mit dem bisherigen Konzept des modifizierten ELM4 der Nachrechnungsrichtlinie verwendet werden?
- Um das Nachweiskonzept der Nachrechnungsrichtlinie in Stufe 3 nachhaltig zu verbessern, wird die Einführung eines messdatenbasierten Schadensäquivalenzfaktors λmeas vorgeschlagen. Mit Hilfe dieses Faktors könnten bauwerksspezifische Daten aus einfachen Dehnungsmessungen am Bauwerk unter Berücksichtigung des prognostizierten Verkehrszuwachses in den Nachweis eingehen und erheblich zur Verbesserung der Nachweisgenauigkeit beitragen.
Die Anwendung des Strukturspannungskonzeptes ist nur zu empfehlen, wenn folgende Punkte berücksichtigt werden:
- Das Strukturspannungskonzept sollte aufgrund des hohen Modellierungsaufwandes nur zur Anwendung kommen, wenn keine eindeutige Kerbfallzuordnung nach dem gängigen Nennspannungskonzept möglich ist.
- Für die Ermittlung der Hot-Spot-Spannungen ist die Art der Elementierung von entscheidender Bedeutung. Somit sollte die Nachrechnungsrichtlinie grundsätzliche Regelungen zur Elementierung und zur Spannungsextrapolation enthalten oder zumindest auf entsprechende Regelwerke verweisen.
- Sind die Spannungspunkte beziehungsweise Stützstellen über die Blechdicke (entlang von Blechkanten) oder entlang nicht flächiger Bauteile (wie Rundstahlhänger) anzuordnen, sollten Volumenmodelle mit feiner Elementierung und einem quadratischen Extrapolationsansatz (mit drei Parametern) zur Anwendung kommen.
- Bei einer Anordnung der Stützstellen über die Blechbreite/oder -länge können die Hot-Spot-Spannungen auch anhand eines Flächenmodels sowie auf Grundlage eines groben FE-Netzes bestimmt werden. Zur Unterscheidung zwischen grober und feiner Elementierung.
- Bei tragenden und nicht voll durchgeschweißten Nähten ist ergänzend zum Nachweis des Grundmaterials stets der Ermüdungsnachweis für ein Versagen der Schweißnaht selbst zu führen, da dieser Fall nicht mit dem Strukturspannungskonzept abgedeckt wird.
- Da Stahlbrücken im Straßenbrückenbau häufig große Stützweiten aufweisen, erscheint es lohnenswert, mit Hilfe von Vergleichsrechnungen für verschiedene Systeme und Stützweiten eine einfache Ausschlussregelung auf Grundlage der Brückenklassen 60 und 60/30 zu entwickeln, bei welcher der Ermüdungsnachweis in Haupttragrichtung generell entfallen kann. Für Neubauten existiert eine derartige Regelung bereits im DIN Fachbericht 103 für Hauptträger von Straßenbrücken mit Einflusslinienlängen von L ≥ 45 m und mit Kerbfällen von ΔσC ≥ 71 N/mm².
- Bezüglich probabilistischer Nachweismethoden enthält die Nachrechnungsrichtlinie bisher weder nähere Angaben zum Ansatz von Lastkollektiven auf Basis von Verteilungen, noch finden sich Angaben zu statistischen Parametern auf der Widerstandsseite wie zum Beispiel der Streuung der Wöhlerlinien oder der Grenzschadensumme. Gerade um eine Vergleichbarkeit und Prüfbarkeit für probabilistische Nachweise zu ermöglichen, ist die Festlegung bestimmter Eingangsgrößen in der Richtlinie unabdingbar.
Assessment of existing steel- and composite road bridges – Remaining life
The aim of the research project was to identify requirements for improving the fatigue analysis within the guideline for the assessment of existing road bridges. In addition, recommendations for modifications and complements should be made and the need for further research has to be pointed out. To make recommendations for the improvement of the current guideline several examinations were made. The existing approach for fatigue assessment was applied to a representative selection of road bridges. The significant results are summarized below:
By using data related to the structure (for example traffic counting) it is possible to improve the accuracy of analysis. However, there are still unanswered questions:
- How to deal with the increasing road traffic in the future and the lower road traffic of the past?
- How is it possible to use the data from traffic counting with the existing modified fatigue model ELM 4 from the guideline for assessment?
- To improve the approach for assessment in level 3 of the guideline, a new damage equivalence factor for fatigue λmeas is proposed. This new factor is based on measured data from the structure and substitutes the usual damage equivalence factor for fatigue λ. The factor λmeas accounts for strain measurements from the structure and the foreseeable increase of road traffic. So that there is the possibility to improve the accuracy of the analysis.
The application of the approach with structural hot-spot stresses is only recommended if following facts are noticed:
- Due to the higher efforts required for modelling, it should only be used if there are no appropriate fatigue categories (FAT).
- The element types in the computational model are essential for the determination of the structural hot-spot stresses. The guideline for assessment should give rules for the element types, the way of generating the computational model and the extrapolation of stresses.
- For the calculation of structural hot-spot stresses over the plate thickness or for non-planar structural parts (for example round or flat steel hanger), small-sized volume elements and a quadratic equation for the extrapolation (three parameters) should be used.
- For the calculation of structural hot-spot stresses over the plate length or plate width surface elements can be used.
- For partial penetration welds the fatigue analysis of the welded joint itself has to be done additionally, because this is not considered by the approach of structural hot-spot stresses.
- Steel highway bridges are used to span long distances between the supports. It could be worth finding a rule which makes it possible to abstain from fatigue analysis for main support members. For this purpose comparative calculations considering different statical systems, spans and bridge capacities (especially 60 and 60/30) should be used. Such a rule already exists in DIN Technical Report 103 for main girders with influence lines of L ≥ 45 m and fatigue categories ΔσC ≥ 71 N/mm².
- Until now, there are no specifications to consider load spectrums based on distributions. There are also no specifications for statistical input quantities of the resistance parameters like the statistical scatter of S/N curves and permissible damage sum; values, which are essential for probabilistic analyses and their verification.