Beanspruchung der Bewehrung von Fahrbahnplatten unter Ermüdungslasten

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: BGT_20_00F_01
• Projekttitel Englisch: Stresses in the reinforcement of bridge decks under fatigue load

Schlüsselwörter (Deutsch)

Fahrbahnplatten; Bewehrungsspannungen; Ermüdung; Membranwirkung; Grossversuche; NLFE-Berechnungen

 

Schlüsselwörter (Englisch)

bridge decks; steel stresses; fatigue; membrane action; large-scale experiments; NLFE-analyses

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Projekt kombiniert theoretische und numerische Untersuchungen mit grossmassstäblichen Versuchen. Zuerst werden typische ermüdungsrelevante Bereiche von Fahrbahnplatten identifiziert und einerseits linear elastisch, andererseits nichtlinear mit dem CMM-Usermat (Layermodell auf Basis des Cracked Membrane Model in ANSYS ADPL) analysiert. Anhand einer Parameterstudie werden die relevanten Einflussgrössen identifiziert und die Parameter der Versuche festgelegt.
Anschliessend werden 8 homogen beanspruchte Elemente mit Abmessungen von 2.0x2.0 m und einer Dicke von ca. 0.30 m experimentell geprüft. Die Versuche werden im Large Universal Shell Element Tester der ETH Zürich durchgeführt. Dabei werden zunächst die ermüdungsrelevanten Beanspruchungen aufgebracht. Anschliessend wird jede einzelne Spannungsresultierende (3 Biegemomente, 3 Membrankräfte) separat variiert. Dabei werden jeweils ca. 100 Zyklen gefahren, bis sich die Verbundschädigung stabilisiert. Schliesslich wird ein Bruchversuch durchgeführt. 
Sodann werden ein Sandwichmodell und ein Schichtenmodell für Schalenelemente implementiert, mit den Versuchsergebnissen validiert und als Open-Source Tool zur Verfügung gestellt. Schliesslich wird ein praxistaugliches Vorgehen (i) zur Berücksichtigung von Druckmembrankräften infolge Rissbildung sowie Längszugkräften und (ii) zur Ermittlung der Spannungen in der Bewehrung bei gegebener Beanspruchung entwickelt.
Die Resultate werden in einem Schlussbericht dokumentiert.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The project combines theoretical and numerical investigations with large-scale experiments.
In a first step, typical fatigue-relevant areas of road bridge deck slabs are identified and analysed both linearly and non-linearly using the CMM-Usermat (layer model based on the Cracked Membrane Model in ANSYS ADPL). The relevant variables are identified on the basis of a parameter study and the experimental parameters are defined.
Subsequently, 8 homogeneously loaded elements with dimensions of 2.0x2.0 m and a thickness of approx. 0.30 m are experimentally tested. The experiments are carried out in the Large Universal Shell Element Tester at ETH Zurich. Firstly, the fatigue-relevant stresses are applied. Subsequently, each individual stress resultant (3 bending moments, 3 membrane forces) is varied separately. Approx. 100 cycles are run in each case until bond damage stabilises. Finally, the element is loaded to failure. 
A sandwich model and a layer model for shell elements are implemented, validated with the test results and made available as an open-source tool. Finally, a practice-oriented procedure is developed (i) to take into account compressive membrane forces due to crack formation and longitudinal tension and (ii) to determine the stresses in the reinforcement under given internal actions.
Finally, the results are documented in a final report.

Projektziele (Deutsch)

Das Projekt soll die heutigen Unsicherheiten bei (i) der Bestimmung der Beanspruchung von Fahrbahnplatten von Strassenbrücken unter Ermüdungslasten und (ii) der Ermittlung der Spannungen in der Bewehrung solcher Platten unter gegebener Beanspruchung beseitigen. 
Insbesondere soll geklärt werden, in welchen Fällen (a) die Berücksichtigung von Druckmembrankräften sinnvoll ist, so dass eine nichtlineare FE-Analyse mit einem geeigneten Programm zweckmässig ist und (b) eine vereinfachte Ermittlung der Spannungen in der Bewehrung zulässig ist resp. übermässig konservative Resultate liefert. 
Schliesslich soll ein praxistaugliches Vorgehen zur zuverlässigen Ermittlung der Beanspruchung und der Spannungen in der Bewehrung von Fahrbahnplatten entwickelt und ein Open-Source Tool als Hilfsmittel zur Ermittlung der Spannungen in der Bewehrung bei gegebener Beanspruchung bereitgestellt werden.

Projektziele (Englisch)

The project aims at eliminating the existing uncertainties in (i) the determination of the internal actions in road bridge deck slabs under fatigue loads and (ii) the determination of the stresses in the reinforcement of such slabs under known internal actions. 
In particular, it shall be clarified in which cases (a) the consideration of compressive membrane forces is appropriate, requiring a non-linear FE analysis with a suitable computer programme and (b) a simplified determination of the stresses in the reinforcement is sufficient, or provides overly conservative results. 
Finally, a practical method for the reliable determination of the stresses and strains in the reinforcement of bridge deck slabs shall be developed along with an open-source tool providing support in determining the stresses in the reinforcement under given internal actions.