Elastomerlager für Brücken vergleichende Bemessung nach DIN 4141 und DIN EN 1337

Bachelorarbeit Florian Krepold – Hochschule München – Fakultät 02 Bauingenieurwesen

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. C. Seiler Wintersemester 2011 / 2012

Abbildung 2: Lagerungsplan

Elastomerlager Elastomerlager sind Verformungslager, d.h. Kräfte werden über die Verformungen des Lagers aufgenommen. Außerdem können sich Bewegungen in alle Richtungen, wie Verschiebungen und Verdrehungen, durch Verformung des Elastomers einstellen. Sie zeichnen sich durch gute Widerstandsfähigkeit gegen Witterungseinflüsse und Alterungsbeständigkeit aus. Zur Vermeidung großer Verformungen in vertikaler Richtung ist das Elastomer mit dünnen horizontalen Stahlblechen bewehrt (s. Abbildung 1). Die Bleche behindern die Querdehnung des Elastomers, was zu einer höheren vertikalen Steifigkeit der Lager und somit höheren möglichen Auflasten führt. Die Funktion der Lager ist nur gewährleistet, wenn an den Kontaktflächen zwischen Lager und Beton kein Gleiten oder Kippen auftritt. Dies kann entweder durch eine minimal zulässige Auflast und die zugehörige Reibungskraft erreicht werden oder durch Verankerung der Lager (z.B. mit Kopfbolzen).

Abbildung 1: Elastomerlager

Grundlagen Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit einer vergleichenden Bemessung von Elastomerlagern nach DIN 4141 und DIN EN 1337 anhand eines Brückenbauwerks. Es handelt sich um eine Spannbetonbrücke mit vier Feldern. Für diese Brücke werden die Lager an den Widerlagern (Achse 10) und an den äußeren Pfeilerscheiben (Achse 20) bemessen. Die Brücke wird schwimmend gelagert, d.h. es wird kein Festpunkt durch Festhaltungen der Lager ausgebildet. Der Lagerungsplan der Brücke ist in Abbildung 2 dargestellt.

Statisches System Die exakte Bemessung der Lager setzt die Ermittlung der vorhandenen Zustandsgrößen, wie z.B. Auflagerreaktionen, Verformungen und Verdrehungen voraus. Zur Berechnung dieser Größen muss die Brücke modelliert werden. Um eine händische Ermittlung der Zustandsgrößen zu ermöglichen, müssen Längs- und Quertragrichtung entkoppelt voneinander betrachtet werden. Dies wird mit der Anwendung von Quereinflusslinien realisiert. Bei der Festlegung des statischen Gesamtsystems (s. Abbildung 3) wird die Nachgiebigkeit der verschiedenen Bauwerkskomponenten (Pfeiler, Lager) mittels Federn modelliert. Eine weitere Vereinfachung des Systems ist die Zusammenfassung von Weg- und Drehfedern (s. Abbildung 4). Die Steifigkeiten der Pfeilerscheiben und Widerlager sind im Vergleich zu denen der Lager sehr groß. Dies führt dazu, dass pro Lagerachse vereinfachend angenommen werden kann: kLager,10…50 = k10…50 .

Abbildung 3: statisches Gesamtsystem Abbildung 4: stat. System vereinfacht

Nachweise DIN 4141 Diese Norm berücksichtigt das alte Sicherheitskonzept. Es werden alle charakteristischen Einwirkungen aufaddiert und mit zulässigen Widerständen verglichen. Beanspruchung rechtwinklig zur Lagerebene Beanspruchung parallel zur Lagerebene Verdrehung Gleitsicherheit

Nachweise DIN EN 1337 Ermittlung der Beanspruchungen und Widerstände nach dem semiprobabilistischen Sicherheitskonzept.

Dehnungsbegrenzung Verformung aus horizontaler Verschiebung Verdrehungsgrenzbedingung Pressung Gleiten

Dicke der Stahlbleche

Lagerverformungen Verformung aus Auflast

Verformung aus Horizontalverschiebung

Verformung aus Verdrehung

Lagerabmessungen Anhand DIN 4141 können die Abmessungen der Lager bestimmt werden, da alle Nachweise entkoppelt voneinander geführt werden. Für die zwei betrachteten Achsen ergeben sich die nachfolgenden Abmessungen.

Achse 10: unverankertes Elastomerlager (Typ 1), Abmessungen 400x500x159 mm, T = 115 m Achse 20: unverankertes Elastomerlager (Typ 1), Abmessungen 600x700x110 mm, T = 80 mm

Ausnutzungsgrade • Verschiebung differiert in Achse 10 um circa 20% (verschiedene Grenzwerte) • Nachweis der Gesamtdehnung nach DIN EN 1337 hat keine Entsprechung in DIN 4141 • zulässige Verdrehung mit Abstand eingehalten (steifer Überbau) • Gleitnachweis ist nach beiden Normen erfüllt. DIN EN 1337 günstiger, da mit reduzierter Fläche gearbeitet wird Lager in Achse 10 und 20 sind nach DIN 4141 gut ausgenutzt und zulässig Lager in Achse 10 sind nach DIN EN 1337 aufgrund der zu hohen Pressung unzulässig

Lager in Achse 20 sind nach DIN EN 1337 gering ausgenutzt und zulässig → Verringerung der Lagerabmessungen und Neuberechnung

Fazit • Nachweise DIN EN 1337 aufwändiger, da Zustandsgrößen nicht entkoppelt

• Abschätzung von Abmessungen oder von Ergebnisänderungen bei Änderung der Lagergröße nach DIN EN

1337 nicht ohne weiteres möglich

• Nachweise DIN 4141 entkoppelt → Abschätzung von Abmessungen (relevant zur schnellen Vorbemessung

von Lagern)

• bei Lagern mit großen horizontalen Verschiebungen (→große Lagerhöhe) Grundrissabmessungen nach

DIN EN 1337 größer als nach DIN 4141

• bei Lagern mit mäßigen horizontalen Verschiebungen Grundrissabmessungen und Elastomerschichtdicke

nach DIN EN 1337 geringer ausführbar als nach DIN 4141

• nicht wie angenommen und in der Literatur angegeben Lastgruppe 2 für Lagerbemessung maßgebend,

sondern Lastgruppe 1 →alle Einwirkungskombinationen sind zu berücksichtigen

• DIN EN 1337 ohne spezielle Begleitlektüre in Teilen nicht nachvollziehbar