Optimiertes Berechnungsverfahren für Hohlsteifen orthotroper Fahrbahnplatten

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

Gliederung 1. Aktueller Stand 2. Optimiertes Berechnungsverfahren Fall 1 - mittragende Breite - Längssystem (Hohlsteife) - Quersystem (Deckblech) Fall 2 und 3 3. Beispiel 4. Fazit Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 2

Radlast [kn] Optimiertes Berechnungsverfahren für Hohlsteifen orthotroper Fahrbahnplatten Einleitung 250 Entwicklung der Radlasten 200 180 202,5 150 150 120 150 100 100 Radlast (charakt.) Radlast (Bemessung) 50 0 BK 60/30 LM1 LMM Lastmodell Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 3

Aktueller Stand Berechnung von orthotropen Platten in Teilsystemen -> Hauptträger, Querträger, Längsrippe, Deckblech Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 4

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 5

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 6

Fall 1 Ein Fahrstreifen Abstand der Radlasten = 2,00 m Lokale Einwirkung für Deckblech und Längsrippe -> Betrachtung einer Hohlsteife Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 7

Mittragende Breite Bessere Ausnutzung der mittragenden Breite unter Radlast möglich Längsspannung verteilt sich über benachbarte Hohlsteifen hinweg Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 8

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 9

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 10

Mittragende Breite Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 11

Berechnung des Längssystems Bei Radlast-Beanspruchung können auch benachbarte Hohlsteifen berücksichtigt werden Realisierung über eine Stabbettung Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 12

Berechnung des Längssystems Ermittlung der Stabbettung: Betrachtung der Schubübertragung infolge einer vorgegebenen Verformung im Quersystem Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 13

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 14

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 15

Berechnung des Quersystems Spannungen aus Krafteinleitung: Reduzierung über Faktor κ zur Berücksichtigung des Einflusses der Plattenwirkung Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 16

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 17

Fall 2 Bei zwei oder mehr Fahrstreifen Abstand zweier Radlasten mind. 50 cm Fahrstreifen 1 Fahrstreifen 2 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 18

Fall 2 Geringe Änderungen: Mittragende Breite ist nur zur Hälfte anzusetzen Bettung aus doppelt belasteten System Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 19

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 1 2 3 Fahrstreifen 1 Fahrstreifen 2 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 20

Fall 3 Superposition Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 21

Fall 3 Superposition Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 22

Beispiel Fall 1 Eingangswerte: a = e = 30 cm t = 12 mm z s,u = 24,7 cm A HS = 126 cm² I y = 16525 cm 4 I t = 12366 cm 4 E = 21.000 kn/cm² G = 8.100 kn/cm² L = 4,00 m k QT = 86.957 kn/m d Belag = 7,0 cm Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 23

Beispiel Längsrippe -> Mittragende Breite: Orthotropieparameter Stützweite: L = 4,00 m Belagdicke: d = 7,0 cm -> Lastverteilungsbreite 55 cm -> Faktor ϕ aus Diagrammen ablesen Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 24

Beispiel ϕfeld = 3,75 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 25

Beispiel ϕstütz = 1,70 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 26

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 27

Beispiel Längsrippe -> Stabbettung t = 1,2 cm b = 1,0 cm Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 28

Beispiel Längsrippe -> Stabbettung Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 29

Beispiel Längsrippe -> Berechnung Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 30

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 31

Beispiel Deckblech Spannungen/Momente aus Kraftweiterleitung Verformung: aus Berechnung des Längssystems Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 32

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 +68,88 +160,25 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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 33

Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 1 bis zu 48 % zu hohe Spannungen Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 34

Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 1 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 35

Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 1 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 36

Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 1 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 37

Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 3 bis zu 29 % zu hohe Spannungen Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 38

Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 3 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 39

Vergleich mit bekanntem Verfahren Fall 3 Linstow, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 40

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, 18.02.2016 VSVI-Seminar 2016 41