Please use this identifier to cite or link to this item: https://doi.org/10.15480/882.1370
Title: Ultra-high performance concrete (UHCP) precast segmental bridges
Language: English
Authors: Shin, Jaewoo 
Keywords: precast semental bridges;UHPC;joint design
Issue Date: 2016
Publisher: Shaker Verlag
Part of Series: Schriftenreihe des Instituts für Massivbau der TUHH 
Volume number: 14
Abstract (german): Brücken werden schon seit vielen Tausenden von Jahren errichtet. Es liegen somit schon viele Erfahrungen vor. Dennoch werden neue Bauverfahren benötigt, die eine schnellere Errichtung der Konstruktion ermöglichen, weitgehend ohne Beeinflussung des vorhandenen Verkehrs. Weiterhin werden Bauwerke gesucht, die die zunehmenden Verkehrs- und Umwelteinwirkungen aufnehmen können und neue Baustoffe, die die Dauerhaftigkeit verbessern und somit die Unterhaltskosten reduzieren. Extern vorgespannte Segmentfertigteilbrücken (PSB) sind eine Lösung für diese Anforderungen. Die großen Vorteile dieser Bauweise belegen die vielen Anwendungen in Frankreich, Amerika und vor allem in Südostasien. Viele großen Hochstraße Projekte bestehen aus PSB, wobei bislang größtenteils Normalbeton mit einer Druckfestigkeit von ca. fck  40 MPa verwendet wurde. In den letzten Jahren wurde Beton mit fck > 160 MPa entwickelt. Dieser UHPC (Ultra High Performance Concrete) zeigt deutliche Vorteile in Bezug auf Festigkeit und Dauerhaftigkeit gegenüber Normalbeton. Obwohl die mechanischen Eigenschaften von UHPC bekannt sind, vollzieht sich dessen Anwendung in der Baupraxis, u. a. aufgrund der hohen Materialkosten und dem Mangel an Bemessungsverfahren und Erfahrung, sehr langsam. Diese Forschungsarbeit befasst sich daher mit dem Strukturverhalten und der Bemessung von Segmentfertigteilbrücken aus UHPC (UHPC-PSB). Zunächst wird ein kurzer Überblick über die Materialeigenschaften von UHPC und deren Eignung für Anwendung des Baustoffes im Segmentbrückenbau gegeben. Es folgt eine Erörterung der Normen und Richtlinien verschiedener Länder zur Bemessung von UHPC-Bauteilen. Einige Beispiele von Segmentbrücken aus UHPC werden vorgestellt und diskutiert. Um das Trag- und Verformungsverhalten von UHPC-PSB (Ultra High Performance Concrete Precast Segmental Bridge) zu studieren wird ein Finite-Elemente Modell entwickelt und anhand den Ergebnissen eines Großversuches, welcher im Rahmen des SES-Projektes in Bangkok stattfand, verifiziert. Ein intensive Parameterstudie (Schlankheitsgrad, Plattendicken, Elastizitätsmoduli, Vorspannkraft) wird durchgeführt, um einen optimalen Querschnitt zu finden. Auf der Basis dieser Untersuchungen wird ein Hohlkastenquerschnitt mit Rippen vorgeschlagen. Das Tragverhalten dieser Brücke, bspw. die Durchbiegungen, die Breite von Fugenöffnungen, die Druck- und Schubspannungsverteilung im Querschnitt und die Zunahme der Spannstahlspannung werden ermittelt und die Ergebnisse diskutiert. Es zeigt sich, dass eine UHPC-PSB deutliche Vorteile, bspw. das erheblich geringere Eigengewicht, im Vergleich zu Konstruktionen aus Normalbeton aufweist. Die Tragfähigkeit von Trockenfugen zwischen aneinander liegenden Segmenten ist von entscheidender Bedeutung für die Tragsicherheit der Struktur. Es ist unklar, ob die Rechenansätze, welche für Normalbeton entwickelt wurden, auch für UHPC Strukturen verwendet werden können. Daher werden Versuche mit UHPC Schubnocken sowie nichtlineare FE-Simulationen durchgeführt. Es wird ein neuer Rechenansatz zum Nachweis der Querkrafttragfähigkeit von UHPC Schubnocken entwickelt.
Abstract (english): Bridges have been built for thousands of years. Nevertheless, new construction methods which enable a very fast erection, a structure which can adapt to the increasing traffic loads, and new materials which improve the durability are still required. An externally post-tensioned precast segmental box girder bridge (PSB) is one solution to these requirements. The great advantages of this type of bridge have made them the preferred construction method for many great elevated highway projects, especially in South East Asia. Normal concrete, having a compressive strength of around fck  40 MPa, had been used for these structures. In the last years, concrete having fck > 160 MPa has been developed. This Ultra High Performance Concrete (UHPC) shows significant advantages with regard to strength and durability. While the mechanical properties of UHPC are known, the applications for it are progressing very slowly because of high material cost and lack of design and experience. Thus, this research work focuses on the structural behaviour and the design of UHPC precast segmental bridges. First, this research gives a brief overview of the material characteristics of UHPC and the suitability for application to segmental bridge construction. The design recommendations of various countries are analyzed. Some examples of UHPC segmental bridges are presented and discussed. The results from a full-scale test of a Precast Segmental Bridge (PSB) are used to verify a non-linear FE-model of the structure. This numerical model is then adapted to UHPC bridges, having smaller cross-section heights and slab thicknesses. An intense parametric study (slenderness ratio, thickness of slabs, E-modulus, prestressing force) is conducted to find the most appropriate cross-section for UHPC-PSB. Based on these investigations, a multi-cell box girder with stiffeners is proposed as a viable UHPC precast segmental bridge. The structural behavior, e.g. the deflection, the width of the joint opening after decompression, the compressive and shear stress distribution and the increase of tendon stress for this single span structure is analyzed and discussed. It is demonstrated, that a UHPC-PSB shows significant advantages, such as the significantly reduced dead load, compared to constructions with normal strength concrete. The capacity of the dry joints between adjacent segments is of crucial importance for the safety of the structure. It is doubtful whether the known design approaches for normal strength concrete can be used for UHPC structures. Therefore UHPC shear-key tests are conducted. Through the comparison of existing designs for UHPC shear-keys, and non-linear FE-simulations, a new design method for shear resistance of UHPC shear-key is proposed.
URI: http://tubdok.tub.tuhh.de/handle/11420/1373
DOI: 10.15480/882.1370
ISBN: 978-3-8440-5024-4
Institute: Massivbau B-7 
Type: Dissertation
Advisor: Rombach, Günter A. 
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