Gegenstand dieser Diplomarbeit ist es einseitig auskragende Verkehrszeichenbrücken aus statisch-konstruktiver Sicht zu beurteilen und eine statische Berechnung dafür anzufertigen. Dafür wird zunächst das geltende Regelwerk untersucht und die Einsatzbereiche dieser Bauwerke vorgestellt.
Zur Förderung des Verständnisses über die Tragwirkung dieser Stahlkonstruktionen werden die Bestandteile getrennt voneinander dargelegt sowie deren statisch-konstruktiven Besonderheiten bestimmt. Hoher Aufmerksamkeit wird dabei der ermüdungsanfälligen Riegel-Stiel-Verbindung geschenkt. Aus Berichten über Schäden an Verkehrszeichenbrücken werden deren Ursachen untersucht und daraufhin Verbesserungsvorschläge entwickelt. Diese beziehen sich einerseits auf die Montage und andererseits auf die aerodynamischen Schwingungen des Kragarms.
Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird schließlich die statische Berechnung einer repräsentativ gewählten
Verkehrszeichenbrücke durchgeführt. Dabei werden zuerst die Einwirkungen auf das statische System vorgestellt und anschließend die notwendigen Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit geführt.
Inhaltsverzeichnis
Aufgabenstellung
Kurzfassung
Abstract
Inhaltsverzeichnis
Danksagung
Einleitung, Vorstellung des Inhalts, Ziel der Arbeit, Aufbau
1 Allgemeines
1.1 Definition und Einsatz von Verkehrszeichenbrucken
1.2 AktuellesRegelwerk imVergleich mitalterenNormen
1.3 Ausfuhrungsprinzipien der USA
2 Vorstellung der Konstruktionsbestandteile
2.1 Hohlprofile
2.1.1 MechanischeEigenschaften
2.1.2 Geometrische Eigenschaften
2.2 Vorgespannte Schraubverbindungen
2.3 Biegesteife Ecke
2.4 Ringflanschverbindung
2.5 FuBpunktverankerung
2.6 Baupraktische Hinweis
2.6.1 Transport und Montage
2.6.2 Korrosionsschutz
2.6.3 Sanierung von Riegel-Stiel-Verbindungen
3 Schadensfalle und Ursachen
3.1 Beispiele der Stadt Leipzig
3.2 Internationale Schadensfalle
3.3 Ruckschlusse fur die Berechnungsansatze
3.3.1 Flanschimperfektionen
3.3.2 Dynamische Windeinwirkungen
4 Statische Berechnung einer einseitig auskragenden Verkehrszeichenbrucke
4.1 Statisches System
4.2 Einwirkungen
4.3 SchnittgroBen und Spannungen
4.4 GZT
4.4.1 Nachweis furStutzenfufl
4.4.2 Riegel-Stiel-Verbindung
4.4.3 Beulnachweis
4.5 GZG
4.6 Ausfuhrungszeichnung
5 Zusammenfassung, Fazit, Ergebnis, Bezug zum Ziel
Quellenverzeichnis86 Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Anhang I — allgemeine Darstellungen
Anhang II — Statische Berechnung mit RStab
Anhang III — Beulnachweis mit FE-Beul
Kurzfassung
Gegenstand dieser Diplomarbeit ist es einseitig auskragende Verkehrszeichenbrucken aus statisch-konstruktiver Sicht zu beurteilen und eine statische Berechnung dafur anzufertigen. Dafur wird zunachst das geltende Regelwerk untersucht und die Einsatzbereiche dieser Bauwerke vorgestellt. Zur Forderung des Verstandnisses uber die Tragwirkung dieser Stahlkonstruktionen werden die Bestandteile getrennt voneinander dargelegt sowie deren statisch-konstruktiven Besonderheiten bestimmt. Hoher Aufmerksamkeit wird dabei der ermudungsanfalligen Riegel-Stiel-Verbindung geschenkt. Aus Berichten uber Schaden an Verkehrszeichenbrucken werden deren Ursachen untersucht und daraufhin Verbesserungsvorschlage entwickelt. Diese beziehen sich einerseits auf die Montage und andererseits auf die aerodynamischen Schwingungen des Kragarms. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird schlieBlich die statische Berechnung einer reprasentativ gewahlten Verkehrszeichenbrucke durchgefuhrt. Dabei werden zuerst die Einwirkungen auf das statische System vorgestellt und anschlieBend die notwendigen Nachweise im Grenzzustand der Tragfahigkeit und Gebrauchstauglichkeit gefuhrt.
Abstract
This diploma thesis is about the construction of cantilevered sign-bridges. For this purpose it was essential to analyse the actual engineer standards and to introduce the application of these structures. In order to improve the comprehension about the load-bearing capacity of this steel-construction, the properties, like the hollow sections, the rigid anchorage and the rigid edge, were characterised. Particularly the bolted connections with the pre-stressed bolts in the rigid edge are very important, because of the high number of disadvantages in this part of the construction. Based on survey reports and research programs the reasons for the disadvantages are mentioned. On the one hand there are problems in the subject of mounting and on the other hand swings as a result of dynamic wind-loads are responsible to that. In the last part this knowledge were used in a static calculation of this construction, especially for the verifications in the limit state ofload-bearing capacity and usability.
Danksagung
An dieser Stelle mochte ich mich besonders bei meiner Professorin Prof. Dr.-Ing. K. Hebestreit bedanken, die mich wahrend meiner Diplomarbeit betreut und umfangreich unterstutzt hat. Sie steht stellvertretend auch fur alle Professoren und Mitarbeiter der HTWK Leipzig, die fur alle Sorgen und Probleme immer ein offenes Ohr hatten und damit erheblich zu einem erfolgreichen Studium beigetragen haben.
Mein ganz besonderer Dank geht auch an meinen Bruder Oliver, der mir bei der Korrektur der Diplomarbeit sehr hilfreich zur Seite stand.
Widmen mochte ich diese Diplomarbeit meinen Eltern, da sie nicht nur mein Studium zum groBten Teil finanziert haben, sondern auch standi g ein sehr groBes Interesse an meiner Arbeit zeigten und mich in den vergangenen vier Jahren bei all meinen Entscheidungen unterstutzten.
Einleitinig, Vorstellung des Inhalts, Ziel der Arbeit, Aufbau
Die Bundesrepublik Deutschland verfugt mit einer StraBengesamtlange von 231.00 km nach den USA und China uber eines der dichtesten und langsten Verkehrsnetze der Welt. Davon entfallen rund 12.600 km auf Bundesautobahnen und 40.700 km auf BundesstraBen. Die Autobahnen haben zwar mit knapp 5 % nur einen geringen Anted an der Gesamtlangejedoch wird daruber fast ein Drittel des gesamten Verkehrsaufkommens abgewickelt. [BMVBS] Da sich der Verkehr in Zukunft weiter verstarken wird, dabei aber die C02-Emission verringert und die Verkehrsqualitat verbessert werden soil, ist es notwendig die Autofahrer uber ein entsprechendes Verkehrsleitsystem zu fuhren. Um dies zu erreichen, gibt es in Deutschland momentan ca. 20 Millionen Verkehrsschilder und damit alle 28 m ein Schild. [NEON] Zur Regelung des Verkehrs auf Gemeinde-, Land- und BundesstraBen reicht es aus, kleinere Verkehrszeichen aufzustellen. Auf SchnellstraBen und Autobahnen ist es aber notwendig, wegen der hoheren Verkehrsstarke und Geschwindigkeit groBere Schilder zu montieren. Diese, uber die Fahrbahn reichenden Konstruktionen, werden Verkehrszeichenbrucken1 genannt. Neben der Tragkonstruktion mit zwei Stielen werden VZB auch mit einseitiger Auskragung ausgefuhrt, die im Folgenden den Mittelpunkt der Arbeit darstellen sollen.
Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist es, eine Musterkonstruktion in Stahlbauweise fur eine einseitig auskragende VZB zu entwerfen. Dabei sollen zunachst die Randbedingungen fur die Ausfuhrung ermittelt werden, wobei besonders auf das aktuelle Regelwerk, Einsatzbereiche, maBgebende Anforderungen und auf Erfahrungen aus Problemen bei ausgefuhrten Konstruktionen eingegangen werden soil. Die Konstruktion soil auf Grundlage dessen konstruktiv durchgebildet und bemessen werden, wobei auch auf die Montageanforderungen geachtet werden soil. Besondere Aufmerksamkeit soil speziell auf den Anschluss des Riegels an den Stiel gelegt werden, da hier in der Vergangenheit haufig Probleme aufgetreten sind. Zuruckzufuhren wird dies wohl auf die hohe dynamische Windbelastung und damit auf die ermudungswirksame Beanspruchung von Schrauben und SchweiBnahten. Daher soil die Charakteristik dieser durch Wind ausgelosten Schwingungen untersucht werden und deren Auswirkungen auf die Tragkonstruktion beurteilt werden.
Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurde auf das Thema „Einseitig auskragende Verkehrszeichenbrucke“ hingefuhrt und eine Ubersicht uber die Aufgabenstellung dieser Arbeit gegeben. Zudem soil ein Einblick uber den Einsatz, die Notwendigkeit und den Aufbau von Verkehrszeichenbrucken gegeben. Des Weiteren wird das aktuelle Regelwerk vorgestellt und auf den Unterschied zu den Ausfuhrungsprinzipien der Vereinigten Staaten von Amerika2 eingegangen.
Im folgenden zweiten Kapitel werden die Konstruktionsbestandteile von VZB vorgestellt. Es soil die Tragwirkung von Hohlprofilen erlautert werden, sowie deren biegesteifer Anschluss aneinander. Diese Riegel-Stiel-Verbindung, bestehend aus vorgespannten Schrauben in einer Ringflanschverbindung, stellt ein weiteres wichtiges Thema dar. AuBerdem wird noch auf die FuBpunktverankerung und aufHinweise zur Montage eingegangen.
Das dritte Kapitel wird aus Aussagen uber Schadensfalle bestehen, die vom Tiefbauamt Leipzig festgestellt wurden, sowie uber Probleme in den USA im Bereich der VZB berichten. Dabei werden die Schaden analysiert und mogliche Ursachen benannt, vor allem im Hinblick aufMontage und aerodynamischen Schwingungen.
Das Kapitel vier stellt den Hauptteil der vorliegenden Arbeit dar, da hier die statische Berechnung einer reprasentativ gewahlten VZB durchgefuhrt und auf die vorher erzielten Erkenntnisse zuruckgegriffen wird. Dabei werden nach der Ermittlung von Einwirkungen und SchnittgroBen die Nachweise im Grenzzustand der Tragfahigkeit und der Gebrauchstauglichkeit durchgefuhrt.
Im funften und letzten Abschnitt werden noch einmal die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und daraus ein Fazit gezogen. AuBerdem wird der Bezug zum Ziel hergestellt, um festzustellen inwieweit die Erkenntnisse einen praktischen Nutzen fur die weitere Entwicklung von VZB haben.
1 Allgemeines
Wie aus der aktuellen Verkehrszahlung der Bundesanstalt fur StraBenwesen3 hervorgeht, hat sich in Deutschland in den vergangenen 40 Jahren die Zahl der Kraftfahrzeuge mehr als verdreifacht, im Gegensatz dazu ist das StraBennetz des uberortlichen Verkehrs nur um ca. 40% erweitert worden. [BAST] Daraus lasst sich ableiten, dass sich die Verkehrsdichte in dieser Zeit stark vergroBert hat und auch weiter steigen wird. Deshalb ist es notwendig ein effizientes und sicheres Verkehrsleitsystem aufzubauen, welchen den Anforderungen des aktuellen Standes der Technik entspricht. Ein Hauptbestandteil ist dabei die VZB, die vor allem auf den Autobahnen, SchnellstraBen und BundesstraBen zu finden ist. Um jedoch auch bei dieser sehr filigranen Konstruktion ein HochstmaB an Sicherheit gewahrleisten zu konnen, existieren dafur entsprechende Regelungen und Normen.
Im Folgenden Abschnitt wird zunachst ein Uberblick uber die Anwendungsbereiche von VZB gegeben, woraufhin anschlieBend die maBgebenden Regelungen besprochen werden. Am Schluss wird noch auf die Ausfuhrungsprinzipien anderer Lander eingegangen.
1.1 Definition und Einsatz von Verkehrszeichenbrucken
Verkehrszeichenbrucken sind gemaB der Definition der ZTV-ING „Tragkonstruktionen, an denen Schilder/Zeichengeber uber dem Verkehrsraum befestigt werden. Zu den Verkehrszeichenbrucken zahlen auch entsprechende Tragkonstruktionen mit einseitiger (vgl. Abb. 1) oder zweiseitiger Auskragung. [ZTV-ING, 3] Weiterhin wird unterschieden in begehbare und unbegehbare VZB, wobei Besichtigungsstege insbesondere bei Autobahnen zu finden sind.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 Einseitig auskragende VZB an der Richard-Lehmann-Strabe
VZB dienen im StraBenverkehr als Wegweiser fur den Autofahrer, um uber Fahrtrichtung, nachste Ausfahrten und deren Entfernung zu informieren. Dabei kann durch die Anordnung der Schilder uber der Fahrbahn dem Fahrer genau gezeigt werden, auf welcher Spur er wohin gelangt, was die Regelung des Verkehrsflusses erheblich verbessert. (vgl. Abb. 2)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2 Zweistielige VZB uber die Autobahn A9 [Lober]
Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten von 130 km/h und mehr, mussen die Schilder im Vergleich zum Stadtverkehr eine groBere Hohe aufweisen, damit der Autofahrer die vielen Informationen auf den Verkehrszeichen schon bei groBerer Entfernung erfassen kann. Die einseitig auskragenden VZB, die in der vorliegenden Arbeit im Mittelpunkt stehen sollen, werden zur Ankundigung von Autobahnaus- und auffahrten genutzt und ragen deshalb oft nur uber die rechte Fahrspur. Die Entscheidungskriterien zwischen einer zweistieligen und einstieligen Schilderbrucke sind zum einen die vorher erwahnte Notwendigkeit bei Aus- und Auffahrten und zum anderen die erheblich kostengunstigere Ausfuhrung von einseitig auskragenden VZB. Dexter und Ricker sprechen in ihrem Forschungsbericht des National Cooperativ Highway Research Program4 von weniger als 40 % der Herstellungskosten der beidseitig gestutzten VZB. [NCHRP, 8] Zudem stellen die einseitig auskragenden Konstruktionen eine Erhohung der Verkehrssicherheit dar, da nur ein Stiel als mogliche Anprallstelle besteht. [NCHRP, 8]
Zusatzlich werden auch VZB mit Wechselverkehrszeichengeber (vgl. Abb. 3) eingesetzt, da diese notwendig sind, spontan auf das jeweilige Verkehrsaufkommen zu reagieren und Staus verhindern zu konnen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3 LichtsignalgesteuerteVZB [VMZ Niedersachsen]
AuBerdem wurden seit der Einfuhrung einer streckenbezogenen Gebuhr fur schwere LKW auf Autobahnen im Jahr 2005 so genannte Mautbrucken (vgl. Abb. 4) aufgestellt, die der Konstruktion einer VZB ahneln aber in der vorliegenden Arbeit nicht weiter behandelt werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4 Mautbrucke [Spiegel]
Solange die Verkehrswege in Deutschland in der Verantwortung der offentlichen Hand liegen, ist sie auch fur die VZB zustandig. Die Aufgaben vor der Montage sind dabei Planung und Ausschreibung, die Bauuberwachung selbst sowie die Unterhaltung nach Fertigstellung. Da dies meist durch die StraBenbauamter selbst durchgefuhrt wird, ist uber Forschungsarbeiten zu diesem Thema oder uber Probleme und Schaden wenig bekannt oder veroffentlicht worden.
1.2 Aktuelles Regelwerk im Vergleich mit alteren Normen
Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden Normen zu den Verkehrszeichenbrucken aufgrund aktualisierter technischer Baubestimmungen und neuen Erkenntnissen aus der Baupraxis uberarbeitet. In diesem Abschnitt wird auf die dem Stand der Technik entsprechenden Regelungen eingegangen, sowie Veranderungen zu deren Vorganger aufgezeigt. Bei dem aktuellen Regelwerk handelt es sich um die Zusatzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Ingenieurbauten5 aus dem Jahr 2003, dessen Teil 9 Abschnitt 1 die Verkehrszeichenbrucken beinhaltet. [ZTV-ING, 1] Zusatzlich wurde im Dezember 2007 ein Hinweisschreiben des Bundesministeriums fur Verkehr, Bau und Stadtentwicklung herausgegeben, das vorab, zu einer neuen Ausgabe der ZTV-ING, Anderungen bekannt gibt. [BMVBS-Hinweis, 1] Als Vergleichswerk werden die Zusatzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Verkehrszeichenbrucken6 Ausgabe 1994 herangezogen, um Ruckschlusse auf die Entwicklung im Bereich der Verkehrszeichenbrucken ziehenzukonnen. [ZTV-VZB, 1]
Der Abschnitt „Allgemeines“ [ZTV-ING, 3] beinhaltet den Anwendungsbereich fur Verkehrszeichenbrucken, sowie grundsatzliche Regelungen fur deren Einstufung, Planung und statischer Berechnung. Es ist unter anderem festgelegt, welche Konstruktionsbauteile und welche Arten von Schildern diesen Bestimmungen unterliegen. Dabei wird bei VZB im Vergleich zur ZTV-VZB erstmals von einem „nicht ruhend belastetem Tragwerk“ [ebd.] gesprochen, was aufProbleme infolge dynamischerBelastungen schlieBen lasst.
Um moglichen Unklarheiten vorzubeugen, wird im zweiten Teil auf „Begriffsbestimmungen“ eingegangen. Diese sind auch Grundlage fur deren Nutzung im Laufe der vorliegenden Arbeit.
Die wesentlichen Bestimmungen im Teil „Baugrundsatze“ [ebd.] sind, dass die Stahl- oder Aluminium-Konstruktionen nur aus Hohlprofilen bestehenden Vollwandtrager gefertigt werden durfen. Dazu ist bei der Montage darauf zu achten, dass ausschlieBlich Schraubverbindungen verwendet werden durfen und dass auf das SchweiBen auf der Baustelle zu verzichten ist.
Im Bereich „Werkstoffe“ [ebd., 4] werden die Zusammensetzung und Eigenschaften der Baustoffe bestimmt. Nach dem Hinweisblatt sind fur den Stahlsorten S235 und S355 nur noch Mindestanforderungen angegeben, was sicherlich Rucksicht auf die Entwicklung der Baustoffe in den letzten Jahren nimmt und um deren Anwendung kein Hindernis zu bereiten. Des Weiteren sind in dem Schreiben aus dem Jahr 2007 Grenzwerte fur die Zusammensetzung des Zinkbades fur den Korrosionsschutz angegeben, sowie erstmals eine Mindestdruckfestigkeit des Mortels am FuBpunkt bestimmt.
Neben den Werkstoffeigenschaften mussen auch Bestimmungen fur die SchweiB- und Schraubverbindungen angegeben sein. Die SchweiBnahte, die ausschlieBlich mit einem groBen SchweiBnachweis erstellt werden durfen, sind nur bei Einordnung in die Bewertungsgruppe B zugelassen. Sollte die SchweiBnaht, die ununterbrochen anzufertigen ist, nicht mit dieser hochsten Anforderung ausfuhrbar sein, dann sind die Zustimmung des Auftraggebers (AG) und die Begrenzung der zulassigen Werte auf 75% erforderlich. Die Schrauben der Tragkonstruktion, die eine Mindestgute von 5.6 aufzuweisen haben, sind aus Korrosionsschutzgrunden generell feuerverzinkt einzusetzen. An der hochbelasteten biegesteifen Ecke Riegel/Stiel sind zukunftig nur noch Schrauben der Gute 10.9 zugelassen, was in Zusammenhang mit den nicht ruhenden Belastungen zu sehen ist. Mit diesen hoherwertigen Schrauben wird eine hohere Vorspannkraft erreicht, die sich wiederum positiv auf die Ermudungsfestigkeit auswirkt. Auf diese Beziehung wird im Verlauf der Arbeit noch weiter eingegangen und verdeutlicht. [ebd.]
Neben den Bestimmungen der ZTV-ING richten sich die Abmessungen von VZB auch nach den straBenbauspezifischen Richtlinien fur die Anlage von StraBen, Teil Querschnitte (RAS- Q) sowie fur passive Schutzeinrichtungen an StraBen (RPS). Die wichtigste Rolle spielt dabei das Lichtraumprofil, zu deren Einhaltung ein Mindestabstand zwischen Fahrbahn und Schildunterkante sowie verschiedene Randabstande angegeben sind.
Im Abschnitt „Konstruktion und Ausstattung“ werden genaue Angaben zu den Ausfuhrungsdetails der verschiedenen Konstruktionsbauteile, wie FuBpunktverankerung, Riegel-Stiel-Verbindung und den Besichtigungseinrichtungen, gemacht.
Der siebte Teil der ZTV-ING stellt die Annahmen fur die Einwirkungen vor, die fur die Bemessung von VZB anzusetzen sind. Da in Kapitel funf der vorliegenden Arbeit die Lastannahmen an einem Beispiel vorgestellt werden, soil nun nur auf eine grundlegende Anderung der aktuellen Richtlinie eingegangen werden. Durch das Hinweisschreiben wird ein wichtiger Fakt geandert, denn die Hohe der Schildersatzflache wird von 4 m auf 5 m erhoht und deren Schwerpunkt auf 0,5 m oberhalb der Riegelsachse festgelegt. Dies fuhrt zu einem groBeren Biegemoment im gesamten Bauwerk sowie zu einem Torsionsmoment im Riegel. Die vergroBerte Schilderhohe hangt mit der groBeren Informationsdichte auf den Schildern und der damit notwendig gewordenen, groBeren Flache zusammen. Da alle bestehenden VZB mit einer Hohe von 4 m geplant worden, wird der Schwerpunkt der groBeren Ersatzflache nach oben verschoben und die Mindestdurchfahrtshohe kann bei gleichen BauwerksmaBen weiterhin gewahrleistet werden.
Im Teil „Bemessung und Nachweise“ [ebd., 8]] wird festgelegt welche Konstruktionsteile nachgewiesen werden mussen, sowie welche Einwirkungen und Einwirkungskombinationen angesetzt werden sollen. Der Tragsicherheitsnachweis der Stahlkonstruktion wird auf Grundlage der DIN 18800-1 bis -3 gefuhrt. DerNachweis der Gebrauchstauglichkeit, der sich im Verlauf der statischen Berechnung als maBgebend heraus gestellt hat, besteht aus Verformungsbegrenzung von Stiel, Riegel und Gesamtkonstruktion. An dieser Stelle ist im Hinweisschreiben eine erhebliche gunstigere Festlegung getroffen worden, da fur die horizontale Kragarmverformung nicht nur die Riegel-, sondern zusatzlich die Stiellange angesetzt wird. Damit werden in horizontaler Richtung naherungsweise doppelt so groBe Verformungen zugelassen, als in der ursprunglichen Form der ZTV-ING. AuBerdem wird in diesem Abschnitt ein Ermudungsnachweis nach DIN-Fachbericht 103 fur die Schrauben der FuBpunktverankerung gefordert, bei Angaben zu Spannungsschwingbreiten und Lastspielzahl. Dies ist sicherlich eine Reaktion auf die Schadensfalle von VZB, wobei sich die Frage aufdrangt, warum dieser Nachweis nur fur den StutzenfuB und nicht fur die Riegel- Stiel-Verbindung gefordert.
Die letzten drei Teile liefern Aussagen zur Herstellung, Prufung und Uberwachung, sowie zur Vermessung.
AbschlieBend kann gesagt werden, dass sich die umfangreichsten Anderungen erst mit dem neuen Hinweisblatt ergeben haben. Die Veranderungen, basierend auf dem Wechsel von der fruheren ZTV-VZB zur ZTV-ING, sind eher unwesentlich und lassen auf viele neue Erkenntnisse erst in den letzten Jahren schlieBen. Vor allem auf dem Gebiet der Ermudungsfestigkeit des Materials und der Gesamtkonstruktion wurden scharfere Festlegungen getroffen, die hohere Sicherheiten in Zusammenhang mit den Verkehrszeichenbrucken gewahrleisten sollen.
1.3 Ausfuhrungsprinzipien der USA
In den USA wurden bei einer Untersuchung durch das NCHRP die Verkehrszeichenbrucken des Landes gepruft. Dabei stellte sich heraus, dass durch die unterschiedlichen Vorschriften und deren Auslegung auch unterschiedliche Ausfuhrungsprinzipien entstanden sind. Als Beispiele werden dabei vorrangig die beiden Bundesstaaten Minnesota und Wisconsin genannt.
Minnesota steht im Zusammenhang mit der Ausfuhrung von VZB fur die konservativen Varianten. Zur Durchbildung des Kragarms einer einseitig auskragenden Konstruktion fur Lichtsignalanlagen wird ein Fachwerktrager mit zwei Gurten verwendet, was naturlich zu hoherem Materialaufwand und steigenden Kosten fuhrt. Dies gilt auBerdem fur die Ausbildung des Kragarms fur eine VZB, der ebenfalls aus einem Fachwerktrager jedoch aus drei bis vier Gurten besteht. (vgl. Abb. 5)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5 VZB mit drei Gurten [indospectrum]
Die Querschnitte bestehen bei diesen Konstruktionen meist aus geschweiBten U-Profilen. Der Vorteil dieser Konstruktion ist die vergleichsweise hohe Torsionssteifigkeit, die aus dem vergroBerten Querschnitt resultiert. Damit ist die Konstruktion sowohl weniger anfallig fur Schwingungen, als auch ermudungssicherer in den SchweiB- und Schraubverbindungen, die durch einen groBeren Hebelarm und die hohere Anzahl der Schrauben weniger belastet werden. [NCHRP, 11]
Dem gegenuber stehen die Konstruktionen im Bundesstaat Wisconsin. Hier wird meist eine filigrane Ausfuhrung mit Rund- oder Rechteck-Hohlprofilen gewahlt. (vgl. Abb. 6) Die Vorteile liegen vor allem in der Material- und Kostenerspamis, sowie im niedrigeren Konstruktionseigengewicht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6 USA, VZB mit Rund-Hohlprofil [NCHRP, 12]
In Abschnitt 4.2 wird auf Schadensfalle eingegangen und dabei noch einmal auf die beiden vorstehenden Konstruktionen Bezug genommen.
2 Vorstellung der Konstruktionsbestandteile
Um ein besseres Verstandnis fur die Tragwirkung von VZB zu entwickeln, werden im folgenden Abschnitt die Konstruktionsbestandteile naher erlautert. Neben den Hohlprofilen liegt das Hauptaugenmerk auf der Riegel-Stiel-Verbindung, da dies der schadensanfalligste Punkt des gesamten Bauwerks ist und ein zentrales Thema in der vorliegenden Arbeit ist. Es geht dabei vor allem darum die statischen Eigenschaften vorzustellen, auf die in der spateren statischen Berechnung einer VZB wieder zuruckgegriffen werden sollen.
Des Weiteren wird in einem kurzen Abschnitt auf baupraktische Hinweise eingegangen, die fur eine optimale Durchfuhrung der Arbeiten notwendig sind. Dies ist notwendig, da die Vergangenheit gezeigt hat, dass eine mangelhafte Bauausfuhrung zu groBeren Problemen in der Dauerhaftigkeit des Bauwerks fuhren kann.
2.1 Hohlprofile
Im allgemeinen Hochbau finden Hohlprofile vor allem aufgrund ihrer attraktiven Form hinsichtlich architektonischer Anforderungen Verwendung, wohingegen im Konstruktiven Ingenieurbau die festigkeits- und herstellungsspezifischen Gesichtspunkte im Vordergrund stehen. Der folgende Abschnitt wird dementsprechend vor allem diesen Eigenschaften gewidmet sein, da die bauliche Durchbildung von VZB aufgrund ihrer einfachen, filigranen Form eher auf optimaler Materialausnutzung als auf Attraktivitat beruht.
2.1.1 Mechanische Eigenschaften
Hohlprofile bestehen aus dem gleichen Stahl, wie die anderen Stahlprofile auch. Daher besteht kein Unterschied in den mechanischen Eigenschaften und es konnen die gleichen stahlspezifischen Kennwerte verwendet werden. Dementsprechend sind auch in der ZTV-ING die beiden Stahlsorten S235 und S355 angegeben. Des Weiteren werden aber auch Hohlprofile angeboten, die aus speziellem Stahl bestehen, wie hochfeste oder wetterfeste Baustahle.
Fur Stahl-Hohlprofile gelten europaweit zwei verschieden Werkstoff-Normen. Fur den warmgefertigten Baustahl ist die Europaische Norm DIN EN 10 210-1 „Warmgefertigte Hohlprofile fur den Stahlbau aus unlegierten Baustahlen und Feinkornbaustahlen“ bindend, fur kaltgeformte Hohlprofile die DIN EN 10 219-1 „Kaltgeformte Hohlprofile fur den Stahlbau aus unlegierten Baustahlen und Feinkombaustahlen“.
Warmgefertigte Stahle werden bei einer Walztemperatur zwischen 900 und 1250 °C hergestellt, d.h. oberhalb der Rekristallisationstemperatur. Der Stahl wird geschmolzen und in die entsprechende Form gegossen und gewalzt. Diese Art der Stahlprofilerzeugung hat aufgrund der entstandenen Kristallstruktur zur Folge, dass sich ein ausgepragter Ubergang zwischen elastischem und plastischem Bereich bildet. [Petersen (1993), 29]
Kaltgefertigte Stahle entstehen bei Umformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur, wobei durch das Walzen oder Strecken eine Verzerrung des Korngefuges und eine Erhohung der Dichte entstehen. Infolge dessen steigt die Festigkeit des Stahlerzeugnisses, aber es sinkt die Zahigkeit und das FlieBvermogen. [Petersen (1993), 45]
Die Bemessung von Hohlprofilen basiert auf der Streckgrenze, um die Verformungen moglichst gering zu halten. Diese rufen bei statisch unbestimmten Systemen Lastumverteilungen hervor, was in bestimmten Fallen, beispielsweise bei Querschnittsschwachungen eines zugbeanspruchten Bauteils, zu Querschnittsversagen fuhrt bevor der Stahl uberhaupt flieBt. Daher ist es notwendig uber das begrenzte Verhaltnis von Zugfestigkeit fu zu Streckgrenze fy dafur zu sorgen, dass der Stahl vor dem Auftreten groBer Verformungen zum FlieBen kommt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.1.2 Geometrische Eigenschaften
Die gelaufigsten Geometrien von Hohlprofilen sind Rundhohlprofile und Rechteckhohlprofile, diese finden sich auch in den Bezeichnungen wieder:
- Stahl-Hohlprofile (SHP)
- Kreisformiger Hohlprofile (KHP)
- Rechteckige Hohlprofile (RHP)
Die Querschnittsabmessungen von Hohlprofilen sind im Zuge der europaischen Standardisierung in einem europaweit gultigen Regelwerk festgelegt. Zu finden sind Diese im zweiten Teil der im vorhergehenden Abschnitt genannten Normen: DIN EN 10 210-2 und DINEN 10 219-2.
Bei der Ermittlung der Tragfahigkeit von Hohlprofilen werden die gleichen Rechenalgorithmen angewendet, wie beispielsweise bei den gelaufigeren I-Tragern.
Zugtragfahigkeit
Die Lastaufnahmefahigkeit eines zugbeanspruchten Bauteils hangt ausschlieBlich von der Querschnittsflache und von der Streckgrenze der verwendeten Stahlsorte ab, woraus man erkennt, dass es bei dieser Beanspruchungsart, eine zentrische Lasteinleitung vorausgesetzt, die Querschnittsform unerheblich ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1st der Querschnitt durch Locher geschwacht muss die Tragfahigkeit des Nettoquerschnitts unter der Verwendung der Zugfestigkeit und eines Abminderungsfaktors mit dem ursprunglichen Wert verglichen werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Drucktragfahigkeit
Fur die Ermittlung der Aufnahmefahigkeit von Druckkraften muss die Knicklast ermittelt werden, die von der Schlankheit des entsprechenden Stahlquerschnitts abhangt. Diese Schlankheit kk ist abhangig von der Knicklange sk, fur einfache Systeme ableitbar aus den Eulerfallen, und vom Tragheitsradius i.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Hierbei offenbart sich zum ersten Mai der Vorteil von Hohlprofilen gegenuber offenen Querschnittsformen, was in der folgenden Tabelle (vgl. Tab. 1) bei einem Vergleich erkennbar ist.
Tabelle 1 Vergleich der Tragheitsradien nach [Schneider]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der Vergleich zwischen den offenen Querschnitten und den Hohlprofilen zeigt, dass der Tragheitsradius bei nahezu flachengleichem Querschnitt in der starken Achse nur geringe Unterschiede aufweist. Hingegen ist die Differenz in der schwachen Achse betrachtlich, woraus ableitbar ist, dass eine Knickgefahrdung der Hohlprofile viel geringer ist als die von I- Profilen.
Die nachfolgende Grafik unterstutzt diese Erkenntnis ebenfalls. Darin ist der Veriauf des erforderlichen Gewichts und damit der erforderlichen Querschnittsflache im Vergleich unterschiedlicher Belastungsstufen und Querschnittsform bei einer einheitlichen Knicklange von 3 m dargestellt. Begrunden lasst sich dies eben mit dem hohen Unterschied des Tragheitsradius’ in der schwachen Achse, der in Bezug auf die Querschnittsflache bei niedrigen Lasten noch groBer ist als bei hoheren Druckkraften. (vgl. Abb. 7)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7 Vergleich der Gewichte von druckbeanspruchten Hohlprofilen mit offnen Profilen hinsichtlich der Belastung [Wardenier, 35]
Die Tragfahigkeit eines druckbeanspruchten Bauteils wird nicht nur vom Tragheitsradius bestimmt, sondern auch und vor allem durch die lokale oder globale Beulgefahrdung. Ein lokales Beulen tritt meist zwischen zwei Steifen auf und ist daher flachenmaBig viel kleiner als ein globales Beulen, was sich uber groBe Teile bzw. das ganze Bauteil ausstreckt. Um das lokale Beulverhalten eines Stahlquerschnitts zu verbessern, sind in den Regelwerken Grenzwerte fur das Verhaltnis von Wandbreite zu Wanddicke (b/t - Verhaltnis) festgelegt. Diese Werte hangen von der Belastung des Bauteils ab, wobei darauf zu achten ist, ob das betrachtete Bauteil eine Druck- oder Biegebeanspruchung erfahrt. Auf diesen Aspekt der Beulgefahrdung wird im Teil der statischen Nachweise (vgl. 5.4) noch genauer eingegangen.
Biegebeanspruchung
Die Momententragfahigkeit eines Bauteils hangt in erster Linie von der GroBe des Torsionstragheitsmoments und damit von der Querschnittsform ab. Dabei kommt es darauf an den GroBteil des Querschnitts moglichst weit von der Querschnittsachse anzuordnen, um den Steinerschen Anteil zu erhohen. In diesem Punkt sind I-Profile, speziell IPE-Profile, den Hohlprofilen gegenuber im Vorteil, vor allem bei einachsiger Momentenbeanspruchung. Im Falle einer zweiachsigen Biegebeanspruchung sind die Hohlprofile besser geeignet, da sich die Werte des Tragheitsmoments ahnlich dem Tragheitsradius aus dem vorangegangen Abschnitt verhalten, was in der folgenden Tabelle verdeutlicht wird. (vgl. Tab. 2)
Tabelle 2 Vergleich der Tragheitsmomente nach [Schneider]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Laut Wardenier ist aus Berechnungen hervor gegangen, dass Hohlprofile bei einem Verhaltnis Breite zu Hohe (b/h) < 0,25 und Biegung um die Starke Achse unempfindlich gegen seitliches Ausweichen sind. [Wardenier, 28] Des Weiteren gibt er an, dass es wirtschaftlicher ware biegebeanspruchte Hohlprofile plastisch zu bemessen, wobei jedoch auf lokales Beulen zu achten ist.
Nach dem neuen Eurocode 3, der ab dem Jahr 2010 in Europa verbindlich eingefuhrt wird, werden die Profile in Querschnittsklassen7 unterteilt, wobei durch Grenzwerte im c/t- Verhaltnis des druckbeanspruchten Querschnittsteils unterschieden wird. (vgl. Anhang 1-4) Diese Einteilung dient dazu, festzulegen, ob bei einem statischen System plastische Systemreserven (QK 1) oder plastische Querschnittsreserven (QK 1 u. 2) ausgenutzt werden konnen. Des Weiteren muss gepruft werden, ob nur die elastische Grenzlast (QK 1, 2 u. 3) erreicht werden kann oder ob ortliches Ausbeulen des Querschnitts (QK 4) berucksichtigt werden muss. Zusammenfassend lasst sich damit sagen, dass durch diese Einteilung das folgende Berechnungsverfahren - Plastisch-Plastisch, Elastisch-Plastisch oder Elastisch- Elastisch-geregeltist. [DINEN 1993]
Eine Bemessung mit Ausnutzung der plastischen Systemreserven setzt jedoch voraus, dass sich im betrachteten System FlieBgelenke ausbilden konnen. Da sich die vorliegende Arbeit mit Verkehrsbrucken mit einseitiger Auskragung beschaftigt, was als Kragarm betrachtet wird und damit ein statisch bestimmtes System ist, ist dies nicht moglich und damit eine elastische Bemessung zwingend. [Schneider, 4.52]
Querkrafttragfahigkeit
Die Ermittlung der Querkrafttragfahigkeit fur Hohlprofile beruht auf den gleichen Ansatzen, wie bei den gelaufigen, offenen Querschnitten und wird daher nicht genauer betrachtet.
Torsionsbeanspruchung
Hohlprofile weisen aufgrund ihrer Querschnittsform naturgemaB ein vergleichsweise hohes Torsionstragheitsmoment auf, was eine hohe Torsionssteifigkeit zur Folge hat. Diese Charakteristik wird bei der Konstruktion von Verkehrszeichenbrucken, wo erhebliche Torsionsmomente sowohl im Kragarm als auch im Stiel auftreten, in groBem MaBe ausgenutzt. Im Vergleich der bereits o.g. Profile wird der Vorteil der Hohlprofile einmal deutlich: (vgl. Tab. 3)
Tabelle 3 Vergleich der Torsionstragheitsmomente nach [Schneider]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.2 Vorgespannte Schraubverbindungen
Ausfuhrungsformen
Fur die unterschiedlichen Aufgaben im Stahlbau stehen dem Bauingenieur die verschiedenen Moglichkeiten bei der Wahl der richtigen Schraubverbindungen zur Verfugung. Die einfachste Form ist die Schraube ohne Passung, rohe Schraube genannt, die ein Lochspiel A d von 1 bis 2 mm haben darf. Sein Einsatzgebiet findet diese Art der Schraubverbindung bei den einfachen Baustellenverbindungen, wo kleine Verschiebungen im Anschluss auftreten durfen, z.B. bei biegeweichen StoBen und nicht Stabilitatsgefahrdeten Systemen. Bei tragenden Verbindungen in Stahlkonstruktionen mit nicht ruhender Belastung sind diese aufgrund der negativen Einflusse auf die Ermudungsfestigkeit jedoch nicht zugelassen. Deshalb werden fur dynamisch belastete Tragwerke ausschlieBlich Sechskantpassschrauben verwendet, deren Schaft maximal 0,3 mm kleiner sein darf als das Loch. Dadurch werden auch kleinste Bewegungen vermieden und die Tragfahigkeit betrachtlich erhoht. In der Vorschrift fur die VZB sind diese Erkenntnisse jedoch nicht berucksichtigt, da Angaben zur Verwendung von Passschrauben fehlen und deshalb auch nicht verwendet werden.
Da neben den wechselhaften meist auch betragsmaBig hohe Zugbelastungen auf die Schrauben wirken, kommen die hochfesten Schrauben, erkennbar an der „HV“-Bezeichnung, mit den Festigkeitsklassen 10.9 und 8.8 zum Einsatz. In der Riegel-Stiel-Verbindung von VZB durfen nach den neuesten Bestimmungen, wie vorher erwahnt, nur noch Schrauben der hoheren Festigkeitsklasse verwendet werden. Der groBte Vorteil der HV-Verbindung ist, dass wesentlich hohere, von auBen eingetragene Zugkrafte aufgenommen werden konnen, wenn eine voile Vorspannung gewahrleistet werden kann. Die Steigerung uber die Vorspannkraft hinaus ist beim Eintragen der Zugkraft vergleichsweise gering, was im folgenden Abschnitt erlautertwird. [Petersen (1993), 517]
Tragverhalten einer vorgespannten Schraube
In den Bemessungsregeln fur Schraubverbindungen wird nur die auBere Zugkraft Z angesetzt, wahrend die Vorspannkraft der Schraube unberucksichtigt bleibt. Der Grund dafur ist, dass bei einer Belastung des Verbindungsmittels uber die planmaBige Vorspannkraft Fv hinaus die eigentliche Schraubenkraft nur noch geringfugig steigt.
Durch das Vorspannen bildet sich im Blech unter der Unterlegscheibe in einem Winkel von 45° ein Druckkegel aus, der als Hohlzylinder in der Berechnung zum Ansatz gebracht wird. AuBerdem verkurzt sich die Klemmlange um das MaB A lk und verlangert sich die Schraube um A ls. Zur einfacheren Berechnung werden fur die Schrauben und die Bleche Federkonstanten (cs und ck) eingefuhrt und errechnet. Dass sich die Schraubenkraft nach der weiteren Belastung nur geringfugig steigert, ist dem Umstand zu verdanken, dass sich dabei das Blech im selben MaBe A lz entlastet wie die Schraube weiter gedehnt wird. Durch die folgende Beispielrechnung lasst sich erkennen, dass das Blech uber die Entlastung A Dk den GroBteil der eingetragenen Zugkraft aufnimmt und daher die Schraube A Zs nur unwesentlich weiter belastet wird. Diese Tatsache kann so lange ausgenutzt werden, bis das Blech vollkommen entlastet ist und die Ausgangsverkurzung A lk erreicht ist. Nach dem Erreichen dieser Zugkraft Zkrit muss die Schraube alleine tragen und kann nur noch bis zur maximalen Schraubenzugkraft NR;d tragen.
Beispielrechnung fur das Tragverhalten einer vorgespannten Schraubverbindung:
M16 10.9 fur VZB-Riegel-Stiel-Verbindung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Berechnung erfolgt auf der Grundlage der Gleichungen nach dem Kapitel „Tragverhalten vorgespannter Schraubverbindungen unter axialer Zugkraft“ [Lohse, 297-298] aus dem Buch Stahlbau 2. Stellt man den Verlauf der Schrauben- und Druckkraft in Abhangigkeit von der auBeren Zugkraft grafisch dar, erhalt man mit den oben gewahlten Zahlen folgendes Diagramm: (vgl. Abb.8)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8 Schrauben- und Druckkraft aus aufierer Zugkraft
Der leicht ansteigende Ast der Schraubenkraft stellt den Bereich dar, in dem die Federwirkung des Flansches noch zum Tragen kommt. Die kritische Zugkraft Zkrit = 108,86 kN stellt die Kraft dar, in dem dieser Effekt beendet ist. Danach tragt die Schraube selbst die auBere Last, was mit dem stark ansteigenden Ast dokumentiert ist. Es ist anzumerken, dass die Lange des zweiten Teils der Schraubenkraftfunktion mit der maximalen Schraubentragfahigkeit begrenzt ist. Eine vergleichbare Darstellung wird sich im Laufe der vorliegenden Arbeit in Kapitel 3.4 wieder finden, wenn das Tragmodell einer Ringflanschverbindung nach Petersen erlautert wird.
2.3 Biegesteife Ecke
Die Riegel-Stiel-Verbindung spielt in der Konstruktion der VZB durch die hohen statischen und dynamischen Windlasten die wichtigste Rolle. Das statische System des einseitig auskragenden Riegels erfordert die Ubertragung aller Krafte uber diese Verbindung und ist damit in besonderer Weise zu betrachten.
Die biegesteifen Stirnplattenverbindungen, wie sie bei VZB verwendet werden, verfugen unter Einsatz von hochfesten Schrauben bei Konstruktion, Herstellung und Montage uber erhebliche Vorteile. Dabei kann z.B. auf eine gleitfeste Vorbehandlung der Beruhrungsflachen oder auf die SchweiBnahtvorbereitung der Kehlnahte verzichtet werden. [Petersen (1993), 682] Besonders positiv wirken sich die dicken Stimplatten bei der Ubertragung der hohen Zugkrafte der vorgespannten hochfesten Schrauben aus, was in Punkt
3.2 genauer betrachtet wurde. Erst diese hochfesten Schrauben haben den Einsatz von biegesteifen Eckverbindungen ermoglicht, da eben sehr hohe Zugkrafte in den Schrauben entstehen konnen. [ebd., 683] Aufgrund des heutzutage umfangreichen Einsatzes der hier besprochenen Verbindung, sind im Laufe der Zeit Regelausfuhrungen entstanden, die in einem so genannten Typenkatalog zu finden sind und es so dem konstruktiven Ingenieur einfach machen, diese zu berechnen. Eine Vorraussetzung fur den Einsatz der typisierten Verbindungen ist, dass eine vorwiegend ruhende Beanspruchung verherrscht. Dies ist jedoch im Bereich der VZB nicht gegeben, da es einem nicht ruhend belastetem Tragwerk entspricht. [ZTV-ING, 3]
Konstruktive Durchbildung der Riegel-Stiel-Verbindung:
GemaB den Bestimmungen der ZTV-ING fur die Verbindung zwischen Riegel und Stiel sind die Schrauben so anzuordnen, „dass sie bei den Bauwerksprufungen zuganglich und prufbar sind“ [ZTV-ING, 5], AuBerdem muss der Riegel vollflachig aufliegen, was Vorraussetzung fur die voile Wirksamkeit der Vorspannung der Schraubverbindung ist.
GemaB den BAST-Richtzeichnungen werden zwei Losungen zur konstruktiven Ausbildung der biegesteifen Ecke angeboten. Darin wird unterschieden, ob eine Kontrolloffnung angeordnet werden soil oder nicht. [RIZ VZB, 10-2 -3] Daraus resultiert, dass bei Anordnung einer Offnung die Schrauben innen liegen konnen (vgl. Abb. 9), was aber in der praktischen Anwendung vermieden wird. Der Grund dafur ist die schlechte Montierbarkeit der Schrauben, da es schwierig ist mit einem Drehmomentschlussel an Diese heran zu kommen. Da die Montage in der Qualitatsfrage der Verbindung eine sehr groBe Rolle spielt, wird von StraBenbauamtem und den ausfuhrenden Firmen die Losung mit den auBen liegenden Schraubenbevorzugt(vgl. Abb. 10).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9 Verbindung Riegel/Stiel mit Kontrolloffnung und innen liegenden Schrauben [RIZ VZB, 10-2]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10 Verbindung Riegel/Stiel ohne Kontrolloffnung und auben liegenden Schrauben [RIZ VZB, 10-3]
Wie oben erlautert, wird an das Rechteckhohlprofil des Stiels eine dicke Stirnplatte angeschweiBt. Vorzugsweise geschieht dies uber Kehlnahte, da diese bei uberstehenden Stirnplatten laut Petersen „das voile Tragmoment des Tragers mit ausreichender Sicherheit
ubertragen.“ [Petersen (1993), 686] Auch der Flansch des Riegels wird zur verbesserten Kraftubertragung verstarkt und wird dann uber hochfeste Schrauben mit dem Stiel verbunden.
2.4 Ringflanschverbindung
Bei vielen dynamisch beanspruchten Bauwerken, wie Schornsteine oder Windkraftanlagen, werden einseitige Ringflanschverbindungen verwendet. Petersen gibt hierfur vor allem wirtschaftliche Vorteile bei der Fertigung und Montage an. [Petersen (1998), 191]
AuBerdem werden aus Kostengrunden vorrangig unverrippte, vergleichsweise dicke Flansche eingesetzt, die den Effekt der Vorspannung durch einen volumenmaBig groBeren Druckkorper (vgl. Abb. ll)weiterbegunstigen. [ebd.]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11 Druckkorper einer Ringflanschverbindung [Schmidt/Neuper, 163]
Da die Riegel-Stiel-Verbindungen von VZB sich mit den Ringflanschverbindungen von Windenergieanlagen ahneln, werden nun die wichtigsten Bestimmungen dieser Konstruktionen vorgestellt. Nach der Richtlinie fur Windenergieanlagen des Deutschen Instituts fur Bautechnik8 mussen Ringflanschverbindungen planmaBig vorgespannt werden, jedoch braucht diese Vorspannung im Tragsicherheitsnachweis nicht berucksichtigt werden und die Berechnung erfolgt wie fur eine nicht vorgespannte Schraubenverbindung. [DIBt, 31] Im Gegensatz dazu darf die Druckvorspannung der Flansche beim Ermudungsnachweis angerechnet werden. Das ist allerdings nur dann moglich, wenn die „planmaBige Zugvorspannung jeder einzelnen Schraube in ausreichendem MaBe durch lokale Druckvorspannung der Flanschkontaktflachen“ [ebd.] gewahrleistet ist. Dies ist der Fall, wenn „die Klaffungen zwischen den zusammengebauten Flanschen bei maximal 10 % der planmaBigen Vorspannung die vom Hersteller festgelegten Grenzwerte eingehalten werden.“[ebd.] Zusatzlich mussen Flanschklaffungen, die die Grenzwerte der Ausfuhrungsunterlagen ubersteigen, ausgefuttert werden. Bei einer Neigung der FlanschauBenflache as (vgl. Abb.12) von uber 2 % nach dem Vorspannen sind „anstelle der normalen Unterlegscheiben geeignete Keilscheiben ausreichender Harte einzubauen.“ [ebd. 32]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12 Neigung der FlanschauBenflache [Jukubowski/Schmidt, 453]
Im Ermudungsnachweis darf auBerdem die Vorspannung der Schrauben hochstens mit 70 % angesetzt werden, es sei denn innerhalb des 1. Halbjahres nach der Montage werden die Schrauben nachgespannt woraufhin 90 % der Vorspannung angerechnet werden darf. [ebd.] Wird fur die Ermittlung der Schraubenkraft ein vereinfachtes Berechnungsmodell gewahlt, wie es im Folgenden vorgestellt wird, ist der Ermudungsnachweis gegen Kerbfallklasse 36 zu fuhren. [ebd.]
In den Regelwerken fur VZB finden sich dementsprechende Richtwerte nicht, so dass die Bestimmungen fur Windenergieanlagen als Referenz fur die weiteren Betrachtungen genutzt werden konnten.
Elasto-statische Theorie des L-Modells
Da in den letzten Jahren im Zuge der Debatte um emeuerbare Energien der Einsatz von Windkraftanlagen zunehmend gestiegen ist, wurden auch weiterhin Verbesserungen in den Berechnungsansatzen fur die Probleme des Tragwerks erreicht. Gerade im Bereich der hier zu besprechenden Ringflanschverbindungen wurden einige praxistaugliche Modelle entwickelt. Als Berechnungsgrundlage wird exemplarisch die „Elasto-statische Theorie des L-Modells“ [Petersen (1993), 541] von Petersen gewahlt, was sich wegen seiner einfachen praktischen
Anwendbarkeit hoher Beliebtheit erfreut hat. Die Abbildung 13 stellt die Idealisierung der dieses Modells dar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13 Idealisierung L-Modell [Petersen (1993), 542]
Die Belastung der Schraube resultiert aus der Spannung, die uber den Kragarm in die Verbindung eingeleitet wird. Ziel dieses Rechenmodells ist es nun, die tatsachliche Schraubenzugkraft F, die sich nach der Vorspannung und Belastung einstellt, unter Ansatz von Federkonstanten zu errechnen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Damit kann anschlieBend der Nachweis durch den Vergleich mit der maximal zulassigen Grenzzugkraft NR;d gefuhrt werden. Weiterhin soil aus dieser Betrachtung die Zugkraftschwingbreite AFS abgeleitet werden, die fur den Ermudungsnachweis der Riegel- Stiel-Verbindung notwendig ist.
Dabei wird die Anbindung des Profilblechs an den Flansch durch eine Drehfeder K und die Klemmwirkung der Schraube durch eine Verschiebungsfeder mit der Federkonstante C ersetzt. Diese setzt sich zusammen aus der Parallelschaltung der Schraubenfeder (Cs) und der Feder des Druckkorpers (CD). [Petersen (1993), 542]
C = Cs + Cd (3.7)
Durch die entstehende Randkraft R erhoht sich uber den Hebelarm die Federkraft F und damit auch die Belastung der Schraube, auBerdem reduziert sich die Kraft F’Vd im Druckkorper. Diese Reduzierung ist so lange moglich bis F’Vd Null wird, denn ab diesem Zeitpunkt tragt die Schraube nur noch alleine. Diese Tatsache ist zuruckzufuhren auf den in Punkt 3.2 beschriebenen Sachverhalt. Dabei wurde gezeigt, wie sich um die vorgespannte Schraube ein bei weiterer Belastung entlastend wirkender Druckkorper ausbildet. Aus diesem Zusammenhang entstehen die folgenden Gleichungen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Aus diesen Gleichungen lasst sich eine „bilineare Naherungsfunktion“ [Jakubowski/Schmidt, 459] ableiten, die die Grundlage fur die weitere Berechnung ist und im folgenden Diagramm als Modell B (vgl. Abb. 14) dargestellt ist. Das Berechnungsbeispiel aus Kapitel 3.2 brachte eine vergleichbare Darstellung des unten dargestellten Rechenmodells B.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14 Schraubenkraft als Funktion der Zugkraft Z [Petersen (1998) 193]
Die Darstellungen veranschaulichen den Vergleich der Ingenieurmodelle mit der tatsachlich auftretenden, im Versuch gemessenen Schraubenkraft. Im niedrigen Zugkraftniveau wird die Schraubenkraft im Rechenmodell B uberschatzt, wohingegen bei groBerer Zugkraft die Schraubenkraft unterschatzt wird. Im Hinblick auf die realistische Anwendung des Modell B sagt Petersen: „Bei den bei praktischen Aufgaben auftretenden Schwingungsbeanspruchungen (z.B. Karmansche Querschwingungen) liegt man mit dem Berechnungsmodell B i.A. auf der sicheren Seite, in extremen Fallen ggf. nicht!“ [Petersen (1998), 194]
Der Ansatz nach Petersen wird in Abschnitt 5.4 am konkreten Beispiel weiter betrachtet und umgesetzt.
2.5 Fufipunktverankerung
Die FuBpunktverankerung einer einseitig auskragenden VZB ist infolge des statischen Systems eines Kragarms mit einer Einspannung auszufuhren. Um dies zu erreichen werden im Stahlbau zwei Moglichkeiten angeboten: als verankerter StutzenfuB oder als Hulsen- bzw. Kocherfundament. Die zweite Variante kommt aber eher fur geringere Einspannmomente und kleineren Profilhohen von bis zu 60 cm zum Einsatz, was bei der vorliegenden Konstruktion mit einer Profilbreite von 90 cm deutlich ubertroffen wird. [Hebestreit, 9-12] Aufgrund dessen werden fur VZB ausschlieBlich verankerte StutzenfuBe verwendet, da diese die groBen Einspannmomente aufnehmen konnen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 15 Fufipunktverankerung fur VZB [RIZ VZB, 2]
In dieser Art der FuBpunktverankerung entsteht infolge der Beanspruchung ein Kraftepaar aus Zug- und Druckkraft, was durch den Wert des Biegemoments und der GroBe des Hebelarms, d.h. den Abstand der Ankerschrauben, bestimmt wird. Die Abbildung 15 zeigt den StutzenfuB mit dem angeschweiBten Anschlussblech, was die Aufgabe hat die o.g. resultierende Zugkraft auf alle Ankerschrauben gleichmaBig zu verteilen.
In den Vorschriften der ZTV-ING werden folgende Festlegungen getroffen. „Der FuBpunkt der Tragkonstruktion ist mindestens 25 cm uber dem Gelande anzuordnen.“ [ZTV-ING, 5] Weiterhin soil eine Ankerkonstruktion eingesetzt werden, die vorgefertigt und einbetoniert wird, deren Verankerungsmuttem durch eine Kontermutter gesichert und mit Korrosionsschutzpastegeschutzt werdenmussen. (vgl. Abb. 16)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 16 Konterung der Ankerschrauben [RIZ VZB, 10-4]
[...]
1 Verkehrszeichenbrucken = VZB
2 Vereinigte Staaten von Amerika = USA
3 Bundesanstalt fur StraBenwesen = BAST
4 National Cooperativ Highway Research Program = NCHRP
5 Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Ingenieurbauten = ZTV-ING
6 Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Verkehrszeichenbrucken = ZTV-VZB
7 Querschnittsklassen = QK
8 Deutsches Institut fur Bautechnik = DIBt
- Citation du texte
- M.Sc. Dipl.-Ing. Björn Höhlig (Auteur), 2009, Verkehrszeichenbrücken als Tragkonstruktion mit einseitiger Auskragung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/162668
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