5.7.2 Dynamische aspecten van lamellenvoegen

Algemeen

Lamellenvoegen zijn in veel gevallen al bijna kleine bruggen die belast worden door dynamische belastingen uit het passerende verkeer. De dynamische belasting ontstaan door de ongelijkheden in het wegdek en ook door de dynamische interactie die wordt gedomineerd door de belastingfrequentie en de eigenfrequenties van de voegovergang.  Deze eigenfrequenties zijn bijvoorbeeld de grondtonen van de lamellen en de dwarsdragers, maar kunnen in theorie ook de boventonen zijn. Wel moet daarbij rekening worden gehouden met verticale, horizontale en incidenteel ook met torsiefrequenties.

Na het belasten vindt een terugveren plaats dat in het geval van weinig demping, zoals bij staalconstructies, verplaatsingen en interne belastingen geeft, niet die ongeveer gelijk zijn aan de belasting die gepaard gaat met de dynamische toeslag. Daarna dempt de constructie uit. Deze demping vindt plaats door demping in het materiaal, zeer gering in staalconstructies, of systeemdemping waarbij stoorfrequenties een dempende werking hebben of door externe demping door wrijving.

 

Stootfactoren door ongelijkheden in het wegoppervlak

De ongelijkheden in het wegdekoppervlak veroorzaken verticale en horizontale massakrachten op de passerende assen.  In het algemeen veroorzaken deze een verhoging van de reeds aanwezige belasting op de as met een factor tussen 1,1 en 1,3, afhankelijk van de hoogteverschillen, voor verticale en horizontale belastingen bij hoogteverschillen in stijve wegdekken.

Bij typen of onderdelen van lamellen kunnen deze interacties verschillen, afhankelijk van de plaats in de voegovergang.

 

Stootfactoren door dynamische interactie

Wanneer een onderdeel met een eigenfrequentie gedurende een bepaalde tijd, met een belastingfrequentie, wordt belast dan kan dit worden vertaald in een dynamische vergrotingsfactor. Deze factor is natuurlijk zowel verticaal als horizontaal.

Wanneer een lamel 80 mm breedte heeft en een wielprent een lengte van 300 mm heft, dan is de belastingtijd bepaald door de effectieve contactlengte, in dit geval 380 mm. De snelheid van de voertuigen is bijvoorbeeld 80 km/u, die gelijk is aan 22 m/s. en de effectieve belasting tijd is 0,017 s. die beschouwd kan worden als een belastingfrequentie van 58 Hz. In dit geval zullen de lamel en de onderdelen die de lamel ondersteunen niet door de dynamische interactie worden beïnvloed wanneer hun eigenfrequenties ver van de 58 Hz liggen, dus bijv. minder dan 40 Hz of hoger dan 70 Hz.

Wanneer een dwarsdrager meerdere lamellen ondersteunt, zoals bij het “ single crossbeam type”, dan duurt de verticale belastingtijd van de dwarsdrager natuurlijk veel langer. De belastingtijd van de dwarsdrager wordt dan gevonden door de effectieve belastinglengte, bijv. 4 lamellen van 80 mm breed en 3 spleten van elk 40 mm. De belaste lengte is dan 320 + 120 = 440 mm. Wordt deze vermeerder met twee maal de loopvlaklengte ontstaat een totale belastinglengte van 600 + 440 = 1040 mm. Bij een snelheid van 22 m/s is dit een belastingtijd van 0,047 s. Dit correspondeert met 21 Hz.

Dynamische vergrotingsfactor afhankelijk van het quotient van belastingtijd en eigen trillingstijd
Dynamische vergrotingsfactor afhankelijk van het quotient van belastingtijd en eigen trillingstijd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In het figuur is duidelijk te zien dat wanneer de belastingtijd Td samenvalt met de eigen trillingstijd  T, de maximale dynamische vergrotingsfactor van ongeveer 1,6 wordt gevonden. Zowel bij een duidelijk groter en een duidelijk kleiner coëfficiënt worden lagere waarden gevonden.

 

Terugveren

Indien een onderdeel door een dynamische belasting een vervorming in dat onderdeel veroorzaakt hoger dan de statische vervorming, dan zal na ontlasten dit onderdeel terugveren voorbij de stand zonder belasting. Dit fenomeen wordt “upswing” genoemd. Wanneer een constructie weinig demping heeft zal deze waarde ongeveer gelijk zijn aan de toeslag als gevolg van de dynamische belasting. Dus bij een dynamische vergrotingsfactor van 1,3 zal het terugveereffect ongeveer 0,3 zijn. Het volgende figuur laat een belasting met een driehoekige “time-history” zien waar na een belasting een dempende trilling optreedt.

Uitdempende trilling na belasting
Uitdempende trilling na belasting

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De volgende figuur laat een meting aan de “Maurer  balkroostervoeg” zien. Het terugveereffect is zeer beperkt.

Dempende triliing na een belasting op,de dwarsdrager
Dempende triliing na een belasting op,de dwarsdrager

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lamellenmeting:

Dempende trilling na belastingen op de lamellen
Dempende trilling na belastingen op de lamellen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Demping

Na het beperkte terugveereffect bij de eerste cycle blijkt zowel bij de dwarsdrager als ook bij de lamellen de verdere demping zeer beperkt. Dit zou er op kunnen wijzen dat de eerste cycle wordt gedempt door systeemdemping en externe demping (bijv. wrijving) en de volgende cycli door materiaaldemping.

 

Nabeschouwing dynamisch gedrag

De dynamische vergroting, het terugveren en de daaropvolgende dempte trilling daat gepaard met spanningsintervallen, die wanneer ze boven de constante amplitude grens voor vermoeiing liggen op den duur kunnen leiden tot scheurvorming. Hoewel hier alleen de verticale bewegingen zijn weergegeven moet bij het ontwerp ook rekening worden gehouden met de horizontale bewegingen en torsie en de interactie tussen deze drie fenomenen.

De locaties die getoetst moeten worden voor vermoeiing zijn in veel gevallen andere dan die bepalend zijn voor de statische sterkte.

Gelaste verbindingen zijn door hun lagere vermoeiingsclassificatie en de spanningsconcentraties die door de detaillering worden opgewekt over het algemeen gevoelig voor vermoeiing.  In mindere mate geldt dit voor boutverbindingen.

 

 

 

 

Bijlagen

pdf TNO rapport metingen voegen brug Grubbenvorst Zaltbommel zonder bijlagen
pdf TNO rapport metingen voegen Grubbvrst en Zaltbml Bijlagen
pdf Abstract dynamische vergrotingsfactor in modulaire voegen