Richard Brand, Markus Feldmann, Achim Geßler, Damian Händeler, Ciara Kenny, Anna-Lea Krumpen, Cornelius Schräder, Christian Schulze

• Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts ist ein Ansatz entwickelt und validiert worden, um die Beanspruchungen aus dem Einbau des Heißasphalts auf Stahlbrücken zu bestimmen. Für diese Untersuchungen wurden für zwei repräsentative Stahlbrückenbauwerke (Hochmoselbrücke mit Hohlkastenquerschnitt und Mühlenfließbrücke mit offenem Querschnitt auf zwei Hauptträgern) detaillierte FEM-Ausschnittmodelle in ANSYS erstellt. Diese Modelle erlauben eine thermisch transiente Simulation des Heißasphalteinbaus zur Erfassung der Temperaturentwicklungen in dem Stahlbrückenquerschnitt. Der Vergleich mit beim Heißasphalteinbau aufgenommenen Messdaten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. In den Simulationen wurden eine Vielzahl von Parametern untersucht, die vom Herstellungsprozess und von meteorologisch klimatischen Randbedingungen abhängig sind, wobei die Grundfunktionalität der Beläge (wie Einbaubarkeit, Standfestigkeit, Griffigkeit, Dauerhaftigkeit) bei den betrachteten Grenzwerten der untersuchten Parameter gewährleistet bleibt: - Anzahl Einbaubahnen (1, 2, 4) - Einbautemperatur Asphaltmischgut (180°C bis 230°C) - Ausgangstemperatur konstant über QS (5°C bis 30°C) - Ausgangstemperatur gradierend über QS (0°C/ 5°C bis 25°C/ 50°C) - Strahlung Asphalt (Emissionsverhältnis ε= 0 bis 0,93) - Einbaugeschwindigkeit (0,5 bis 2,5 m/min) - Schichtdicke Schutzschicht (2,5 bis 5,0 cm) - Schichtdicke Deckschicht (3,5 bis 4,5 cm) - Bauart (1 oder 2) und Dicke Dichtungssystem (1,0 bis 2,5 mm; oder 5,0 bis 12,5 mm) - Deckblechdicke (10 bis 14 mm) Von den herstellprozessabhängigen Parametern sind in Bezug auf die Temperaturentwicklung die deutlichsten Effekte durch Variation der Einbautemperatur, der Schutzschichtdicke und der Auswahl und Dicke des Dichtungssystems zu verzeichnen. Dagegen sind die Effekte der Parameter Einbaugeschwindigkeit und Deckschichtdicke geringer. Bei den meteorologisch klimatischen Randbedingungen hat die Höhe der Ausgangstemperatur einen hohen Einfluss auf die Maximaltemperatur in den Stahlbauteilen nach dem Asphalteinbau. Konstant über den Querschnitt veränderte Ausgangstemperaturen führen zu über den gesamten Querschnitt nahezu konstanten Temperaturänderungen. Dagegen ist der Einfluss von ausgänglichen Temperaturgradienten über den Querschnitt (z.B. Tagesgangkurven/ Sonneneinstrahlung) am Deckblech am größten. Basierend auf den ermittelten Temperaturfeldern sind die transienten Spannungsentwicklungen am Brückenquerschnitt und in der orthotropen Fahrbahnplatte zu ermitteln. Dabei sind neben den lokalen Spannungen infolge der örtlichen Temperaturbeanspruchungen auch die Spannungen aus globalen Einflüssen des gesamten Brückenbauwerks zu berücksichtigen. Bei den zu untersuchenden großen Stahlbrücken sind aufgrund limitierender CPU keine befriedigenden Ergebnisse mit einem FEM-Einzelmodell möglich. Daher wurde ein FEM-Ausschnittmodell für die lokalen Effekte mit einem in MATLAB geschriebenen Lamellen-Modell kombiniert, welches die weiteren Effekte erfasst. Das Lamellenmodell berücksichtigt Kopplungen unter Einhaltung des Gleichgewichts sowie der Effekte aus Schubverzerrung. Die am lokalen FEM-Modell ermittelten thermisch transienten Temperaturfelder werden als Eingangsdatensätze verwendet. Die berechneten Spannungen stimmen sehr gut mit einem kurzen FEM-Beispielmodell sowie mit vorliegenden Messdaten an der Mühlenfließbrücke überein. Für die wesentlichen Parameter der vorangegangen thermischen Simulationen wurden Berechnungen mit dem Lamellenmodell durchgeführt und die maßgebenden Längsspannungen am Querschnitt, sowie die Verformungen am Anfangs- und Endauflager bestimmt. Bei Variation der Einbautemperatur des Gussasphaltmischguts wird ein direkter, linearer Zusammenhang festgestellt. Eine Reduktion der Asphaltierbreite führt zu einer Zunahme der Druckspannungen in der Fahrbahnplatte, jedoch gleichzeitig zu einer Reduktion der Zugspannungen am Kragarm. Dagegen werden die höchsten Endlagerverschiebungen durch Erhöhung der Einbaugeschwindigkeit verursacht. Bei den Untersuchungen der meteorologisch klimatischen Randbedingungen wird gezeigt, dass die Druckspannungen bei höheren Ausgangstemperaturen geringer sind. In dem Falle, dass der Brückenquerschnitt vor dem Asphaltieren nur am Deckblech eine höhere Temperatur aufweist, erzeugt die Temperaturbeanspruchung aus dem Heißasphalt vergleichsweise geringere Zugspannungen. An den Brückenendlagern addieren sich die Längsverformungen aus Heißasphalteinbau und hoher Umgebungs-temperatur auf. Mit der entwickelten kombinierten Methode können die o.g. Effekte erstmals – exemplarisch an der ausgewählten Mühlenfließbrücke – in Abhängigkeit von den verschiedenen untersuchten Parametervariationen quantifiziert werden. Derzeit werden bei dem entwickelten Lamellenmodell die Verschiebungen in Lamellenebene und die Verdrehung senkrecht zur Lamellenebene berücksichtigt. Es besteht die Möglichkeit, das vorhandene Lamellenmodell für zusätzliche Freiheitsgrade weiterzuentwickeln. Weiter steht die Übertragung der Methode zur Untersuchung des Heißasphalteinbaus auf andere Brückenbauwerke noch aus, dazu zählen neben Stahlbrücken anderer Bauart auch Verbundbrücken.
• The scope of this research project has been to develop an approach to determine the impact of hot asphalting onto steel bridge structures and to validate it with measurement data. For two representative steel bridges, the “Hochmoselbrücke” with a box section and the “Mühlenfließbrücke” with an open cross section, detailed FEM-models have been created in ANSYS. These models allow a thermal transient simulation of the hot asphalting, so that the temperature development within the structure of the orthotropic deck can be determined. A very good agreement is achieved with in-field measurement data. An extensive parametric study to investigate both process dependent as well as meteorological climate dependent boundary conditions has been carried out, of course maintaining basic functions of the asphalt layer (i.e. processability, stability, grip, dura-bility). The following parameters are investigated: - Number of paving tracks (1, 2, 4) - Asphalt laying temperature (180°C to 230°C) - Initial temperature, const. over CS (5°C to 30°C) - Initial temperature, gradient over CS (0°C/ 5°C to 25°C/ 50°C) - Radiation Asphalt (emission ratio ε= 0 to 0.93) - Laying speed (0.5 to 2.5m/min) - Protective layer thickness (2.5 to 5.0cm) - Top layer thickness (3.5 to 4.5cm) - Type of construction (1 or 2) and waterproofing system thickness (1.0 to 2.5mm; or 5.0 to 12.5mm) - Deck plate thickness (10 to 14mm) Looking at those process dependent parameters the most significant effects onto the temperature fields are from a variation of the initial asphalt laying temperature, the protective layer thickness and the choice of the type of construction with the water-proofing system thickness. The effects from a variation of the laying speed and of the top layer thickness are less significant. With regard to meteorological boundary conditions the initial temperature of the structure has a direct impact on the maximum temperatures within the steel structural elements. While a constant variation of the initial temperature as well as a change of radiation emission leads to a constant temperature change over the whole cross section, the gradient variation of the initial temperature (as from direct solar irradiation or diurnal variation) has more impact on the temperatures only of the deck plate. Based on the temperature fields derived from the thermal transient simulations the transient stresses over the section of the orthotropic plate are to be determined. Those stresses are locally induced by the temperature field, but are also coming from the global structural behaviour effected by the global temperature development. Since the ANSYS models cannot handle such transient static mechanic analysis for large bridges due to CPU-time, a new calculation approach has been developed, which is based on a combined stress analysis using an additional lamella model for the global analysis, written in MATLAB. The lamella model is being coupled under equilibrium conditions and consider shear strain effects. The thermal transient fields determined with the local FEM-model are to be taken as input data. The calculated stresses using that combined stress analysis has been compared with full FEM analysis on a short bridge example and with in-field measurement data of the long “Mühlenfließbrücke” and match very well. For selected parameters from the above list additional calculations have been carried out with the combined stress analysis using the lamella model to determine the longitudinal stresses over the cross section as well as the deformations of the bridge at the abutments. The variation of the asphalt laying temperature shows a direct linear correlation. A reduction of the paving track width leads to an increase of compression stresses in the deck plate, but at the same time to a significant reduction of tension stresses at the sidelong lever arms. On the other hand, the most significant increase of displacement at the end abutment has been calculated for a maximum laying speed. Investigating the meteorological boundary conditions shows that the compression stresses are less when the initial temperature of the bridge structure is higher. For the case, that the deck plate of the bridge structure has already a higher temperature than the rest of the cross section below, the temperature induced tension stresses from asphalting are relatively lower. With regard to the abutment displacements any deformation from the hot asphalting adds onto other deformations from other temperature increases (e.g. in summer). Using the new calculation method of the combined analysis with the lamella model allows for a first time to quantify the described effects depending on the different in-vestigated parameter variations, here exemplarily carried out for the selected “Mühlen-fließbrücke”. At this time, the lamella model considers only displacements within the lamella plane and rotations perpendicular to the lamella plane. A development to include further degrees of freedom is possible. Also, a transfer of this method towards investigating the impact of hot asphalting for other bridge structures, not only other steel bridges but also including composite bridges remains open.