Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de la construction métallique ICOM)

Ermüdungsverhalten von Stahlgussknoten in Brücken aus Stahlhohlprofilen

Haldimann-Sturm, Senta Christine ; Hirt, Manfred A. (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3274.

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    Summary
    Due to their aesthetic and structural advantages, tubular space truss structures are enjoying increasing popularity in modern bridge construction. The use of cast steel nodes for the joints between the circular hollow section members is also becoming increasingly popular. The fatigue design of such joints however requires additional knowledge with respect to their fatigue resistance. The present work deals with the global fatigue behaviour of cast steel nodes used in longitudinal truss girders of steel-concrete composite bridges. The global fatigue behaviour of cast steel nodes in a truss girder is quantified on the basis of experimental investigations. The relative influence of the resistance of the cast steel node and the resistance of the welds is analysed as a function of various parameters. An economically optimal fatigue design consists of adapting the fatigue resistance of the cast node to that of the welds. The experimental results show very clearly that the fatigue behaviour is governed by the welds in all tested configurations. Their fatigue behaviour is therefore investigated in a research program conducted simultaneously. The present work concentrates on the adaptation of the resistance of the cast steel nodes to that of the welds. Consequently, allowable initial casting defect sizes must be defined as a function of the required fatigue resistance of the welds. Using a numerical boundary element model, they are calculated for cast steel nodes in a typical steel-concrete composite bridge. The results show that brittle failure of a node containing cracks does not occur. A crack depth equal to 90 % of the wall thickness at the crack location is therefore chosen as the failure criterion, assuming that a through-thickness crack is unacceptable. Varying between 28 and 88 % of the wall thickness, the resulting allowable initial casting defect sizes are very large. Aiming at a general application for steel-concrete composite bridges, the results of the numerical investigations are represented by an approximate formula for the stress intensity factor based on a constant correction factor. This approximation results in a considerable simplification of the procedure for the fatigue design of cast steel nodes established for the aforementioned typical composite bridge. The approximate formula is used to perform a parametric study. The influences of the utilisation ratio under traffic and fatigue loads, the cast steel fracture toughness and yield strength and the node dimensions on the defect size are described. Assuming a fracture toughness likely to be encountered in practice and a mean utilisation ratio of the node as well as a range of node dimensions, the allowable initial casting defect sizes are quantified. The present work shows that the fatigue resistance of the welded joints needs to be improved substantially in order to benefit from the high fatigue resistance of the cast nodes. Weld details including a backing ring offer a higher fatigue resistance than those without. Using the proposed design concept, allowable initial defect sizes in cast steel nodes can be estimated as a function of the required fatigue resistance.
    Zusammenfassung
    Räumliche Fachwerkkonstruktionen finden auf Grund ihrer konstruktiven und gestalterischen Vorteile im modernen Brückenbau zunehmend Verwendung. Das Konzept des Stahlgussknotens für die Verbindung von Rundhohlprofilen in Fachwerkknoten setzt sich allmählich durch. Für die Bemessung der Fachwerkknoten unter Ermüdungsbelastung sind jedoch weitere Erkenntnisse zum Ermüdungswiderstand notwendig. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem globalen Ermüdungsverhalten von Stahlgussknoten in den Fachwerklängsträgern von Stahl-Beton-Verbundbrücken. Anhand experimenteller Untersuchungen wird das globale Ermüdungsverhalten von Stahlgussknoten in einem Fachwerkträger quantitativ erfasst. In Abhängigkeit verschiedener Parameter wird der relative Einfluss der Beanspruchbarkeit des Stahlgussknotens und der Beanspruchbarkeit der Anschlussnähte auf das globale Ermüdungsverhalten untersucht. Eine wirtschaftlich optimale Bemessung eines Stahlgussknotens ist dann gegeben, wenn der Ermüdungswiderstand des Gussknotens demjenigen der Anschlussnähte entspricht. Die Versuchsergebnisse zeigen eindeutig, dass die Schweissnahtanschlüsse für die globale Ermüdungsfestigkeit massgebend sind. Ihr Ermüdungsverhalten wird daher in einem zeitgleich laufenden Forschungsprojekt detailliert untersucht. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Abstimmung der Ermüdungsfestigkeit der Stahlgussknoten auf diejenige der Anschlussschweissnähte. Es sollen also die maximal zulässigen Anfangsgrössen der Gussfehler unter Berücksichtigung der Ermüdungsfestigkeit der Anschlussschweissnähte bestimmt werden. Diese werden mit Hilfe eines numerischen Modells mit Randelementen für Stahlgussknoten einer typischen Stahl-Beton-Verbundbrücke berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass Sprödbruch des rissbehafteten Knotens ausgeschlossen werden kann. Als Bruchkriterium wird daher eine Risstiefe von 90 % der Wanddicke an der Fehlerstelle festgelegt, da ein Wanddurchbruch des Risses als nicht tolerierbar eingestuft wird. Die maximal zulässigen Anfangsfehlergrössen sind im Verhältnis zur Wanddicke durchwegs sehr gross, die Spanne reicht von 28 bis 88 % der Wanddicke. Mit dem Ziel einer allgemeinen Anwendung für Stahl-Beton-Verbundbrücken werden die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen durch eine auf einem konstanten Korrekturfaktor beruhende Näherungsformel für den Spannungsintensitätsfaktor umschrieben. Dank der vorgeschlagenen Näherungsformel vereinfacht sich das anhand der oben erwähnten typischen Verbundbrücke dargestellte Bemessungsvorgehen für den Ermüdungswiderstand von Stahlgussknoten wesentlich. Diese Näherungsformel dient anschliessend zur Durchführung einer Parameterstudie. Der Einfluss des Ausnutzungsgrades unter Verkehrs- und Ermüdungslast, der Bruchzähigkeit und der Fliessgrenze des Stahlgusses sowie der Knotenabmessungen auf die zulässige Fehlergrösse wird beschrieben. Unter der Annahme einer plausiblen Bruchzähigkeit und einer mittleren Ausnutzung des Knotens werden für einen gewählten Abmessungsbereich die maximal zulässigen Anfangsgrössen von Gussfehlern angegeben. Diese Arbeit zeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit der Anschlussschweissnähte wesentlich verbessert werden muss, um die tatsächlich vorhandene Ermüdungsfestigkeit der Stahlgussknoten ausnützen zu können. Die Anschlussnähte mit Schweissbadsicherung zeichnen sich im Vergleich zu denjenigen ohne durch eine höhere Ermüdungsfestigkeit aus. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Bemessungskonzepts können zulässige Anfangsgrössen von Gussfehlern für eine erforderliche Ermüdungsfestigkeit von Stahlgussknoten abgeschätzt werden.
    Résumé
    Grâce à leurs avantages constructifs et créatifs, l'emploi de treillis spatiaux s'accroît dans la construction des ponts modernes. Le concept des noeuds moulés fabriqués en acier coulé pour la réalisation des jonctions dans un treillis s'impose peu à peu par rapport à d'autres concepts. Cependant le dimensionnement à la fatigue des noeuds moulés exige de plus amples connaissances quant à la détermination de la résistance à la fatigue. Le présent travail traite du comportement global à la fatigue des noeuds moulés dans les poutres maîtresses longitudinales à treillis de ponts mixtes acier-béton. L'étude expérimentale traite du comportement global à la fatigue des noeuds moulés faisant partie d'une poutre à treillis. L'influence relative des deux aspects « résistance des noeuds moulés » et « résistance des soudures de raccord » sur le comportement global à la fatigue est étudiée en faisant varier différents paramètres. Un dimensionnement économiquement optimal est obtenu lorsque la résistance à la fatigue des noeuds moulés correspond à celle des soudures de raccord. Pour les configurations utilisées lors des essais, les résultats montrent clairement que les soudures sont déterminantes pour la résistance à la fatigue. Pour cette raison, leur comportement à la fatigue est étudié en même temps dans le cadre d'un autre projet de recherche. Le présent travail se concentre sur l'adaptation de la résistance des noeuds moulés à celle des soudures de raccord. Il faut donc définir des tailles maximales admissibles des défauts dans l'acier en fonction de la résistance des soudures de raccord. A l'aide d'un modèle numérique utilisant les éléments frontières, elles sont calculées pour un exemple de pont mixte acier-béton type. Les résultats montrent que la rupture fragile d'un noeud fissuré peut être exclue pour ce cas. Vue qu'une rupture à travers la paroi du noeud moulé est définie non tolérable, le critère de rupture est ainsi est fixé à 90 % de l'épaisseur de paroi à l'endroit du défaut. Les tailles maximales admissibles obtenues sont très grandes par rapport à l'épaisseur de paroi à l'endroit du défaut. Elles valent entre 28 et 88 % de l'épaisseur de paroi. Dans le but d'une application plus générale pour les ponts mixtes acier-béton, on montre que les résultats de l'étude numérique peuvent être décrits par une approximation du facteur d'intensité de contraintes, où le facteur de correction est constant. Cette formulation approximative simplifie le procédé du dimensionnement à la fatigue des noeuds moulés établie pour l'exemple de pont mixte type et sert ensuite à effectuer une étude paramétrique. L'influence du taux d'utilisation de l'acier sous charges de trafic et sous charges de fatigue, de la ténacité et de la limite d'élasticité de l'acier coulé ainsi que de la géométrie du noeud moulé sur la taille admissible du défaut est décrite. En prenant une ténacité plausible, les tailles maximales admissibles des défauts dans l'acier coulé sont quantifiées pour un taux d'utilisation moyen du noeud moulé ainsi que pour une étendue choisie de la géométrie du noeud. Les conclusions les plus importantes montrent que la résistance des soudures entre le noeud moulé et les tubes doit être nettement améliorée afin de pouvoir exploiter la résistance effectivement disponible des noeuds moulés. Les soudures avec une liste de soudage se distinguent – en comparaison à celles sans liste – par une meilleure résistance à la fatigue. A l'aide d'un concept de dimensionnement, pour une résistance à la fatigue des noeuds moulés requise, les tailles maximales admissibles des défauts dans l'acier coulé peuvent être évaluées.