High capacity saw tooth connections under cyclic loads Research of high-capacity saw-tooth-connections in cyclic loads for the transfer of extremely high and concentrated tangential forces between slender steel and concrete elements
Final Report Abstract
Erste experimentelle Untersuchung von Zahnleisten bestätigen deren sehr gute Eignung zur Übertragung extrem hoher, konzentrierter Tangentialkräfte von Stahlbauteilen in dünne Stahlbetonscheiben. Die Zahnleiste verteilt die konzentrierte Tangentialkraft entlang ihrer Längsachse und leitet die Kraft mittels einer definierten Zahngeometrie über Kontaktpressung großflächig in den umgebenden Beton. Diese materialgerechte Lasteinleitung begründet die hohe statische und dynamische Tragfähigkeit von Zahnleisten. Zahnleiste wurde bereits vereinzelt in Bauwerken eingesetzt. Ihr Berechnungsansatz beruhte bisher nur auf theoretischen Modellen. Die Versuchsergebnisse erweitern und präzisieren die Ingenieurmodelle und bieten gleichzeitig einen Ansatz für ein Bemessungskonzept. Zahnleiste können in der Mitte oder am Rand der Schiebe eingebaut werden sowie in Scheiben mit Längsdruck oder –zugbelastung. Daraus ergeben sich 4 unkonventionelle Probekörper, die in eigens dafür entwickelten Prüfständen getestet werden. In druckgestützten Scheiben erreichen Zahnleisten erwartungsgemäß höhere Traglasten als in zugverankerten Scheiben. Die Lage der Leiste in der Mitte oder am Rand der Scheibe hat nur geringe Unterschiede in der Tragfähigkeit zur Folge, wenn die besonderen konstruktiven Randbedingen und Bewehrungsführungen am Scheibenrand beachtet wird. Von der Verzahnung entlang der Leistenflanken strahlt ein fächerartiges Betondruckfeld in die Scheibe. Dessen traglastbestimmende Hauptdruckspannungen sind an der Leistenspitze flach und am Leistenende steil geneigt. Die Neigungsmessungen zeigen dabei gute Übereinstimmungen mit linear-elastischen Scheibenberechnungen, selbst unter steigender Last. Die Vorbemessung von Verbindungsbereichen mit Zahnleiste kann deshalb mit Stabwerkmodellen erfolgen, deren Schubkraftverteilung und Druckfeldneigung aus einer linear-elastischen FE- Rechnung übernommen werden. Die traglastbestimmende Betondruckfestigkeit hängt dabei von der Querdehnung des Betons im Druckfeld ab. Basierend auf Messungen der Querdehnungen im Betondruckfeld wird für jede der vier Einbausituationen ein Beiwert zur Abminderung der Betonfestigkeit angegeben. Verbindungen mit Zahnleisten sind wegen der großflächigen Lasteinleitung über Betondruckspannungen sehr steif aber sie versagen spröde. Der Ermüdungswiderstand wird zunächst für die Verzahnung selbst bestimmt. Dazu werden Betonprismen mit geneigt einbetonierten Zahnleisten dynamisch belastet. Die spezielle, symmetrische Einheitsgeometrie der Verzahnung stützt sämtliche Druckfeldneigungen verlustfrei ab. Selbst Richtungswechsel sind möglich, wobei sich dann die Druckfelder und zugehörigen Risse der jeweiligen Belastungsrichtung in der Scheibe kreuzen. Zum einfachen Test von dynamischen Wechselbeanspruchen werden Kreuzprismen mit Zahnleiste entwickelt und erfolgreich eingesetzt. In allen Prismenversuchen erreicht die Zahnleiste unter Fmax = 0,70ꞏFu,0 und Fmin = 0,20ꞏFu,0 die Dauerfestigkeit nach 5,2ꞏ10^6 Lastspielen. Die anschließend ermittelte Resttragfähigkeit entspricht immer der ursprünglichen Traglast. Ermüdungsversuche für die vier speziellen Einbausituationen werden an ganzen Stahlbetonscheiben durchgeführt. Im ersten Druckschwellversuch einer Stahlbetonscheibe mit Zahnleiste wird durch hohe Lastgrenzen ein Ermüdungsversagen im Beton provoziert. Ein weiterer Druckschwellversuch und zwei Zugschwellversuche erreichen unter praxisrelevanten Lasten (Fmax = 0,50ꞏFu,0, Fmin = 0,20ꞏFu,0) die Dauerfestigkeit. Auch hier entspricht die Resttragfähigkeit der ursprünglichen Traglast. Im Stahl selbst tritt nie ein Ermüdungsversagen auf. Für die Ermüdungsnachweise der Zahnleistenverbindung im Schwelllastbereich können die Regeln des Eurocode 2 für Beton angewandt werden. Für den Wechsellastbereich können jedoch keine abgesicherten Aussagen getroffen werden. Dazu sind weitere Forschungen nötig.
Publications
- “Experimentelle und nummerische Untersuchungen an Hochleistungsverbindungen mit Zahnleisten”, Dissertation, Technische Universität Berlin, Shaker-Verlag, 2013
J. Tandler
- “3D non-linear FE model for a high capacity sawtooth connector”, International Association for Bridge and Structural Engineering 2017 – IABSE Symposium Report, Vancouver 2017, pp. 2659–2666
H. Al-kroom, V. Schmid, A. Reimer
(See online at https://doi.org/10.2749/vancouver.2017.2667) - “Experimental research on concentrated load transfer between steel and slender reinforced concrete slabs by high performance saw-tooth connectors”, IABSE Symposium Report -Vancouver, 109-51 2017, pp. 1090–1097
A. Reimer, V. Schmid, H. Al-kroom
(See online at https://doi.org/10.2749/vancouver.2017.1098) - “The Saw-Tooth Connector. An Effective Joint-Element for Slender Concrete Decks.” Footbridge 2017 Berlin - Tell A Story: Conference Proceedings 6- 8.9.2017 TU-Berlin
A. Reimer, V. Schmid, H. Al-kroom
(See online at https://doi.org/10.24904/footbridge2017.09618) - “Simulation and Explanation of the Loadbearing Behavior of High Capacity Saw Tooth Connections,” Dissertation, Technische Universität Berlin, 2018
H.F.F. Al-Kroom
- „Experimental and numerical investigation on the saw-tooth connector subjected to compressive load”, Journal of Constructional Steel Research, Volume 178, 2021
H. Al-kroom, A. Reimer, Y. Alghrir, M. Thneibat, V. Schmid
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2020.106485)
