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Beton-technologie

Technologie du bton

Concrete technology

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Die HochgeschwindigkeitslinieSd (HSL Zuid) von Amsterdam bisnach Brssel ist eines der derzeitgrssten Bahninfrastrukturpro-jekte in Europa. Die Erstellung des85 km langen niederlndischenTeils des Oberbaus obliegt demINFRASPEED Konsortium beste-hend aus BAM, Fluor Daniel, Sie-mens, Innisfree und Charterhouse.In diesem Grossprojekt wird aufeiner Strecke von 65km das FesteFahrbahn System RHEDA 2000

verwendet. Um den Betonver-brauch zu optimieren, wurde diefeste Fahrbahn aussergewhnlichschmal konstruiert: Unter- undOberbau sind als flache Betonplat-ten ausgebildet und durch einGeotextil getrennt (Bild 1). In die-ser Konstruktionsweise muss derKraftfluss zwischen den Beton-

platten ber Verbindungselemen-te sichergestellt werden. Im Fol-genden wird die Entwicklung derprojektspezifischen Hilti Lsungbeschrieben, die den Zuschlagerhielt und nun beim Bau verwen-det wird.

Auslegung der VerbinderEine wichtige Forderung war, dassrelative Lngsverschiebungenzwischen den Platten aufgrundvon Durchbiegungen, Schwindenoder Temperaturdifferenzen zu-zulassen seien, was zum Konzeptder festen Innendbel und ver-schieblichen Aussendbel fhrte.Diese mssen hohen dynamischenLasten aus dem normalen Bahnbe-trieb und auch statischen Lastenaus Extremsituationen wie Ent-gleisung widerstehen. Die in den

The high speed line south (HSLZuid) from Amsterdam to Brusselsis currently one of the largest railinfrastructure projects in Europe.The INFRASPEED consortium con-sisting of BAM, Fluor Daniel, Sie-mens, Innisfree and Charterhouseis responsible for the constructionof the 85km long Dutch part of thesuperstructure.Over a length of 65km the slabtrack system RHEDA 2000 is used.In order to optimize the consump-tion of concrete, the slab track isdesigned in an exceptionally slimmanner: Sub- and superstructureare built as flat concrete slabs andare separated by a geotextile layer(figur 1). In this design, all forcesmust be transmitted from thesuperstructure to the substructureby means of connectors. This arti-cle presents the development ofthe project-specific Hilti solution,which was chosen from differentcompeting systems and which isnow used in the construction pro-ject.

Design of the ConnectorsRelative displacements betweenthe slabs due to bending, shrinka-ge or temperature changes had tobe possible according to the speci-fication. This lead to the conceptwith fixed centre dowels andmoveable outer dowels. Thedowels must resist high dynamicloads caused by normal operationand extreme loads due to situati-ons like derailing. The stresses inthe connectors were checked byfinite element simulation (figur 2).The connectors are also exposedto climatic influence as water cantrickle through the geotextile lay-er and due to the maritime atmo-sphere it can contain chlorides.The combination of high dynamicloads and a corrosive environmentrequired the careful definition ofcorrosion resistant steel with highstrength.

Betonverbinder fr Hochgeschwindigkeits-Bahnstrecke

Concrete Connectors for a High Speed Railway Track

Jakob Kunz

Beto

n Te

chno

logi

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Detail der flachen Betonplatten

Detail of the flat concrete slabs

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Verbindern auftretenden Span-nungen wurden mit einem FiniteElemente Programm berprft(Bild 2). Die Verbinder sind auchklimatischen Einwirkungen ausge-setzt, da Wasser zwischen denBetonschichten durchsickern kannund die nahe der Kste verlaufen-de Bahnstrecke sich in chloridhal-tiger Atmosphre befindet. DieKombination von korrosiver Um-gebung und hohen dynamischenLasten erforderte die sorgfltigeAuswahl eines korrosionsbestn-digen Stahls mit hoher Festigkeit.

VersuchsaufbauZum Nachweis der Gebrauchstaug-lichkeit waren die Ermdungsfe-stigkeit und die auftretenden De-formationen experimentell zuermitteln; ebenso war die Tragf-higkeit im Bruchzustand nachzu-weisen.Fr den Unterbau wurden Beton-blcke nach der Originalrezepturhergestellt. Die Lcher wurden miteinem Kernbohrgert erstellt unddarin wurden die Verbinder mitdem Verbundmrtel Hilti HIT-RE500 gesetzt. Auf die Oberflche desUnterbaus wurden zwei 2mm star-ke Teflonfolien gelegt, um Reib-krfte zu eliminieren. Dann wurdeder Oberbau als weiterer Beton-block darauf gegossen (Bild 3).Um die spezifizierten Lasten undVerschiebungen aufbringen zuknnen, wurde der Unterbau derVersuchskrper auf dem Auf-spannfeld fixiert. Der Oberbauwurde ber Hydraulikzylinder undeinen Stahlrahmen belastet. Insenkrechter Richtung konntenLasten bis 250kN aufgebrachtwerden, in waagrechter Richtungdie spezifizierten Verschiebungen(Bild 4). Die statische Belastung biszum Versagen erfolgte nur inKraftrichtung (Bild 5).

Evaluation des SystemsWechsellastversuche mitGebrauchslast und BruchversucheZur Abklrung der Funktionstch-tigkeit der Verbinder wurden Ver-suchskrper mit Innen- und Aus-sendblen mit den spezifiziertenWechsellasten bis zu 10 Millionen

Test EquipmentIn order to prove the suitability ofthe system, the fatigue strength,the resulting deformations andthe ultimate strength had to bedetermined experimentally.Concrete blocks made with the ori-ginal mix design formed the sub-structure. Holes were drilled with adiamond coring system and theconnectors were inserted intothem using the adhesive mortarHilti HIT-RE 500. 2mm thick PTFEfoils eliminated friction betweensub- and superstructure. Thesuperstructure was formed by cast-ing another concrete block ontothe PTFE foils and the substructureconcrete block (figure 3).The substructure was fixed to thestrong floor of the fastening labo-ratory at the Technical Centre ofthe Hilti Corporation. The super-structure was loaded by means ofa steel frame and a hydraulic cylin-der. Loads of up to 250kN could beintroduced in a vertical direction,while the specified displacementswere introduced by another cylin-der in the horizontal direction(figure 4). Static loading up tosystem failure was only in thedirection of the force (figure 5)

Evaluation of the SystemAlternating load tests at servicelevel and loading up to failureApplying up to 10 million cycles ofthe specified loads and displace-ments allowed the verification ofthe functionality of the centre andthe outer dowels. After this test atservice load level, the relative dis-placement between sub- andsuperstructure that occurs whilethe load changes from minimumto maximum was measured. Afterthis, the specimens were first sub-jected to increased cyclic loads andthen to static loading up to failu-re. Figure 6 shows the load-displa-cement curves measured before

Beto

n Te

chno

logi

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a) Finite Elemente Modell

Finite Elemente Model

b) Simulierte Hauptspannungen

Main stress simulation

2a

2b

Versuchskrper

vor Betonieren

des Oberbaus

Test specimen

before concre-

ting of the soer-

strucutre

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mal belastet. Nach dieser Prfungauf Gebrauchslastniveau wurdedie relative Verschiebung zwischenOberbau und Unterbau bei einemWechsel von der minimalen zurmaximalen Last gemessen. Danachwurde zuerst die zyklische Bela-stung gesteigert und schliesslichwurden die Versuchskrper sta-tisch bis zum Bruch weiterbelastet.

Die Last-Verschiebungskurven vorden Versuchen und nach den ein-zelnen Schritten der Ermdungs-belastung sind in Bild 6 gezeigt.Daraus konnten die Systemsteifig-keiten ermittelt werden.

Ermittlung der DauerfestigkeitIm zweiten Schritt wurden dann zurErmittlung der Whlerkurve desSystems unterschiedlich hohe dyna-mische Schwellasten aufgebrachtund die Anzahl Lastzyklen bis zumBruch ermittelt. Durch die Einbet-tung des Bolzens entstehen je nachLastniveau unterschiedliche Kombi-nationen von Schub- und Biegebe-anspruchung. Deshalb wurde dieSchwingbreite mglichst stark vari-iert. Eine Regressionsanalyse ergabdie mittlere Versagenslast als Funk-tion der Anzahl Lastspiele sowie die5%-Fraktile. Bereits nach neun Ver-suchen lag eine relativ zuverlssigeSchtzung der Dauerfestigkeit vor,was wesentlich zur Einhaltung desengen Zeitplans beitrug.Alle Bolzen versagten im im Unter-bau eingemrtelten Rundquer-schnitt. Bei hheren Lastniveauswar die Lage des Ermdungsrissesweiter unten als bei kleineren,denn hohe Lastniveaus fhrtenauch zu mehr Betonabplatzungenvor den Bolzen und damit auch zueiner tieferen Lage der maximalenSpannungen.

AuswertungBild 7 zeigt die Versuchsergebnis-se, sowie die abgeleitete Mittel-wertfunktion und die 5%-Fraktile.Das Bemessungskriterium fr 30Jahre Betriebsdauer waren 52 Mil-lionen Lastzyklen. Obwohl im Ver-such maximal 15 Millionen Last-spiele erreicht wurden, darf dieberechnete Funktion der Dauerfe-stigkeit auf 52 Millionen Lastspie-le extrapoliert werden, da auchbei rostfreien Sthlen bei mehr als10 Millionen Lastspielen von einerQuasi-Dauerfestigkeit gesprochenwerden kann. Daraus ergibt sicheine mittlere Dauerfestigkeit von86.8kN und ein charakteristischerWert von 75.4kN.Fr Stahl war ein Materialsicher-heitsfaktor von S=1.15 spezifiziert.Zur Bercksichtigung der Korrosi-on wurde die charakteristische Er-mdungsfestigkeit zustzlich miteinem Sicherheitsfaktor voncorr=1.2 dividiert. Damit ergibt sichein Bemessungswert der Dauerfe-stigkeit zu Rd,fat=54.6kN.

and after the cyclic load steps. Thesystem stiffness was then calcula-ted from these curves.

Derivation of Fatigue StrengthCounting the number of loadcycles before failure in alternatingfatigue load tests at varying loadlevels provided the basic data nee-ded to derive the Woehler curvefor the system. Due to the embed-ment of the connectors in the con-crete, different combinations ofbending and shear loads in thedowels occur. Therefore the loadlevel was varied over a wide ran-ge. A regression analysis yieldedthe average failure load as afunction of the number of loadcycles, and from this functio