Netzwerkbogenbrücken mit Hängern aus Carbon

Die Verwendung von eingeschweißten Stahlprofilen als Netzwerkhänger in Kombination mit den auf Schwingbreiten und Vermeidung von Hängerausfall optimierten Netzwerklayouts führt zu technischen Herausforderungen, welche in der jüngeren Vergangenheit nicht immer befriedigend gelöst werden konnten [1]. Insbesondere bei langen, flach geneigten Hängern treten Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Durchbiegung infolge Eigengewicht und Veränderung der Durchbiegung infolge Normalkraftamplituden sowie Zusatzbeanspruchungen aus winderregten Schwingungen auf [1, 2].
Durch die Verwendung von Zugstangen aus CFK (im Weiteren “Carbon”) als Hänger ändern sich die Randbedingungen für die Gestaltung der Hängeranordnung grundlegend, was Auswirkungen auf das gesamte Tragverhalten des Netzwerkbogens hat: Aufgrund des hohen Ermüdungswiderstands von Carbonbauteilen können die Hänger ohne Rücksicht auf begrenzte Schwingbreiten rein unter dem Aspekt der Ausnutzung auf Zug angeordnet werden. Der hierfür erforderliche Querschnitt beträgt bei der Verwendung von Carbonhängern weniger als ein Viertel des erforderlichen Stahlquerschnitts. Dies in Kombination mit einem geringen E-Modul bei CFK führt zu deutlich größeren Dehnwegen in den Hängern, womit die Problematik ausfallender Hänger entfällt. Gleichzeitig verlagern sich die Eigenfrequenzen der Carbonhänger aufgrund der geringen Masse und der höheren möglichen Vorspannung.
Durch die Verwendung von Carbonzuggliedern als Hänger lassen sich ästhetisch hochwertige und gleichzeitig sehr effiziente Hängeranordnungen mit vergleichsweise steilen Hängern ohne Hängerausfall und ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer infolge winderregter Schwingungen realisieren. Der wirtschaftlich sinnvolle Anwendungsbereich für Netzwerkbogenbrücken kann damit deutlich über 300 m Spannweite ausgedehnt werden.

Network arch with hangers made from carbon
The use of welded steel sections as network hangers can lead to technical challenges which may not always be entirely solved, particularly when such sections are used in combination with network layouts which have been optimized for vibration amplitudes while also avoiding hangers getting slack [1]. This is especially true with long flat inclined hangers, where difficulties arise in connection with dead load deflections, variation of sag resulting from changing normal force and additional stress resulting from wind induced vibrations [1, 2].
The use of hanger cables made from CFRP (carbon) fundamentally changes the boundary conditions used in the selection of a hanger layout and thus influences the load bearing system of the network arch. Due to the excellent fatigue load resistance, the layout of carbon hangers can be tuned ignoring any criteria for fatigue stress range limits, allowing the selection of the cable to be based entirely on the criteria of utilization in tension. As a result, the required hanger section can be reduced to less than one quarter of what would be required in steel. This together with the smaller youngs-modulus of CFRP leads to significantly larger elongations of the hangers, which resolves the issue of the hangers going slack. Furthermore, the eigenfrequencies of the hanger cables increase significantly due to the relatively high prestress and the low weight.
By using carbon tension members as hangers, it is possible to realize a high aesthetically quality and at the same time very efficient hanger arrangements with comparatively steep hangers avoiding hangers getting slack and without impairing the service life as a result of wind- induced vibrations. The economically viable range of applications for network arch bridges can thus be extended to well over 300 m span length.