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Schubtragverhalten von Verbunddübelleisten bei Stahlverbundträgern im Brandfall


Meyer, Patrick Dieter
Hannover (Deutschland)
Selbstverlag
2022, 283 S., Abb., Tab., Lit.

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[Quelle: https://d-nb.info]

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Die Berücksichtigung der Aspekte der Wirtschaftlichkeit, der Resourcenschonung und der nachhaltigen Nutzung von Gebäuden sind neben den konstruktiven und brandschutztechnischen Anforderungen für horizontale Tragelemente von Gebäuden essentiell, um eine nachhaltige Bauweise zu realisieren. Nachhaltige Bauweisen für horizontale Tragelemente sind Verbundträger oder multifunktionale Deckensysteme mit Verbundübelleisten (VDL). Im Gegensatz zu den etablierten Kopfbolzendübeln (KBD) ist die Herstellung von VDL effizienter, es können schlankere Betongurte realisiert werden und zugleich können höhere Schubkräfte in der Verbundfuge mit VDL übertragen werden. Dennoch werden im Hochbau in der Baupraxis in der Regel KBD bei Verbundträgern verwendet, da eine Bemessung der Schubtragfähigkeit der VDL im Brandfall aufgrund einer fehlenden experimentellen Datenbasis mit den derzeitigen technischen und normativen Regelungen nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist für die Genehmigung eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich. Die bisherigen experimentellen Untersuchungen und numerischen Simulationen zum Schubtragverhalten der VDL sind ausschließlich auf Raumtemperaturbedingungen begrenzt. Zur Bewertung des Schubtragverhaltens der VDL im Brandfall und für ein vertieftes Verständnis der Tragcharakteristiken der VDL im Brandfall werden in dieser Forschungsarbeit experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen durchgeführt und analysiert. Zusätzlich wird für die Ingenieurpraxis basierend auf diesen ein Bemessungsvorschlag für eine vereinfachte Ermittlung der Schubtragfähigkeit der VDL im Brandfall abgeleitet. Dafür wird mit 30 Push-out-Versuchen und zwei großmaßstäblichen Untersuchungen der Temperatureinfluss auf das Schubtragverhalten der VDL bewertet sowie der Einfluss des Schubtragverhaltens am Tragverhalten eines Verbundträgers im Brandfall analysiert. In den Push-out-Versuchen zur Schubtragfähigkeit ist ein Stahlversagen der VDL bei Raumtemperaturbedingungen und im Brandfall aufgetreten. Aus den Push-out-Versuchen mit homogenen Temperaturfeldern wird abgeleitet, dass der Versagensmechanismus des Stahlversagens sich mit zunehmender Verbundmitteltemperatur nicht verändert. Des Weiteren resultiert aus den Push-out-Versuchen, dass sich der Einfluss der Anzahl der Querstäbe auf die Schubtragfähigkeit mit zunehmender Verbundmitteltemperatur reduziert. Außerdem wird nahezu ausschließlich bei Raumtemperaturbedingungen ein Anteil der Schubtragfähigkeit über Reibung übertragen. In den großmaßstäblichen Untersuchungen wird das Tragverhalten des Verbundträgers nicht durch das Schubtragverhalten der VDL beeinflusst, da kein Schlupf in der Verbundfuge aufgetreten ist. Basierend auf den wissenschaftlich etablierten Modellierungsansätzen sowie Materialformulierungen wird ein allgemeingültiges numerisches Modell entwickelt, mit dem das Schubtragverhalten der VDL im Brandfall für die Versagensmechanismen Stahlversagen und Ausstanzen des Betons beschrieben werden kann. Auf Basis der Bewertung der Push-out-Versuche wird geschlussfolgert, dass bei dem Versagensmechanismus Stahlversagen unabhängig vom Temperaturfeld der kritische Schnitt, der sich oberhalb des Dübelfußes befindet, maßgebend für die Schubtragfähigkeit der VDL ist. Aus diesem Grund wird mit dem numerischen Modell ausschließlich der Einfluss eines Temperaturgradienten auf den Versagensmechanismus Ausstanzen analysiert. Der Temperaturgradient beeinflusst den charakteristischen Beanspruchungszustand - den Ausbruchkegel - des Versagensmechanismus des Ausstanzens des Betons nicht. Infolge der Brandbeanspruchung wird die Schubtragfähigkeit der VDL mit einem Ausstanzversagen reduziert. Auf Grundlage der Erkenntnisse der experimentellen Untersuchungen und numerischen Simulationen wird ein Bemessungsvorschlag zur vereinfachten Ermittlung der Schubtragfähigkeit von VDL im Brandfall abgeleitet, mit dem auf Basis der geometrischen Abmessung der VDL in Abhängigkeit der Feuerwiderstandsdauer die Bemessung der Schubtragfähigkeit der VDL erfolgen kann. Damit wird im Zuge dieser Forschungsarbeit ein für die Ingenieurpraxis anwendbares Modell entwickelt, um die Vorteile der VDL nutzen zu können.




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Größer, höher, weiter? so lauten die Anforderungen an den konstruktiven Ingenieurbau der heutigen Zeit. Zur Umsetzung dieser Ziele im modernen Stahlleichtbau spielt die Weiterentwicklung hochfester Baustähle eine entscheidende Rolle. Stahlsorten mit Streckgrenzen von bis zu 1300 N/mm² bieten hohe Festigkeiten in Kombination mit ausreichender Zähigkeit und guter Schweißeignung. Für den Kran- und Anlagenbau werden dadurch höhere Beanspruchbarkeiten bei gleichzeitig geringerem Eigengewicht der Konstruktion ermöglicht. Durch den Einsatz höchstfester Feinkornbaustähle können die Traglast und damit auch die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion erhöht werden. Für die Ermüdungsbemessung kann die höhere statische Festigkeit nach derzeit gültigen Normen und Regelwerken nicht zum Ansatz gebracht werden. Insbesondere im Kranbau wird für die Ermüdung der Lastspielzahlbereich unter 50.000, aber dafür mit verhältnismäßig hohen einzelnen Beanspruchungen, maßgebend. Hier stellt sich die Frage, ob die höhere statische Festigkeit der höchst- und ultrahochfesten Stähle im Kurzzeitfestigkeitsbereich zum Tragen kommt und in wie weit diese angesetzt werden kann. Innerhalb dieser Arbeit wird das so genannte Low-Cycle-Fatigue-Verhalten moderner höchst- und ultrahochfester Feinkornbaustähle mit Nennfestigkeiten bis 1100 N/mm² im Schweißzustand untersucht und beschrieben. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Abgrenzung des elastischen zum vorwiegend plastischen Materialverhalten und die Grenzen der Anwendbarkeit der rein elastischen Bemessung. Am Ende werden Empfehlungen zur Bemessung auf Basis der Nennspannungs-, Strukturspannungs- und Kerbspannungsmethode ausgesprochen. Damit können Schweißdetails aus höchstfestem Stahl im Kurzzeitfestigkeitsbereich elastisch bemessen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse erlauben eine genauere Bemessung, die eine wirtschaftliche Anwendung höchstfester Feinkornbaustähle ermöglicht.; Higher, wider, further... so are the requirements for structural engineering today. To achieve these objectives in modern st


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Filigrane, materialsparende, festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen aus Metall gewinnen zunehmend an Bedeutung. Durch solche Strukturen ist es nicht nur möglich individuelle Ästhetik in Bauwerke einfließen zu lassen oder ikonenhafte architektonische Meisterwerke zu kreieren, sondern auch beanspruchungsoptimierte bautechnische Lösungen in Anlehnung an die Natur (Bionik) zu generieren. Die Motivation eine leichte Knotenstruktur mit maximaler Tragfähigkeit herzustellen ist häufig mit dem Wunsch eines minimalen und angepassten Materialeinsatz sowie geringen Herstellungskosten gepaart. Die Untersuchung erfolgt sowohl an numerischen als auch an realen Modellen. Anhand der numerischen, parametrischen Modelle können eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle differierender Systemspezifikationen untersucht und hinsichtlich Tragfähigkeit der Knoten aus Stahl bewertet werden. Die Verifikation und Validierung der numerisch ermittelten Ergebnisse erfolgt über begleitende experimentelle Belastungstests an räumlichen Modellen. Anhand eines Demonstrators konnte gezeigt werden, dass die Abbildung des Herstellungsprozesses unter Verwendung von gewissen Vereinfachungen mittels Schweißstruktursimulation möglich ist. Die experimentell ermittelten Materialkennwerte für die Schweißzusatzwerkstoffe ermöglichen es, die Tragwerkknoten beanspruchungsgerecht zu dimensionieren. Mit Hilfe von Demonstratoren konnte die Herstellbarkeit topologieoptimierter Tragwerkknotens mittels WAAM gezeigt werden.


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Ein neuer Ansatz zur Ertüchtigung von Stahlkonstruktionen ist die klebetechnische Applikation von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). In die Klebverbindung integrierte sehr dünne faseroptische Sensoren können hier helfen neue Detailkenntnisse zu den Verbundeigenschaften insbesondere zu dem Klebfugenverhalten unter komplexen Umgebungsbedingungen und Belastungen zu erlangen. Die Untersuchungen an den Stahl-CFK-Klebverbindungen und CFK-verstärkten Bauteilen mit in der Klebfuge integrierten faseroptischen Sensoren verdeutlichen, dass während der mechanischen und thermisch-hygrischen Belastung der Stahl-CFK-Klebverbindungen sehr genau und ortsauflösend lokale Dehnungen sowie inhomogene Dehnungszustände in Sensorfaserrichtung in der Klebfuge ermittelt werden können. Mit der Fasersensorik können somit tatsächliche Dehnungszustände und eine Schädigung des Verbundes in Form einer Delamination ortsaufgelöst und in Echtzeit detektiert werden. Die Ergebnisse des Vorhabens liefern somit einen neuen Ansatz für die Optimierung von strukturellen Klebverbindungen auf Basis einer Detailanalyse der Klebfugen.


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Ausgehend von einer Datenbasis mit ca. 300 Push-Out Tests konnte gezeigt werden, dass die normative Regelung in DIN 18800-5 zur Bestimmung der Kopfbolzentragfähigkeit in Trapezblechsicken (senkrecht zum Träger) zum Teil ungenügende Ergebnisse liefert. So berücksichtigt die Regel in DIN 18800-5 die Haupteinflussparameter Einbindetiefe, Profilblechgeometrie, Kopfbolzenposition nur unzureichend. Bestehende Modelle aus der Literatur versuchen unter Berücksichtigung dieser Parameter sowie der vorhandenen Versagensmechanismen die Kopfbolzentragfähigkeit bei Verwendung von Trapezblechprofilen zu bestimmen. Der Vergleich dieser Modelle mit den Versuchen der Datenbasis lieferte teilweise bessere Ergebnisse im Hinblick auf Genauigkeit und dem geforderten Sicherheitsniveau. Manche Modelle sind jedoch sehr komplex in ihrer Anwendung und für die Praxis nur bedingt geeignet. Auch musste festgestellt werden, dass die qualitativ guten Modelle teils sehr strikte Anwendungsgrenzen haben und somit einen kleinen Anwendungsbereich. Aus diesem Grund wird mit Hilfe einer FE-Parameterstudie ein eigener Vorschlag zur Bestimmung der Kopfbolzentragfähigkeit bei Verwendung von senkrecht zum Träger spannenden Trapezblechen gemacht. Im Vergleich zu den meisten Ansätzen und Modellen zeigte der eigene Ansatz eine bessere Übereinstimmung zwischen Versuch und rechnerischer Tragfähigkeit sowie einen ausreichend großen Anwendungsbereich.


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Anlass: Schrauben der Größenordnung M48 in Ringflanschverbindungen von modernen Windenergieanlagen (WEA) erfahren Ermüdungsbeanspruchungen aus kombinierten Axial- und Biggespannungen bei über 10 hoch 9 Schwingspielen. Dem Nachweis gegen Ermüdung kommt daher eine große Bedeutung zu. Der im Hochbau für den Nachweis maßgebende EN 1993-1-9 ordnet Schrauben bei Beanspruchungen in Axialrichtung die Wöherllinie der Kerbgruppe 50 zu. Für Durchmesser größer M36 ist diese Wöhlerlinie allerdings nicht abgesichert. Für Schrauben unter reiner Biegebelastung existieren keine Ermüdungsfestigkeitskurven. Ziel: Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Erstellung von Wöhlerlinien für hochfeste Schrauben des Durchmessers M48 unter Axial-, und Biegebeanspruchungen zur Absicherung bzw. Erweiterung der vorhandenen Richtlinien. Arbeitsplan: 1. Vorversuchsreihe zur Kalibrierung der Messeinrichtung. 2. Schwingversuche im Zeitfestigkeits- und Übergangsbereich an hochfesten Schrauben M48 unter Axialbeanspruchung. 3. Schwingversuche Im Zeitfestigkeits- und Übergangsbereich an hochfesten Schrauben M48 unter Biegebeanspruchung. 4. Statistische Auswertung der Schwingversuche und Erstellung der Wöhlerlinien 5. Schlussbericht. Durchführung: Zur Bestimmung des Zeitfestigkeitsbereichs werden auf zwei Lasthorizonten Schwingversuche mit jeweils 10 Probekörpern durchgeführt. Der Übergangsbereich zur Dauerfestigkeit wird über Schwingversuche mit 30 Probekörpern bestimmt. Als Grundlage für die zu erwartenden Schwingspielzahlen werden für Axialbeanspruchung die Kerbgruppe 50 und für Biegebeanspruchung die Kerbgruppe 71 herangezogen. Die Erstellung der Wöhlerlinien erfolgt im Anschluss durch eine statistische Auswertung der Messergebnisse und liefert als Streubreite die 10-, 50- und 90-prozentige Bruchwahrscheinlichkeit p. Ergebnis: Ergebnis sind die Wöhlerlinien für Schrauben des Durchmessers M48 unter Axial- und Biegebeanspruchung.


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Der Verwendbarkeitsnachweis dübelartiger Verbindungselemente für Verbindungen an Hohlprofilen und anderen rückseitig schwer zugänglichen Konstruktionen ist durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung zu erbringen. Bei den genannten Verbindungselementen erfolgt die Fixierung durch Spreizung einer Hülse mittels eines im unzugänglichen Bereich der Verbindung liegenden Konus. Infolge der auf der unzugänglichen Seite fehlenden Auflage ergeben sich bei querkraftbeanspruchten dübelartigen Verbindungen unter Gebrauchslastniveau zwangsläufig größere Verformungen als bei Verbindungen mit rohen Schrauben oder gar Passschrauben. Andererseits führt die sich spreizende Hülse zu einer Verklemmung im Bohrloch, die die Verformungen behindert. Erneute Fragestellungen zum Trag- und Verformungsverhalten der o.g. Verbindungselemente haben sich insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung dieser Verbindungselemente bei der Kattwykbrücke in Hamburg ergeben. Bei den dort ausgeführten Anschlüssen traten große und von den Ausführenden nicht erwartete Verformungen auf, deren Einfluss auf die tatsächliche Tragfähigkeit der Anschlüsse unklar blieb. In Rahmen des Forschungsprojekts wurde das Trag- und Verformungsverhalten und somit auch die Gebrauchstauglichkeit dübelartiger Verbindungen im Stahlbau untersucht.


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