Verbundbauwerk, bei dem Träger aus Stahl und Teile aus Stahlbeton zusammenwirken, und Verfahren zu seiner Herstellung. Die Erfindung betrifft ein Verbundbau werk, bei welchem Träger aus Stahl und Teile aus Stahlbeton zusammenwirken, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Verbundbauwerkes.
Man kennt bereits Brücken, bei welchen mit den Blechen des als Hohlkörper ausge bildeten Stahlträgers eine Stahlbetonplatte für die Fahrbahn durch Verdübelung fest verbunden ist, so dass die Fahrbahn-Stahl betonplatte zu einem Teil des Stahlträgers wird und infolgedessen bei positiven Biegungs- mnomenten des Trägers auf Druck und bei negativen Biegungsmomenten desselben auf Zug beansprucht wird. Positive Momente, auch Feldmomente genannt, entstehen über denn Feldern, während negative Momente, auch Stützmomente genannt, über den Stützen entstehen.
Zu diesen Beanspruchungen der Fahrbahnplatte als Druck- oder Zugplatte treten noch die örtlichen, Plattenmomente aus der Verkehrslast und vor allem auch die Be anspruchungen durch das Schwinden und Kriechen des Betons. Die Mitwirkung der Stahlbetonfahrbahnplatte bei der Aufnahme der Biegungsmomente der Stahlbalken und vor allem der unbedingt notwendige Korro sionsschutz der unter der Fahrbahnplatte lie genden Stahlkonstruktion sind jedoch nur so lange gewährleistet, als die Stahlbetonplatte frei von Haarrissen bleibt.
Besonders gefährdet ist die Stahlbeton platte an den Stellen der Hauptträger, an welchen zu den Zugspannungen aus dem Schwinden und den Beanspruchungen durch örtliche Lasten noch die Zugspannungen aus den Biegungsmomenten der Haupttragkon struktion hinzukommen.
Auf Grund dieser Erkenntnis hat man bei der bekannten Brücke nach der Ausrüstung eine Vorbelastung durch Fahrzeuge vorgenommen und damit in der Nähe der Stützen an der Oberseite künstlich Zugspannungen erzeugt, so dass noch der Be tonierung der Platte und; Entfernung der Belastungen in dein Bereich :der .Stützen in der Platte Druckvorspannungen entstanden, durch welche die erwähnten Zugspannungen überlagert wurden.
Dieser Verbesserung in dem Bereich der Stützen steht nun aber eine Verschlechterung des Spannungszustandes in den Feldmitten gegenüber, Tatsächlich ist 'die Platte in dem Bereich der gesamten Brückenlänge durch Haarrisse gefährdet, wobei naturgemäss an dem Stützen querschnitt besonders -ungünstige Verhältnisse herrschen. Entlastet man die Stützenquer- schnitte auf Kosten der Feldmitten, so wer den damit die Feldquerschnitte,
bei denen die Platte die vielleicht noch hätte aufnehmen können, so überlastet; dass dort mit Sicherheit Haarrisse auftreten, ohne dass damit die Gefahr für die .Stützenquer- schnitte beseitigt ist.
Mit, Hilfe dieser bekannten Vorspann methode, :die nur eine Umlagerung der Span nungen bedingt, gelingt es somit nicht, das Auftreten von Haarrissen in der Stahlbeton fahrbahnplatte wirksam zu vermeiden und damit einen ausreichenden Korrosionsschutz der Stahlträger über die gesamte Brücken länge sicherzustellen.
Die Erfindung bezweckt nun, die vorste hend geschilderten Nachteile hinsichtlich des Auftretens von Haarrissen zu vermeiden, da bei jedoch die Stahlträger wirtschaftlich aus zunutzen und darüber hinaus noch eine Er sparnis an Stahl zu erzielen.
Dieses Ziel kann mach der Erfindung da durch erreicht werden, dass in der Konstruk tionshöhe des Stahlträgers Seile angeordnet sind, die derart vorgespannt sind, dass der Stahlträger von Zugspannungen nur teilweise entlastet ist.
Bei Verbundkonstruktionen mit durch laufenden 'Stahlträgern sind die Stahlbeton bauteile vorzugsweise in dem Bereich der negativen Stützmomente, in dem die Zugspan nungen der Stahlbetonbauteile durch die durch die Vorspannung der Seile erzeugten Druckspannungen nicht überlagert sind, auf den Stahlträgern beweglich gelagert und nur indem Bereich der positiven Feldmomente, in dem die Zugspannungen der Stahlbetonbau teile durch die durch die Vorspannung der Seile erzeugten Druckspannungen überlagert sind, mit den Stahlträgern gekoppelt.
In der folgenden Beschreibung sind Aus führungsbeispiele eines Verbundbauwerkes nach der Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen dieses Verbundbauwerkes an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig.1 zeigt im Längsschnitt. eine aus ge koppelten Verbundträgern aus Stahl und Stahlbeton bestehende Balkenbrücke.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Brücke nach Fig. 1.
Fig. 3 stellt einen Querschnitt einer vor gespannten Brücke dar, deren 'Stege eben falls in Stahlbeton ausgeführt sind.
Fig. 4 stellt einen Längsschnitt einer Brücke mit gewölbeartigem Stählbetonträger und Vorspannung durch gerade Seile dar.
Fig.5 zeigt im Längsschnitt eine über mehrere Stützen durchlaufende Balkenbrücke. Fig. 6 zeigt im Querschnitt und Fig. 7 im Längsschnitt ein Schalendach. In sämtlichen Figuren sind mit 1 die Stahlträger, mit 2 die mit diesen zu Verbund trägern gekoppelten Stahlbetonteile, mit 3 die Vorspannseile und mit 4 die Enden be zeichnet, an denen die Seile am Verbundträger verankert sind. Die Stahlträger 1 werden zweckmässig als Hohlkörper ausgeführt und die Vorspannseile 3 bestehen aus hochwerti gem Stahl.
Wie die Fig.1 und 2 an einer über zwei Stützen sich erstreckenden Balkenbrüeke er kennen lassen, sind mehrere Seile 3 gruppen weise in der Konstruktionshöhe des Stahl trägers angeordnet und an den Enden 4 des Verbundträgers verankert. Von dort aus wer den sie kurz vor Inbetriebnahme der Brücke mittels hydraulischer Pressen in Spannung gesetzt, wobei sie den gekoppelten Verbund träger vorspannen, um in der Betondruck- platte 2 auf der gesamten Brückenlänge eine möglichst gleichmüssige Drudkvorspannung hervorzurufen.
Da diese Vorspannung erst in einem Zeitpunkt vorgenommen wird, in dem der Beton Kriechwirkungen nur noch in beschränktem Umfang unterworfen ist, las sen sieh damit die gewünschten Druckvor- spannungen im Beton leicht erzielen. Um ein ungehindertes Bewegen der Seile 3 bei der Anspannung zu ermöglichen, werden diese ge genüber den Querwänden des Stahlträgers 1 mit Hilfe von Rollen oder Pendeln beweglieh gelagert.
Während bei den bekannten ausschliesslich aus Stahlbeton hergestellten vorgespannten Balkenbrücken der Seilquerschnitt und die Grösse der Vorspannung so bemessen werden, dass bei Eigengewichtsbelastung in:
dem Be tonquerschnitt auf der gesamten Querschnitts höhe nnzr Druckspannungen auftreten, durch welche die Biegezugspannungen aus Verkehr überdeckt werden, wird diese Vorspanntmg bei Stahlbrücken mit gekoppelter Stahlbeton druckplatte nicht so weit. getrieben, weil sonst eine wirtschaftliche Ausnutzung des Stahls nieht erzielt. würde. Die Spannung der Seile und ihr Querschnitt werden hierbei so bemes sen, dass die Stahlträger 1 nur teilweise ent lastet werden und auf der Unterseite der Stahlträger noch hohe Zugspannungen ver bleiben.
Durch die Anordnung der Vorspannseile 3 kann der Querschnitt des Stahlträgers 1 in der Zugzone wesentlich leichter gehalten und dadurch an Stahl gespart, werden.
Um die Festigkeit des Betons der Stahl betondruckplatte 2zu erhöhen und auch auf diese Weise das Auftreten von Haarrissen zu vermeiden, wird die Querdehnung der Betonplatte 2, wie in Fig.2 dargestellt ist, durch eine über ihre ganze Unterseite sich erstreckende Platte 5 und durch mit dieser ver bundene kräftige Randeinfassungen 6 verhin dert. Hierdurch wird eine Betonfestigkeit er zielt, die zwischen der Prismenfestigkeit und der dieser gegenüber höheren Würfelfestigkeit liegt. Diese Verhinderung der Querdehnung hat ausserdem den Vorteil, dass in der Quer richtung die Zugspannung aus der Schwin dung durch Druckspannungen überlagert wird.
Man kann entsprechend der Fig. 3 einen Teil der Stege auch in Stahlbeton ausführen, jedoch kommt diese Ausführungsart nur bei weniger schlanken Trägern in Frage, weil in folge der nicht vorhandenen obern Stahl platte die Betonspannungen höher werden und anderseits weil wegen der nicht behin derten Querdehnung die Prismenfestigkeit ge ringer ist als bei einer Ausführung nach Fig. 2.
Bei freiaufliegenden, gekoppelten Ver bundträgern aus Stahl und Stahlbeton ist die in Fig. 4 dargestellte Lösung, bei welcher die Seile 3 gerade durchgespannt wer den können, besonders vorteilhaft. An Stelle der hängewerkartigen Zuganker tritt jetzt eine gewölbeartig angeordnete Stahlbetondruck platte. Damit sind allerdings an den Auf lagern zusätzliehe Stahlbetonmassen erforder lieh, die aber wegen ihres geringen Hebel armes die Biegungsmomente nur geringfügig beeinflussen, In Fig. 5 wird eine durchlaufende Brücke, und zwar eine Strassenbrücke, gezeigt. Die Seitenöffnungen sind im Verhältnis zu der Hauptspannweite klein angenommen, so dass in den Seitenöffnungen im wesentlichen nega tive Momente entstehen.
In der Nähe der Pfeiler und in den Seitenöffnungen treten an der Oberseite der Stahlträger starke Zugspan nungen auf. In demn Bereich der negativen Stützmomente, in dem die Zugspannungen der Stahlbetonplatte durch die durch die Vor spannung der Seile 3 erzeugten Druckspan nungen nicht überlagert sind, ist die Stahl betonfahrbahnplatte beweglich auf den Stahl trägern gelagert. Damit wird die Fahrbahn in diesem Bereich schwerer, weil unter der Platte eine Isolierung mit einer Betonschutz schicht vorgesehen werden muss Dieses Mehr gewicht ist aber, wie schon erwähnt, nur von ganz geringem Einfluss auf die Biegungs- momente aus Eigengewicht.
Um an Stahl zu sparen und zugleich zwecks Vergrösserung der Trägheitsmomente an den Stützen, wird die untere Stahlplatte des Hohlträgers im Bereich a der negativen Momente durch eine Beton platte verstärkt, deren Dicke nach den Stützen hin zunimmt.
Der Arbeitsvorgang ist nun folgender: Zunächst werden die Seitenöffnungen mit einer gewissen Auskragung der Träger in die Mittelöffnung montiert, und schon in dieseln frühen Zeitpunkt wird,die untere Stahlbeton druckplatte 2 betoniert. Zweckmässig können wenigstens in der Seitenöffnung auch schon die beweglich aufgelagerten Betonfahrbahn platten hergestellt werden. Nach vollendeter Montage der Mittelöffnung- und Betonierung der gekoppelten Fahrbahnplatte ist die Brücke fertig zum Ausrüsten.
In diesem Zu stand ergeben sich nur geringe Feldmomente, weil an den Stützen infolge der vorhandenen Betondruckplatten grosse Trägheitslnomente im Vergleich zu dem Scheitel vorhanden sind. Nach weiterer Erhärtung der gekoppelten. Fahrbahnplatte werden nun :die- durchge henden Seile 3 stufenweise in Vorspan- nun.g gesetzt und damit. in der gekoppelten Fahrbahnplatte j)rttekspannungen erzeugt.
Zugleich steigen auch die Druckspannungen in den untern Betondruckplatten im Bereich der negativere Momente an.
In dem Bereich der positiven Feldmomente, in dem die Zugspanungen der Stahlbeton platte durch die durch die Vorspannung der Seile 3 erzeugten Druckspannungen über lagert sind, ist die Stahlbetonfahrbahnplatte mit den Stahlträgern 1 gekoppelt. Hierdurch ergibt sich eine sehr leichte Fahrbahn, da die Isolierung und deren Schutzsehicht wegfallen. Damit werden auch die statisch bestimmten Gesamtmomente kleiner und infolge der sta tischen Mitwirkung der Fahrbahnplatte sinkt der Stahlverbrauch.
Bei grösseren Seitenöffnungen gegenüber Fig. 5 ergeben sich auch für die Seitenöff nungen grössere Bereiche positiver Momente, in denen die obern Fahrbahnplatten mit den Stahlträgern gekoppelt werden können.
In dem Stützenbereich und in den kurzen Seitenöffnungen werden die untern Stahlplat ten des Hohlkörpers 1 mit den kräftigen Stahlbetondruckplatten 2 gekoppelt. Dieses vermehrte Gewicht hat auf die Gesamtmo mente nur einen geringen Einfluss. Die Beton druckplatten gestatten es aber, die Stahlquer schnitte erheblich zu vermindern.
Eine weitere Verminderung des Stahlver brauches ergibt sich durch Vorspannung mit tels hochwertiger Seile, die in Bruchzustand eine Spannung von etwa 10 000 kg/cm2 be sitzen, während die Bleche aus Stahl 52 nur mit Spannungen von @s = 3600 kg/em2 ar beiten. Mit dieser Stahlersparnis ist aber zu gleich auch eine Verminderung des Eigen gewichtes verbunden.
Die Stahlbleche, die mit darüberliegenden Stahlbetonplatten gekoppelt sind, sind durch Beulung nicht gefährdet. Hierdurch ergibt sich eine weitere Einsparung von Stahl.
Da diese gekoppelten Systeme von Balken brücken eine sehr grosse Steifigkeit besitzen, lassen sich damit sehr schlanke Brücken her stellen. Bei frei aufliegenden Eisenbahn brücken sind Schlankheitsverhältnisse llh (Länge zur Höhe) von 16 bis 18, bei Strassen brücken von 2,5 bis 30 möglich. Bei durch- laufenden Balkenbrücken sind die Schlank heitsverhältnisse entsprechend grösser.
Die Kopplung der Stahlbetondruckplatten mit den Blechender Stahlhohlträger erfolgt. durch aufgeschweisste leichte Profile, durch angeschweisste Rundeisen und durch vorge spannte Schraubenbolzen, durch welche an dem Übergang vom Beton zum Stahl ein Nor maldruck und damit eine erhöhte Reibung erzeugt wird. Wenn man zweckmässig die Stahlträger aus Blechen in Form von Hohl kästen herstellt, sind die Haftspannungen an den Übergängen so gering, dass sie bei Be rücksichtigung der oben angegebenen Siche rungen mit Sicherheit aufgenommen werden können.
Das im vorhergehenden beschriebene Ver fahren lässt sich auch in vorteilhafter Weise bei echten Hängebrücken anwenden. Zwar treten in den Versteifungsträgern der Hänge brücken sowohl positive als auch negative Mo mente auf, wobei aber die positiven Momente ihrer Grösse nach überwiegen. Um die Grösse der Vorspannkräfte, die durch zusätzliche Seile erzeugt werden und mit denen die ge koppelte Betonfahrbahnplatte unter Druck gesetzt wird, einzuschränken,. muss der Eigen wert der Hängebrücken niedrig gewählt. wer den.
Bei kleinen Eigenweiten sind die oben angegebenen Momente verhältnismässig gering, so dass unter Berücksichtigung der Vorspan- nung auch bei ungünstigster Verkehrslast- stellung die l'ahrbahnplatte frei von Zugspan nungen bleibt.
Durch die beschriebene Konstruktionsart lassen sich Hängebrücken mit ausserordent licher Schlankheit. herstellen. Die notwendige Steifigkeit erreicht man in einfacher Weise, indem man den Pfeil der Brücke im Verhält nis zur Spannweite gering wählt und damit einen vergrösserten Horizontalschub erzeugt. Durch einen flachen Pfeil erhält man zu glei cher Zeit eine in ästhetischer Beziehung sehr zusagende Brückenform.
Die gleichen Vorteile, die sich durch die gopphmg von -Stahlbetondruekplatten mit Stahlträgern bei Balkenbrücken erreichen lassen, ergeben sich auch für die räumlich wirkenden Schalenträger, wenn man die nach Zylinderflächen geformten Stahlbetonschalen mit Stegen ans Stahl koppelt und die damit geschaffenen Verbundkonstruktionen durch hoehwertige Seile vorspannt.
In Fig. 6 und 7 ist ein derartiger Schalen träger dargestellt. An den Kämpfern der Stahlbeton-Schalengewölbe 1 werden diese mit Stahlträgern 2 gekoppelt und die Stahlträ ger werden durch hochwertige Seile 3, die an den Balkenenden 4 mittels Stahlplatten ver ankert sind, mit. Hilfe von hydraulischen Pressen vorgespannt. Zu den schon bei den Brückenbauten erwähnten Vorteilen tritt hier als besonders grosser Vorzug noch die Tat- saehe, dass bei dieser Verbundkonstruktion die Einrüstung ganz erheblich verbilligt wird, wie der nachstehend beschriebene Arbeits vorgang zeigt.
Es werden zunächst die Stahlträger 2 mit Hilfe von zwei oder drei Unterstützungs böcken montiert. Um Kipperscheinungen zu vermeiden, werden jeweils benachbarte Träger durch leichte Konstruktionen gegeneinander abgesteift. Diese Verbände können nun, auch für die Einrüstung der Schalen benutzt wer den, wobei die hohen und damit teuren Lehr- gerüste unterhalb der Stahlträger wegfallen.
Diese Verbundschalen sind besonders für grosse Trägerspannweiten vorteilhaft, bei denen in Richtung der Trägerspannweite auf den Stahlträgern Krane laufen. Durch diese Kombination der Stahlbetonschalen mit vor gespannten Stahlträgern lassen sich die Spannweiten derartiger Schalenträger bei sehr geringen Durchbiegungen um mehr als 50 % steigern. Die gewölbten Stahlbetonschalen sind lediglich längs ihrer ebenen Begren zungsflächen auf durch Seile vorgespannten Stahlstegen gelagert und mit diesen gekoppelt.