Filigraner Verbundbau unter Einsatz von UHPC und miniaturisiertem Verbundmittel
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der vorliegenden Arbeit wurde das neuartige Verbundmittel "Stahlschar" auf seine Leistungsfähigkeit untersucht. Stahlschare können aufgrund ihrer möglichen geringen Abmessungen idealerweise in filigranen Verbundkonstruktionen mit dünnen Betongurten aus UHPC eingesetzt werden. Die Längsschubtragfähigkeiten der Schare wurden in Push-Out-Versuchen mit verschiedenen Parametervariationen ermittelt. Es stellte sich heraus, dass die Formgebung der Verbundmittel einen hohen Widerstand gegen das Versagens-kriterium des Betonausbruchs bewirkt, sodass mit den eingesetzten Stahlblechen in UHPC lediglich ein Spalten des Betongurts mit abschließendem Abscheren der Schare erzielt werden konnte. Maßgebend wurde stets das Stahlversagen, welches aus Gründen der Verformungsfähigkeit günstig ist. Auch hierbei ergaben sich Traglasten, welche deutlich über dem reinen Widerstand des Schargrundquerschnitts lagen. Die Versagensart des Betonausbruchs konnte mittels Versuchskörpern mit Betongurten aus normalfestem Beton mit entsprechend geringerer Zugfestigkeit beobachtet und analysiert werden. Im Vorfeld wurde zum einen der Herstellprozess der Schare, zum anderen Reibeffekte zwischen Stahlsteg und Betongurt als Einflussfaktoren auf das Tragverhalten in Betracht gezogen. Daher wurde der Verdrehvorgang mittels optischer Dehnungsmessungen sowie numerischer Simulationen untersucht, um Erkenntnisse zu den Vordehnungen der Schare zu erhalten und diese für die Anpassung der Materialeigenschaften in den FE-Modellen nutzen zu können. Es zeigte sich, dass die Vordehnungen im Fußbereich zu einer hohen Anfangssteifigkeit der Verbundmittel bei Längsschub führen, jedoch negative Auswirkungen auf die Verformungsfähigkeit aufgrund der reduzierten Bruchdehnung zur Folge haben. Zur Quantifizierung der Einflüsse aus Reibung wurden Versuche zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten zwischen Stahlblech und Beton durchgeführt. Der ermittelte Wert diente der Kalibrierung des Bemessungsmodells sowie der Erstellung der FE-Simulationen. In den numerischen Untersuchungen wurde als Grundlage für die Modellierung der Push-Out-Versuche zunächst der Verdrehvorgang der Schare abgebildet und damit die auftretenden Dehnungen verifiziert. Die Berechnungen zur Verbundmittelbeanspruchung auf Längsschub zeigten gute Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen und lieferten darüber hinaus relevante Hinweise zur Modellfindung für das Bemessungskonzept. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Entwicklung eines Bemessungskonzepts für das Verbundmittel Stahlschar. Es wurden die drei Versagenskriterien Längsrissbildung (Splitting), Betonausbruch (Pry-out) und Stahlversagen identifiziert und beschrieben. Das Aufspalten des Betongurts stellt eine spröde Versagensart dar, bei der sich nach Erreichen der Risslast der Riss sehr schnell weiter öffnet und die Traglast stark abfällt. Da ein derartiges Verhalten unbedingt vermieden werden muss, ist eine entsprechend dimensionierte Querbewehrung zwischen den Scharen in halber Scharhöhe anzuordnen. Die Grundlage für deren Dimensionierung bildet ein Fachwerkmodell, das die Lastausbreitung in der Betongurtebene beschreibt. Das zweite Versagenskriterium für Beton stellt das Auftreten schollenartiger Ausbruchkörper im Bereich der Verbundmittel dar, welches in den bisherigen Versuchen nur für Betongurte aus normalfestem Beton maßgebend wurde. Für den Bemessungsansatz wurde hierbei ein gerader Kreiskegel unter Zugbeanspruchung angenommen, an dessen Spitze die Längsschubkraft unter einem Winkel angreift. Der Einfluss der Überschneidung benachbarter Ausbruchkegel sowie der Stahlverformungen wird über Modifikationsfaktoren berücksichtigt. Die Versagensart Stahlversagen äußert sich in einem Abscheren des Schars am Schargrund und kann als reines Schubversagen unter Vernachlässigung von Biegeeffekten betrachtet werden. Die Tragfähigkeit des Schargrundquerschnitts kann mit der wahren Zugfestigkeit des Stahls berechnet werden. Zusätzlich wird bei einer Betondeckung cu von mindestens 3 mm eine signifikante Kraft über Reibmechanismen zwischen den Seiten des Stahlblechs im Fußbereich der Schare und dem Betongurt übertragen. Im Bemessungsmodell werden die beiden Anteile additiv zusammengefasst. Schließlich wurden die Widerstandmodelle für Betonausbruch und Stahlversagen noch statistisch ausgewertet, um die Streuungen der Basisvariablen zu erfassen sowie eine Umrechnung auf charakteristische Festigkeitskenngrößen und den für Verbundmittel gebräuchlichen Teilsicherheitsbeiwert von 1,25 zu vollziehen. Zudem wurden ergänzende experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um weiterführende Aspekte des Tragverhaltens der Schare zu beleuchten. Die Tragfähigkeiten für Zugbeanspruchungen wurden in Pull-Out-Versuchen geprüft und zeigten aufgrund der räumlichen Verdrehung hohe Werte, wie die geringen Abhebemaße aus den Push-Out-Versuchen bereits andeuteten. Großmaßstäbliche Trägerversuche unter Anordnung von Stahlscharen mit verschiedenen Verdübelungsgraden zeigten die Einsatzfähigkeit des Verbundmittels. Die gemessenen Schlupfwerte lassen darauf schließen, dass die Verformungsfähigkeit der Schare ausreicht, um die volle plastische Momententragfähigkeit auch bei Verbundträgern größerer Stützweiten erreichen zu können. Die Annahme einer Bemessung mit vollplastischer Spannungsverteilung konnte bestätigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Innovative Verbundmittel für den Einsatz in miniaturisierten Verbundträgern. In: Werner, F. (Ed.): DASt-Kolloquium Stahlbau 2010. Bauhaus-Universität Weimar, 5.-6. Oktober 2010, 2010
Wiese, Susanne
- Investigation on embedded Shear Connectors for lightweight Composite Structures. In: The International Federation for Structural Concrete (fib) (Ed.): Proc. of the 3rd International fib Congress and Exhibition. Incorporating the PCI Annual Convention and Bridge Conference. Washington, D.C., 2010, proceedings disk ID429
Kohlmeyer, Christian; Kurz, Wolfgang; Schnell, Jürgen; Wiese, Susanne
- Untersuchungen an Verbundmitteln für filigrane Verbundkonstruktionen mit UHPC. In: Breit, W. et al. (Ed.): DAfStb-Forschungskolloquium. Beiträge zum 51. Forschungskolloquium, Doktorandensymposium. TU Kaiserlautern, 11./12. November 2010, pp. 181–192, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e. V., Berlin, 2010
Wiese, Susanne
- Verbundmittel im miniaturisierten Verbundbau. In: Gebbeken, N. (Ed.): Festschrift zum 60. Geburtstag von Univ.-Prof Dr.-Ing. Ingbert Mangerig, pp. 297–304, München, 2010
Kurz, Wolfgang; Schnell, Jürgen; Wiese, Susanne; Gajda, J.
- Innovative shear connectors for miniaturized composite structure. In: Šrůma, V. (Ed.): Concrete Engineering for Excellence and Efficiency. Proc. of the fib Symposium Prague 2011, June 8-10, 2011, pp. 1205–1208, Czech Concrete Society, Prague, 2011
Schnell, Jürgen; Kurz, Wolfgang; Kohlmeyer, Christian; Wiese, Susanne
- Innovative Verbundmittel in Ultrahochleistungsbeton. In: Beton- und Stahlbetonbau 106 (10), pp. 694–699, 2011
Wiese, Susanne; Schnell, Jürgen; Kurz, Wolfgang
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/best.201100056) - Research on innovative shear connectors for lightweight composite structures. In: Wallevik, Ó.; Khrapko, M. (Ed.): Proc. of the 9th International Symposium on High Performance Concrete. Rotorua, New Zealand, August 9-11, 2011, NZCS, Auckland, N.Z., 2011
Kurz, Wolfgang; Schnell, Jürgen; Wiese, Susanne
- Steel shares - novel shear connectors for the use in filigree composite structures. In: Gdansk University of Technology (Ed.): Current Scientific Challenges in Concrete and Steel Structures and Concrete Technology, pp. 81–88, 2011
Kurz, Wolfgang; Schnell, Jürgen; Wiese, Susanne
- Application of Steel Shares as Shear Connectors in Slender Composite Structures. In: Schmidt, M. et al. (Ed.): Ultra-High Performance Concrete and Nanotechnology in Construction. Proc. of Hipermat 2012 - 3rd International Symposium on UHPC and Nanotechnology for High Performance Construction Materials. University of Kassel, March 07-09, 2012 (Structural Materials and Engineering Series, 19), pp. 701–708, kassel university press, Kassel, 2012
Kurz, Wolfgang; Schnell, Jürgen; Wiese, Susanne
- Load-Bearing Behaviour of Sandwich Strips with XPS-Core and Reinforced HPC-Facings. In: Schmidt, M. et al. (Ed.): Ultra-High Performance Concrete and Nanotechnology in Construction. Proc. of Hipermat 2012 - 3rd International Symposium on UHPC and Nanotechnology for High Performance Construction Materials. University of Kassel, March 07-09, 2012 (Structural Materials and Engineering Series, 19), pp. 781–790, kassel university press, Kassel, 2012
Müller, Frank; Kohlmeyer, Christian; Schnell, Jürgen
- Zum Tragverhalten der neuartigen Verbundmittel "Stahlschare" für den filigranen Stahl-Beton-Verbundbau. Dissertation. Technische Universität Kaiserslautern, 2013
Wiese, Susanne
