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Zur Anwendung der SPS-Technologie im Bahnbrückenbau

Händler, Pascal (2023)
Zur Anwendung der SPS-Technologie im Bahnbrückenbau.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024143
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24143

Kurzbeschreibung (Abstract)

Für den Neubau von trogförmigen Bahnbrücken aus Stahl existieren nur wenige Bauformen zur Ausbildung der Fahrbahnplatte. Das Sandwich Plate System (SPS) könnte eine Alternative zu den etablierten Varianten sein. Das SPS ist ein Verbundsystem aus zwei stählernen Deckschichten verbunden durch einen massiven Kern aus einem speziellen Polyurethan (PUR). Die vorliegende Arbeit widmet sich auf zwei Ebenen den offenen Fragen zur Anwendung des Sandwich-Plate-Systems im Neubau von Bahnbrücken.

Im ersten Teil wird auf der Werkstoff-Ebene das spezielle PUR im Kern des SPS hinsichtlich seiner veränderlichen Steifigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur und der Zeit experimentell charakterisiert. Dafür werden mithilfe von Dynamisch-Mechanisch-Thermischen Analysen (DMTA) die viskoelastischen Eigenschaften des speziellen PUR in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur sowie deren Veränderung durch Tempern und Nachvernetzen untersucht. Neben der konventionellen Auswertung über eine rein horizontale Zeit-Temperatur-Verschiebung (ZTV) wird eine neue Methode erprobt, um die strukturelle Veränderung des PUR innerhalb eines Versuchs zu berücksichtigen. Je nach Methode ergeben sich aus den DMT Analysen unterschiedliche Zusammenhänge für die veränderliche Steifigkeit des PUR. Im Vergleich mit weiteren Kriech- und Relaxationsversuchen an dem PUR zeigt sich die konventionelle Art der Auswertung als zuverlässiger. Auf Basis des verallgemeinerten Maxwell-Modells und mithilfe eines semi-kontinuierlichen Ansatzes für die Prony-Reihe wird ein Materialmodell zur Berechnung der Steifigkeit des PUR entwickelt, welches danach an den experimentellen Ergebnissen validiert wird. In einigen der Versuche werden außerdem Beobachtungen zur Grenze des linear-viskoelastischen Bereichs für das PUR gemacht.

Im zweiten Teil werden auf der Bauteil-Ebene die Auswirkungen des veränderlichen Kernmaterials auf die Tragwirkung von SPS-Elementen theoretisch betrachtet. Dabei wird der zuvor gefundene Zusammenhang für die Steifigkeit des PUR in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur berücksichtigt. In einer Voruntersuchung werden zunächst Verfahren zur Berechnung von Sandwichelementen exemplarisch verglichen und hinsichtlich ihrer Eignung zur Anwendung auf SPS-Elemente mit verschiedenen Kernsteifigkeiten untersucht. Anschließend wird an drei für Fahrbahnplatten relevanten Einfeld-Sandwich-Systemen mithilfe der Sandwichtheorie dicker Deckschichten eine analytische Studie zu den Auswirkungen einer veränderlichen Kernsteifigkeit durchgeführt. Dabei werden das (visko-)elastische Tragverhalten anhand der Verformung und die Beanspruchung der Deckschichten anhand der Randspannung betrachtet. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden sowohl ein Leitfaden für den Entwurf von SPS-Elementen mit veränderlicher Kernsteifigkeit als auch Grenzen für deren Anwendung im Bahnbrückenbau formuliert.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Händler, Pascal

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Zur Anwendung der SPS-Technologie im Bahnbrückenbau

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Lange, Prof. Dr. Jörg ; Kurz, Prof. Dr. Wolfgang

Publikationsjahr:

2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

443 Seiten in verschiedenen Zählungen

Datum der mündlichen Prüfung:

22 März 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024143

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24143

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

For the construction of open railway bridges made of steel, only a few construction forms exist for the formation of the deck plate. The Sandwich Plate System (SPS) could be an alternative to the established variants. The SPS is a composite system consisting of two steel sheets bonded by a solid core made of a special polyurethane (PUR). The present work addresses the open questions to the application of the sandwich plate system in the new construction of railway bridges on two levels.

In the first part, the special PUR in the core of the SPS is investigated on the material level with regard to its variable stiffness as a function of temperature and time. For this purpose, the viscoelastic properties of the special PUR as a function of time and temperature, as well as their changes due to annealing and post-crosslinking are investigated with the aid of Dynamic-Mechanical-Thermal Analyses (DMTA). In addition to the conventional evaluation via a purely horizontal Time-Temperature Superposition (TTS), a new method is being tested to take into account the structural change of the PUR within a trial. Depending on the method, the DMT Analyses result in different correlations for the variable stiffness of the PUR. In comparison with other creep and relaxation tests on the PUR, the conventional method of evaluation proves to be more reliable. On the basis of the generalised Maxwell model and with the help of a semi-continuous approach for the Prony series, a material model for calculating the stiffness of the PUR is developed, which is then validated on the experimental results. In some of the experiments, observations are also made on the limit of the linear viscoelastic range for the PUR.

In the second part, the effects of the variable core material on the load-bearing behaviour of SPS elements is considered theoretically on the component level. Here the previously found correlation for the stiffness of the PUR as a function of time and temperature is taken into account. In a preliminary investigation, methods for the calculation of sandwich elements are compared and investigated with regard to their suitability for the application on SPS elements with different core stiffnesses. Subsequently, an analytical study of the effects of a variable core stiffness is carried out on three single-span sandwich systems relevant for deck slabs using the sandwich theory with thick faces. Therein the (visco-)elastic load-bearing behaviour is considered on the basis of the deflection and the load on the surface layers on the basis of the edge stress. The findings are used to develop a guideline for the design of SPS elements with variable core stiffness as well as limits for their application in railway bridge construction are formulated.

Englisch

Freie Schlagworte:

Sandwich, Sandwich Plate System, SPS, Polyurethan, PUR, Stahl, Brückenbau, Bahn, Fahrbahn, Steifigkeit, Kriechen, Relaxation

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-241439

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik > Fachgebiet Stahlbau

Hinterlegungsdatum:

18 Jul 2023 11:41

Letzte Änderung:

19 Jul 2023 14:47

PPN:

Referenten:

Lange, Prof. Dr. Jörg ; Kurz, Prof. Dr. Wolfgang

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung:

22 März 2023

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