Tragverhalten an Gurtdickenspruengen geschweisster Biegetraeger / Load carrying behaviour at flange thickness transitions in welded girders

Werden Gurte von geschweissten Stahltraegern zur Anpassung an die Biegetragfaehigkeit an die Momentenverlaeufe mit unterschiedlichen Blechdicken oder mit Zusatzlamellen ausgefuehrt, entstehen infolge der lokalen Steifigkeitsaenderungen Zusatzbeanspruchungen, die durch die uebliche baustatische Berechnung nach der Balkentheorie nicht im Detail erfasst werden. Der Bericht zeigt anhand numerischer Berechnungen die wesentlichen Zusatzbeanspruchungen auf, die an Dickenspruengen geschweisster Biegetraeger auftreten. Untersucht wurden dazu zwei Traeger von 1,2 m beziehungsweise 3,5 m Hoehe mit einem ausgepraegten Blechdickensprung von 20 mm auf 55 mm im Untergurt. Im Detail eingegangen wird auf die grundsaetzliche Beanspruchung des Biegetraegers an Gurtdickenspruengen, die Laengsweiterleitung der Gurtkraefte in Biegetraegern, die zusaetzlich entstehenden Vertikalkraefte an der Stegunterkante, die Normalspannungen und Verformungen infolge lokaler Exzentrizitaet und die Beulprobleme am Gurtdickensprung. Fuer die numerischen Berechnungen wurde ein Detailausschnitt eines Biegetraegers realitaetsnah in einem FE-Modell abgebildet, das im Bereich des Gurtdickensprungs eine sehr feine Netzteilung erhielt, um die lokalen Beanspruchungsspitzen gut wiedergeben zu koennen. Bei der Berechnung nach der Elastizitaetstheorie zeigt sich als wesentliches Ergebnis, dass sich die Schubkraefte, die zur Einleitung der Differenz der Gurtnormalkraefte ueber die Halsnaehte erforderlich sind, ueber einen Laengenbereich von etwa der halben Steghoehe beidseits des Gurtdickensprungs verteilen. Dies hat zur Folge, dass die Normalkraft im duenneren Blech im Gurtdickensprung im Vergleich zur Balkentheorie zunimmt. Dagegen ergibt sich bei einer plastischen Berechnung, dass die Einleitung der Schubkraefte im Grenzzustand voller Ausnutzung des duenneren Gurtbereichs sich auf den dickeren Gurt umlagert, was der ueblichen Denkweise bei Abstufung der Gurtlamellen bezogen auf den plastischen Grenzzustand entspricht. Immer vorausgesetzt, dass die lokale Beulstabilitaet nicht massgebend wird. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass es notwendig ist, die Einleitungsschubkraefte am Gurtdickensprung bei der Bemessung der Halsnaehte zu beruecksichtigen, da diese lokal erhebliche Groessen annehmen koennen. Im Bereich der Gurtdickenspruenge ergeben sich ausserdem Querbeanspruchungen normal zur Halsnaht, die den Momenten aus Exzentrizitaet das Gleichgewicht halten. Insgesamt koennen die Zusatzspannungen bei elastischer Berechnung Groessen annehmen, die bei Ermuedungsnachweisen von Bedeutung sind. ABSTRACT IN ENGLISH: Flange thickness transitions and cover plates constitute two of the most common constructional details used to adapt the flexural resistance of bridge girders to variable bending moment distributions. The sudden change of stiffness distribution within the cross-section at these details causes additional local forces and stresses that cannot be properly taken into account by classical beam-theory calculations. The study presented in this paper shows that on the one hand, the longitudinal welds between web and flange plates are subjected to additional longitudinal shear forces, as well as transversal forces in the web plate's plane. On the other hand, the usually eccentric disposition of the flange plates causes considerable local bending stresses in these plates. The latter also affects the buckling strength of the flange plates when these are loaded in compression. Although these effects have been known in principle for some time, their correct inclusion in practical calculations has gained significance over the last years due to the prevailing trend towards the use of thicker plates of higher steel grades designed with higher stress utilizations. The inclusion of these effects in current design procedures is, at present, treated with rather pragmatic approaches; therefore, the objective of this paper is to illustrate the realistic stresses in flange thickness transitions by means of case studies, and to discuss the effects that these stresses have on the serviceability, fatigue and buckling strength of the girders. (A)