Ertüchtigung beulgefährdeter Querschnitte im Stahlbau mittels aufgeklebter Steifenquerschnitte

Abstract

Es existiert eine Vielzahl an sanierungsbedürftigen Brückenbauwerken in Stahlbauweise, welche aufgrund von Schäden ertüchtigt werden müssen. Ertüchtigungsmaßnahmen mittels Schweißverbindungen sind aufgrund der Kerbwirkung und Gefügeänderung im Stahl häufig nicht einsetzbar. Weiterhin weisen ältere Brückenbauwerke nicht schweißgeeignete Stahlsorten auf, sodass in dieser Arbeit die Fügetechnik Kleben als alternative Verbindungstechnik zur Ertüchtigung von Brückenquerschnitten untersucht wird. Für den Einsatz von strukturellen Klebungen in Brückenbauwerken sind zwei relevante Forschungsfragen zu beantworten. Zum einen wird untersucht, ob eine wirksame Beulaussteifung mittels geklebter Steifenquerschnitte erreicht werden kann. Zum anderen soll eine Bemessungsmethodik für den Nachweis der Klebschichttragfähigkeit struktureller Klebungen entwickelt werden. Zur Tragfähigkeitsauslegung einer Klebschicht wurde eine Bruchbedingung entwickelt, mit welcher die Bewertung kombinierter Beanspruchungssituationen aus Schub- und Normalspannung möglich ist. Diese wurde experimentell validiert und ermöglicht eine auf der sicheren Seite liegende Tragfähigkeitsprognose für die Klebschicht. Die bauaufsichtlich eingeführten Beulnachweise gelten ebenfalls für geklebte Beulsteifen, solange die Bruchbedingung für die wirkenden Beanspruchungen in der Klebschicht erfüllt ist. Hierzu wurden geometrische und materielle Anforderungen an die strukturelle Klebung definiert, die eine standardisierte Vorgehensweise zur Durchführung von Beulnachweisen ermöglichen. Weiterhin wurden geometrische Anforderungen an die strukturelle Klebung entwickelt, die eine standardisierte Vorgehensweise zur Tragfähigkeitsauslegung der Klebschicht ermöglichen.

There are many steel bridges which require strengthening due to structural defects. Strengthening measures by welds are often not feasible due to the notch effect and microstructural changes in the steel. In addition, older bridges are made of non-weldable steel, so this thesis examines bonding as an alternative connection method for the strengthening of bridges. Two relevant research questions have to be answered for the use of structural adhesives in bridge structures. On the one hand, it is examined if an effective plate buckling stiffening is possible by using bonded stiffeners. On the other hand, a design method for the verification of the load bearing capacity of structural bonded joints is to be developed. For the design of a structural adhesive layer, a failure criterion was developed, which allows the analysis of combined stress situations of shear and normal stress. This failure criterion was experimentally validated and allows a safe prediction of the load-bearing capacity of the adhesive layer. The buckling verification according to EN1993-1-5 is also valid for bonded stiffeners as long as the failure criterion for the stresses in the adhesive layer is fulfilled. For this purpose, geometric and material design requirements for the structural bond were derived, which provide a standardised plate buckling design procedure. Furthermore, geometric design requirements for the structural bond were derived, which provide a standardised approach for the design oft he adhesive layer.

Il existe de nombreux ponts en acier qui doivent être renforcés en raison de défauts structurels. Le renforcement par soudage n'est souvent pas possible en raison de l'effet d'entaille et des modifications microstructurelles de l'acier. De plus, les ponts les plus anciens sont construits en acier non soudable. Cette thèse examine donc le collage comme méthode de connexion alternative pour le renforcement des ponts. Deux questions de recherche essentielles doivent être répondues pour l'utilisation des adhésifs structurels dans les structures de ponts. Premièrement, il est examiné si un raidissement efficace du flambage de la plaque est possible en utilisant des raidisseurs collés. D'autre part, une méthode de dimensionnement pour la vérification de la résistance aux contraintes des joints collés structurels doit être développée. Pour le dimensionnement des structures collées, un critère de rupture a été développé, qui permet l'analyse des contraintes combinées de cisaillement et de tension perpendiculaire. Ce critère de rupture a été validé par des essais et permet une estimation sécurisée de la capacité de charge de la couche adhésive. La vérification du flambement selon la norme EN1993-1-5 est également valable pour les raidisseurs collés, tant que le critère de rupture pour les contraintes dans la couche adhésive est satisfait. Pour cette raison, des critères de conception géométriques et matériels pour la connexion structurelle ont été dérivés, ce qui permet une procédure de conception standardisée du flambage de la plaque. De plus, des critères de conception géométrique pour le collage structurel ont été dérivés, ce qui permet une approche standardisée pour la conception du collage.