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Forschungsbericht: Längsschubbeanspruchung bei Verbundträgern mit liegenden Kopfbolzendübeln im Hochbau. Schlussbericht

Längsschubbeanspruchung bei Verbundträgern mit liegenden Kopfbolzendübeln im Hochbau. Schlussbericht
Ulrike Kuhlmann, Ulrich Breuninger
Univ. Stuttgart, Institut für Konstruktion und Entwurf I
1999, 170 S., Abb.,Tab.,Lit.
Fraunhofer IRB Verlag

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Kurzbericht [PDF] deutsche Version
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Inhalt

Werden bei Verbundträgern die Kopfbolzendübel in der Betonplatte liegend angeordnet, dann wirkt bei einer Längsschubbeanspruchung der Verbundfuge Spaltzug in Plattendickenrichtung. Durch den Spaltzug entstehen Risse. Im Gegensatz zum stehenden Kopfbolzendübel wird die Rissbildung nicht behindert, da die Ausdehnung der Platte in Dickenrichtung sehr begrenzt und eine Netzbewehrung in Dickenrichtung nicht vorhanden ist. Neben den Kopfbolzenabmessungen hat die Dicke der Platte bzw. der Randabstand des Dübels entscheidenden Einfluss auf die Tragfähigkeit der Verbindung. Auch der Achsabstand der Dübel untereinander wirkt sich auf die Tragfähigkeit aus. Zusätzlich beeinflussen die Größe und Lage der Bewehrungsstähle die Tragfähigkeit. Zur Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Konstruktionsparameter auf die Tragfähigkeit mittig in Betonplatten eingebauter, liegender Kopfbolzendübel werden Versuche und Finite-Elemente-Untersuchungen durchgeführt. Es wird eine Gleichung zur Bestimmung der Tragfähigkeit mittig in Betonplatten eingebauter, liegender Kopfbolzendübel unter Längsschubbeanspruchung in Abhängigkeit verschiedener Parameter entwickelt. Darauf aufbauend wird eine Gleichung zur Ermittlung des Bemessungswiderstandes nach Eurocode 4 vorgeschlagen. Die Duktilität mittig in Betonplatten eingebauter, liegender Kopfbolzendübel überschreitet die Anforderungen nach Eurocode 4 bei weitem.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Definition von liegenden Kopfbolzendübeln 8
1.2 Möglichkeiten zur Anwendung von liegenden Kopfbolzendübeln im Hochbau 8
1.3 Gegenstand der Untersuchungen 9
2 Stand von Wissenschaft und Technik
2.1 Allgemeines 12
2.2 Kopfbolzendübel im Verbundbau 12
2.3 Kopfbolzendübel in der Befestigungstechnik 19
2.4 Bewertung der vorhandenen Untersuchungen im Hinblick auf liegende Kopfbolzendübel 22
3 Gestaltung der Versuchskörper
3.1 Ausbildung von Stahlbetondeckenplatten im Hochbau 24
3.2 Randbedingungen der Versuchskörperreihen 24
3.3 Gliederung der Versuche 25
4 Durchführung der Versuche
4.1 Versuchsablauf 27
4.2 Messeinrichtungen 27
4.3 Werkstoffkennwerte 29
4.3.1 Werkstoffkennwerte des Betons 29
4.3.2 Werkstoffkennwerte des Betonstahls 32
4.3.3 Werkstoffkennwerte der Kopfbolzendübel 32
4.4 Toleranzen der Fertigung 33
5 Versuchsbeschreibung
5.1 Allgemeines 35
5.2 Versuchsverlauf 36
5.3 Last-Verformungsmessungen 43
5.3.1 Schlupf der Verbundfuge 43
5.3.2 Dickenänderung der Stahlbetonplatte 44
5.3.3 Distanzänderung der Betonplatten 44
5.4 Dehnungsmessungen 44
5.4.1 Allgemeines 44
5.4.2 Messungen an den Kopfbolzendübeln 45
5.4.3 Messungen an den Bügeln 47
6 Auswertung der Versuche
6.1 Allgemeines 50
6.1.1 Vergleich der Versuchstragfähigkeiten mit den theoretischen Tragfähigkeiten für stehende Dübel 50
6.1.2 Vergleich der Versuchstragfähigkeiten mit den theoretischen Tragfähigkeiten am Betonplattenrand liegender Dübel 51
6.1.3 Tragverhalten der Verbundfuge 52
6.1.4 Beanspruchungsverteilung in der Dübelreihe 55
6.1.5 Normalkraft- und Biegebeanspruchung in den Kopfbolzendübeln 55
6.2 Einzelne Versuchsparameter 56
6.2.1 Betongüte 56
6.2.2 Randabstand der Kopfbolzendübel 57
6.2.3 Achsabstand der Kopfbolzendübel 59
6.2.4 Durchmesser der Kopfbolzendübel 60
6.2.5 Durchmesser der Bügelbewehrung 61
6.2.6 Anzahl der Bügel pro Kopfbolzendübel und Form der Bügel 61
7 Untersuchungen mit der Methode der Finiten Elemente
7.1 Allgemeines 63
7.2 Grundlagen des Programms 63
7.2.1 Richtungsinteraktion in der Rissprozesszone 63
7.2.2 Räumliche Interaktion in der Rissprozesszone 64
7.2.3 Maßstabseffekt von Beton- und Stahlbetonkonstruktionen 64
7.3 Verwendete Finite Elemente Modelle 65
7.3.1 Allgemeines 65
7.3.2 Geometrie und Randbedingungen des Elementnetzes 65
7.3.3 Materialeingaben 66
7.4 Qualitative Bewertung der Untersuchungen 67
7.4.1 Allgemeines 67
7.4.2 Kraft-Verschiebungsverlauf 67
7.4.3 Spannungsverläufe 68
7.4.4 Rissentwicklung 69
7.4.5 Beanspruchungsverteilung in der Dübelreihe 70
7.4.6 Zusammenfassung und Vergleich mit den experimentellen Untersuchungen 71
7.5 Einzelne Versuchsparameter 71
7.5.1 Allgemeines 71
7.5.2 Randabstand der Kopfbolzendübel 72
7.5.3 Achsabstand der Kopfbolzendübel 73
7.5.4 Durchmesser der Kopfbolzendübel 73
7.5.5 Durchmesser der Bügelbewehrung 73
7.5.6 Anzahl der Bügel pro Kopfbolzendübel 74
7.5.7 Lage der Bügelbewehrung 75
8 Ergebnisse der Untersuchungen
8.1 Theoretische Tragfähigkeit der Verbundfuge 77
8.2 Duktilität 81
8.3 Bemessungsvorschlag 82
8.4 Vergleich mit der Tragfähigkeit stehender Kopfbolzendübel 83
8.5 Zusammenfassung 84
8.6 Ausblick 84
9 Bezeichnungen 86
1O Literaturverzeichnis 88
Anhang 1 Versuchskörper 91
Anhang 2 Last - Verformungsverläufe, Last - Dehnungsverläufe und Versuchsprotokolle 113
Anhang 3 Maßabweichungen der Versuchskörper 167

Publikationslisten zum Thema:
Dübel, Dübelverbindung, Verbundbau, Kopfbolzendübel, Längsschub, Verbundträger, Spaltzugversuch, Spaltzugkraft, Beanspruchung, Bemessung, Berechnung, Versuch, Stahlbetondecke, Finite-Elemente-Methode, Rissentwicklung,

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Ultrahochfester faserbewehrter Beton birgt sowohl in wirtschaftlicher als auch in ökologischer Hinsicht große Potentiale für den Fertigteilbau. Mit Hilfe dieses innovativen Werkstoffs können gegenüber üblichen Betonbauweisen der Ressourcenverbrauch und die Eigenlasten deutlich reduziert werden, während sich gleichzeitig die Dauerhaftigkeit erhöht. Der Parkhausbau stellt somit ein ideales Anwendungsgebiet für den vielversprechenden Werkstoff dar. Mit dem Forschungsvorhaben konnten die Vorteile von ultrahochfestem faserbewehrten Beton, wie z.B. die exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften sowie die Reduktion von Eigengewicht, für eine Anwendung im Parkhausbau aufgezeigt werden. Das entwickelte Tragsystem aus vorgespannten Längsträgern und filigranen Plattenelementen weißt dabei, bei gleichbleibender Tragfähigkeit, extrem geringe Querschnittsabmessungen auf. Dadurch und aufgrund des entwickelten Fügeprinzips ohne Anschlussbewehrung und Beschichtungen ergäben sich erhebliche Vorteile bei der Verlegung. Aufgrund der exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften kann auf jegliche (im Parkhausbau übliche) Beschichtungen verzichtet werden.

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Anlass: Seit der Einführung des Teilsicherheitskonzeptes werden die bei der Bemessung zu berücksichtigenden Sicherheitsbeiwerte auf die Einwirkung und den Widerstand verteilt, wobei hinsichtlich der anzusetzenden Teilsicherheitsbeiwerte zwischen ständigen und veränderlichen Einwirkungen unterschieden werden muss. Dies führt bei der Bemessung von größeren Tragsystemen aufgrund der nichtlinearen Momenten-Normalkraft Interaktion in der Regel zu einer Vielzahl von zu untersuchenden Einwirkungskombinationen. Die Anzahl der Kombinationen steigt dabei mit der Anzahl der vorhandenen Einwirkungen überproportional an. Zusätzlich ist zu beachten, dass für verschiedene Nachweisstellen eines Bauteils unterschiedliche Einwirkungskombinationen maßgebend werden können. Die Berücksichtigung von verschiedenen Einwirkungskombinationen führt in der Bemessungspraxis zu einer zeitaufwändigen Aufgabe, die mit einer einfachen Handrechnung kaum noch zu bearbeiten ist. Darüber hinaus kann es leicht zu fehlerhaften Bemessungen kommen, wenn aufgrund des steigenden Zeit- und Kostendrucks eine maßgebende Einwirkungskombination vergessen wird. Dies kann die Zuverlässigkeit von Tragstrukturen signifikant beeinflussen, da die normativ definierten Teilsicherheitsfaktoren den Einfluss von menschlichem Fehlverhalten bei der Planung und Ausführung nicht abdecken. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Anzahl der theoretisch möglichen Einwirkungskombinationen für praxisübliche Fälle wissenschaftlich zu analysieren und hinsichtlich ihrer Bemessungsrelevanz zu clustern, um die bemessungsmaßgebenden Kombinationen identifizieren zu können. Dies kann zu einer deutlichen Reduzierung der zu berücksichtigenden Einwirkungskombinationen genutzt werden. Somit kann ein Beitrag zur Rationalisierung und Kostensenkung in der Planung geleistet, die Übersichtlichkeit bei der Berechnung erhöht und eine Verringerung der Fehleranfälligkeit bei der Bemessung von Bauteilen im üblichen Hochbau erreicht werden. - Arbeitsplan und Durchführung: Parameteridentifikation

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Die Verwendung von hochfesten Bewehrungsstählen, die eine um bis zu 1/3 höhere Streckgrenze aufweisen, ermöglicht schlankere Bauteile und damit eine ressourceneffizientere Bauweise. Das Forschungsvorhaben soll die Einsatzbereiche hochfester Bewehrung ermitteln und bewerten sowie durch experimentelle und theoretische Untersuchungen die wissenschaftliche Basis für ihre baupraktische Anwendung schaffen. Weiterhin sind für die Anwendung in der Praxis Bemessungstools bzw. Bemessungshilfen zu erstellen, soweit sie nicht von bestehenden Programmen abgedeckt sind. Von der RWTH werden die Versuchskörper erstellt und getestet. Auf Basis der Versuchsergebnisse und begleitender theoretischer Untersuchungen werden Verbundkennwerte für die hochfesten Stähle bestimmt und Bemessungsregeln zur Biegebemessung, zum Rissbreitennachweis und zur Rotationsfähigkeit hergeleitet. Bei den Untersuchungen der hochfesten Stähle dienen Referenzversuche mit Betonstahl BSt 500S als Vergleichswerte. Zur vertieften Analyse des Verbundverhaltens der hochfesten Stähle sind FE-Berechnungen vorgesehen. Nach Abbildung der Versuche und Kalibrierung der Verbundgesetze sollen numerische Parameterstudien durchgeführt werden, um die Ergebnisse des Forschungsvorhabens auf andere Randbedingungen als in den Versuchen zu übertragen. Die FE-Berechnungen werden sowohl von SAH als auch von der RWTH durchgeführt. Das Institut für Betonbau der TU Graz (Prof. Tue) wird die numerische Abbildung des Verbundverhaltens beratend begleiten. Zur Kalibrierung und Validierung der FE-Modelle dienen die Versuchsergebnisse der RWTH. Damit werden im Forschungsvorhaben Grundlagen für alle Bewehrungsstähle mit den gleichen oder ähnlichen Eigenschaften ermittelt.

Grenzzustände kleiner Rissbreiten in Dichtkonstruktionen aus Stahlbeton unter Berücksichtigung der Anforderungen an Durchflusssicherheit, Nutzungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit

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Grenzzustände kleiner Rissbreiten in Dichtkonstruktionen aus Stahlbeton unter Berücksichtigung der Anforderungen an Durchflusssicherheit, Nutzungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit
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Aus dem vorangegangenen Forschungsvorhaben ergaben sich, begründet durch die geringe Vorhersagegenauigkeit bei kleinen Rissbreiten, erhebliche Zweifel bezüglich der Zuverlässigkeit von Dichtkonstruktionen aus Stahlbeton mit kleinen Trennrissen. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollte daher eine Untersuchung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, beruhend auf dem (semi-)probabilistischen Sicherheitskonzept durchgeführt werden, in dem sowohl die Abweichungen zwischen vorhergesagter und tatsächlich auftretender Rissbreite, als auch die Streuungen auf der Widerstandsseite berücksichtigt werden. Dazu wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, mit dem Ziel Verteilungsfunktionen auf der Widerstandsseite für verschiedenen Aspekte der Dauerhaftigkeit zu finden. Dies ist nur für den Eindringwiderstand gegen wassergefährdende Stoffe gelungen. Des Weiteren wurde aufbauend auf einem Rissdatensatz eine Beziehung zwischen berechneter und tatsächlich auftretender Rissbreite für mehrere Rissbreitenmodelle hergestellt. Mit den so ermittelten Verteilungsfunktionen wurden probabilistische Betrachtungen durchgeführt und Tendenzen hinsichtlich der Zuverlässigkeit bei der Bemessung von Dichtkonstruktionen aufgezeigt. Außerdem wurden Empfehlungen gegeben für weitere Untersuchungen auf dem Gebiet der Rissbreitenvorhersage, insbesondere im Hinblick auf die bei der Berechnung angesetzte Lasteinleitungslänge und die Verbundfestigkeit. Hier sind durch die Untersuchungen Zweifel an dem aktuellen Rissbreitenmodell nach EC2-1 mit Nationalem Anhang entstanden.

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Zeitschriftenartikel

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