Carbonzugglieder unter statischer und nicht ruhender Beanspruchung

Für eine dauerhaft leistungsfähige und resilient verfügbare Brückeninfrastruktur werden konstruktive Lösungen benötigt, die hohen Verkehrsbeanspruchungen zuverlässig standhalten und durch Ressourcenschonung zum Klimaschutz beitragen. Netzwerkbogenbrücken bieten für Stützweiten bis über 300 m durch schlanke, vorwiegend normalkraftbeanspruchte Haupttragglieder eine effiziente und verformungsarme Tragwerkslösung, wobei die gekreuzt angeordneten Hänger hohen Lastwechselamplituden ausgesetzt sind. Carbonzugglieder haben sich aufgrund ihrer hohen Ermüdungs‐ und Zugfestigkeit bereits erfolgreich als Hänger in Netzwerkbogenbrücken bewährt, sind derzeit jedoch nicht bauaufsichtlich geregelt. Für erste Anwendungen erfolgte der Nachweis der Tragfähigkeit über projektspezifische, vom Bauherrn finanzierte Bauteilversuche. Aus Kostengründen wurden die im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE) durchgeführten Ermüdungsversuche beendet, sobald eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit nachgewiesen war – der tatsächliche Ermüdungswiderstand blieb unbekannt. Im Verbundforschungsvorhaben NeZuCa (Netzwerkbogenbrücken mit Zuggliedern aus Carbon) wurde nun erstmals eine umfassende experimentelle Datengrundlage an realmaßstäblichen Prüfkörpern zur Bestimmung des Ermüdungswiderstandes geschaffen. Die gewonnenen Versuchsdaten, eine erweiterte Methode zur Bestimmung und Auswertung der Bauteilsteifigkeiten sowie die Ableitung einer Ermüdungsversagensfunktion werden im vorliegenden Beitrag vorgestellt.

For the high availability of bridge infrastructure, solutions are required that can reliably withstand high traffic loads while simultaneously contributing to climate protection through resource efficiency. For spans up to 300 m, network arch bridges offer an efficient, low‐deformation structural solution via slender main load‐bearing members primarily subjected to axial forces, with the diagonally arranged hangers experiencing significant fatigue‐relevant cyclic loading. Tension members made of unidirectional carbon fibre reinforced polymer (UD‐CFRP, carbon) have already been successfully implemented as hangers in network arch bridges due to their high fatigue and tensile strength. Their low axial stiffness promotes favourable load distribution and prevents hanger compression forces, enabling material savings in the primary structure. Currently, carbon tension members are not covered by existing building codes. For initial applications, project‐specific structural tests funded by the respective client formed the basis for case‐by‐case approval (ZiE). Fatigue tests were terminated once sufficient fatigue strength was demonstrated; however, the actual fatigue resistance of carbon tension members remained unknown. Within the collaborative research project NeZuCa (Network Arch Bridges with Carbon Tension Members), an experimental database using full‐scale specimens was established to determine fatigue performance. This paper presents the experimental data, an advanced method for determining and evaluating member stiffness, and the derivation of a fatigue failure function. NeZuCa was funded as part of the Technology Transfer Program Lightweight Construction (TTP‐LB) by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy and supervised by Project Management Jülich (PTJ).