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TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen Fachgebiet EK Stahlbau Prof. Dr.-Ing. K. Geißler Einführung der Eurocodes im Brückenbau Tagung Berlin, 15. Mai 2013 Stahlbrücken nach Eurocode 3 Konstruktion und Bemessung Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler, TU Berlin, FG Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau

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TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen

Fachgebiet EK – Stahlbau Prof. Dr.-Ing. K. Geißler

Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Stahlbrücken nach Eurocode 3 —

Konstruktion und Bemessung

Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler, TU Berlin, FG Entwerfen und Konstruieren - Stahlbau

TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen

Fachgebiet EK – Stahlbau Prof. Dr.-Ing. K. Geißler

Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Einführung der Eurocodes

DIN EN 1993 (2010) Bemessung und Konstruktion von Stahltragwerken

Teil 1-1 Allgemeine Bemessungsregeln für den Hochbau

Teil 1-5 Plattenförmige Bauteile

Teil 1-8 Bemessung von Anschlüssen

Teil 1-9 Ermüdung

Teil 1-10 Stahlgütewahl

DIN EN 1090 (2011)

Ausführung von Stahltragwerken

DIN EN 1993–2 (2010) Bemessungs- und Anwendungsregeln

für den Brückenbau

i.V.m. jeweiligen NA

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Sicherheitskonzept

Semiprobabilistisches Sicherheitskonzept (Eurocode 0)

Einwirkungen – unabhängig vom Baustoff

GZT: charakteristische Werte

(98%-Quantile der Jahresextrema)

werden auf Niveau der Bemessungs-

werte angehoben TSF g

mehrere zeitveränderliche Einwirkungen:

Kombinationsbeiwerte y

GZG: seltene (charakteristische), häufige und quasi-ständige Werte

einzelne Einwirkungskombinationen problemspezifisch wie folgt definiert:

Spannungsnachweise: mit seltener Einwirkungskombination (50 J.- Werte)

Verformungsnachweise: für quasi-ständige Lasten

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Sicherheitskonzept

Teilsicherheitsbeiwerte der Widerstände im GZT Bemessungswerte ergeben sich durch Division der charakteristischen (5%-) Fraktile

mit dem TSF

Baustahl ga

Grundkombination Festigkeitsnachweise: 1,0

für Stabilitätsnachweise einschl. Beulen: 1,10

Beanspruchbarkeit von Verbindungen

(NW gegen Bruchfestigkeit): 1,25

außergewöhnliche

Kombination

1,0

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Bemessung nach EC 3 – Baustahl

Baustahl Stahlgüte bis S460 zulässig

Festigkeitswerte (5%- Fraktile), nach EN 1993-1-1

keine „garantierte Mindeststreckgrenze“ zulässig

in Einzelfällen ist auch Guss möglich

Talbrücke St. Kilian

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Baustahl Blechdickenbegrenzung gegen Sprödbruch (erf. Zähigkeit abh. von Temperatur und Blechdicke)

- Werte n. EN 1993-1-10 für -30°C (max Zug 0,6*fy)

- Blechdicke 30mm: Aubi oder Klammerwerte

Rundstähle für Hänger

Bemessung nach EC 3 – Baustahl

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Bemessung nach EC 3 – Querschnittseigenschaften

Querschnittseigenschaften

mitwirkende Breite

keine Abminderung bei b0 Le / 50

0eff bb

e

00

L

b

tb

A1

0

sl0

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Stahlträger: Querschnittsklassen im GZT

Klasse Tragfähigkeit

1 vollplastisch,

Rotationsvermögen

2 vollplastisch

3 elastisch

4 elastisch,

Beulen beachten

Bemessung nach EC 3 – Querschnittseigenschaften

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Querschnittsklassen

für Steg und Gurt nach c / t

Gesamtquerschnitt in

ungünstigste Klasse einstufen

Bemessung nach EC 3 – Querschnittseigenschaften

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Querschnittsklassen

- für Qkl 1 und 2 Ausnutzung der vollplastischen Tragfähigkeit möglich

- für Qkl 3 elastische Bemessung, volle Ausnutzung der Fließgrenze

- für Qkl 4 Abminderung der elastischen Grenztragfähigkeit durch Beulen

beachten

2 Verfahren: Grenzbeulspannungen, effektive Querschnitte

Bemessung nach EC 3 – Querschnittseigenschaften

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Schnittgrößenermittlung im Regelfall elastisch,

einzige Ausnahme: plastisch für außergewöhnliche Bem.-situation bei Qkl. 1

Bedingung für den Entfall der Berechnung Th.II.O.:

FEd Bemessungswert der Belastung, die zum Ausknicken führt

Fcr elastische Knicklast des Systems

andernfalls Schnittkräfte am verformten System ermitteln

Größe der Ersatzimperfektion e0d: abhängig von der KSL

gu min. Lastfaktor zum Erreichen des charakt. Querschnittswiderstandes

gcrit Lastfaktor für die kritische elastische Knicklast

Bemessung nach EC 3 - Schnittgrößenermittlung

10F

F

Ed

cr

cr

2

22

eld0

)2,0(15,0

0,11

1

10,11

A

W2,0e

2

2

crit

u

g

g

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Schnittgrößenermittlung am verformten System

alterativ: Form und Amplitude für Bögen,

z.B. Knicken in der Bogenebene:

Stabbogenbrücken

Knicklängenbeiwerte für Bögen

Bemessung nach EC 3 - Schnittgrößenermittlung

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Bemessung im GZT NW Biegung - bei Ausnutzung der plastischen Tragfähigkeit (Qkl. 1, 2):

NW Biegung - bei Ausnutzung der elastischen Tragfähigkeit (Qkl. 3):

Nachweis der Querkraft, wenn Stegschlankheit

Bemessung nach EC 3 – Querschnittstragfähigkeit

QSfür1n5und2.bspwmit0,1M

M

M

M

Rd,Nz

Ed,z

Rd,Ny

Ed,y

d,y

el,z

Ed,z

el,y

Ed,yEd fW

M

W

M

A

N

0M

ykw

Rd,pl3

fAV

g

83,0w

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Interaktion Biegung und Querkraft, wenn

Q- Ausnutzung > 50%

bei plastischer Bemessung:

kennzeichnet prozentual den Steganteil, der für die Aufnahme der

Querkraft benötigt wird

bei elastischer Bemessung: Vergleichsspannungsnachweis

Rd,pl

0M

yk

w

2w

plRd,V Mf

t4

AWM

g

2

Rd,pl

Edw 1

V

V2

Bemessung nach EC 3 – Querschnittstragfähigkeit

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Bemessung im GZT – Stabilitätsnachweise

Ersatzstabverfahren oder Nachweis nach Spannungstheorie II. Ordnung

bei beiden Verfahren mit gM1 = 1,10

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

- Biegeknicken unter zentrischem Druck:

Bemessungswiderstand

Abminderungsfaktor abhängig von und KSL

A=1,0 für Qkl. 1-3 bzw. A= Aeff / A für Qkl. 4

1M

k,yARd,b

fAN

g

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- Biegeknicken unter Druck + Biegung:

für Qkl. 1,2:

kyy , kyz , kyz , kzz Interaktionsbeiwerte nach EC 3-1-1, Anhang A oder B

für Qkl. 3 mit Wel (und anderen kij )

- vereinfachter NW bei N + My :

9,0/fW

MC

/fA

N

1Myky,pl

Ed,y

0,mi

1Myky

Ed g

g

0,1/fW

Mk

/fW

Mk

/fA

N

1Mykz,pl

Ed,zyz

1Myky,plLT

Ed,y

yy

1Myky

Ed g

g

g

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Biegedrillknicken

NW Druckgurt für Knicken aus der Trägerebene

kann als NW mit Ersatzstabverfahren oder NW

mit Spannungstheorie II. O. geführt werden

Ersatzstabverfahren – Schlankheit Druckgurt

+ 1/3 der gedrückten Stegfläche

My,Ed max M zwischen den Lagerungen

Mc,Rd = Wy fy / gM1

Wy maßgebendes Widerstandsmoment

der gedrückten Randfaser

für Brückenbau gilt:

Ed,y

Rd,c0c

1z,f

ccf

M

M

i

Lk

2,00c

0,1kMkM flRd,cflRd,b

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Biegedrillknicken – Nachweis am gesamten Träger

z.B. als Ersatzstabnachweis mit Schlankheit

freie Drehachse:

gebundene Drehachse:

y,cr

y,plwLT

M

M

3

rz5,0z

3

rz5,0zc

L

IEM

y

p2

M

2

y

p2

M2

2

z2

y,cr

AMP c

1

c

1

c

1

c

1

T2

B

D2

zy,cr IG

L

IE

k

1M

2B

22

B

n

1n

1

D

4

BIE

Lc

Knicklängenbeiwert:

Bettungsparameter:

Nomogramme in [Lindner, Hanswille, Münich]

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Biegedrillknicken

Nachweis:

bzw. für N + M:

1M

yky,plwLTRd,b

fWM

g

aus Sedlacek, G., et.al.:

Leitfaden DIN-Fb 103

0,1/fW

Mk

/fA

N

1Myky,plLT

Ed,yyy

1Myky

Ed g

g

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Bemessung im GZT – Beulen

Verfahren mit Grenzbeulspannungen

d ≤ p,Rd

für längsversteifte Beulfelder zwingend anzuwenden

Beulen inf. Längsspannungen, 2 Verfahren

NW mit effektiven (wirksamen) Querschnitten

Spannungsumlagerungen im QS

Nutzung überkritischer Tragreserven

zusätzlicher Gebrauchstauglichkeits- NW

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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NW mit „effektiven“ Querschnitten

Abminderungsfaktor für beidseitig

gestützte Querschnittsteile:

Beulschlankheitsgrad

k4,28

t/bf

cr

yP

0,1)3(055,0

2

P

P

y

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Nachweis mit Grenzbeulspannungen, nach EC3-1-5, T.10

Bestimmung von ρx, ρz, v mit der Schlankheit des Plattenfeldes:

z. B. ρx Reduktionsbeiwert ρc für Grenzspannung x,Rd in x-Richtung

„V“ nach Vorschlag U. Kuhlmann (in Stahlbaukalender 2012)

crit

ult

2

y

Ed

y

Ed,z

y

Ed,x

2

y

Ed,z

2

y

Ed,x

2

ult

ultf

3ffff

1

2/1

2,crit

2z,crit

z

2x,crit

x

2

z,crit

z

x,crit

x

z,crit

z

z,crit

x

crit

1

2

1

2

1

4

1

4

1

4

1

4

11

y

y

y

y

y

y

...Ed,x

x,critx,crit

2

P

P

x

22,0

)0,1Vsonst(dsinungenDruckspannbeidesundw ennVmit

0,1/f

3/f/f

V/f/f

zxzx

2

1MykV

Ed

1Mykz

Ed,z

1Mykx

Ed,x

2

1Mykz

Ed,z

2

1Mykx

Ed,x

g

g

g

g

g

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Beulnachweis für das ausgesteifte Feld

muss als Nachweis gegen Grenzbeulspannungen erfolgen

1. Möglichkeit: Steifen erhalten Mindeststeifigkeit I*= 0,092 ∙ g* ∙ b ∙ t3

( g*: Beiwert abh. vom Spannungstyp (, ), , Anordnung der

Steifen, …)

Beulsicherheit für das Einzelfeld nachweisen

2. Möglichkeit: I < I* Beulsicherheit für das ausgesteifte Gesamtfeld

nachweisen

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Knickstabähnliches Verhalten

Plattentragwirkung kann nicht stattfinden

Regelungen des EC 3-1-5 wie in DIN- Fb103

= 0 bedeutet reines

Knickstabverhalten

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Beulen infolge Schubspannungen

NW nach Zugfeldtheorie:

günstiger Einfluss von Endquersteifen kann ausgenutzt werden

ausgeprägtes Zugfeld wirkt stabilisierend

NW mit Grenzbeulspannungen:

VRd = AV ∙ P,Rd

1M

wwywvRd,c

fwv

3

thfV

g

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Beulen infolge Schubspannungen

Im Brückenbau ist Berücksichtigung

der stützenden Wirkung der Flansche

nicht zugelassen

zusätzlicher Flanschanteil (hier nur zur Information):

1M

wwywwRd,w

3

thfV

g

g

yw2

ww

yF2

FF

2

Rd,F

Ed

1M

yF2

FFRd,bF

fht

ftb6,125,0ac

M

M1

c

ftbV

0,1fwv

Bemessung nach EC 3 – Stabilitätsnachweise

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Verbindungsmittel / Schweißnähte

Folg. Verbindungen im Brückenbau nicht zulässig:

- Verbindung mit nur einer Schraube

- GV- Verbindung mit Lochspiel >1mm, Langlöcher

- nicht durchgeschweißte Stumpfnähte

- unterbrochene Kehl- oder Stumpfnähte

Allg. konstruktive Hinweise:

- Lamellen und Steifen vollständig umschweißen

ermüdungsgerechte Ausführung beachten

- Ausführung der Querrahmen

- Regeln für Terrassenbruchgefahr beachten

Bemessung nach EC 3 – Verbindungen

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Verbindungsmittel / Schweißnähte

Tragfähigkeit der Verbindungen:

- Stumpfnähte: Tragfähigkeit der Naht = Tragfähigkeit

des schwächeren angeschlossenen BT

- Kehlnähte: Tragfähigkeit der Naht der Länge l

(Zugfestigkeit des Grundmaterials ist maßgebend)

w= 0,8 (S235) = 0,90 (S355) = 0,85 S460 (NDP 2.2 in EC3-1-8/NA)

berücksichtigt höhere Festigkeit der Naht gegenüber dem normalfesten

Grundwerkstoff

a: Höhe des eingeschriebenen Dreiecks, bei vollautomat. Schweißung darf a um

20% vergrößert werden (aber a≤2mm)

für Kehlnähte mit l > 150∙a ist Tragfähigkeit abzumindern

2Mw

uk2

IId

2

d2ddw,V

f)(3

g

Bemessung nach EC 3 – Verbindungen

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NW gegen Materialermüdung

- Bezug auf NW EC 3-1-9

- Nachweis nach Nennspannungskonzept,

Nennspannungen müssen im elastisch bleiben

- NW nach Strukturspannungskonzept nur im absoluten Ausnahmefall

- Materialsicherheitsbeiwerte abh. von Schadenstoleranz

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

nicht schadenstolerant

(Hauptträger)

schadenstolerant

(Fahrbahnelemente)

gMf

1,25 1,0

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Nachweis in 3 Stufen (mit steigendem Aufwand) möglich

1. Alle Spannungsdifferenzen unterhalb des Schwellenwertes der Dauerfestigkeit

2. NW mit Hilfe (normierter) schädigungsäquivalenter Spannungsdifferenzen

3. Direkte Schädigungsberechnung nach Palmgren/ Miner

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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NW der max. Spannungsdifferenz unterhalb des Schwellenwertes der

Dauerfestigkeit

D: Ermüdungsfestigkeit bei N= 5∙106

(Dauerfestigkeit)

bzw. gFf ∙ max ≤ 26N/mm2 / gMf

(26 N/mm2: schlechtester Kerbfall)

Betriebsfestigkeits- NW mit Hilfe schädigungsäquivalenter

Spannungsdifferenzen

C / C: 2-Mio- Wert der Wöhlerlinie (KF- Bezeichnung, 5%- Fraktilwert)

Mf

c2EFf

Mf

c2EFf

.bzwg

g

g

g

Mf

DmaxFf

g

g

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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Ermittlung der schadensäquivalenten Spannungsdifferenzen

inf. ELM 3 (48 t- Fahrzeug)

LM3 = /max - min/

Betriebslastfaktor = 1 ∙ 2 ∙ 3 ∙ 4 ≤ max

1: Spannweitenbeiwert

2: Verkehrsstärkenbeiwert

3: Lebensdauerbeiwert

4: Beiwert für den „positiven“

Effekt mehrerer Fahrspuren

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

Spannweitenbeiwert Feldbereich

5obs1m

2000.500

N

kN480

Q

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Direkte Schädigungsberechnung nach Palmgren / Miner:

wenn i im Bereich der Wöhlerlinie mit m=3 liegt, sonst Exp. m=5 bzw. Ni=

Beispiel Kollektiv ZFT- Feldmitte, L= 35 / 35m

3

iFf

MfD6

i

i i

id

/105Nmit0,1

N

nD

g

g

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Ermüdungsfestigkeit

nach EC3-1-9 parallele Wöhlerlinienschar, m=3, m=5, m=

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Wöhlerlinien

in EC3-1-9 derzeit ca. 75 Kerbfälle

KF mit *) mit best. Bedingungen

eine Kategorie günstiger

Beispiel: Längsnähte zusammen-

gesetzter Träger

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Wöhlerlinien

im EC3-2/NA einige ergänzende KF, z.B.

Lamellenstoß

KF 71

„Ohlemutzstoß“

KF 80

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Wöhlerlinien

im EC3-2/NA einige ergänzende KF, z.B.

QT-Gurt- Anschluss

KF125

Lamellenende

KF 71

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Konstr. Regeln für orthotrope Fahrbahnplatten von Straßenbrücken

Deckblech im Schwerlaststreifen t= 14mm

Längsrippen:

- als Trapezrippen: Empfehlung e 30cm

bzw. e / t 25

- ungestoßen durch QT-Stege führen

Bemessung nach EC 3 – Konstruktion

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Orthotrope Fahrbahnplatten von Straßenbrücken

Mindeststeifigkeit der Längsrippen – wie nach DIN-Fb 103

Bemessung nach EC 3 – Konstruktion

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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orthotrope Platte mit Trapezrippen

Form der Freischnitte (aber auch ohne möglich)

Bauteil- Ermüdungsversuche am ICOM Lausanne

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Wöhlerlinien EC3-1-9

orthotrope Platte mit Trapezrippen

Bemessung nach EC 3 – Ermüdung

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Orthotrope Fahrbahnplatten von Straßenbrücken

Querträger bei Trapezprofilen

als Vierendeelsystem berechnen

Biegung in den Stegzähnen ist nicht

vernachlässigbar

Bemessung nach EC 3 – Konstruktion

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Querrahmenausbildung

Querrahmen sind Schwachstellen bei bestehenden Stahlbrücken:

Bemessung nach EC 3 – Konstruktion

„2“ Stumpfnaht

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

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Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit

Einhaltung der elastischen Dehnungen im Gebrauchszustand

zur Vermeidung bleibender Verformungen

Begrenzung von Verformungen

allgemein: Einhaltung des Lichtraumprofils unter der Brücke

- Spannungslose Werkstattform (Überhöhung für ständige Einwirkungen)

- Durchbiegung (Fahrkomfort)

- weitere Kriterien nur für Eisenbahnbrücken

NW der Schwingungsüberhöhungen

für Fußgängerbrücken: NW der maximalen Beschleunigung in versch. Eigenformen

für einzelne Bauteile von Straßenbrücken, z.B. Seile

Bemessung nach EC 3 – Gebrauchstauglichkeit

TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen

Fachgebiet EK – Stahlbau Prof. Dr.-Ing. K. Geißler

Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Anhänge

C – Empfehlungen für die bauliche

Durchbildung von Stahlfahrbahnen

(bzw. Anhang NA.G)

D – Knicklängen von Bauteilen und

geometrische Imperfektionen

Bemessung nach Eurocode 3

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Fachgebiet EK – Stahlbau Prof. Dr.-Ing. K. Geißler

Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Bemessung nach Eurocode 3

Anhang NA-F – Bemessung von Hängern an Stabbögen

Einhaltung Entwurfsgrundsätze:

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Bemessung nach Eurocode 3

Anhang NA-F – Bemessung von Hängern an Stabbögen

Nachweis wirbelerregte Schwingungen

Berechng. mit stat. Ersatzlasten in Schwingungsmaxima

der jew. Eigenform (n. Theorie II.O., mit NEG,char)

(St = 0,2 für runde QS)

Ermüdungsnachweis:

Nachweis Galloping-Schwingungen:

nur für eckige QS oder entartete runde QS (Regen-Wind-Induziert) relevant, dann

- Ermittlung einer kritischen Windgeschwindigkeit (abhängig vom Querschnitt)

- Nachweis der max. mittleren Windgeschwindigkeit vm

St

Dfv

kvD10,1q

ii,crit

i,F

2

i,crit

MfCWindVerkehr / g

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Einführung der Eurocodes im Brückenbau

Tagung Berlin, 15. Mai 2013

Zusammenfassung

Bemessung und Konstruktion der Stahlbrücken nach EC 3-2:

i.W. analog wie nach DIN-Fb 103

nur wenige Änderungen in einzelnen Nachweisen