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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.