Optimiertes Berechnungsverfahren für Hohlsteifen orthotroper Fahrbahnplatten

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1 Optimiertes Berechnungsverfahren für Hohlsteifen orthotroper Fahrbahnplatten M. Eng. Max Fechner Hochschule Wismar/ Universität Rostock VSVI-Seminar 2016, Linstow

2 Gliederung 1. Aktueller Stand 2. Optimiertes Berechnungsverfahren Fall 1 - mittragende Breite - Längssystem (Hohlsteife) - Quersystem (Deckblech) Fall 2 und 3 3. Beispiel 4. Fazit Linstow, VSVI-Seminar

3 Radlast [kn] Optimiertes Berechnungsverfahren für Hohlsteifen orthotroper Fahrbahnplatten Einleitung 250 Entwicklung der Radlasten , Radlast (charakt.) Radlast (Bemessung) 50 0 BK 60/30 LM1 LMM Lastmodell Linstow, VSVI-Seminar

4 Aktueller Stand Berechnung von orthotropen Platten in Teilsystemen -> Hauptträger, Querträger, Längsrippe, Deckblech Linstow, VSVI-Seminar

5 Aktueller Stand Berechnung von orthotropen Platten in Teilsystemen -> Hauptträger, Querträger, Längsrippe, Deckblech Einzelne Längsrippe als auf Querträgern federnd gelagerter Stab (Querschnittsbreite = Hohlsteifenabstand) Deckblech als auf den Stegen der Längsrippen federnd gelagerter Stab (Querschnittsbreite = Lastbreite) Linstow, VSVI-Seminar

6 Aktueller Stand Vernachlässigung wichtiger Punkte für eine möglichst genaue Modellbildung unter Radlast: Mittragende Breite größer als der Abstand zweier Hohlsteifen Benachbarte Hohlsteifen unterstützen die belastete Hohlsteife Lastausbreitung im Deckblech kann über einen einzelnen Stab mit angenommener Querschnittsbreite nicht erfasst werden Biegemomente, die vom Deckblech in Hohlsteifenstege geleitet werden, bleiben unberücksichtigt Linstow, VSVI-Seminar

7 Fall 1 Ein Fahrstreifen Abstand der Radlasten = 2,00 m Lokale Einwirkung für Deckblech und Längsrippe -> Betrachtung einer Hohlsteife Linstow, VSVI-Seminar

8 Mittragende Breite Bessere Ausnutzung der mittragenden Breite unter Radlast möglich Längsspannung verteilt sich über benachbarte Hohlsteifen hinweg Linstow, VSVI-Seminar

9 Mittragende Breite Abhängig von Querträgerabstand und Orthotropieparameter ψ A Hs a + e t Gesamtflächeninhalt der Hohlsteifenbleche im Bereich a+e Abstand zweier Hohlsteifen Blechdicke des Deckbleches Linstow, VSVI-Seminar

10 Mittragende Breite Auswertung für verschiedene Werte von ψ und Stützweiten von 2,00 m bis 6,00 m FE-Rechenmodelle von mehrfeldrigen, orthotropen Platten mit starrer Lagerung -> von Querträgerweichheit unabhängig Ermittlung des Faktors ϕ für mittragende Breite aus Diagrammen Linstow, VSVI-Seminar

11 Mittragende Breite Linstow, VSVI-Seminar

12 Berechnung des Längssystems Bei Radlast-Beanspruchung können auch benachbarte Hohlsteifen berücksichtigt werden Realisierung über eine Stabbettung Linstow, VSVI-Seminar

13 Berechnung des Längssystems Ermittlung der Stabbettung: Betrachtung der Schubübertragung infolge einer vorgegebenen Verformung im Quersystem Linstow, VSVI-Seminar

14 Berechnung des Längssystems Ermittlung der Federsteifigkeiten der Hohlsteifen: über polynomische Ansatzfunktionen 4. bzw. 2. Ordnung für eine einzelne Hohlsteife Vertikale Wegfeder infolge Durchbiegung: Drehfeder infolge Verdrehung: Horizontale Wegfeder aus Verdrehung: Linstow, VSVI-Seminar

15 Berechnung des Quersystems Modellierung des Quersystems als Stabwerk (1cm-Streifen) Auf Grundlage der Berechnungen von Pelikan/Eßlinger Unterteilung in Spannungen als Folge von: Krafteinleitung Kraftweiterleitung Linstow, VSVI-Seminar

16 Berechnung des Quersystems Spannungen aus Krafteinleitung: Reduzierung über Faktor κ zur Berücksichtigung des Einflusses der Plattenwirkung Linstow, VSVI-Seminar

17 Berechnung des Quersystems Spannungen aus Kraftweiterleitung: Einfluss der Tragwirkung in Längsrichtung auf Deckblechspannungen wird erfasst Einwirkende Verformung entspricht der Durchbiegung aus der Berechnung des Längssystems an Stelle x Addition der beiden Spannungsanteile ergibt Gesamtspannungen im Deckblech Linstow, VSVI-Seminar

18 Fall 2 Bei zwei oder mehr Fahrstreifen Abstand zweier Radlasten mind. 50 cm Fahrstreifen 1 Fahrstreifen 2 Linstow, VSVI-Seminar

19 Fall 2 Geringe Änderungen: Mittragende Breite ist nur zur Hälfte anzusetzen Bettung aus doppelt belasteten System Linstow, VSVI-Seminar

20 Fall 3 Bei zwei oder mehr Fahrstreifen Abstand zweier Radlasten = 1,00 m Mittragende Breite: Für HS 1 und 3: Hälfte ansetzen / für HS 2: a + e Fahrstreifen 1 Fahrstreifen 2 Linstow, VSVI-Seminar

21 Fall 3 Superposition Linstow, VSVI-Seminar

22 Fall 3 Superposition Linstow, VSVI-Seminar

23 Beispiel Fall 1 Eingangswerte: a = e = 30 cm t = 12 mm z s,u = 24,7 cm A HS = 126 cm² I y = cm 4 I t = cm 4 E = kn/cm² G = kn/cm² L = 4,00 m k QT = kn/m d Belag = 7,0 cm Linstow, VSVI-Seminar

24 Beispiel Längsrippe -> Mittragende Breite: Orthotropieparameter Stützweite: L = 4,00 m Belagdicke: d = 7,0 cm -> Lastverteilungsbreite 55 cm -> Faktor ϕ aus Diagrammen ablesen Linstow, VSVI-Seminar

25 Beispiel ϕfeld = 3,75 Linstow, VSVI-Seminar

26 Beispiel ϕstütz = 1,70 Linstow, VSVI-Seminar

27 Beispiel Längsrippe -> Mittragende Breite beff, Feld = 3,75 * (1,75 1) * 60 cm = 169 cm beff,qt = 1,70 * (1,75 1) * 60 cm = 76,5 cm Linstow, VSVI-Seminar

28 Beispiel Längsrippe -> Stabbettung t = 1,2 cm b = 1,0 cm Linstow, VSVI-Seminar

29 Beispiel Längsrippe -> Stabbettung Linstow, VSVI-Seminar

30 Beispiel Längsrippe -> Berechnung Linstow, VSVI-Seminar

31 Beispiel Deckblech Spannungen/Momente aus Krafteinleitung Belastung: 150 kn/(0,55 m)² = 496 kn/m² * 1 cm -> 49,6 N/cm -> Reduzierung über κ-faktoren Bsp. Feld: κ = 0,93 -> MFeld = 0,93 * 2358 = 2193 Ncm Linstow, VSVI-Seminar

32 Beispiel Deckblech Spannungen/Momente aus Kraftweiterleitung Verformung: aus Berechnung des Längssystems Linstow, VSVI-Seminar

33 Beispiel Deckblech Gesamtspannungen aus Addition Krafteinleitung Kraftweiterleitung Rad Gesamt Einwirkung: Belastung/Verformung 49,6 N/cm 4,30 mm - σ y,feld [N/mm²] +91,37 +68, ,25 σ y,steg,innen [N/mm²] -131,57 +68,88-62,69 σ y,steg,außen [N/mm²] -125,03 +90,63-34,40 σ y,steg,diff [N/mm²] +6,53 +21,75 +28,28 Möglichkeit, Deckblechspannungen auch an Stellen ohne Radlast zu berechnen -> Krafteinleitung entfällt Linstow, VSVI-Seminar

34 Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 1 bis zu 48 % zu hohe Spannungen Linstow, VSVI-Seminar

35 Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 1 Linstow, VSVI-Seminar

36 Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 1 Linstow, VSVI-Seminar

37 Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 1 Linstow, VSVI-Seminar

38 Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 3 bis zu 29 % zu hohe Spannungen Linstow, VSVI-Seminar

39 Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 3 Linstow, VSVI-Seminar

40 Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 3 Linstow, VSVI-Seminar

41 Fazit Genauere Berechnung für Hohlsteifen unter Radlast möglich Anpassung der mittragenden Breite Stabbettung zur Erfassung der Tragwirkung benachbarter Hohlsteifen Deckblechspannungen im Quersystem Betrachtung als Stabwerk - Verzicht auf aufwendige FEM- Modellierung Linstow, VSVI-Seminar