Kompensation von vertikalen Temperaturgradienten an Brücken durch Temperaturinduktion

Klimatische Einflüsse führen zu instationären Temperaturfeldern in Brücken. Der linear veränderliche, vertikale Temperaturanteil erzeugt in statisch unbestimmt gelagerten Tragwerken Zwangsschnittgrößen in Form von Biegemomenten. Im Sommer bspw. können diese so groß wie die Belastungen aus Verkehr werden. Eine lokale Temperaturinduktion kann dies reduzieren. Dazu wird die Bodenplatte geheizt und die Fahrbahnplatte gekühlt – bzw. umgekehrt. Dies induziert einen invertierten Gradienten und kompensiert äußere Temperaturbeanspruchungen. Eine Methode zur Temperierung von Querschnitten wurde zunächst an einem Demonstrator einer Spannbetonbrücke mit Hohlkastenquerschnitt im Maßstab von 1:2 entwickelt und dann am realen Bauwerk umgesetzt. Mittels Heizmatten und Wasserkühlung wurde die Temperaturinduktion im Inneren des Hohlkastens realisiert. Intern verbaute Thermoelemente messen die Temperaturausbreitung und validieren die Ergebnisse einer numerischen Vergleichsrechnung des instationären Temperaturfelds. Die Ergebnisse zeigen, dass der Temperaturgradient durch Kühlen mit ca. –30 W/m und Heizen mit ca. 90 W/m um –8,4 K verändert werden kann. Die Übertragung des Systems auf eine Spannbetonbrücke belegt die Wirksamkeit unter ambienten thermischen Randbedingungen. An dieser wurde allein durch Heizen der Bodenplatte mit 37 W/m der Gradient um ca. –2,0 K über einen Zeitraum von 38 h verändert.

Climatic effects induce non‐stationary temperature fields into bridges. The linear, vertical temperature portion generates bending constraints in statically indeterminate structures. In summer, for example, the associated stresses can be as large as those due to traffic. Local temperature induction offers a solution when the bottom slab is heated, and the deck slab is cooled – or vice versa. This induces an inverted gradient and compensates for external temperature stresses. A method for temperature induction of cross‐sections was first developed on a scaled demonstrator (1:2) of a prestressed concrete box girder bridge and subsequently realized on the real structure. Temperature induction inside the box girder was achieved through heating mats and water cooling. Internally installed thermocouples measure the temperature distribution and validate the results of numerical computation of the non‐stationary temperature field. The results indicate that the temperature gradient can be adjusted by –8.4 K through cooling at about –30 W/m and heating at about 90 W/m. Applying the system to a prestressed concrete bridge demonstrates its effectiveness under ambient thermal conditions, too. On this bridge, heating the bottom slab with 37 W/m already changed the gradient by about –2.0 K over a period of 38 hours.