Lehrstuhl und Institut für Massivbau

Veranlassung und Zielsetzung

Verbunddübelleisten (VDL) können bei Verbundkonstruktionen aus Stahl und Beton zur Schubkraftübertragung eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um Verbundmittel in Form von hochkant auf den Obergurt des Stahlträgers aufgeschweißten Blechstreifen oder Stegblechen oberflanschloser Stahlprofile, mit nach oben offenen (z.B. Puzzle- oder Klothoidenleisten). Die wesentlichen Vorteile des Verbundmittels VDL gegenüber klassischen Kopfbolzendübeln liegen in der höheren Tragfähigkeit und im ausreichenden Verformungsvermögen auch bei Anwendung hochfester und ultrahochfester Betone. Aufgrund dessen können VDL besonders im Gebiet des Brückenbaus sinnvoll eingesetzt werden.

Bild 1: Verbunddübelleiste im Oberflanschlosen Stahlprofil

Die Versagensformen von Verbunddübelleisten unterscheiden sich in Abhängigkeit von der Art der Belastung. Unter statischen Lasten kann ein Betonversagen in Form von Abscheren, Ausstanzen oder vertikalem Spalten in Betonstegen auftreten, während der Baustahl des Dübels durch kombinierte Scher-Biegebeanspruchung versagt. Unter zyklischer Beanspruchung kann neben Stahlermüdung entweder ein Ausstanzen des Betons nach Erreichen der Ermüdungszugfestigkeit oder eine mehraxiale Betonschädigung auftreten, die im gerissenen Betongurt zum Entweichen von Betonmehl führt. Im Brückenbau treten im größten Teil dynamische Beanspruchungen auf. Das Verhalten der VDL unter Ermüdung spielt somit eine wesentliche Rolle zum Tragverhalten und zur Dauerhaftigkeit der Bauwerke.

Bisher wurden in der Literatur hauptsächlich die Ermüdungsprozesse der Stahlleiste behandelt, während die Betonermüdung weitestgehend unberücksichtigt blieb. Bei ungerissener Stahlleiste resultiert die zyklische Schlupfzunahme aus der Schädigung des mehraxial beanspruchten Betons in den Ausnehmungen der Verbunddübelleiste. Die Annahme eines starren Verbundes, wie sie im Brückenbau vorgeschrieben ist, kann beim Auftreten inelastischen Schlupfes nicht weiter aufrechterhalten werden. Der inelastische Schlupf bewirkt ein Herabsetzen der Verbundwirkung im Verbundträger und eine Zunahme der Teilmomente im Stahlträger bzw. im Betongurt. Hierdurch vergrößern sich die Spannungen im Stahlprofil, wodurch es zur Ermüdungsrissbildung kommen kann. Im Rahmen eines DFG-Projektes wird deswegen im Institut für Massivbau das Ermüdungsverhalten des Betons untersucht.

Bild 2: Inelastischer Schlupf, zyklische Dübelkennlinie und ihre Verwendung in FE- und Stabwerksberechnungen

Experimentelle Untersuchungen

Zur Untersuchung der zyklischen Schlupfzunahme bei Verbunddübelleisten sind zyklische Abscherversuche in einem neuen Versuchsstand durchzuführen. Der neue Versuchstand soll eine möglichst reine Schubbelastung ermöglichen. Für die geplaten Versuche wird die Form der Klothoiden in Stahlblechen eingearbeitet, welche im Weiteren mit Hilfe einer Schraubenverbindung im Versuchsstand eingebaut werden (siehe Bild 3c). Für die Stahlbleche wird die Stahlsorte S355 verwendet. Der Betongurt mit den Abmessungen 40x40x16 cm wird aus Transportbeton der Betonfestigkeitsklasse C30/37 hergestellt und mit hochduktilem Baustahl B500 bewehrt. Dabei kann durch die Wahl einer geringen Betondeckung, einer hohen Stahlfestigkeit in Kombination mit einer geringen Betonfestigkeit und eines möglichst geringen Bewehrungsgrads das gewünschte Versagen in Form vom Ausstanzen des Betons erzielt werden.

Geplant sind im ersten Teil des Projektes 16 SPOT Versuche (Single Push Out Test) und 6 Trägerversuche die im Anschluss zu den SPOT-Versuche stattfinden sollen. Bei den SPOT Versuchen sollen eine Variation der Schwingbreite mit konstanter Oberlast und eine Variation der Oberlast mit konstanter Schwingbreite erfolgen.

Bild 3: Alte Versuchsstände (a und b), neuer Versuchsstand (c)

Versuchsergebnisse

Die Versuche laufen noch zum Zeitpunkt der Erfassung dieses Berichtes und Ergebnisse sind nur teilweise vorhanden. Ein Ermüdungsversagen hat sich in einzelnen Versuchen ergeben. Dabei hat sowohl der Stahl als auch der Beton versagt. Eine Auswertung der vorhandenen Ergebnisse wird im Anschluss zu den Versuchen stattfinden.

Bild 4: Stahlversagen (links), Betonversagen (rechts)

Bild 5: Verlauf des Schlupfs über die Lastwechsel für den dyn_1

Dank

Die vorgestellten Untersuchungen werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert, der an dieser Stelle herzlich gedankt sei.

Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft, 2016-2018

Bearbeiter: Georgios Christou, Martin Claßen

Partner-Institute: RWTH Aachen, Institut für Stahlbau

Literatur

1. Claßen, M.; Hegger, J.: Ausstanzen von Verbunddübelleisten im gerissenen Beton. In: Stahlbau (86), 3/2017, DOI: 10.1002/stab.201710470
2. Deutsches Institut für Bautechnik: Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Verbunddübelleisten, Zulassungsnummer Z-26.4-56, Berlin, 2013.
3. DIN EN 1994 Teil 1-1: Eurocode 4 – Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Stahl und Beton, Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Anwendungsregeln für den Hochbau. Deutsche Fassung: EN 1994 -1-1:2004, 2012
4. Gallwoszus, J.: Zur Ermüdung von Verbundkonstruktionen mit Verbunddübelleisten. Dissertation, Institut für Massivbau, RWTH Aachen, Aachen, 2014.
5. Heinemeyer, S. et al.: Verbundträger mit Puzzleleisten und hochfesten Werkstoffen. In: Stahlbau (81), 8/2012, S. 595-603.
6. Hohberg, R.: Zum Ermüdungsverhalten von Beton. Dissertation, TU Berlin, 2004.