BASt FE 15.0413 / 2005 / CRB

Entwurfs-, Bemessungs- und Konstruktionsempfehlungen für geschweißte Hohlprofilverbindungen mit KK-Knoten im Straßenbrückenbau

BASt FE 15.0413 / 2005 / CRB

In den letzten Jahren hat sich eine neue Konstruktionsform im Straßenbrückenbau etabliert. Hierbei handelt es sich um architektonisch anspruchsvolle, optisch ansprechende Verbundbrücken, die aus einem dreigurtigen Raumfachwerk mit Untergurt und Streben aus stählernen Rundhohlprofilen bestehen. Die Obergurte werden in die betonierte Fahrbahnplatte integriert. Als besonders günstig hat sich bei der Gestaltung des Raumfachwerks die Anordnung der Streben in Form von fallenden und steigenden Diagonalen erwiesen. Der Untergurt bildet bei einer solchen Anordnung zusammen mit den Streben jeder Fachwerkwand die Form eines liegenden Ks. Der komplette Raumfachwerkknoten wird daher als räumlicher K-Knoten oder KK-Knoten bezeichnet. Neuartig an der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchten Bauweise ist die Ausführung der Fachwerkknoten als Schweißknoten. Das heißt, es wird die Möglichkeit des direkten Verschweißens der Streben auf dem Gurtprofil untersucht. Bisher sind in Deutschland Rohrknoten im Brückenbau ohne Knotenbleche nur als Gussknoten ausgeführt worden. Schweißknoten besitzen gegenüber der Gussknotenausführung drei wesentliche Vorteile. Zum Ersten werden durch die direkte Verschweißung die Gussformstücke eingespart, die aufgrund ihrer individuellen Herstellung einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen. Zum Zweiten besitzt der Schweißknoten ein gutartiges Ermüdungsverhalten, da der Rissfortschritt nicht vom Inneren der Konstruktion ausgeht, sondern an der Außenseite beginnt. Damit bestehen die Möglichkeit einer frühzeitigen Detektion bei einer Brückenkontrolle und die Option für eine Ertüchtigung der ermüdungskritischen Tragwerksstellen durch eine Nachbehandlung. Zum Dritten wird der Planungs- und Ausführungsprozess gestrafft, da die relativ langen Vorlaufzeiten für die Gussknotenerstellung entfallen und mögliche Unterbrechungen bei Qualitätsmängeln an den Gussknoten, die durch den Neuguss entstehen, ausgeschlossen sind. Aus der Sicht der Materialermüdung bedarf der Schweißknoten im Vergleich zum Gussknoten zusätzlicher

Untersuchungen. Im Bereich der Gurt-Streben-Verbindung kommt es durch die plötzliche Geometrieänderung zu hohen Spannungskonzentrationen. Zusätzlich erfährt der Ermüdungswiderstand in diesem Bereich aufgrund der metallurgischen Kerbe (Schweißkerbe) eine Reduzierung. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass bei einer Schweißknotenausführung der Ermüdungsnachweis in der Regel für die Ausbildung des Raumfachwerks im Straßenbrückenbau bemessungsbestimmend wird. Aufgrund der komplizierten Geometrie kann die Bewertung des Ermüdungsverhaltens eines KK-Knotens nicht auf der Grundlage des Nennspannungskonzeptes erfolgen, sondern muss auf der Ebene der Strukturspannungen (Hotspot-Konzept) geführt werden. Eine praxisnahe Ermittlung der Strukturspannungen setzt das Vorhandensein tabellarisch oder graphisch aufbereiteter Spannungskonzentrationsfaktoren (SCF-Werte) voraus. Für den KK-Knoten im Off-Shore-Bereich, Kranbau und Hochbau stehen solche SCF-Werte zur Verfügung. Wegen der starken Abhängigkeit der SCF-Werte von den Verhältnissen der Durchmesser und Wanddicken der Gurt- und Strebenprofile ist eine einfache Übertragung der existierenden SCF-Werte auf die im Straßenbrückenbau besonderen Durchmesser-Wanddicken-Verhältnisse jedoch nicht möglich.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird der KK-Knoten mit straßenbrückentypischer Geometrie einer ganzheitlichen Betrachtung aus der Sicht der Materialermüdung unterzogen. Für alle Phasen des Planungs- und Umsetzungsprozesses werden praxisnahe Empfehlungen gegeben. Die entwickelten Entwurfsempfehlungen fassen alle wesentlichen, entwurfsbestimmenden Grundsätze zusammen, die aus der unmittelbaren Abhängigkeit zwischen Stab- und Knotendimensionierung bei einem Fachwerk aus Hohlprofilen mit unversteiften KK-Knoten resultieren. Die Entwurfsempfehlungen stellen eine Synthese der besonders auch im europäischen Ausland gesammelten Erfahrungen an Pilot-Brückenvorhaben dar. Die Bemessungsempfehlungen geben dem Tragwerksplaner ein wirkungsvolles Werkzeug bei der Führung des Ermüdungsnachweises an die Hand. Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelten SCF-Werte ermöglichen eine sichere und wirtschaftliche Ermittlung der Strukturspannungen. In den Ausführungsempfehlungen werden Hinweise zur Qualitätssicherung zusammengefasst, die in den Bemessungsempfehlungen unterstellten Voraussetzungen am Bauwerk sicherzustellen.

Durch alle Empfehlungen wird auch unter den anspruchsvollen Bedingungen im deutschen Straßenbrückenbau eine wirtschaftliche Realisierung von ästhetisch ansprechenden Verbundfachwerkbrücken aus Hohlprofilen mit geschweißten KK-Knoten möglich.

Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Leiterin der Forschungsstelle:
Prof. Dr.-Ing. U. Kuhlmann

Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Mathias Euler

Wir danken der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) für die Förderung dieses Forschungsprojekts.

von Januar 2006 bis August 2008