Versteifungen sind Sekundärplatten oder -abschnitte, die an Balkenstegen oder Flanschen befestigt sind, um sie gegen Verformungen außerhalb der Ebene zu versteifen.

Fast alle Hauptbrückenträger werden Versteifungen haben. Die meisten werden jedoch nur Querstegversteifungen aufweisen, d. H. Vertikale Versteifungen, die an dem Steg befestigt sind. Tiefe Balken haben manchmal auch Längsstegversteifungen. Flanschversteifungen können auf Kastenträgerbrücken mit großer Spannweite verwendet werden, es ist jedoch unwahrscheinlich, dass sie an anderer Stelle anzutreffen sind.

Eine Anleitung zur Auslegung von Versteifungen finden Sie weiter unten und in den Guidance Notes GN 2.04 und GN 2.05.

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Arten von Versteifungen

Es gibt zwei Haupttypen von Versteifungen:

• Längssteg Versteifungen, die in Spannweite ausgerichtet sind
• Querversteifungen, die normal zur Spannweite des Trägers ausgerichtet sind.

• Types of stiffeners
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  Stiffeners on I-section girders

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  Stiffeners on box girders

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  Längs- und Querversteifungen in einem Kastenträger
  (Bild mit freundlicher Genehmigung von Atkins)

Querstegversteifungen sind normalerweise an Lagerstellen vorgesehen und werden als Lagerversteifungen bezeichnet. Für zukünftige Wartungsarbeiten empfiehlt es sich, Lagerversteifungen an Vortriebspunkten vorzusehen (z. B. wenn Träger angehoben werden müssen, um Lager für den Austausch freizugeben). Andere Querversteifungen werden als Zwischenquerstegversteifungen bezeichnet.

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Kastenträger haben normalerweise Membranen an den Positionen der Stützen anstelle von Versteifungen. Diese sind normalerweise feste Platten über dem Innere des Kastens.

Versteifungsabschnitte

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Eine Vielzahl von Abschnitten wurde historisch als Versteifungen verwendet, jedoch ist die einfache flache Versteifung der Typ, der fast immer in modernen Designs verwendet wird. Versteifungen können auf einer Seite der Platte (einseitig) oder auf beiden Seiten (doppelseitig) angebracht werden. Normalerweise sind Lagerversteifungen doppelseitig, während Zwischenstegversteifungen einseitig sind. Versteifungen können auch verdoppelt oder sogar verdreifacht werden, um mehrbeinige Versteifungen zu bilden.

Wofür sind Versteifungen?

Versteifungen haben eine oder beide der folgenden Funktionen:

• Lokale Knickung steuern
• Verbinden von Verstrebungen oder Querträgern

Lokale Knickung steuern

Lokale Knickung tritt auf, wenn ein Querschnitt aufgrund von Kompression oder Scherung so schlank ist, dass innerhalb des Querschnitts eine Knickung auftritt. Die Stege von Brückenträgern sind normalerweise anfällig für lokale Knicke, aber Flansche sind normalerweise viel dicker und von Natur aus widerstandsfähiger gegen Knicke.

Lokale Knicke können durch Querdruckbelastung, z. B. einer Bahn, die einer Lagerreaktion ausgesetzt ist, durch Längsdruckbelastung, z. B. durch Biegen, oder durch Scherung auftreten.

In allen Fällen kann die Zugabe einer relativ kleinen Versteifung zu einer schlanken Platte den Widerstand gegen lokales Knicken erheblich erhöhen.

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Verbinden von Verstrebungen oder Querträgern

Der einfachste Weg, Stahlträger zusammenzuspannen, besteht darin, die Verstrebungen an Querversteifungen zu befestigen. Somit stimmen Versteifungspositionen fast immer mit Versteifungspositionen überein.

In einem Leiterdeck können die Stege der Querträger direkt mit den Hauptträgerversteifungen verbunden werden, so dass der Versteifungsabstand dem Querträgerabstand entspricht. Bei einer Mehrträgerbrücke mit Querverstrebung sind die Versteifungsglieder üblicherweise mit den Hauptträgerversteifungen verbunden, so dass der Versteifungsabstand dem Versteifungsabstand entspricht.

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Entwerfen von Versteifungen für lokales Knicken

Bei der Konstruktion von Versteifungen gibt es zwei Stufen. Zuerst muss das Design identifizieren, wo Versteifungen benötigt werden, damit die Hauptträger ausreichend sind. Dann müssen die Versteifungen selbst entworfen werden.

Lagerversteifungen

EN 1993-1-5, Abschnitt 5.1 (2) gibt ein Kriterium an, wann Lagerversteifungen vorgeschrieben sind. Die meisten Brückenträger erfordern Lagerversteifungen nach diesem Kriterium. Selbst wenn Lagerversteifungen nach dieser Klausel nicht erforderlich sind, können sie auf Wunsch dennoch bereitgestellt werden – dies kann der Scherfestigkeit nach EN 1993-1-5 Abschnitt 5.3 zugute kommen.

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Wenn an Endstützen Lagerversteifungen vorgesehen werden sollen, muss entschieden werden, ob ein „starrer Endpfosten“ gemäß EN 1993-1-5, Abbildungen 5.1 und 9.6, vorgesehen werden soll. Ein starrer Endpfosten profitiert von der Scherfestigkeit gemäß EN 1993-1-5 Abschnitt 5.3. Obwohl ältere genietete Träger in Großbritannien ein starres Endpfosten-Enddetail aufweisen können, bestand die neuere britische Praxis nicht darin, starre Endpfosten bereitzustellen, sondern einen „nicht starren Endpfosten“ bereitzustellen. Wenn ein starrer Endpfosten erforderlich ist, sind die Mindestanforderungen an die Versteifung in EN 1993-1-5 Abschnitt 9.3.1 angegeben.

Nachdem entschieden wurde, dass Lagerversteifungen vorzusehen sind, bestimmen Sie zur Überprüfung der Konstruktion der Lagerversteifungen den effektiven Versteifungsabschnitt gemäß EN 1993-1-5 Abschnitt 9.1 (2). Beachten Sie, dass mehrbeinige Versteifungen in separate effektive Querschnitte aufgeteilt und die Lasten zwischen ihnen aufgeteilt werden müssen. Hinweise zur Auslegung von Lagerversteifungen finden Sie in Abschnitt 8.3.2 von SCI P356.

Die bei der Auslegung von Lagerversteifungen zu berücksichtigenden Belastungen sind in Abschnitt 16 der IEC 6695-2 angegeben. Der Großteil der Belastung der Versteifung wird die vertikale Belastung durch die Lagerreaktion sein. Es ist eine horizontale Belastung zu berücksichtigen, um FS-Kräften zu widerstehen, wie in Abschnitt 10 von PD 6695-2 angegeben. Diese Belastungen können Biegemomente im Versteifungsabschnitt erzeugen.

Nachdem Sie die Belastung bestimmt haben, überprüfen Sie die gewählte Versteifungsgröße, indem Sie die Angemessenheit des effektiven Versteifungsabschnitts überprüfen, um als Säule für kombinierte axiale Belastung und Biegemoment gemäß EN 1993-1-5 Abschnitt 9.4 zu fungieren.

Zwischenquerstegversteifungen

Für den praktischen Zweck der Verbindung der Torsionsverstrebungen zwischen den Trägern ist es normalerweise erforderlich, Zwischenversteifungen an den Hauptträgerstegen vorzusehen. Wenn ja, bestimmen die gewählten Versteifungspositionen die Positionen zumindest einiger der Versteifungen. Bei Trägern ohne Verstrebung, wie z.B. Querträgern in einer Leiterdeckbrücke, oder bei Verwendung einer Planverstrebung kann es jedoch praktisch überhaupt nicht erforderlich sein, Zwischenversteifungen vorzusehen. Die Anforderung an Zwischenquerstegversteifungen wird durch die Überprüfung der Scherfestigkeit bestimmt – dies zeigt an, wo Versteifungen benötigt werden und wo Versteifungen zusätzlich zu denen für die Abstützung benötigt werden.

Die Überprüfung der Scherfestigkeit des Trägers erfolgt gemäß EN 1993-1-5, Abschnitt 5.2 (1) und 5.3 (1). Beachten Sie, dass der Festigkeitsbeitrag des Stegs, der aus EN 1993-1-5 Abschnitt 5.3 (3) und EN 1993-1-5 Anhang A.3 stammt, von der Existenz und dem Abstand von Zwischenversteifungen abhängt und davon, ob diese Zwischenversteifungen als starr eingestuft sind. Als erster konstruktiver Schritt wird vorgeschlagen, zunächst davon auszugehen, dass überhaupt keine Zwischenversteifungen vorhanden sind; wenn dies beweist, dass der Balken eine ausreichende Scherung aufweist, ist der Vorteil von Zwischenversteifungen zur Abstützung der Befestigung ein Bonus.

Wenn das obige Verfahren feststellt, dass Zwischensteifungen erforderlich sind, muss der Konstrukteur die Positionen und den Abstand dieser Versteifungen auswählen und entscheiden, ob sie starr sein müssen. Die Überprüfung der Versteifungsgröße erfolgt ähnlich wie bei Lagerversteifungen, beginnend mit der Bestimmung des effektiven Versteifungsabschnitts gemäß EN 1993-1-5 Abschnitt 9.1 (2). Um zu prüfen, ob die Versteifung starr ist, überprüfen Sie, ob die Anforderung in EN 1993-1-5 Abschnitt 9.3.3 (3) erfüllt ist.

Die bei der Auslegung von Lagerversteifungen zu berücksichtigenden Belastungen sind in Abschnitt 15 der IEC 6695-2 angegeben. Die Belastungen der Zwischenversteifungen sind in der Regel viel geringer als bei Lagerversteifungen, aber die Versteifungen können aufgrund der Wechselwirkung mit Querträgern oder Verstrebungen immer noch Kräften und Momenten ausgesetzt sein. Bei einer Leiterdeckbrücke verursacht beispielsweise die Scherung in den Querträgern eine Axialkraft in der Hauptträgerversteifung. Es kann auch eine horizontale Belastung durch die Verspannung gegeben sein, die Biegemomente im Versteifungsabschnitt erzeugen kann. Nachdem Sie die Belastung bestimmt haben, überprüfen Sie die gewählte Versteifungsgröße, indem Sie überprüfen, ob der effektive Versteifungsabschnitt als Säule für die kombinierte Axialkraft und das Biegemoment (falls vorhanden) gemäß EN 1993-1-5 Abschnitt 9.4 geeignet ist.

Wenn die Versteifung durch keine der oben genannten Faktoren direkt belastet wird, muss nur sichergestellt werden, dass der wirksame Versteifungsabschnitt das Steifigkeitskriterium gemäß EN 1993-1-5 Abschnitt 9.2.1 (5) erfüllt. Weitere Hinweise zur Auslegung von Zwischensteifungen finden Sie in Abschnitt 8.3.1 von SCI P356.

Längsversteifungen

Wie bereits erwähnt, haben die meisten Brücken keine Längsversteifungen. Längsversteifungen sollten an keinem Teil eines Abschnitts erforderlich sein, der sich niemals in Kompression befindet, noch an einem Teil des Abschnitts, der gemäß EN 1993-1-1 Abschnitt 5.2.2 (8) als Klasse 1, 2 oder 3 eingestuft ist. Selbst wenn der Teil des Profils als Klasse 4 eingestuft ist, sind Längsversteifungen möglicherweise nicht erforderlich. Um festzustellen, ob die Träger eine ausreichende Biegefestigkeit ohne Längsversteifungen aufweisen, ist das Verfahren nach EN 1993-1-5 Abschnitt 4.4 durchzuführen. Um festzustellen, ob Längsversteifungen am Steg erforderlich sind, um den Hauptträgern eine ausreichende Scherfestigkeit zu verleihen, wird wie bei Zwischenversteifungen vorgegangen, d. h. die Scherfestigkeit des Trägers gemäß EN 1993-1-5 Abschnitte 5.2 (1) und 5.3 (1) überprüft.

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Falls vorhanden, können Längsversteifungen kontinuierlich oder diskontinuierlich sein, je nachdem, ob sie durch Querversteifungen und Membranen kontinuierlich sind. Diskontinuierliche Längsversteifungen stoppen und beginnen wieder beiderseits der Querversteifung, so dass sie keine globalen Längsspannungen von dem Steg oder Flansch aufnehmen, an dem sie befestigt sind. Sie sind einfach dazu da, einem Knicken an der Bahn oder dem Flansch zu widerstehen. Kontinuierliche Längsversteifungen nehmen jedoch globale Spannungen auf und erhöhen den Querschnitt.

Wenn Längsversteifungen vorgesehen werden sollen, sind diese zu überprüfen, indem die Eignung des wirksamen Versteifungsabschnitts als Säule gemäß EN 1993-1-5 Abschnitt 9.2.2 (3) überprüft wird.

Versteifungsdetails

Lagerversteifungen

Bei Lagern müssen die Versteifungen normalerweise ziemlich groß sein, um den hohen Druckkräften standzuhalten, und möglicherweise müssen sie Mehrbeinversteifungen sein. Normalerweise ist eine doppelseitige Versteifung erforderlich, um eine hohe Exzentrizität der Belastung zu vermeiden. Lagerversteifungen sind in der Regel dicker als die Bahn.

Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Versteifung am unteren Flansch „angebracht“ ist, was bedeutet, dass die Versteifung geschliffen ist, um einen guten Kontakt mit dem Flansch herzustellen. Dies bedeutet, dass der Anteil der Versteifung an der Axialkraft im wirksamen Versteifungsabschnitt durch direkten Kontakt zwischen Flansch und Versteifung übertragen werden kann. Eine einfache Möglichkeit, den Anteil der Versteifung an der Axialkraft zu bestimmen, besteht darin, die Spannung an ihrem Schwerpunkt unter Berücksichtigung der Exzentrizität der Axialkraft auf den effektiven Abschnitt zu berechnen und diese Spannung dann mit der Versteifungsfläche zu multiplizieren.

Schweißnähte sind fast immer durchgehende Kehlnähte rund um beide Seiten der Versteifung. Eine einfache 6mm Beinlängenschweißung kann ausreichend sein, muss aber oft 8mm oder 10mm betragen. Die Schweißnaht muss so dimensioniert sein, dass sie den Anteil der Versteifung an der Lagerlast in den Steg übertragen kann.

Zwischenversteifungen

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Bei Zwischenquerstegversteifungen muss die Versteifung wahrscheinlich nicht sehr groß sein. Typischerweise hat eine einseitige 150x15mm Platte eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit. Manchmal muss die Versteifungsgröße erhöht werden, um Verbindungen aufzunehmen. Dies kann durch Erhöhen der Plattengröße auf 200x20mm oder vielleicht 250x 5mm erfolgen. Alternativ kann die Versteifungsbreite lokal vergrößert werden, um eine Verbindungsfläche bereitzustellen, wie gezeigt.

Traditionell wurde das Verhältnis von Breite zu Dicke der Versteifung auf nicht mehr als 10 begrenzt, um lokale Knicke zu vermeiden. Die Eurocodes haben jedoch keine Beschränkung für dieses Verhältnis, und schlankere Versteifungen sind zulässig, obwohl möglicherweise überprüft werden muss, ob sie nicht durch lokales Knicken gefährdet sind. Es spielt keine Rolle, ob die Versteifung dicker als die Bahn ist, daher werden im Allgemeinen dickere Versteifungen empfohlen.

Um der Brücke ein sauberes Aussehen zu verleihen, ist es normal, die äußeren Träger so zu gestalten, dass sich die Zwischenquerversteifungen auf der Innenseite des Stegs befinden und daher auf der Erhebung nicht sichtbar sind.

Sofern keine erhebliche Axialkraft auf die Versteifung ausgeübt wird, sollte ein einfaches Schweißdetail wie eine durchgehende Kehlnaht mit 6 mm Beinlänge um beide Seiten der Versteifung herum ausreichend stark und haltbar sein.

Weitere Hinweise zur Verbindung der Verstrebungen finden Sie in der Anleitung 2.03.

Verbindungen zum Flansch

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Querstegversteifungen werden manchmal an den Flansch geschweißt und manchmal kurz vor einem oder beiden Flanschen gestoppt.

Die Notwendigkeit einer Verbindung mit einem Flansch hängt davon ab, ob Kräfte auf die Flansche übertragen werden müssen. Wenn von einem der Flansche eine erhebliche Axialkraft auf die Versteifung übertragen werden soll, muss die Versteifung mit diesem Flansch verschweißt werden. Daher müssen Lagerversteifungen mit dem Bodenflansch verbunden werden, wenn ein Teil der Lagerreaktion auf die Versteifung übertragen werden soll. Wenn mit der Versteifung eine Versteifung verbunden ist, ist es wahrscheinlich, dass die Versteifung mit dem Kompressionsflansch verschweißt werden muss, um die seitliche Scherkraft zu übertragen. Eine Verbindung mit dem oberen Flansch verhindert auch ein Ermüdungsproblem in dem oberen Flansch Stegschweißung, wie das Deck versucht, über den Balken zu drehen aufgrund von Verkehrsbelastungen. Der Vorteil des Stoppens der Versteifung kurz vor dem Flansch besteht darin, dass ein potenzieller Wasserfang auf der Oberseite des Bodenflansches vermieden wird. Dies ist besonders wichtig bei Verwitterungsstahlbrücken zu vermeiden.

Wenn eine Versteifung mit einem Flansch verschweißt werden soll, würden normale Konstruktionstoleranzen zu einem kleinen Spalt zwischen der Versteifung und dem Flansch führen, es sei denn, die Versteifung ist montiert; Alle Kräfte werden daher durch die Schweißnähte übertragen. Wenn jedoch eine Versteifung an dem Flansch angebracht ist, wird der Hersteller das Versteifungsende schleifen, um eine gute Passform mit dem Flansch über einen wesentlichen Teil der Versteifungsfläche herzustellen. Diese Übung erfordert zusätzlichen Arbeitsaufwand (und Kosten), so dass Versteifungen nur bei Bedarf angebracht werden sollten, z. B. für Lagerversteifungen und für Versteifungen bei einer Änderung der Flanschrichtung. Außerdem ist es praktisch nicht möglich, an beiden Flanschen eine Versteifung anzubringen, so dass sich das angepasste Ende an dem Ende befindet, an dem die größte Kraft übertragen werden soll, normalerweise am unteren Flansch.

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Befestigungslöcher

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An der Ecke einer Querstegversteifung, wo die Versteifungsplatte auf die Bahn trifft, um die Schweißnaht zu flanschen, wird es notwendig sein, die Versteifung zu formen, um die Schweißnaht zu vermeiden. Es gibt zwei Möglichkeiten, entweder die Versteifung an die Bahn anzupassen, um die Schweißnaht zu flanschen und alle Schnittstellen zu verschweißen, oder ein spezielles Loch vorzusehen. Obwohl die erste Option das Schweißen einer Schweißnaht übereinander erfordert, ist dieses Detail möglicherweise einfacher herzustellen als das zweite, da es schwierig ist, kontinuierliche Schweißnähte um die Löcher herum zufriedenstellend abzuschließen und Farbe auf alle Oberflächen aufzutragen.

Ressourcen

• Iles, DC (2010) Composite highway bridge design. (P356 einschließlich Korrigendum, 2014). SCI
• Hendy, C.R.; Iles, D.C. (2015) Steel Bridge Group: Leitfäden zu bewährten Verfahren im Stahlbrückenbau (6. Ausgabe). (S. 185). SCI
  • Guidance Note 2.03 Verstrebungen und Querträgerverbindungen
  • Guidance Note 2.04 Lagerversteifungen
  • Guidance Note 2.05 Zwischenquerstegversteifungen

Siehe auch

• Mehrträger-Verbundbrücken
• Leiterdeck-Verbundbrücken
• Kastenträgerbrücken
• Bewitterungsstahl
• Brücken – Erstauslegung
• Auslegung von Trägern in Verbundbrücken
• Ermüdungsauslegung von Brücken
• Verstrebungssysteme
• Verbindungen in Brücken
• Spezifikation von Brückengelenken und -lagern
• Entwurf für den Stahlbrückenbau

• Highways England DMRB (Entwurfshandbuch für Straßen und Brücken)
• Highways England MCDHW (Manual of Contract Documents for Highway Works)
• Die Stahlbrückengruppe (SBG)