Verbundfertigteilträger sowie Verfahren zur Herstellung von Trägern, insbesondere für Brückenbauwerke
Die Erfindung betrifft einen Verbundfertigteilträger als Stahlträger mit werkseitig oder in situ aufbetoniertem Flansch.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verfahren zum Herstellen von Verbundträgern, insbesondere für Brückenbauwerke.
Bisher wurden Brückenteilkonstruktionen, aus Stahlträgern gefertigt, vormontiert. Auf der Baustelle wurde der Ortbeton aufgegossen. Dies hatte beachtliche Mengen an Konstruktionsstahl zur Folge.
In den bisherigen Bauverfahren wurden die Lasten der Fahrbahnplatte immer auf den Stahlträger aufgebracht. Erst die nachfolgenden Lasten wirkten auf den Verbundquerschnitt. In dieser Phase zeigen aber die Stahlträger ein instabiles Verhalten, dem durch den Einbau an Aussteifungsverbänden in horizontaler und vertikaler Richtung begegnet werden muß. Diese Verbände sind aber aufwendig und teuer.
Es wurden auch schon Spannbetonträger eingesetzt. Das Einsatzgebiet dieses Verfahrens ist im wesentlichen auf den Brückenbau in Spezialbereichen beschränkt. Sie dürfen u.a. nicht eingesetzt werden bei Großbrücken, schiefwinkligen Bauwerken mit einem Kreuzungswinkel kleiner 60 gon.
Neben diesen administrativen Beschränkungen ist der Einsatz von Spannbetonfertigteilen durch das hohe Eigengewicht und den damit verbundenen Transport- und Einbauschwierigkeiten und durch die meist beschränkte Konstruktionshöhe bei einer Spannweite bis maximal 35,0 m möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bisher in Kauf zu
nehmende instabile Verhalten beim Stahlträger bzw. dem zusätzlichen Einbau von Aussteifungsverbänden, insbesondere bei Brückenbauwerken in horizontaler und vertikaler Richtung zu begegnen, und dies mit möglichst geringen Gewichten der Einzelelemente.
Es wird nicht verkannt, daß durch die US-PS 5 279 093 an sich Stahlträger mit aufbetoniertem Betonflansch als Trägerrost für Anwendung im Parkhausbau bekannt sind. Es werden dort zwei Träger verlegt und Querplatten werden zwischen die Flansche geschoben. Weitere Schalungselemente sind notwendig, um eine flächige Tragwirkung des Systems zu erreichen.
Weiterhin bekannt, vor allen Dingen für kurze Spannweiten bis zu maximal 15 m, ist eine Konstruktion (DE-OS 2 645 064), allerdings nicht als Deckbrücke geeignet. Dort werden zur Stabilisierung des Stahlträgerobergurtes nur verschweißte Armierungseisen eingesetzt. Der vorbetonierte Betonflansch wird rein auf Zug, im Bauzustand wird der nackte Stahlflansch auf Druck beansprucht. Der ergänzte Betonflansch wird also nur als belastetendes Schalelement, nicht als tragendes Element, verwendet. Im Endzustand sind die Stahlträger als Vollplatte mit vollständig einbetonierten Stahlträgern vorgesehen.
Ein Verbundträger gemäß der DE 2 300 733 C2 dient lediglich als Versteifungselemen .
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für Brückenbauwerke als Deckbrücken der Betonflansch des Verbundfertigteilträgers als vollflächiges Schalungselement ausgebildet ist und (mit einem daneben liegenden Verbundfertigteilträger) die Schalung für die Ortbetonplatte bildet.
Die Verbundfertigteilträger nach der Erfindung wirken ausschließlich in Bauwerkslängsrichtung tragend und sind für Längen von 25 bis 50 m Spannweite ausgebildet.
Auch können vorzugsweise die Verbundfertigteilträger in Mehr-
fachanordnung über vorbetonierte Mittelquerträger zu einem Durchlaufsystem vor Belastungsbeginn verbunden sein.
Vor Belastungsbeginn können sie in die Widerlagerwände der Pfeiler zur Bildung eines Rahmensystems im Bauzustand eingespannt sein.
Unter Rahmensystem versteht man hier eine biegesteife Verbindung des Überbautragwerks mit den Unterbauten in Form eines Rahmenecks. Diese Einspannung wird über eine Anschlußbewehrung im Fertigteil in die Widerlagerwand verwirklicht. Dabei werden die Fertigteile auf Absetzlager aufgesetzt und die Widerlagerwand bewehrt und bis zur Oberkante des Fertigteils betoniert. Dies ergibt einen biegesteifen Anschluß in die Widerlagerwand. Solch ein Rahmensystem bietet die folgenden Vorteile:
geringere Verformungen des Überbaus
Reduzierung der Gründung durch abstützende Wirkung des
Überbaus
Entfall von Lagern und Übergangskonstruktionen.
Unter Durchlaufsystem wird eine biegesteife Verbindung der beiden aneinander anliegenden Verbundfertigteile durch die Erstellung eines Ortbetonquerträgers verstanden. Die DurchlaufWirkung wird durch Anschlußbewehrung im Fertigteil, die in den Ortbetonträger einbindet, verwirklicht. Zusätzlich können hochfeste Gewindestangen angeordnet werden, die bei der Aufnahme des Stützmoments mitwirken .
Vorteilhaf ist eine Hubkoppeleinrichtung für die Querverbindung vorgesehen. Sie dient zu Ausgleich des Flanschniveaus in Querrichtung und besteht aus im Flansch des jeweiligen VFT einbetonierter Grundplatte und darin angeschweißtem Kragblech. Beide überbrückend ist ein mit einem Kragblech verschweißter Kragarm vorgesehen, der jeweils mit dem gegenüberliegenden Kragblech verschraubt sein kann.
Wichtig ist, daß die Betonflansche aus hochfesten Betonen, insbesondere Güte größer B 55, hergestellt sein können. Bisher hielt man hochfeste Betone in ihrem Bruchverhalten für zu spröde, da die Verbindungsmittel steif wurden. Dagegen werden jetzt bei dieser Konstruktion keine Kopfbolzendübel eingesetzt. Aufgeschweißte kupierte Walzträger (Doppel-T-Träger) können mittig auf den tragenden Stahlträger aufgeschweißt sein und schaffen dadurch die Verbindung Stahl/hochfester Beton. Hierdurch ist die Konstruktion in der Verbundfuge weicher. Die Tragwirkung des Verbundquerschnitts wird erhöht. Das spröde Versagensverhalten der Kopfbolzendübel wird hiermit umgangen. Die duktile Tragwirkung des Verbundquerschnitts wird erhöht, ein robustes Tragwerk geschaffen .
Nach einer anderen Konstruktion können zur Herstellung von Mehrfeldsystemen zwischen den einzelnen Trägern Laschenstöße vorgesehen sein, Mittelquerträger und Endquerträger können vor dem Betonieren der Fahrbahnplatte aus Ortbeton bereits betoniert sein.
Besonders günstig ist es, wenn die nebeneinander liegenden Verbundfertigteilträger die Schalung für die Ortbetonplatte bilden, da dann auf eigene Schalelemente verzichtet werden kann.
Der auf den Stahlgurt aufbetonierte Betonflansch kann den Trä- gerstabilisator bilden .
Zur Druckeinleitung bei schiefwinkligen Systemen können Winkel- bleche auf der Trägerstirnplatte aufgeschweißt sein.
Neu und besonders günstig ist, daß der Beton/Stahlquerschnitt von Anfang an gemeinsam belastet wird.
Vorzugsweise wird der obere Stahlflansch des Stahlträgers wesentlich kleiner als der untere dimensioniert.
Die Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung kann so
erfolgen, daß Stahlträger werkseitig oder in situ mit einem Betonflansch versehen werden, für Brückenbauwerke als Deckbrük- ken dieser Betonflansch als vollflächiges Schalungselement für den Ortbeton benutzt wird und für die Schalung der Ortbetonplatte mehrere dieser Verbundfertigteilträger nebeneinander gelegt werden .
Die Verbundfertigteilträger können so als Schalung für die Ortbetonfahrbahndecke benutzt werden.
Vorteilhaft werden die Stahlträger während des Betonierens im Fertigteilwerk durch Pressen in der Trägermitte mit einem negativen Feldmoment vorgespannt, um Druckspannungen in den unteren Flansch des Stahlträgers und Zugspannungen in den oberen Betonflansch einzutragen (siehe auch AT-PS 336 847).
Durch die Maßnahme der Erfindung, der Entwicklung des VFT-Trä- gers fällt das geringe Eigengewicht und höhere Materialfestigkeit des Stahls auf. Er kann sowohl bei Einfeld- als auch bei DurchlaufSystemen verwendet werden. Bei Trägern über 40 m Länge können Hohlkastenquerschnitte, da sie wesentlich verwindungs- steifer sind als I-förmige Querschnitte, zum Einsatz kommen.
Die Vorgehensweise kann die folgende sein: der VFT-Träger wird auf einem Tieflader auf die Baustelle befördert. Der Träger wird auf die Montagekonstruktion gehoben und in Querrichtung mit den restlichen VFT-Trägern gekoppelt. Bei Mehrfeldsystemen werden die Fertigteilobergurte im Mittelquerträger durch überlappende Bewehrung gestoßen. Anschließend werden Stütz- und Endquerträger betoniert und eine DurchlaufWirkung erzeugt. Außerdem entsteht eine Torsionseinspannung, die die VFT-Träger während des Betonierens der Fahrbahnplatte gegen Kippen sichert.
Neben zahlreichen Vorteilen sind die folgenden zu nennen: die nebeneinander liegenden VFT-Träger besitzen nur eine Längsfuge, gegenüber vielen Fugen in Querrichtung bei herkömmlichen Fertig- teilschalungselementen. Die Ausbildung von Einfeldsystemen als
Rahmen ist vor allen Dingen bei schwingungsanfälligen Systemen von Vorteil, da die Eigenfrequenz durch die Rahmenwirkung erhöht wird und die Amplituden geringer werden.
Mit der Fertigung wesentlicher Teile des Tragwerks (Stahlträger und Flansch) bereits im Werk wird eine hohe Verarbeitungsqualität erreicht.
Durch die Mitwirkung des Betonflansches schon im Bauzustand verringern sich die Massen des Konstruktionsstahls wesentlich.
Durch den Entfall der zeitintensiven Arbeiten "Einbau Kippverbände" und "Schalen Ortbetonplatte" können Bauwerke in einer wesentlich kürzeren Zeit erstellt werden. Dies schlägt sich sowohl in den Investitionskosten als auch in volkswirtschaftlichen Kosten durch weitgehende Vermeidung einer evtl. Behinderung durch die Baumaßnahmen nieder.
Ein Bauwerk mit VFT-Trägern hat eine längere Standzeit als Verbundbauwerke mit Fertigteilplattenschalung.
Die bei einer Nutzungsänderung gewünschte Erhöhung der Traglast des Bauwerks kann verhältnismäßig einfach durch das Aufschweißen von Verstärkungslaschen erreicht werden. Dieser Vorteil ist auch bei Instandsetzungsmaßnahmen gegeben.
Die Steifigkeit eines VFT-Trägers kann dadurch erhöht werden, daß die Untergurtseite, besonders beim Stahlhohlkasten, durch hochfesten Beton ergänzt und durch Vorspannung an der Rißbildung (Übergang in den Zustand II) gehindert wird.
Die hier nicht erwähnten Unteransprüche bilden Teil der Beschreibung, sind hier aber nicht wiederholt.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden in denen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Bauwerk mit einem überbau auf Widerlagern zeigt;
Fig. 2 ist eine Draufsicht zur Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine erste Variante eines Verbundteilträgers im Schnitt;
Fig. 4 zeigt eine andere Variante des Verbundfertigteilträgers mit Hohlkasten im Querschnitt;
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt mehrerer Verbundfertigteile nach der Erfindung im Brückenquerschnitt;
Fig. 6 zeigt eine Variante mit Hohlkastenträger im Schnitt, wobei der Mittelquerträger mit zwei Stützen gezeigt ist;
Fig. 7 zeigt einen geschweißten Montagestoß am Stützquerträger im Grundriß;
Fig. 8 ist ein Schnitt zu Fig. 7 längs der Linie A-A, wobei ein Querträger mit Laschenstoß gezeigt ist;
Fig. 9 zeigt eine Variante zu Fig. 7, diesmal nicht verschweißt, sondern verschraubt;
Fig. 10 ist ein Schnitt längs der Linie A-A der Fig. 9;
Fig. 11 zeigt mehrere Verbundfertigteilträger, die in einem Endquerträger einbinden, am Beispiel eines schiefwinkligen Bauwerks;
Fig. 12 ist ein Detailschnitt durch Fig. 11;
Fig. 13 ist ein Detail im Grundriß zu Fig. 11;
Fig. 14 zeigt eine Hubkonstruktion zum Koppeln von Fertigteil- trägern in Querrichtung der Brücke, wobei durch diese Konstruktion eine Höhenverstellbarkeit der beiden Fertigteilträger vorgesehen sein soll;
Fig. 15 definiert ein Rahmensystem;
Fig. 16 erläutert ein Rahmeneck; und
Fig. 17 erläutert ein Durchlaufsystem.
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In den Figuren im einzelnen zeigt Figur 1 und Figur 2 einen Längsschnitt durch das Bauwerk mit einem überbau aus VFT-Trägern (VFT = Verbundfertigteil) 4 auf zwei Widerlagern 2 und einer Stütze 3. Die Elemente 2 und 3 sind konventionell. Der überbau 4 ist erfindungsgemäß aus mehreren Verbundfertigteilträgern, die weiter unten genauer beschrieben werden, aufgebaut. Wie ebenfalls weiter unten dargelegt, setzt sich ein solcher überbau zusammen aus Stahlträgern 5, Betonflanschen 6 und Ortbetonplatte 7, jeweils sechs Verbundfertigteilträger pro Feld; 6 bzw. 12 sind in der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Konstruktion vorhanden.
Figur 3 zeigt einen Standardträger 5, 6. Stahlträger 5 und Betonflansch 6 sind hierbei über Verbundmittel 13 bereits verbunden. Anstatt des geschweißten Stahlträgers kann ein Walzträger mit einer aufgeschweißten Lasche am Untergurt verwendet werden.
Auf dem oberen Stahlflansch 9 des Trägers sitzt der Betonflansch 6, der bereits im Fertigteilwerk, auf jeden Fall aber vor dem Einbau aufbetoniert wurde. In den Betonflansch ragen kürzere Verbindungsmittel, z.B. Kopfbolzendübel 13 hinein. Der Betonflansch besitzt eine Anschlußbewehrung 10, die Teil im späteren Verbund zur Ortbetonplatte wird. Außerdem ragen höhere Verbindungsmittel 10 über den Betonflansch in den späteren Ortbeton hinein. Der Stahlträger ist in an sich bekannter Weise mit Stahlträgersteg 8 und oberem Stahlträgerflansch 7 neben dem unteren Stahlträgerflansch 9 versehen. Auf den oberen Flansch 9 wird Beton vergossen, der zusammen mit dem Träger 5, 6 das Verbundfertigbauteil (VFT) 5, 6 bildet und gleichzeitig mit anderen Verbundfertigteilträgern als Schalung für die Fahrbahndecke dient. Gleichzeitig hat er die Funktion eines Traggliedes.
Die beispielsweise vorgesehenen Kopfbolzendübel (andere Verbundmittel sind selbstverständlich ebenfalls anwendbar, die z.B. mit dem oberen Stahlflansch 7, um die Verbindung herzustellen, verschweißt sind) können der Höhe nach gestaffelt aufgebracht sein. Während das eine Teil in den Betongurt 5, 6 einbindet, stellt
das andere Teil mit den Köpfen 13 die Verbindung in die Ortbetonergänzung (Ortbetonplatte) her.
Die in Figur 4 gezeigte Variante des Verbundfertigteilträgers mit Hohlkasten im Querschnitt findet z.B. Anwendung bei größeren Trägerlängen, insbesondere 35 m, um eine größere Verwindungs- steifigkeit zu erreichen. Sonst ist der Aufbau analog zu Figur 3.
Mehrere Verbundfertigteile (VFT) nach der Erfindung sind im Brückenquerschnitt der Figur 5 zu sehen. Gleiche Bezugszeichen haben gleiche Bedeutungen wie in anderen Figuren. Schön zu sehen sind die Stahlträger mit Betonflansch 5, 6 und den Verbundmitteln 13 auf Widerlagern 2.
Figur 6, die eine Variante mit Hohlkastenträger im Schnitt zeigt, läßt einen Mittelquerträger mit zwei Stützen erkennen. Das Ganze ruht auf Pfeilern 3. Die Einzelheit der Figur 7 erläutert einen Montagestoß als Laschenstoß 16 am Stützquerträger im Grundriß. Entlüftungsbohrungen 17 verbessern die Konstruktion.
Figur 8 (Schnitt zu Figur 7) zeigt einen Montagestoß am Beispiel eines schiefwinkeligen Bauwerks, im Bereich des Stützträgers. Für den Montagestoß ragt der obere Flansch des Stahlträgers zur Hälfte in den Ortbetonstützquerträger hinein. Die beiden Stahlträger werden über geschweißte Stahllaschen miteinander verbunden. Eine Längsbewehrung ist mit 11 bezeichnet. Die Lage des Laschenstoßes 17 ist gut erkennbar. Stirnplatten 14 und Winkelbleche 15 runden die Konstruktion ab, die wieder auf einem Pfeiler 13 ruht. Es wird eine DurchlaufWirkung durch das Betonieren des Ortbetonquerträgers erreicht.
Figur 9, die eine Variante zu Figur 7 erkennen läßt, ist alternativ verschraubt und nicht verschweißt, wie durch die angedeuteten Schrauben 18 beim Laschenstoß 16 zu sehen ist. Entlüftungsbohrungen 17 gewährleisten eine ordentliche Verdichtung des Betons.
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Figur 10 zeigt eine Variante des Stützquerträgerstoßes . Mehrere Verbundfertigteilträger, die in einen Endquerträger einbinden, sind gezeigt. Die Konstruktion ist geschraubt (Schrauben 18). Die durchgehende Längsbewehrung 11 ist zu sehen, genauso wie die in einer anderen Figur bereits erwähnten Stirnplatten 14 und Winkelbleche 15.
Figur 11 zeigt mehrere Verbundfertigteilträger, die in einen Endquerträger einbinden, am Beispiel eines schwiefwinkligen Bauwerks. Bei schiefwinkligen Bauwerken müssen bekanntlich die Druckkräfte rechtwinklig zur Stahlträgerachse eingetragen werden. Hierfür werden gemäß Figur 11 an der Stirnplatte 14 Stahlwinkel 15 angebracht, die eine senkrechte Einleitung der Druckkraft gewährleisten (Details siehe die Figuren 12 und 13). Diese Möglichkeit der Einleitung besteht sowohl am Endquerträger wie am Stützquerträger.
Figur 12 ist ein Detailquerschnitt durch Figur 11, Figur 13 ein Detail zu Figur 11, diesmal im Grundriß. Gemäß Figur 12 sitzt die Konstrukion auf dem Widerlager 2; von der stirnplatte 14 aus reichen beispielsweise Kopfdübel in den Beton. Man erkennt in der Draufsicht wieder den Stahlträger 5 mit Steg 8, Flanschen 7, 9 sowie dem beispielsweise über Verbundmittel 13 bereits im Werk gefertigten Betonflansch 6. Der Betonflansch wird (Figuren 1 bis 14) meist in 10 bis 12 cm Stärke gegossen.
Figur 13 läßt im übrigen die beispielsweise Verschweißung zwischen Stirnplatte 14 und Stahlträgersteg 8 erkennen. Der Stirnplatte 14 sind Winkelbleche 15 zugeordnet.
Figur 14 zeigt die Hubkonstruktion zum Koppeln der Fertigteilträger in Querrichtung der Brücke. Die Fertigteile liegen nebeneinander. Die Kopplung wird wie folgt hergestellt:
Rundstahlanker 19 sind bereits im Werk einbetoniert; Stahlbleche werden auf ein Mörtelbett 25 aufgesetzt und verschraubt. Ein weiteres Stahlblech wird mit angeschweißtem Verbindungsprofil 21
11 rechtwinklig auf das vorhandene horizontale Stahlblech aufgeschweißt, über ein Flacheisen 24 und einen Hubbolzen 23 werden die beiden Betonflansche auf gleiche Höhe gezogen. Anschließend werden die Flansche gelenkig durch einen Verbindungsbolzen 22 zueinander gehalten. Das Flacheisen 24 wurde auf Ausgleichsmörtel 25 verlegt.
In Figur 14 erkennt man neben der Längsbewehrung 11 die Querbewehrung 12.
Figur 15 beschreibt ein Rahmensystem aus VFT-Trägern 4, die über ein Rahmeneck 29 in die Widerlager 2 einbinden.
In Fig. 16 ist ein Detail des Rahmenecks 29 zu sehen. Hier bindet der VFT-Träger 4 mit der Anschlußbewehrung und einem um 90° gebogenen und verdübelten Stahlflansch in die Widerlagerwand 2 ein. 28 ist ein Abseztlager .
Fig. 17 zeigt die Erstellung des DurchlaufSystems mittels Ortbetonquerträger. Die Anschlußeisen des Ortbetonfertigteils binden ein. Zusätzlich kann über hochfeste Gewindestangen 26, die an Konsolen 27 verschraubt sind, die Zugkraft des Flansches übertragen werden.