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Report (Bericht) zugänglich unter
URL: http://bast.opus.hbz-nrw.de/volltexte/2012/360/


Bemessung von Wellstahlbauwerken : Vergleich nach den bisherigen und den neuen Richtlinien

Design of corrugated steel culverts

Kuhlmann, Ulrike ; Günther, Hans-Peter ; Krauss, Wolfgang

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Bemessung , Deutschland , Durchlass , Forschungsbericht , Sicherheit , Stahl , Tunnel , Tunnelauskleidung
Freie Schlagwörter (Englisch): Culvert , Design (overall design) , Germany , Research report , Safety , Steel , Tunnel , Tunnel lining
Collection 1: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 34 Stahl und Metalle
Collection 2: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 25 Tunnelentwurf
Institut: Sonstige
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Sonstige beteiligte Institution: Ingenieurbüro für Stahlbau und Schweißtechnik, Bürogemeinschaft Kuhlmann Gerold Günther Eisele, Ostfildern
Dokumentart: Report (Bericht)
Schriftenreihe: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
Bandnummer: 78
ISBN: 978-3-86918-135-6
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 21.06.2012
Bemerkung: Die kostenpflichtige Verlagsversion des Berichtes liegt nur in digitaler Form (CD-ROM) vor.
Kurzfassung auf Deutsch: Bei Wellstahlbauwerken handelt es sich um wirtschaftliche und dauerhafte Ingenieurbauwerke für die Unterführung von Verkehrswegen, die sich seit Jahrzehnten in der Anwendung bewährt haben. Hierbei werden wellprofilierte biegeweiche Stahlrohre in den Boden eingebettet und als Unterführungsbauwerke benutzt. Die Lastabtragung der eingebetteten biegeweichen Stahlrohre basiert auf einer Interaktion der Rohrschale mit dem umgebenden Boden und erfolgt deshalb hauptsächlich in Ringrichtung. Die Bemessung von Wellstahlbauwerken erfolgt in Deutschland derzeit gemäß den Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998. Die darin aufgeführten Bemessungsregeln stammen aus den 70iger Jahren und basieren auf der Veröffentlichung (KLÖPPEL & GLOCK, 1970). Diese Bemessungsregeln beruhen jedoch noch auf dem damals üblichen Globalsicherheitskonzepts für die Nachweisführung und genügen nicht mehr den Anforderungen der neuen europäischen Normengenerationen deren Sicherheitsphilosophie auf dem Teilsicherheitskonzept beruht. Im Zuge der nationalen Einführung der europäischen Bemessungsnormen (Eurocodes) im Straßenbau in Form der DIN-Fachberichte werden derzeit auch die bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überarbeitet und sollen zukünftig in die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV ING, Teil 9, Abschnitt 4) aufgenommen werden. Neben allgemeinen Änderungen und Anpassungen der Einwirkungen wird bei der Überarbeitung hinsichtlich der Bemessung hauptsächlich die Umstellung der Nachweise vom Globalsicherheitskonzept auf das Teilsicherheitskonzept vollzogen. Durch diese Überarbeitung der bestehenden Richtlinien für Wellstahlbauwerke werden im Hinblick auf die Bemessung von Wellstahlbauwerken wesentliche Änderungen herbeigeführt, die eine genauere Betrachtung und ggf. Anpassung der Bemessungsrichtlinien erfordern. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde daher auf Grundlage von vergleichenden Betrachtungen die Anwendung der neuen Bemessungsrichtlinien fuer Wellstahlbauwerke erprobt, sowie das vorliegende Sicherheitsniveau im Vergleich zu den bisher bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überprüft. Der Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchungen lag daher auf der Durchführung von umfangreichen Vergleichsberechnungen an unterschiedlichen Einbausituationen von Wellstahlbauwerken, anhand derer die Auswirkungen der Regelwerksumstellung aufgezeigt wurden. Ergänzend zu diesen Vergleichsberechnungen wurden separate Untersuchungen zum Nachweis der Schraubenverbindung und zum Nachweis am Schrägschnitt durchgeführt. Ferner wurde in Form von Stabwerksberechnungen nach Theorie II. Ordnung noch das Stabilitäts- und Beanspruchungsverhalten von Wellstahlbauwerken mit großen Spannweiten untersucht. Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen und Vergleichsberechungen konnten für Wellbauwerke nachfolgende wesentliche Erkenntnisse und Empfehlungen für die weitere Überarbeitung des Regelwerks abgeleitet werden: - Mit Ausnahme des Nachweises "Durchschlagen des Bauwerksscheitel für h/s < 0,7" führt die vorgenommen Umstellung des Nachweiskonzepts zu keinen wesentlichen Änderungen des Sicherheitsniveaus. Für diesen Nachweis wird empfohlen, auch zukünftig das höhere Sicherheitsniveau für gedrungene Querschnittsformen mit h/s < 0,7 aufrecht zu erhalten. - Die Anpassung bzw. Erhöhung der Verkehrslast von 45 kN/m2 auf 65 kN/m2 führt mit Ausnahme des Nachweises "Grundbruch im Scheitel" lediglich zu einer effektiven Vergrößerung der Beanspruchung von max. 13%. Dies begründet sich in erster Linie durch den Wegfall des Schwingbeiwertes im neuen Regelwerk. - Bezüglich der Schraubenverbindung wird empfohlen, die Festlegung der Tragfähigkeit gemäß den europäisch harmonisierten Regeln in DIN EN 1990:2002 durchzuführen. - Beim Nachweis "Grundbruch im Scheitel" kommt es infolge der Umstellung des Regelwerks zu größeren Änderungen des Sicherheitsniveaus, das in erster Linie das Ergebnis der Nachweisführung selbst und der Lastanpassung ist. Will man wie bei allen anderen Nachweisen, das bestehende Sicherheitsniveau beim Übergang vom alten ins neue Regelwerk weitestgehend aufrecht erhalten, so sind weitere Maßnahmen erforderlich. - Es wird empfohlen den im alten Regelwerk festgelegten Anwendungsbereich bzgl. der Spannweite und der Überdeckung auch im neuen Regelwerk bei zu behalten.
Kurzfassung auf Englisch: Corrugated steel culverts have been approved to be economic and durable steel structures for the undercrossing of roads and highways during the last decades of years. Corrugated steel culverts are built up from corrugated steel elements embedded in the earth and used for several types of underground crossings. Their load carrying behaviour is characterized by an interaction of the flexible steel culvert with the surrounding soil material. In Germany, the design of corrugated steel culverts is currently regulated by the Allgemeinen Rundschreiben Strassenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998, published by the Federal Ministry of Transportation. The design rules included in these documents go back to the 1970th and are based on the publication of (KLOEPPEL & GLOCK, 1970). These rules are based on the formerly used so called global safety concept, which is not in line with the basis of design as given in the European harmonized structural codes that comprises a safety concept which uses partial safety factors. Within the implementation process of the common European structural codes (Eurocodes) for highway bridges, in form of the so called DIN-Fachberichte, it is intended by the Federal Highway Research Institute to adapt also the design rules for corrugated steel culverts to the general requirements given in these structural Eurocodes and to publish them by the Zusaetzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien fuer Ingenieurbauten (ZTV ING, Teil 9, Abschnitt 4). The revision of the existing design rules for corrugated steel culverts towards the harmonized European requirements primarily comprises a change of the design rules by an implementation of the partial safety concept instead of the old global safety concept and additionally the adaption of the traffic loads acting on the culverts. Through this revision the existing design rules for corrugated steel culverts undergo several major modifications, which require a more detailed investigation of the whole revision in order the point out and highlight possible changes of the overall safety level. The research work documented in this document therefore focus on a complete check of the modifications which were done through the revision of the design rules for corrugated steel culverts. In order to do so, the research work comprise extensive comparative calculations for different built in corrugated steel culverts with the aim to demonstrate and point out the final impact as a result of the adaption of the design rules. In addition to theses comparative calculations, investigations on the bolt connection and the verification at the inclined side-cut of the culverts are included. Moreover, second order analysis based on a typical framework software have been performed in order to check the stability of the pipe’s crown and to the get an impression on the overall stress behaviour in the culvert during backfilling and under the design loads. Based on these investigations, the following findings and recommendations could be drawn which might be considered for the review of the design rules for corrugated steel culverts: - Except of the stability limit state at the pipe’s crown for h/s < 0.7, the change of the overall design concept towards the state of the art partial safety concept indicated no significant changes within the overall safety level. For this limit state it is therefore recommended to keep the higher safety requirements for h/s < 0.7 as given in the old design recommendations, because of the absence of more details investigations on this subject. - The implementation of the new traffic load, characterized by an increase from 45 kN/m2 as originally used, towards 65 kN/m2 results only in an effective rise of the total stress of max. 13%. This moderate increase is a result of the disappearance of the dynamic amplification factor in the new traffic load standard. - With regard to the limit state of the bolt connections, it is recommended to determine the resistance value for the bolt connection based on the procedure given in the harmonized Eurocode EN 1990:2002. - For the soil failure limit state at the pipe’s crown the revision of the design recommendations lead to a significant change within the safety level. This is primarily a result of the general verification procedure itself and the rise of the traffic loads. Further revision is therefore recommend in order to maintain the overall safety level as originally intended. - Because of the lack of more detailed investigations and the increasing total stress in the steel culverts for higher span length and under high cover it is recommended to keep the range of application as given in the old version, which proved to give a sufficient level of safety during the last decades.