Fatigue Behaviour of Closed Stiffener to Crossbeam Connections in Orthotropic Steel Bridge Decks J.S. Leendertz Fatigue Behaviour of Closed Stiffener to Crossbeam Connections in Orthotropic Steel Bridge Decks Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus prof. dr.ir.J.T.Fokkema, voorzitter van het College voor Promoties, in het openbaar te verdedigen op donderdag 6 maart 2008 om 12.30 uur door Johan Sebastiaan LEENDERTZ HBO-ingenieur (weg- en waterbouwkunde) Geboren te Amersfoort Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: Prof. ir. F.S.K. Bijlaard Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus Voorzitter Prof. ir. F.S.K. Bijlaard Technische Universiteit Delft, promotor Prof. dr.ir. J. Wardenier Technische Universiteit Delft Prof. ir. A.W.C.M. Vrouwenvelder Technische Universiteit Delft Prof. ir. H.H. Snijder Technische Universiteit Eindhoven Prof. Dr.-Ing. G. Sedlacek Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Prof. ir. J. Raoul École Nationale des Ponts et Chaussées Paris Ir. H. van der Weijde Ministry of Transport, Public Works and Water Management Utrecht Published and distributed by: J.S. Leendertz Email: [email protected] ISBN 978-90-9022798-6 Copyright © 2008 by J.S.Leendertz All right reserved. No part of this material protected by this copyright notice may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage or retrieval system, without written permission of the author. Summary SUMMARY Fatigue Behaviour of Closed Stiffener to Crossbeam Connections in Orthotropic Steel Bridge Decks This study concerns the behaviour of the closed stiffener (trough) to crossbeam connection in orthotropic steel bridge decks and in particular, the connection where a continuous closed stiffener passes through the crossbeam. For this connection, the crossbeam in-plane and out- of-plane behaviour is analysed. The nominal stresses for unit loads on the crossbeam, unit rotations of the connection and the deck bending are determined for locations that are relevant for fatigue. For these locations, the geometrical stress concentration factors are also determined. Traffic loads for fatigue from ENV 1991-3 (EN 1991-2) are simulated by maximum crossbeam load, connection rotation and deck bending moment intervals with equivalent numbers of cycles. By applying geometrical stress concentration factors to the nominal stresses the geometrical stresses are obtained. By scaling these geometrical stresses of the unit loads, rotations and deck bending moments, the resulting geometrical stress intervals are used for a fatigue assessment of an example crossbeam with three different types of connections: • Closed stiffener through a cut-out with a cope hole, • Closed stiffener through a close fitting cut-out, • Closed stiffener fitted between the crossbeams. The restraints generated by local bending in the deck and torsion in the closed stiffeners are analysed separately. The results of the calculations obtained by analytical models and FE models, are compared with measurements. Conclusions are drawn about the analytical models and the sensitivity of the analysed locations to fatigue cracks: • The analytical models show a good compliance with FE models and measurements, although the analytical in-plane Vierendeel model should be extended with a rotational restraint at the top of the tooth caused by the bending stiffness of the deck. • The welded connections of continuous troughs through crossbeams are generally only susceptible to fatigue at the cope hole location of the crossbeam and the bottom location of the continuous trough with a close fit. In calculations realistic fatigue lives for these locations are only obtained if the deck restraint is included in the model for the in-plane behaviour, an “average” fatigue classification is used and measured traffic loads are used. • The welded connections of closed stiffeners fitted between the crossbeams are very sensitive to fatigue but provide a good solution for shallow crossbeams in combination with a low lorry density. Han Leendertz 1 Samenvatting SAMENVATTING Vermoeiingsgedrag van verbindingen van gesloten verstijvingen met dwarsdragers in orthotrope stalen brugdekken Deze studie betreft het gedrag van de verbindingen van de gesloten verstijvers (troggen) met de dwarsdragers in orthotrope stalen brugdekken en meer in het bijzonder de verbinding waarbij de gesloten verstijvers zijn doorgevoerd door de dwarsdragers. Het gedrag van deze verbinding is geanalyseerd voor de werking in het vlak van de dwarsdrager (in-plane) en het gedrag uit het vlak van de dwarsdrager. De nominale spanningen voor de plaatsen van deze verbinding die relevant zijn voor vermoeiing zijn bepaald voor belastingen, rotaties en buiging in het dek. Tevens zijn voor deze verbindingen de geometrische spanningsconcentratiefactoren bepaald. De verkeersbelastingen van ENV 1991-3 (EN 1991-2) die gebruikt dienen te worden voor vermoeiingsanalyses zijn geschematiseerd als maximum intervallen in relatie tot dwarsdragerbelastingen, verdraaiingen van de trog- dwarsdragerverbinding en buigende momenten in de dekconstructie in samenhang met equivalente aantallen. Door het toepassen van de geometrische spanningsconcentratiefactoren op de nominale spanningen en vervolgens deze geometrische spanningen die behoren bij de eenheidsbelastingen rotaties en momenten te schalen, ontstaan intervallen van geometrische spanningen. Deze factoren worden gebruikt voor een vermoeiingsanalyse van een voorbeelddwarsdrager. Deze is voorzien van drie verschillende typen verbindingen: • Gesloten verstijver door een uitsparing met een z.g. muizegat “mouse hole” • Gesloten verstijver door een uitsparing geheel afgelast • Gesloten verstijver passend tussen de dwarsdragers Het effect van de locale buigingweerstand in het dek in dwarsrichting en torsie in de gesloten verstijvers is separaat geanalyseerd. De resultaten van de berekeningen met analytische modellen en eindige elementen modellen zijn vergeleken met metingen. Er zijn conclusies getrokken met betrekking tot de analytische modellen en de gevoeligheid van de geanalyseerde plaatsen voor vermoeiing: • De analytische modellen vertonen een goede overeenkomst met de eindige elementen modellen en metingen. Het analytische “in-plane” “Vierendeel” model behoort aan het boveneind van de tand uitgebreid te worden met een rotatieveer die de weerstand tegen verdraaiing door het dek in rekening brengt. • Over het algemeen zijn van de gelaste verbindingen met doorgestoken troggen slechts de vrije rand van het muizegat op de smalste locatie van de tand en de bodem van de geheel afgelaste trog gevoelig voor vermoeiing. Met berekeningen worden alleen realistische vermoeiingslevensduren gevonden wanneer de buigstijfheid van het dek wordt meebeschouwd in het “in-plane”model en een gemiddelde vermoeiingssterkte wordt gebruikt in combinatie met gemeten verkeersbelastingen. • De verbindingen van gesloten verstijvers, gelast tussen de dwarsdragers zijn erg gevoelig voor vermoeiing maar bieden een goede oplossing voor lage dwarsdragers in combinatie met een klein volume aan vrachtauto’s. Han Leendertz 2 Acknowledgements ACKNOWLEDGEMENTS The research reported in this thesis has been carried out at the Faculty of Civil Engineering and Geosciences of Delft University of Technology. I thank the Ministry of Transport Civil Engineering Division and more specifically the former head of its Steel and Mechanical department Henk van der Weijde for giving me the opportunity and strongly supporting me in carrying out this research, the various colleagues that supported me with FE calculations and drawings and their fruitful cooperation. Further, I thank Henk Kolstein of Delft University of Technology for his fruitful collaboration and particularly Prof. J. Wardenier (who was my supervisor until the end of 2007), for his critical appraisals, proposals for improvements and all our detailed discussions. Without these critical discussions, this thesis would not have been realised. I also thank Prof. F.S.K. Bijlaard who took over the position of supervisor for his comments and giving me the opportunity to finish this work. Further, I thank John Baker for correcting the English language and his contribution in achieving consistency and in making this thesis accessible. Finally, I thank my wife Liesbeth de Jonge for her patience during this long period of work. KEYWORDS Steel bridges, orthotropic steel decks, stiffener to crossbeam connection, mechanical behaviour, stress concentrations, transfer functions, fatigue design 3 Table of contents Table of Contents 0 DEFINITIONS, SYMBOLS AND ABBREVIATIONS.......................................................... 10 0.1 Definitions .......................................................................................................................... 10 0.2 Symbols and Abbreviations .............................................................................................. 11 1 INTRODUCTION ..................................................................................................................... 17 1.1 History and development of orthotropic steel bridge decks .......................................... 18 1.2 Orthotropic steel bridge decks in The Netherlands........................................................ 19 1.2.1 Bridge decks with open stiffeners..................................................................................