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Empfehlungen für geschweißte KK-Knoten im Straßenbrückenbau

Recommendations for welded KK-joints in the construction of road bridges

Kuhlmann, Ulrike ; Euler, Mathias

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Bauausführung , Bemessung , Berechnung , Deutschland , Ermüdung (mater) , Fachwerk , Festigkeit , Forschungsbericht , Hohlprofil , Kerbeffekt , Metallbrücke , Planung , Rohrknoten , Schweißen , Schweißknoten , Spannungsanalyse , Stahl , Verbundbrücke
Freie Schlagwörter (Englisch): Bridge , Calculation , Composite bridge , Construction , Design (overall design) , Fatigue (mater) , Germany , Lattice , Metal bridge , Notch effect , Planning , Research report , Steel , Strength (mater) , Stress analysis , Welding
Collection 1: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 24 Brückenentwurf
Collection 2: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 34 Stahl und Metalle
Institut: Sonstige
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Sonstige beteiligte Institution: Institut für Konstruktion und Entwurf, Stahl-, Holz- und Verbundbau <Stuttgart>
Dokumentart: Report (Bericht)
Schriftenreihe: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
Bandnummer: 71
ISBN: 978-3-86509-988-4
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 30.09.2011
Kurzfassung auf Deutsch: In den letzten Jahren hat sich eine neue Konstruktionsform im Straßenbrückenbau etabliert. Hierbei handelt es sich um architektonisch anspruchsvolle, optisch ansprechende Verbundbrücken, die aus einem dreigurtigen Raumfachwerk mit Untergurt und Streben aus stählernen Rundhohlprofilen bestehen. Die Obergurte werden in die betonierte Fahrbahnplatte integriert. Als besonders günstig hat sich bei der Gestaltung des Raumfachwerks die Anordnung der Streben in Form von fallenden und steigenden Diagonalen erwiesen. Der Untergurt bildet bei einer solchen Anordnung zusammen mit den Streben jeder Fachwerkwand die Form eines liegenden Ks. Der komplette Raumfachwerkknoten wird daher als räumlicher K-Knoten oder KK-Knoten bezeichnet. Neuartig an der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchten Bauweise ist die Ausführung der Fachwerkknoten als Schweißknoten. Das heißt, es wird die Möglichkeit des direkten Verschweißens der Streben auf dem Gurtprofil untersucht. Bisher sind in Deutschland Rohrknoten im Brückenbau ohne Knotenbleche nur als Gussknoten ausgeführt worden. Schweißknoten besitzen gegenüber der Gussknotenausführung drei wesentliche Vorteile. Zum Ersten werden durch die direkte Verschweißung die Gussformstücke eingespart, die aufgrund ihrer individuellen Herstellung einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen. Zum Zweiten besitzt der Schweißknoten ein gutartiges Ermüdungsverhalten, da der Rissfortschritt nicht vom Inneren der Konstruktion ausgeht, sondern an der Außenseite beginnt. Damit bestehen die Möglichkeit einer frühzeitigen Detektion bei einer Brückenkontrolle und die Option für eine Ertüchtigung der ermüdungskritischen Tragwerksstellen durch eine Nachbehandlung. Zum Dritten wird der Planungs- und Ausführungsprozess gestrafft, da die relativ langen Vorlaufzeiten für die Gussknotenerstellung entfallen und mögliche Unterbrechungen bei Qualitätsmängeln an den Gussknoten, die durch den Neuguss entstehen, ausgeschlossen sind. Aus der Sicht der Materialermüdung bedarf der Schweißknoten im Vergleich zum Gussknoten zusätzlicher Untersuchungen. Im Bereich der Gurt-Streben-Verbindung kommt es durch die plötzliche Geometrieänderung zu hohen Spannungskonzentrationen. Zusätzlich erfährt der Ermüdungswiderstand in diesem Bereich aufgrund der metallurgischen Kerbe (Schweißkerbe) eine Reduzierung. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass bei einer Schweißknotenausführung der Ermüdungsnachweis in der Regel für die Ausbildung des Raumfachwerks im Straßenbrückenbau bemessungsbestimmend wird. Aufgrund der komplizierten Geometrie kann die Bewertung des Ermüdungsverhaltens eines KK-Knotens nicht auf der Grundlage des Nennspannungskonzeptes erfolgen, sondern muss auf der Ebene der Strukturspannungen (Hot-Spot-Konzept) geführt werden. Eine praxisnahe Ermittlung der Strukturspannungen setzt das Vorhandensein tabellarisch oder graphisch aufbereiteter Spannungskonzentrationsfaktoren (SCF-Werte) voraus. Für den KK-Knoten im Off-Shore-Bereich, Kranbau und Hochbau stehen solche SCF-Werte zur Verfügung. Wegen der starken Abhängigkeit der SCF-Werte von den Verhältnissen der Durchmesser und Wanddicken der Gurt- und Strebenprofile ist eine einfache Übertragung der existierenden SCF-Werte auf die im Straßenbrückenbau besonderen Durchmesser-Wanddicken-Verhältnisse jedoch nicht möglich. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird der KK-Knoten mit straßenbrückentypischer Geometrie einer ganzheitlichen Betrachtung aus der Sicht der Materialermüdung unterzogen. Für alle Phasen des Planungs- und Umsetzungsprozesses werden praxisnahe Empfehlungen gegeben. Die entwickelten Entwurfsempfehlungen fassen alle wesentlichen, entwurfsbestimmenden Grundsätze zusammen, die aus der unmittelbaren Abhängigkeit zwischen Stab- und Knotendimensionierung bei einem Fachwerk aus Hohlprofilen mit unversteiften KK-Knoten resultieren. Die Entwurfsempfehlungen stellen eine Synthese der besonders auch im europäischen Ausland gesammelten Erfahrungen an Pilot-Brückenvorhaben dar. Die Bemessungsempfehlungen geben dem Tragwerksplaner ein wirkungsvolles Werkzeug bei der Führung des Ermüdungsnachweises an die Hand. Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelten SCF-Werte ermöglichen eine sichere und wirtschaftliche Ermittlung der Strukturspannungen. In den Ausführungsempfehlungen werden Hinweise zur Qualitätssicherung zusammengefasst, die in den Bemessungsempfehlungen unterstellten Voraussetzungen am Bauwerk sicherzustellen. Durch alle Empfehlungen wird auch unter den anspruchsvollen Bedingungen im deutschen Straßenbrückenbau eine wirtschaftliche Realisierung von ästhetisch ansprechenden Verbundfachwerkbrücken aus Hohlprofilen mit geschweißten KK-Knoten möglich. Die Arbeiten erfolgten in Abstimmung mit dem FOSTA-Projekt P 591 "Wirtschaftliches Bauen von Straßen- und Eisenbahnbrücken aus Stahlhohlprofilen".
Kurzfassung auf Englisch: In the last two decades an innovative type of highway bridge design has been developed. Architecturally sophisticated spatial trusses made of circular hollow sections have become more and more popular in steel-concrete composite highway bridges. For this particular kind of composite bridge a tubular truss is arranged under the reinforced concrete slab serving as bridge deck. Preferably, the tubular trusses consist of rising and falling (not crossing) braces running at an angle of 45 to 60 degrees (in longitudinal direction) toward a bottom chord tube. Subsequently the bottom chord forms in longitudinal direction together with two adjacent braces a lying K. Due to the spatial arrangement of the braces a so-called multi-planar K-joint or KK-joint is created. This research project is focused on innovative welded KK-joints in highway bridge design. Up to now the truss joints (if not reinforced by gusset plates) have been carried out as cast steel joints because of the complex geometry of the brace to chord connection. With the introduction of the CNC controlled pipe cut-off technology the question has arisen whether it is possible to fasten the braces directly to the chord tube by welding. The welded KK-joint has got some essential advantages over the cast steel joint. Firstly, the direct connection of the braces and the chord saves the cast steel node and, consequently, reduces the costs. Secondly, the fatigue behaviour of the welded joint may be considered quite positive since the fatigue cracks are initiated on the outside of the truss elements, especially the chord crown toe. Therefore, the cracks are well detectable through permanent non-destructive inspections. Furthermore, the fatigue resistance of the potential crack locations can be improved by post-weld treatment. Lastly, the design and the fabrication process are accelerated since interruptions caused by flawy cast steel nodes are eliminated. The fatigue verification of a welded KK-joint requires additional considerations compared with the cast steel joint. The stress distribution of the chord and the braces indicates an essential stress concentration (hot spot stress) within the intersecting region. This stress-rising effect is caused by the sudden change in geometry (geometric notch). Additionally, the weld at this region diminishes the fatigue resistance (metallurgic notch). In a preliminary study it was shown that due to the fore-mentioned reasons the dimensioning of spatial tubular trusses is governed by the fatigue verification of the KK-joints for highway bridges. In order to verify a tubular truss against fatigue failure the S-N method cannot be performed anymore because of the complex geometry of the welded connections. The more sophisticated Hot-spot stress method has to be applied. The computation of the hot-spot stresses requires so-called SCF (stress concentration factors). For KK-joints in off shore, cranes et cetera SCFs are given in tables. Due to the strong dependancy of the SCFs on the ratios of tube diameters and wall thicknesses the existing SCFs cannot be transferred to highway bridge type geometries. Within the research project the KK-joint in highway bridge design is considered in an integral view. Practically relevant recommendations are given for all stages of the planning and fabrication process. The recommendations for the design phase cover a wide range of design relevant principles being caused by the direct dependency of the truss member geometry and the design of unstiffened tubular joints. They are based on the experiences made by pilot bridge projects throughout Europe. The recommendations for the fatigue verification of KK-joints being developed within the research project are supposed to simplify the computations of hot-spot stresses. They are a powerful tool to get fast reliable hot-spot stresses without a great loss of accuracy. Finally, the recommendations for the fabrication summarize a couple of quality management linked rules. They are supposed to ensure that the prerequisites of the fatigue verification are realized in the real structure. These recommendations allow the realisation of aesthetic composite tubular truss bridges with welded KK-joints that meet the demanding German highway bridge design requirements. The research was performed in coordination with FOSTA-Project P 591: "Economic use of structural hollow sections for highway and railway bridges".