EP0401401B1 - Elastisches Steuersystem für Fahrbahnüberbrückungskonstruktionen in Trägerrostfugenbauweise - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein elastisches Steuersystem für Fahrbahnüberbrückungskonstruktionen in Trägerrostfugenbauweise, wobei mindestens ein Träger auf Traversen gelagert ist, die Traversen jeder Auflagerstelle untereinander bzw. mit dem Fugenrand durch Steuerfedern verbunden sind, und wobei die Steuerfedern von Federelementen gebildet sind, welche auf parallel zu den Traversen verlaufenden Dornen gelagert sind und mit ihren Stirnflächen gegen an den Traversen bzw. den Traversenkästen befestigte Anschläge anliegen.
• Insbesondere im Brückenbau werden zur Berücksichtigung von temperaturbedingten bzw. belastungsbedingten relativen Bewegungen zweier stirnseitig benachbarter Fahrbahnteile zwischen den Fahrbahnteilen Bewegungsfugen vorgesehen. Die Fugen werden von in Traversenkästen elastisch und gleitend gelagerten Traversen überbrückt, die parallel zur Fahrbahnkante verlaufende Träger tragen.
• Das bei Fugenkonstruktionen nach dem Trägerrostprinzip verwendete elastische Steuersystem muß dabei grundsätzlich zwei Funktionen erfüllen:
• 1. Eine Steuerungsfunktion: Die gesamte Fugenbewegung muß gleichmäßig auf die einzelnen zwischen den Trägern bzw. zwischen den Trägern und den Fugenrändern vorhandenen, durch Dichtprofile abgedeckten Spalte aufgeteilt werden.
• 2. Abtragung von horizontalen Kräften, die durch Beschleunigung beim Anfahren bzw. Bremsen eines über die Fuge fahrenden Fahrzeuges entstehen, in die Fugenränder.
• Die Funktion 2. wird zum größten Teil von der Reibung übernommen, die zwischen den Traversen und den vorgespannten Gleitfedern/Gleitlagern als Traversenauflagerung erzeugt wird. Wegen der relativ großen Streuung derartiger Reibungskräfte, die unter anderem durch den Abbau der Federvorspannung im Laufe der Zeit entsteht, bleibt bei statischen Nachweisen die Wirkung der Reibungskräfte unberücksichtigt. Die verwendeten Steuerfedern des elastischen Steuersystems müssen für die Steuerung einen sehr großen Arbeitsweg (70 bis 80 mm) aufnehmen. Die bisher verwendeten Steuerfedern weisen daher zwangsläufig eine sehr geringe Federkonstante c (kN/m) auf. Bei den hohen auftretenden Bremskräften von z. B. 39 kN/Rad ergeben sich somit große Verschiebungen der Träger bzw. der mit den Trägern gekoppelten Traversen, die soweit gehen, daß die Traversen an Endanschlägen anstoßen und dann an die Stelle der elastischen Stützung durch die Steuerfedern eine starre Stützung an den Endanschlägen tritt. Dies kann bei häufiger Wiederholung zur Zerstörung bzw. Beschädigung der Übergangskonstruktion führen.
• Es ist eine Übergangskonstruktion bekannt, wie sie aus der Fig. 1 hervorgeht. Dargestellt sind dort die sich gegenüberliegenden Traversenkästen 1 und 2. Die sich gegenüberstehenden Stirnseiten der Kästen 1 und 2 sind offen. In den Kästen sind zwei Traversen 3 und 4 auf nicht dargestellten Gleitlagern verschieblich gelagert. Auf den Traversen 3 und 4 ist jeweils ein Auflager 5 und 6 für je einen lediglich angedeutete Träger 7 bzw. 8 angeordnet. Die Träger 7 und 8 sind untereinander bzw. mit den nicht dargestellten Randprofilen durch Dichtungsprofile verbunden. Wie sich aus der Darstellung der Fig. 1 ergibt, sind an jeder Traversenseite einander gegenüberliegend, aber versetzt zueinander Anschläge 9 und 10 bzw. 9′ und 10′angeschweißt. Ebenso sind an jeweils einer Seitenwand der Kästen 1 und 2 an der offenen Stirnseite je ein Anschlag 11 und 12 angeschraubt, und zwar derart, daß ein Anschlag 11 an der in der Zeichnung unteren Seitenwand des in der Zeichnung linken Kastens 1 und der andere Anschlag 12 an der in der Zeichnung oberen Seitenwand des in der Zeichnung rechts dargestellten Kastens 2 angeordnet sind. Somit liegen sich jeweils die Anschläge 9′und 11, 10 und 10′sowie 9 und 12 gegenüber. In den Anschlägen 9′, 11; 10, 10′und 9, 12 sind jeweils miteinander fluchtende Bohrungen vorgesehen, in denen jeweils ein Dorn 13 verschiebbar gelagert ist. Im vorliegenden Beispiel ist der Dorn 13 in der Mitte mit einer Nut versehen, in die ein in der Bohrung der Steuerfeder angeordneter hervorspringender Kranz zur Fixierung der Steuerfeder auf dem Dorn eingreift. Zwischen jeweils gegenüberstehenden Anschlägen 9′, 11; 10, 10′und 9, 12 ist auf den Dornen 13 je ein Federelement 14 angeordnet.
• Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Zustand des Steuersystems sind die Federelemente sehr stark zusammengepreßt. Die Rückstellkraft der Federelemente ist somit am größten. Bei Beendigung einer Belastung entspannen sich die vorgespannten Federn bis zu der Stellung, die durch die gerade vorliegende, von der Brückentemperatur abhängige Fugenbreite vorgegeben ist.
• Bei der vorbeschriebenen bekannten Überbrückungskonstruktion wird beispielsweise das Federelement 14c im rechten Traversenkasten 2 bei einer auf die Traverse 3 von links nach rechts gerichteten Bremskraft auf Zug beansprucht. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß hierbei weder die Versteifung der Feder aufgrund der hohen Verformungsgeschwindigkeit noch die Versteifung mit zunehmendem Federweg c = c (s) auftreten.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das elastische Steuersystem der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unabhängig von der Richtung und der Größe der eingeleiteten Horizontalkräfte immer eine elastische Stützung durch die Steuerfedern gegeben ist, so daß Schäden an der Fahrbahnüberbrückungskonstruktion vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf jedem Dorn wenigstens zwei Federelemente angeordnet sind und die Anschläge den Traversen bzw. den Traversenkästen derart zugeordnet sind, daß wenigstens ein Federelement immer auf Druck beansprucht wird. Dabei kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß jeweils zwei die Federelemente einschließende Anschläge an einer Traverse vorgesehen sind und daß zwei Federelemente mit ihren aufeinanderzuweisenden Stirnflächen an den sich gegenüberliegenden Seitenflächen von an der jeweils benachbarten Traverse bzw. den Traversenkästen befestigten Anschlägen anliegen. Dabei sind die Federelemente auf Dornen gelagert, deren Enden fest mit einem jeweiligen Anschlag verbunden sind, wobei die Dorne jeweils eine Öffnung durchgreifen, die koaxial zur Dornachse in dem an der benachbarten Traverse bzw. dem Traversenkasten befestigten Anschlag vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß unabhängig von der Belastungsrichtung immer ein Federelement auf Druck beansprucht wird. Wenn die Federelemente zusätzlich auf Druck vorgespannt sind, dann führt dies dazu, daß auch die auf Zug beanspruchte Feder durch Abbau ihrer Vorspannung mitwirkt und damit die beiden Federn als parallel geschaltete Federn der resultierenden Federsteifigkeit c₁ + c₂ behandelt werden können. Allerdings ist die Federsteifigkeit c₂ der auf Zug beanspruchten Feder erheblich geringer als die Federsteifigkeit c₁ der auf Druck beanspruchten Feder. Die Druckvorspannung wird in vorteilhafter Weise derart gewählt, daß alle Federelemente unabhängig von der Richtung und der Größe der Relativbewegung der Anschläge immer auf Druck benansprucht sind. Bei denjenigen Federelementen, in welche Zugkräfte eingeleitet werden, findet daher ein Abbau der Druckvorspannung in Abhängigkeit von der Größe der eingeleiteten Zugkraft statt.
• In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, daß die Federelemente aus einem elastomeren, geschäumten Material mit einer Federkonstante bestehen, die eine lineare Funktion des Federweges ist. Versuche mit elastomeren, aus geschäumtem Material hergestellten Federelementen haben gezeigt, daß unter sehr plötzlicher Lasteinwirkung (hohe Belastungsgeschwindigkeit) eine deutliche Versteifung der Feder eintritt und daß außerdem die Federkonstante c eine Funktion des Federweges ist, $\text{c = k . f . w}$

  

  , wobei f die Prüffrequenz der pulsierenden Federbelastung darstellt und w den Federweg angibt, d.h., c_dyn wächst linear mit dem Verschiebeweg w. Diese Verhältnisse ergeben sich allerdings nur bei dem erfindungsgemäßen ausgestaltenen Steuersystem, bei welchem sämtliche elastomeren Federelemente nur auf Druck beansprucht werden. Da bei auf Zug beanspruchten Federelementen dieser Effekt nicht auftritt, wird eine Mitwirkung der im Zugbeanspruchungsbereich liegenden Federelemente durch das oben beschriebene Aufbringen einer Druckvorspannung erreicht, die bei Zugbeanspruchung entsprechend abgebaut wird und damit in der Wirkung einer zugbeanspruchten Feder gleichkommt.
• Da die Federkonstante bei steigender Beanspruchung, d.h. bei wachsendem Federweg ebenfalls linear anwächst, nimmt die Steifigkeit der horizontalen elastischen Abstützung der Träger zu, so daß es auch bei hohen Horizontalkräften nicht zu dem nachteiligen Anfahren der Traversen gegen die starren Endanschläge kommt.
• Durch die Erfindung wird eine Verbesserung der Funktion "Horizontalkraftübertragung" des Steuersystems erzielt. Als Nebeneffekt der Anordnung von Doppelfedern ergibt sich für "Trägersteuerung" ebenfalls eine Verbesserung. Durch die oben beschriebene Parallelschaltung der beiden Federn eines Steuergliedes wird bei Auslenkung einer Träger aus der mittigen Stellung die Differenz der links und rechts an einer Traverse angreifenden Federkräfte doppelt so hoch ausfallen wie bei Anordnung nur einer Feder innerhalb eines Steuergliedes. Diese Differenzkraft errechnet sich aus den statischen Federkonstanten c_stat, während für die Aufnahme der Horizontalkräfte aus Fahrzeugbremsen die dynamische Federkonstante c_dyn maßgebend ist. Bei Beendigung der Horizontalbelastung wird durch das Auftreten dieser Differenzkraft der Träger wieder in seine mittige Stellung zurückgeschoben, die von der jeweiligen Gesamtfugenöffnung abhängig ist. Um die Öffnung der Fugenüberbrückungskonstruktion auf einen Maximalwert zu begrenzen, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß zwischen den einzelnen Traversen und den Traversen und Traversenkästen starre Endanschläge vorgesehen sind, wobei die zusammenwirkenden Endanschläge derart wechselseitig an den Traversen bzw. Traversenkästen angeordnet sind, daß sie gegenseitig zur Anlage kommen, bevor eines der ihnen zugeordneten Federelemente auf Block kommt. Dadurch wird außerdem eine Beschädigung der Federlemente und damit ein vorzeitiger Verschleiß vermieden.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels annhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1

ein elastisches Steuersystem für eine bekannte Fahrbahnüberbrückungskonstruktion in Trägerbauweise, und

Fig.2a - c

im Prinzip Darstellungen in Draufsicht einer Fahrbahnüberbrückungskonstruktion mit dem erfindungsgemäßen elastischen Steuersystem in drei verschiedenen Öffnungszuständen der Dehnungsfuge.

• Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen sind sich entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 auf jedem Dorn 15 jeweils zwei Federelemente 16 bzw. 17 hintereinander angeordnet. Wobei die Federelemente mit ihren nach außen weisenden Stirnflächen gegen Anschläge 18, 18′; 19, 19′; 20, 20′ anliegen, während sie mit ihren aufeinanderzuweisenden Stirnflächen gegen die an den Traversenkästen 1 bzw. 2 angeschraubten Anschlägen 11 bzw. 12 anliegen bzw. gegen den an der Traverse 4 angeschweißten Anschlag 10′. Die Enden der jeweiligen Dorne 15 sind mit den entsprechen Anschlagpaaren 18, 18′ bzw. 19, 19′ bzw. 20, 20′ fest verbunden. Die Federelemente sind vorzugsweise auf Druck vorgespannt. Wird nun beispielsweise die Traverse 4 in Bezug auf die Zeichnung von links nach rechts belastet - beispielsweise durch eine an der Traverse angreifende Bremskraft -, dann wird die Traverse 4 in den rechten Traversenkasten 2 hineingeschoben (wie dies beispielsweise in den Fig. 2b und 2c gezeigt ist), wobei das Federelement 16 zunehmend auf Druck belastet wird, während das Federelement 17 auf Zug beansprucht wird. Bei einer Belastung der Traverse von rechts nach links würde dagegen das Federelement 17 auf Druck beansprucht werden, während das Federelement 16 auf Zug beansprucht werden würde. In jedem Falle ist jedoch dafür Sorge getragen, daß die hintereinander angeordneten Federn 16, 17 unabhängig von der Belastungsrichtung immer auf Druck beansprucht sind, denn die eingeleiteten Zugkräfte führen lediglich zu einem Abbau der Vorspannung.
• Ein Beispiel soll den Unterschied des erfindungsgemäßen Steuersystems zum Stand der Technik weiter verdeutlichen.
• Greift bei einem herkömmlichen Steuersystem gem. Fig. 1a eine von links nach rechts gerichtete Horizontalkraft an dem bei Punkt 6 an die Traverse 3 angeschweißten Mittelträger ein, werden die Steuerfedern 14a und 14b auf Druck beansprucht, während Steuerfeder 14c eine Zugbeanspruchung bekäme. Die Steuerfedern 14a und 14b sind hintereinander geschaltet, ihre resultierende Federsteifigkeit c_res errechnet sich aus

  

  
  daraus c_res = $\frac{\text{1}}{\text{2}}$

  

  . c.
• Da die Feder 14c keinen Zug aufnehmen kann, wirkt sie bei der Aufnahme der horizontalen Bremskraft nicht mit. Wäre an die Stelle der Feder 14c eine Zugfeder angeordnet mit der Federsteifigkeit c_z, so wäre diese Feder parallel geschaltet den beiden hintereinander geschalteten Druckfedern der resultierenden Federsteifigkeit c_res. Die Gesamtsteifigkeit der Horizontallagerung betrüge dann $${\text{c}}_{\text{ges}}{\text{= c}}_{\text{res}}{\text{+ c}}_{\text{z}}\text{=}\frac{\text{c}}{\text{2}}{\text{+ c}}_{\text{z}}$$

  

  
  bzw. wenn keine Zugfeder vorhanden ist $${\text{c}}_{\text{ges}}\text{=}\frac{\text{c }}{\text{2.}}$$

  
• Nun wird das erfindungsgemäße Steuersystem gem. Fig. 2a bis 2c betrachtet. Die Horizontalkraft greift wieder von links nach rechts gerichtet an dem über Punkt 5 an die Traverse 3 angeschweißten Mittelträger an. Dabei werden die Federn 16a und 16b auf Druck, die im Doppelfederpaket zugeordneten Federn 17a und 17b auf Zug beansprucht. Im Unterschied zum herkömmlichen Steuersystem wird jedoch auch hier die Feder 16c auf Druck, die ihr zugeordnete Doppelfeder 17c auf Zug beansprucht. Die Doppelfedersysteme 16a/17a, 16b/17b sind hintereinander geschaltet, während 16c/17c parallel geschaltet ist.
• Innerhalb eines Doppelfedersystems sind Zug- und Druckfeder jeweils parallel geschaltet. Unter Außerachtlassung des dynamischen Erhöhungsfaktors errechnet sich bei der Federsteifigkeit c der Einzelfeder die resultierende Federsteifigkeit des Doppelfedersystems zu $\text{c + c = 2c}$

  

  . Aus den beiden hintereinander geschalteten Doppelfedersystemen 16a/17a und 16b/17b ergibt sich eine resultierende Federsteifigkeit

  
• Die Gesamtsteifigkeit der Horizontalauflagerung beträgt in diesem Fall:
  
  $${\text{c}}_{\text{ges}}\text{=}\frac{\text{2c}}{\text{2}}\text{+ 2c = 3c}$$

  

  
  
  gegenüber dem herkömmlichen Steuersystem mit nur $\frac{\text{c }}{\text{2.}}$

  
• Aus Vereinfachungsgründen wurde hier der Unterschied zwischen c_dyn und c_stat vernachlässigt. Wie bereits ausgeführt, kann bei der auf Zug beanspruchten Feder nur c_stat angesetzt werden. Wegen der Abhängigkeit der Federsteifigkeit c vom Federweg s, c = c (s), wirkt sich diese Versteifung bei Druckbeanspruchung der Feder 16 c gem. Fig. 2a als einer in der Federkette parallel geschalteten Feder hier voll aus, während der Versteifungseinfluß bei den Federsystemen 16a/17a und 16b/17b durch deren Hintereinanderschaltung halbiert wird.
• Aus den Fig. 2a bis 2c ist ferner zu entnehmen, daß zwischen den einzelnen Traversen 3, 4 und den Traversenkästen 1, 2 starre Endanschläge 21, 22, 23 und 24 vorgesehen sind. Die Endanschläge 21 und 23 sind an der Traverse 3 angeschweißt, während die Endanschläge 22 und 24 an der Traverse 4 angeschweißt sind. In der maximalen Öffnungsstellung der Fahrbahnüberbrückungskonstruktion, in welcher die Trägern 7 und 8 einen maximalen Abstand D aufweisen (siehe Fig. 2a) kommen die Endanschläge 21, 22 gegenseitig zur Anlage, um diese maximale Öffnungsstellung zu begrenzen. Dabei ist das den Anschlägen zugeordnete Federelement 16 noch nicht in einem Blockzustand, so daß es vorzeitig verschleißen kann.

Claims (8)

1. Elastisches Steuersystem für Fahrbahnüberbrückungskonstruktionen in Trägerrostfugenbauweise, wobei mindestens ein Träger (7,8) auf Traversen (3,4) gelagert ist, die mit Hilfe von Gleitfedern/Gleitlagern in Traversenkästen (1,2) verschieblich gelagert und durch Steuerfedern verbunden sind, wobei die Steuerfedern von Federelementen gebildet sind, welche auf parallel zu den Traversen verlaufenden Dornen gelagert sind und mit ihren Stirnflächen gegen an den Traversen bzw. den Traversenkästen befestigte Anschläge anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Dorn (15) wenigstens zwei Federelemente (16, 17) angeordnet sind und die Anschläge (10′, 11, 12, 18, 18′, 19, 19′, 20, 20′) den Traversen (3, 4) bzw. den Traversenkästen (1, 2) derart zugeordnet sind, daß wenigstens ein Federelement unabhängig von der Belastungsrichtung und der Belastungsgröße immer auf Druck beansprucht wird.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens jeweils zwei die Federelemente (16, 17) einschließende Anschläge (18, 18′; 19, 19′; 20, 20′) an einer Traverse (3, 4) vorgesehen sind und daß zwei Federelemente (16, 17) mit ihren aufeinanderzuweisenden Stirnflächen an den sich gegenüberliegenden Seitenflächen von an der jeweils benachbarten Traverse bzw. den Traversenkästen befestigten Anschlägen (10′, 11, 12) anliegen.
3. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Anschlagpaar (18 18′; 19, 19′; 20, 20′) ein Dorn (15) zugeordnet ist, dessen Enden fest mit einem jeweiligen Anschlag verbunden sind und der eine Öffnung durchgreift, die koaxial zur Dornachse in dem an der benachbarten Traverse bzw. dem Traversenkasten befestigten Anschlag (10,11,12) vorgesehen ist.
4. Steuersystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (16, 17) auf Druck vorgespannt sind.
5. Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorspannung derart gewählt ist, daß alle Federelemente (16, 17) unabhängig von der Richtung und der Größe der Relativbewegung der Anschläge immer auf Druck beansprucht sind.
6. Steuersystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (16, 17) aus einem elastomeren, geschäumten Material mit einer Federkonstante, die eine lineare Funktion des Federweges ist, bestehen.
7. Steuersystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Traversen (3, 4) und den Traversen und Traversenkästen (1, 2) starre Endanschläge (11, 12, 21, 22, 23, 24) vorgesehen sind, welche die Öffnung der Fugenüberbrückungskonstruktion auf einen Maximalwert begrenzen.
8. Steuersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden Endanschläge (21, 22; 11, 18; 12, 23) derart wechselseitig an den Traversen (3, 4) bzw. Traversenkästen (1, 2) angeordnet sind, daß sie gegenseitig zur Anlage kommen, bevor eines der ihnen zugeordneten Federelemente (16, 17) auf Block kommt.

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