Standfest im Netz. Eisenbahn-Bogenbrücken aus Sicht des Statikers. Dr.-Ing. Frank Purtak Trag Werk Ingenieure. irfp FBS-Anwendertreffen 2009

Transkript

1 Standfest im Netz Eisenbahn-Bogenbrücken aus Sicht des Statikers

2 Gliederung 1. Bestand an Bogenbrücken 2. Berechnungsverfahren 2.1 Entkoppeltes Diskontinuumsmodell 2.2 Belastung 2.3 Beanspruchung 2.4 Beanspruchbarkeit 3. Nachweis am Beispiel 4. Vergleich mit Versuchen 5. Zusammenfassung

3 1. Bestand an Bogenbrücken Eisenbahnbrücke in Prag Donaubrücke in Linz Stauffenbergallee in Dresden Moldaubrücke in Prag Bahnbrücke bei Sofia Eisenbahnbrücke in Sächs. Schweiz

4 1. Bestand an Bogenbrücken Bogendicke am Scheitel D [cm] 140 Europa ca Bogenbrücken (Quelle UIC) D F 20 L Stützweite L [m]

5 1. Bestand an Bogenbrücken Bogenstich/ Stützweite [F/L] 1,0 D 0,8 0,6 F L 0,4 0, Stützweite L [m]

6 2. Berechnungsverfahren Tragsystem geometrisch und physikalisch nichtlinear Materialmodell für Stein und Mörtel Tragfähigkeit des Mauerwerkquerschnitts Berücksichtigung realer Versagensmechanismen

7 2.1 Entkoppeltes Diskontinuumsmodell Modell zur Ermittlung der Beanspruchung Modell zur Ermittlung der Beanspruchbarkeit Bogen Auffüllung Stein Kontaktelemente Stein Widerlager, Pfeiler Mörtel Mörtel Stein Stein Mörtel Stein Stein Fuge Stein Stein Fuge Stein Materialgesetze Stein: Mohr-Coulomb Mörtel: Drucker-Prager

8 2.2 Belastung Güterzug: BR132 + Falns121 Lok BR x Wagen Typ Falns 121 (( ) ( )) + 15x (( ) ( )) 20,1 20,6 20,7 20,5 20,4 20,1 22,5 22,5 22,5 22,5 (Achslast in t)

9 2.2 Belastung 4-achsig; LüP: 13,04 m; Drehzapfenabstand: 7,70 m; Drehgestellradsatzstand: 1,80 m Gesamtgewicht: 90 t

10 2.2 Belastung - Lastmodelle 1927

11 2.2 Belastung - Lastmodelle 1971 LM 71 2,00 m 1,20 m Schnitt A-A, Ebenes Brückenmodell (1 m - Streifen) Doppelachse

12 2.2 Belastung - Streckenklasse Streckenklasse B2: Achslast 18 t; 6,4 t/m Streckenklasse C2: Achslast 20 t; 6,4 t/m Streckenklasse CM3: Achslast 21 t; 7,2 t/m

13 2.2 Belastung Lastmodelle - Streckenklasse

14 2.2 Belastung Lastüberfahrt ÄL = konstant A E Schritt 1: Verlängern/Kürzen der am Punkt A fixierten Flächenlast

15 2.2 Belastung Lastüberfahrt ÄL = konstant A E Schritt 2: Vorfahren der Punktlasten um ÄL, anschließend Schritt 1

16 2.2 Belastung Lastüberfahrt ÄL = konstant A E Schritt 2: Vorfahren der Punktlasten um ÄL, anschließend Schritt 1

17 2.2 Belastung Lastüberfahrt ÄL = konstant A E Schritt 2: Vorfahren der Punktlasten um ÄL, anschließend Schritt 1

18 2.3 Beanspruchung Versagensarten: Steinversagen oder Gelenkbildung

19 2.4 Beanspruchbarkeit

20 2.4 Beanspruchbarkeit

21 2.4 Beanspruchbarkeit Modell zur Ermittlung der Beanspruchbarkeit Kontaktelemente Stein Stein Mörtel Mörtel Bruchlast Ny in kn/m Z,St = 10 % D,St 8 % D,St = 25 N/mm² 6 % 4 % Stein Mörtel Stein % Stein Materialgesetze Stein: Mohr-Coulomb Mörtel: Drucker-Prager ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 bezogene Ausmitte m = 6e/d

22 2.4 Beanspruchbarkeit N Bruch = kn/m N Bruch = kn/m N Bruch = 602 kn/m m = 0 m = 1,2 m = 2,6 Fuge Fuge Fuge Fuge 5 0 Fuge 5 0 Fuge Vertikalspannungen s y in N/mm² , 3 Fuge 3 2 Fuge 3 2 Fuge Fuge 2 Horizontalspannungen s x in N/mm² Fuge Fuge -6-12

23 2.4 Beanspruchbarkeit D,St [N/mm²] Z,St = 10 % D,St e N N y,bruch d St N y,bruch, interpoliert D,St [N/mm²] m = 6e/d

24 2.4 Beanspruchbarkeit h St =0,25d St h St =0,33d St h St =0,50d St h St =0,66d St h St =0,75d St h St =d St

25 2.4 Beanspruchbarkeit dst =30cm dst =40cm dst =50cm dst =60cm dst =70cm dst =80cm

26 3. Nachweis am Beispiel 0,5 m 2,20 m maßgebender Schnitt des Bogens Stützlinie 11,00 m

27 3. Nachweis am Beispiel Traglast N Ed in [kn] e N N Bemessungs- Traglastkurve D,St,d / Z,St,d 58 t 58 t Beanspruchungspfad im maßgebenden Schnitt Nachweispunkt Gelenkkette 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 bezogene Ausmitte m = 6e/d

28 10% Verkehrlast Traglast N Ed in [kn] Normalkraft, Ausmitte Eigenlast 0,1Q 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 bezogene Ausmitte m = 6e/d

29 50% Verkehrlast Traglast N Ed in [kn] Eigenlast 0,1Q 0,2Q 0,3Q 0,4Q 0,5Q 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 bezogene Ausmitte m = 6e/d

30 100% Verkehrlast Traglast N Ed in [kn] Eigenlast 0,1Q 0,2Q 0,3Q 0,4Q 0,5Q 0,6Q 0,8Q 1,0Q 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 bezogene Ausmitte m = 6e/d

31 149% Verkehrlast Traglast N Ed in [kn] Eigenlast 0,1Q 0,2Q 0,3Q 0,4Q 0,5Q 1,2Q 1,0Q 0,6Q 0,8Q 1,49Q 1,4Q 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 bezogene Ausmitte m = 6e/d

32 217% Verkehrlast Traglast N Ed in [kn] Eigenlast 0,1Q 0,2Q 0,3Q 0,4Q 0,5Q 1,2Q 1,0Q 0,6Q 0,8Q 2,0Q 1,8Q 1,49Q 1,4Q 2,17Q; Gelenkkette 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 bezogene Ausmitte m = 6e/d

33 3. Nachweis am Beispiel LM1 178,8 kn 178,8 kn 13,41 kn/m LM 1 f = 1,49 0,5 m N Ed = 472 kn e = 29,0 cm 2,20 m 11,00 m Sicherheit = f = 1,49 = 1,30 = 1,15 15% Lastreserve

34 4. Vergleich mit Versuchen Bruchknoten im Stein

35 4. Vergleich mit Versuchen

36 4. Vergleich mit Versuchen

37 5. Zusammenfassung Entkoppeltes Diskontinuumsmodell zur Berechnung von Bogenbrücken Wahl Lastmodell LM71 oder z.b. Betriebslastenzug Schwerverkehr mit 250-kN-Achsen Beanspruchungen des Bogens am FE-System mit klaffenden Fugen; Ermittlung der Stützlinien für jede Laststellung Traglastkurven des Mauerwerkquerschnitts für ausgewählte Geometrie- und Materialparameter Vergleich Beanspruchungspfad mit Bemessungstraglastkurve; Ermittlung der Sicherheit und Tragreserve Lebensdauer und Unterhaltungskosten nahezu konkurrenzlos

38 5. Zusammenfassung - Ausblick Gewölbegeometrie mit Fugen offene Fugen zwischen Steinen vertikale Verformungen Beanspruchung führt zu Stützfläche