EP0401401A1 - Elastisches Steuersystem für Fahrbahnüberbrückungskonstruktionen in Trägerrostfugenbauweise - Google Patents

Abstract

Bei einem elastischen Steuersystem für Fahrbahnüberbrückungskonstruktionen in Lamellenbauweise bei dem Lamellen 7, 8 auf Traversen 3, 4 gelagert sind, die mit Hilfe von Gleitfedern/Gleitlagern in Traversenkästen 1, 2 verschieblich gelagert und durch Steuerfedern 16, 17 verbunden sind, wobei die Steuerfedern von Federelementen gebildet sind, welche auf parallel zu den Traversen verlaufenden Dornen 15 gelagert sind und mit ihren Stirnflächen gegen an den Traversen bzw. den Traversenkästen befestigten Anschlägen 10', 11, 12, 18, 18', 19, 19', 20, 20' anliegen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß auf jedem Dorn 15 wenigstens zwei Federelemente 16, 17 angeordnet sind und die Anschläge den Traversen bzw. den Traversenkästen derart zugeordnet sind, daß wenigstens ein Federelement unabhängig von der Belastungsrichtung und der Belastungsgröße immer auf Druck beansprucht wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein elastisches Steuersystem für Fahr­bahnüberbrückungskonstruktionen in Trägerrostfugenbauweise, wobei mindestens ein Träger auf Traversen gelagert ist, die Traversen jeder Auflagerstelle untereinander bzw. mit dem Fu­genrand durch Steuerfedern verbunden sind, und wobei die Steuerfedern von Federelementen gebildet sind, welche auf parallel zu den Traversen verlaufenden Dornen gelagert sind und mit ihren Stirnflächen gegen an den Traversen bzw. den Traverskästen befestigten Anschlägen anliegen.
• Insbesondere im Brückenbau werden zur Berücksichtigung von temperaturbedingten bzw. belastungsbedingten relativen Bewe­gungen zweier stirnseitig benachbarter Fahrbahnteile zwischen den Fahrbahnteilen Bewegungsfugen vorgesehen. Die Fugen wer­den von in Traversenkästen elastisch und gleitend gelagerten Traversen überbrückt, die parallel zur Fahrbahnkante verlau­fende Träger tragen.
• Das bei Fugenkonstruktionen nach dem Trägerrostprinzip ver­wendete elastische Steuersystem muß dabei grundsätzlich zwei Funktionen erfüllen:
• 1. Eine Steuerungsfunktion: Die gesamte Fugenbewegung muß gleichmäßig auf die einzelnen zwischen den Trägern bzw. zwischen den Trägern und den Fugenrändern vorhandenen, durch Dichtprofile abgedeckte Spalten aufgeteilt werden.
• 2. Abtragung von horizontalen Kräften, die durch Be­schleunigung beim Anfahren bzw. Bremsen eines über die Fuge fahrenden Fahrzeuges entstehen, in die Fugenränder.
• Die Funktion 2. wird zum größten Teil von der Reibung über­nommen, die zwischen den Traversen und den vorgespannten Gleitfeder/Gleitlagern als Traversenauflagerung erzeugt wird. Wegen der relativ großen Streuung derartiger Reibungskräfte, die unter anderem durch den Abbau der Federvorspannung im Laufe der Zeit entsteht, bleibt bei statischen Nachweisen die Wirkung der Reibungskräfte unberücksichtigt. Die verwendeten Steuerfedern des elastischen Steuersystems müssen für die Steuerung einen sehr großen Arbeitsweg (70 bis 80 mm) aufneh­men. Die bisher verwendeten Steuerfedern weisen daher zwangs­läufig eine sehr geringe Federkonstante c (kN/m) auf. Bei den hohen auftretenden Bremskräften von z. B. 39 kN/Rad ergeben sich somit große Verschiebungen der Trägern bzw. der mit den Trägern gekoppelten Traversen, die soweit gehen, daß die Tra­versen an Endanschlägen anstoßen und dann an die Stelle der elastischen Stützung durch die Steuerfedern eine starre Stüt­zung an den Endanschlägen tritt. Dies kann bei häufiger Wie­derholung zur Zerstörung bzw. Beschädigung der Übergangs­konstruktion führen.
• Es ist eine Übergangskonstruktion bekannt, wie sie aus der Fig. 1 hervorgeht. Dargestellt sind dort die sich gegenüber­liegenden Traversenkästen 1 und 2. Die sich gegenüberstehen­den Stirnseiten der Kästen 1 und 2 sind offen. In den Kästen sind zwei Traversen 3 und 4 auf nicht dargestellten Gleitla­gern verschieblich gelagert. Auf den Traversen 3 und 4 ist jeweils ein Auflager 5 und 6 für je eine lediglich angedeu­tete Träger 7 bzw. 8 angeordnet. Die Träger 7 und 8 sind un­tereinander bzw. mit den nicht dargestellten Randprofilen durch Dichtungsprofile verbunden. Wie sich aus der Darstel­lung der Fig. 1 ergibt, sind an jeder Traversenseite einander gegenüberliegend, aber versetzt zueinander Anschläge 9 und 10 bzw. 9′ und l0′angeschweißt. Ebenso sind an jeweils einer Seitenwand der Kästen 1 und 2 an der offenen Stirnseite je ein Anschlag 11 und 12 angeschraubt, und zwar derart, daß ein Anschlag 11 an der in der Zeichnung unteren Seitenwand des in der Zeichnung linken Kastens 1 und der andere Anschlag 12 an der in der Zeichnung oberen Seitenwand des in der Zeichnung rechts dargestellten Kastens 2 angeordnet sind. Somit liegen sich jeweils die Anschläge 9′und 11, 10 und 10′sowie 9 und 12 gegenüber. In den Anschlägen 9′, 11; 10, 10′und 9, 12 sind jeweils miteinander fluchtende Bohrungen vorgesehen, in denen jeweils ein Dorn 13 verschiebbar gelagert ist. Im vorliegen­den Beispiel ist der Dorn 13 in der Mitte mit einer Nut ver­sehen, in die ein in der Bohrung der Steuerfeder angeordneter hervorspringender Kranz zur Fixierung der Steuerfeder auf dem Dorn eingreift. Zwischen jeweils gegenüberstehenden Anschlä­gen 9′, 11; 10, 10′und 9, 12 ist auf den Dornen 13 je ein Fe­derelement 14 angeordnet.
• Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Zustand des Steuersystems sind die Federelemente sehr stark zusammengepreßt. Die Rück­stellkraft der Federelemente ist somit am größten. Bei Been­digung einer Belastung entspannen sich die vorgespannten Fe­dern bis zu der Stellung, die durch die gerade vorliegende, von der Brückentemperatur abhängige Fugenbreite vorgegeben ist.
• Bei der vorbeschriebenen bekannten Überbrückungskonstruktion wird beispielsweise das Federelement 14 im rechten Traversen­kasten 2 bei einer auf die Traverse 3 von links nach rechts gerichteten Bremskraft auf Zug beansprucht. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß hierbei weder die Versteifung der Feder aufgrund der hohen Verformungsgeschwindigkeit noch die Ver­steifung mit zunehmendem Federweg c = c (s) auftreten.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das elasti­sche Steuersystem der eingangs genannten Art so auszugestal­ten, daß unabhängig von der Richtung und der Größe der einge­leiteten Horizontalkräfte immer eine elastische Stützung durch die Steuerfedern gegeben ist, so daß Schäden an der Fahrbahnüberbrückungskonstruktion vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf jedem Dorn wenigstens zwei Federelemente angeordnet sind und die Anschläge den Traversen bzw. den Traversenkästen der­art zugeordnet sind, daß wenigstens ein Federelement immer auf Druck beansprucht wird. Dabei kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß jeweils zwei die Federelemente ein­schließende Anschläge an einer Traverse vorgesehen sind und daß zwei Federelemente mit ihren aufeinanderzuweisenden Stirnflächen an den sich gegenüberliegenden Seitenflächen von an der jeweils benachbarten Traverse bzw. den Traversenkästen befestigten Anschlägen anliegen. Dabei sind die Federelemente auf Dornen gelagert, deren Enden fest mit einem jeweiligen Anschlag verbunden sind, wobei die Dorne jeweils eine Öffnung durchgreifen, die koaxial zur Dornachse in dem an der benach­barten Traverse bzw. dem Traversenkasten befestigten Anschlag vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß unab­hängig von der Belastungsrichtung immer ein Federelement auf Druck beansprucht wird. Wenn die Federelemente zusätzlich auf Druck vorgespannt sind, dann führt dies dazu, daß auch die auf Zug beanspruchte Feder durch Abbau ihrer Vorspannung mit­wirkt und damit die beiden Federn als parallel geschaltete Federn der resultierenden Federsteifigkeit c₁ + c₂ behandelt werden können. Allerdings ist die Federsteifigkeit c₂ der auf Zug beanspruchten Feder erheblich geringer als die Federstei­figkeit c₁ der auf Druck beanspruchten Feder. Die Druckvor­spannung wird in vorteilhafter Weise derart gewählt, daß alle Federelemente unabhängig von der Richtung und der Größe der Relativbewegung der Anschläge immer auf Druck benansprucht sind. Bei denjenigen Federelementen, in welche Zugkräfte ein­geleitet werden, findet daher ein Abbau der Druckvorspannung in Abhängigkeit von der Größe der eingeleiteten Zugkraft statt.
• In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, daß die Federelemente aus einem elastomeren, geschäumten Material mit einer Feder­konstante bestehen, die eine lineare Funktion des Federweges ist. Versuche mit elastomeren, aus geschäumtem Material her­gestellten Federelementen haben gezeigt, daß unter sehr plötzlicher Lasteinwirkung (hohe Belastungsgeschwindigkeit) eine deutliche Versteifung der Feder eintritt und daß außer­dem die Federkonstante c eine Funktion des Federweges ist, c = k . f . w, wobei f die Prüffrequenz der pulsierenden Feder­belastung darstellt und w den Federweg angibt, d.h., c_dyn wächst linear mit dem Verschiebeweg w. Diese Verhältnisse er­geben sich allerdings nur bei dem erfindungsgemäßen ausge­staltenen Steuersystem, bei welchem sämtliche elastomeren Fe­derelemente nur auf Druck beansprucht werden. Da bei auf Zug beanspruchten Federelementen dieser Effekt nicht auftritt, wird eine Mitwirkung der im Zugbeanspruchungsbereich liegen­den Federelemente durch das oben beschriebene Aufbringen ei­ner Druckvorspannung erreicht, die bei Zugbeanspruchung ent­sprechend abgebaut wird und damit in der Wirkung einer zugbe­anspruchten Feder gleichkommt.
• Da die Federkonstante bei steigender Beanspruchung, d.h. bei wachsendem Federweg ebenfalls linear anwächst, nimmt die Steifigkeit der horizontalen elastischen Abstützung der Trä­gern zu, so daß es auch bei hohen Horizontalkräften nicht zu dem nachteiligen Anfahren der Traversen gegen die starren Endanschläge kommt.
• Durch die Erfindung wird eine Verbesserung der Funktion "Ho­rizontalkraftübertragung" des Steuersystems erzielt. Als Ne­beneffekt der Anordnung von Doppelfedern ergibt sich für "Trägersteuerung" ebenfalls eine Verbesserung. Durch die oben beschriebene Parallelschaltung der beiden Federn eines Steu­ergliedes wird bei Auslenkung einer Träger aus der mittigen Stellung die Differenz der links und rechts an einer Traverse angreifenden Federkräfte doppelt so hoch ausfallen wie bei Anordnung nur einer Feder innerhalb eines Steuergliedes. Diese Differenzkraft errechnet sich aus den statischen Feder­konstanten c_stat, während für die Aufnahme der Horizontal­kräfte aus Fahrzeugbremsen die dynamische Federkonstante c_dyn maßgebend ist. Bei Beendigung der Horizontalbelastung wird durch das Auftreten dieser Differenzkraft der Träger wieder in seine mittige Stellung zurückgeschoben, die von der jewei­ligen Gesamtfugenöffnung abhängig ist. Um die Öffnung der Fu­genüberbrückungskonstruktion auf einen Maximalwert zu begren­zen, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfin­dung vorgesehen, daß zwischen den einzelnen Traversen und den Traversen und Traversenkästen starre Endanschläge vorgesehen sind, wobei die zusammenwirkenden Endanschläge derart wech­selseitig an den Traversen bzw. Traversenkästen angeordnet sind, daß sie gegenseitig zur Anlage kommen, bevor eines der ihnen zugeordneten Federelemente auf Block kommt. Dadurch wird außerdem eine Beschädigung der Federlemente und damit ein vorzeitiger Verschleiß vermieden.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung er­geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzug­ten Ausführungsbeispiels annhand der Zeichnung. Darin zeigen:
• Fig. 1 ein elastisches Steuersystem für eine bekannte Fahrbahnüberbrückungskonstruktion in Trägerbau­weise, und
• Fig.2a - c im Prinzip Darstellungen in Draufsicht einer Fahrbahnüberbrückungskonstruktion mit dem erfin­dungsgemäßen elastischen Steuersystem in drei verschiedenen Öffnungszuständen der Dehnungsfuge.
• Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispie­len sind sich entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Ausfüh­rungsbeispiel der Fig. 1 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 auf jedem Dorn 15 jeweils zwei Federelemente 16 bzw. 17 hintereinander angeordnet. Wobei die Federelemente mit ihren nach außen weisenden Stirnflächen gegen Anschläge 18, 18′; 19, 19′; 20, 20′ anliegen, während sie mit ihren aufeinanderzuweisenden Stirnflächen gegen die an den Traver­senkästen 1 bzw. 2 angeschraubten Anschlägen 11 bzw. 12 an­liegen bzw. gegen den an der Traverse 4 angeschweißten An­schlag 10′. Die Enden der jeweiligen Dorne 15 sind mit den entsprechen Anschlagpaaren 18, 18′ bzw. 19, 19′ bzw. 20, 20′ fest verbunden. Die Federelemente sind vorzugsweise auf Druck vorgespannt. Wird nun beispielsweise die Traverse 3 in Bezug auf die Zeichnung von links nach rechts belastet - beispiels­weise durch eine an der Traverse angreifende Bremskraft -, dann wird die Traverse 3 in den rechten Traversenkasten 2 hineingeschoben (wie dies beispielsweise in den Fig. 2b und 2c gezeigt ist), wobei das Federelement 16 zunehmend auf Druck belastet wird, während das Federelement 17 auf Zug be­ansprucht wird. Bei einer Belastung der Traverse von rechts nach links würde dagegen das Federelement 17 auf Druck bean­sprucht werden, während das Federelement 16 auf Zug bean­sprucht werden würde. In jedem Falle ist jedoch dafür Sorge getragen, daß die hintereinander angeordneten Federn 16, 17 unabhängig von der Belastungsrichtung immer auf Druck bean­sprucht sind, denn die eingeleiteten Zugkräfte führen ledig­lich zu einem Abbau der Vorspannung.
• Ein Beispiel soll den Unterschied des erfindungsgemäßen Steu­ersystems zum Stand der Technik weiter verdeutlichen.
• Greift bei einem herkömmlichen Steuersystem gem. Fig. 1a eine von links nach rechts gerichtete Horizontalkraft an dem bei Punkt 6 an die Traverse 3 angeschweißten Mittelträger ein, werden die Steuerfedern 14a und 14b auf Druck beansprucht, während Steuerfeder 14c eine Zugbeanspruchung bekäme. Die Steuerfedern 14a und 14b sind hintereinander geschaltet, ihre resultierende Federsteifigkeit c_res errechnet sich aus

  

  daraus c_res = ½ . c.
• Da die Feder 14c keinen Zug aufnehmen kann, wirkt sie bei der Aufnahme der horizontalen Bremskraft nicht mit. Wäre an die Stelle der Feder 14c eine Zugfeder angeordnet mit der Feder­steifigkeit c_z, so wäre diese Feder parallel geschaltet den beiden hintereinander geschalteten Druckfedern der resultie­renden Federsteifigkeit c_res. Die Gesamtsteifigkeit der Hori­zontallagerung betrüge dann cges = c_res + c_z = $\frac{\text{c}}{\text{2}}$

  

  + c_z
  bzw. wenn keine Zugfeder vorhanden ist c_ges = $\frac{\text{c}}{\text{2}}$

  

  .
• Nun wird das erfindungsgemäße Steuersystem gem. Fig. 2a bis 2c betrachtet. Die Horizontalkraft greift wieder von links nach rechts gerichtet an dem über Punkt 5 an die Traverse 3 angeschweißten Mittelträger an. Dabei werden die Federn 16a und 16b auf Druck, die im Doppelfederpaket zugeordneten Fe­dern 17a und 17b auf Zug beansprucht. Im Unterschied zum her­kömmlichen Steuersystem wird jedoch auch hier die Feder 16c auf Druck, die ihr zugeordnete Doppelfeder 17c auf Zug bean­sprucht. Die Doppelfedersysteme 16a/17a, 16b/17b sind hinter­einander geschaltet, während 16c/17c parallel geschaltet ist.
• Innerhalb eines Doppelfedersystems sind Zug- und Druckfeder jeweils parallel geschaltet. Unter Außerachtlassung des dyna­ mischen Erhöhungsfaktors errechnet sich bei der Federsteifig­keit c der Einzelfeder die resultierende Federsteifigkeit des Doppelfedersystems zu c + c = 2c. Aus den beiden hintereinan­der geschalteten Doppelfedersystemen 16a/17a und 16b/17b er­gibt sich eine resultierende Federsteifigkeit

  
• Die Gesamtsteifigkeit der Horizontalauflagerung beträgt in diesem Fall:
  c_ges = $\frac{\text{2c}}{\text{2}}$

  

  + 2c = 3c
  gegenüber dem herkömmlichen Steuersystem mit nur $\frac{\text{c}}{\text{2}}$

  

  .
• Aus Vereinfachungsgründen wurde hier der Unterschied zwischen c_dyn und c_stat vernachläßigt. Wie bereits ausgeführt, kann bei der auf Zug beanspruchten Feder nur c_stat angesetzt wer­den. Wegen der Abhängigkeit der Federsteifigkeit c vom Feder­weg s, c = c (s), wirkt sich diese Versteifung bei Druckbean­spruchung der Feder 16 c gem. Fig. 2a als einer in der Feder­kette parallel geschalteten Feder hier voll aus, während der Versteifungseinfluß bei den Federsystemen 16a/17a und 16b/17b durch deren Hintereinanderschaltung halbiert wird.
• Aus den Fig. 2a bis 2c ist ferner zu entnehmen, daß zwischen den einzelnen Traversen 3, 4 und den Traversenkästen 1, 2 starre Endanschläge 21, 22, 23 und 24 vorgesehen sind. die Endanschläge 21 und 23 sind an der Traverse 3 angeschweißt, während die Endanschläge 22 und 24 an der Traverse 4 ange­schweißt sind. In der maximalen Öffnungsstellung der Fahr­bahnüberbrückungskonstruktion, in welcher die Trägern 7 und 8 einen maximalen Abstand D aufweisen (siehe Fig. 2a) kommen die Endanschläge 21, 22 gegenseitig zur Anlage, um diese ma­ximale Öffnungsstellung zu begrenzen. Dabei ist das den An­schlägen zugeordnete Federelement 16 noch nicht in einem Blockzustand, so daß es vorzeitig verschleißen kann.

  Bezugszeichenliste
  1, 2	Traversenkästen
  3, 4	Traversen
  5, 6	Auflager
  7, 8	Lamelle
  9, 10, 9′,1o′	Anschläge
  11, 12	Anschläge
  13	Dorn
  14	Federelement
  15	Dorn
  16, 17	Federelement
  18, 18′,19, 19′,20, 20′	Anschläge
  21, 22, 23, 24	Endanschläge

Claims (8)

1. Elastisches Steuersystem für Fahrbahnüberbrückungskon­struktionen in Trägernbauweise, wobei mindestens ein Träger auf Traversen gelagert ist, die mit Hilfe von Gleitfedern/Gleitlagern in Traversenkästen verschieb­lich gelagert und durch Steuerfedern verbunden sind, wobei die Steuerfedern von Federelementen gebildet sind, welche auf parallel zu den Traversen verlaufenden Dornen gelagert sind und mit ihren Stirnflächen gegen an den Traversen bzw. den Traversenkästen befestigten Anschläge anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß auf je­dem Dorn (15) wenigstens zwei Federelemente (16, 17) angeordnet sind und die Anschläge (10′, 11, 12, 18 18′, 19, 19′, 20, 20′) den Traversen (3, 4) bzw. den Traversenkästen (1, 2) derart zugeordnet sind, daß we­nigstens ein Federelement unabhängig von der Be­lastungsrichtung und der Belastungsgröße immer auf Druck beansprucht wird.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens jeweils zwei die Federelemente (16, 17) einschließende Anschläge (18, 18′; 19, 19′; 20, 20′) an einer Traverse (3, 4) vorgesehen sind und daß zwei Fe­derelemente (16, 17) mit ihren aufeinander zu weisenden Stirnflächen an den sich gegenüberliegenden Seitenflä­chen von an der jeweils benachbarten Traverse bzw. den Traversenkästen befestigten Anschlägen (10′, 11, 12) anliegen.

3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß jedem Anschlagpaar (18 18′; 19, 19′; 20, 20′) ein Dorn (15) zugeordnet ist, dessen Enden fest mit einem jeweiligen Anschlag verbunden sind und der eine Öffnung durchgreift, die koaxial zur Dornachse in dem an der benachbarten Traverse bzw. dem Traversenka­sten befestigten Anschlag vorgesehen ist.

4. Steuersystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federele­mente (16, 17) auf Druck vorgespannt sind.

5. Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorspannung derart gewählt ist, daß alle Federelemente (16, 17) unabhängig von der Richtung und der Größe der Relativbewegung der Anschläge immer auf Druck beansprucht sind.

6. Steuersystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federele­mente (16, 17) aus einem elastomeren, geschäumten Mate­rial mit einer Federkonstante, die eine lineare Funk­tion des Federweges ist, bestehen.

7. Steuersystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Traversen (3, 4) und den Traversen und Tra­versenkästen (1, 2) starre Endanschläge (11, 12, 21, 22, 23, 24) vorgesehen sind, welche die Öffnung der Fu­genüberbrückungskonstruktion auf einen Maximalwert be­grenzen.

8. Steuersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden Endanschläge (21, 22; 11, 18; 12, 23) derart wechselseitig an den Traversen (3, 4) bzw. Traversenkästen (1, 2) angeordnet sind, daß sie gegenseitig zur Anlage kommen, bevor eines der ihnen zugeordneten Federelemente (16, 17) auf Block kommt.

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