Torsionstragverhalten einzelliger Straßenbrücken in Betonbauweise und Systemberechnung auf Basis verbesserter Stabmodelle

摘要

Up-to-date developments in the design of concrete bridges lead to thin-walled boxed sections and to the elimination of diaphragms between the bearings on abutments and piers. There- fore additional warping stresses σ_x appear due to torsional effects -primary as a result of vertical traffic loads. In addition, due to deformation of the individual sections, bending effects lead to bending moments and stresses σ_z in the section walls. On the basis of four representative examples for a continuous boxed girder - bridge with three spans, constant depth and thin walled sections the complex torsional behavior will be shown. For the relevant bridge section near the internal bearings the stresses for the relevant traffic load case are presented and compared with the traditional design concept of ignoring warping and the effects of section deformation. The calculations were done on a three dimensional FEM-model of the bridge, using volume elements for the individual thin walled sections. In addition a modified beam model (grillage model) is presented, which allows representing the complex torsional behaviour in a simplified form with sufficient accuracy for practice. The results based on these simple models are compared with those of the FEM-model. Finally some conclusions are given for design of single boxed girder - bridges.%Die aktuelle Entwicklung im Betonbrückenbau sieht bei einzelligen Kastenquerschnitten zunehmend dünnwandigere Querschnitte und mittlerweile in der Regel den gänzlichen Entfall von zusätzlichen Queraussteifungen zwischen den Lagerachsen vor. Damit ergeben sich bei Torsionsbelastung, primär aus vertikalen Verkehrslasten, erhöhte Biegebeanspruchungen bzw. Längsnormalspannungen σ_x am Brückenquerschnitt aus den Effekten der Wölbkrafttorsion und der Querschnittsverformung sowie auch erhöhte Querbiege-beanspruchungen in den Querschnittswandungen aus der Querrahmenwirkung des Brückenquerschnitts. Anhand von insgesamt vier repräsentativen Beispielen einer drei-feldrigen Balkenbrücke mit konstanter Bauhöhe und an die aktuellen Tendenzen angepassten sehr schlanken Querschnitten wird das komplexe Torsionstragverhalten exemplarisch dargestellt. Des Weiteren werden die Effekte aus Torsion für die ungünstigste Verkehrslaststellung des Innenstützbereichs dargestellt, wobei deren Auswirkungen dem Fall der alleinigen globalen Biegebeanspruchung am Brückenquerschnitt gegenübergestellt werden. Die Berechnung erfolgt dabei an einem räumlichen FEM-Modell, wobei die einzelnen Querschnittswandungen mit Volumenelementen abgebildet werden. Ergänzend wird ein verbessertes Stabmodell vorgestellt, das das vorliegende komplexe Torsionstragverhalten - einschließlich der Querbiegebeanspruchung der Querschnittswandungen - mit für die Praxis hinreichender Genauigkeit abbilden kann. Die mit diesem Stabmodell ermittelten Beanspruchungen werden mit jenen des FEM-Modells verglichen. Die aus den Ergebnissen ableitbaren Auswirkungen auf die Bemessungspraxis werden dargestellt.