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Literatur : [ Stahl/Werkstoffe allg. | Guß (Alu/Stahl) | Bearbeitung/Umformung ]

Zur Erfassung der Rissbreiten an durchlaufenden Stahlverbundträgern mit Teil- und Ganzfertigteilen


Matthias Mager: Zur Erfassung der Rissbreiten an durchlaufenden Stahlverbundträgern mit Teil- und Ganzfertigteilen

Shaker Verlag, Aachen 2018

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Riss- und Verformungsverhalten von Fertigteilverbundträgern. Die Verwendung von Teil- und Ganzfertigteilen in den Gurten von Stahlverbundträgern ermöglichen es, die bekannten Vorteile der Fertigteilbauweise für den Verbundbau auszunutzen. Das Tragverhalten dieser Bauweisen unterscheidet sich im Gebrauchszustand vor allem aufgrund der Querfugen in wesentlichen Aspekten von dem herkömmlicher Verbundträger und kann mit den bekannten Rechenmodellen für herkömmliche Verbundträger mit reinem Ortbetongurt nicht-zutreffend erfasst werden. Ein Vorteil, der aus dieser Arbeit heraus resultiert, ist, dass in ihrem Rahmen analytische Berechnungsverfahren entwickelt werden, mithilfe derer das Riss- und Verformungsverhalten von Fertigteilverbundträgern beschrieben werden kann.

Vorteile des Verbundbaus zeigen sich zum Beispiel bei einfeldrigen Trägersystemen

Dank der Auswertung umfangreicher numerischer Untersuchungen zeigt sich, dass sich Rissentstehung, Rissentwicklung und Verformungen zutreffend erfassen lassen. Die gefundene Lösung ist konsequent an den bestehenden Berechnungsansätzen orientiert, sodass für die praktische Anwendung eine Bemessung in der aus den technischen Regelwerken bekannten Weise durchgeführt werden kann. Rissentstehung, Rissentwicklung und Verformungen lassen sich zutreffend erfassen wie der Vergleich mit durchgeführten Bauteilversuchen zeigt. Vorschläge und ergänzende Hinweise zu Konstruktion und Bemessung ergänzen diesen Teil der Untersuchung. Vorteile des Verbundbaus zeigen sich bei einfeldrigen Trägersystemen, bei denen Druck im Beton und Zug im Stahlträger entsteht. Zugbeanspruchungen des Betongurtes und im Regelfall Rissbildung sind die Folgen der Erweiterung auf durchlaufende Systeme und Rahmentragwerke, wie es im Brückenbau aus rein systemimmanenten Anforderungen und im Hochbau zur Reduzierung der Feldmomente nötig ist.

Rechnerische Nachweise sind vonnöten

Im Rahmen der Bemessung muss dies unmittelbar durch rechnerische Nachweise der Rissbreitenbegrenzung sowie mittelbar durch die Berechnung von Verformungen und Schnittkräften belegt werden. Aus der Analyse der Voraussetzungen für die Anwendung der herkömmlichen Rechenmodelle und der fertigteilspezifischen Besonderheiten ergeben sich diverse offene Fragestellungen. Vor Fertigstellung der Arbeit gab es keine allgemeingültigen Untersuchungen, ob und in welcher Form sich Fertigteilverbundträger im Innenstützenbereich hinsichtlich der Rissbildung von herkömmlichen Verbundträgern unterscheiden und mit den bekannten Rechenmodellen ausreichend sicher beschrieben werden können.

Ziel der vorliegenden Arbeit

Ziel der Arbeit ist die Analyse des abweichenden Tragverhaltens von Fertigteilverbundträgern und die Entwicklung geeigneter Berechnungsansätze, mit denen die spezifischen Besonderheiten im Riss- und Verformungsverhalten unter Gebrauchslasten erfasst und diese Bauweise in das bekannte Berechnungs- und Nachweiskonzept eingeordnet werden kann. Von der Materialverwendung her wird deutlich, dass das Tragverhalten eines Verbundträgers im Gebrauchszustand vor allem durch die Einschränkungen und Besonderheiten des Verbundpartners Beton beeinflusst wird. Auf dessen Eigenschaften geht Kapitel 2 ausführlich ein. Kapitel 6.1 geht näher auf die Betongüte ein. Besserer Beton bewirkt infolge höherer effektiver Steifigkeit und Verbundfestigkeit geringere Krümmungen und Rissbreiten.

Maßgebend ist die Betongüte der Ortbetonergänzung

Gleichzeitig nimmt die Beanspruchung im gerissenen Betongurt zu, sodass der Einfluss auf die Entwicklung der Rissbreiten etwas abgedämpft wird. Das Betongütenverhältnis ist für Risszeitpunkt und Erstrissbreiten weitgehend unerheblich. Maßgebend ist die Betongüte der Ortbetonergänzung. Entsprechend wird auch die Größe der Rissbreiten in der Ortbetonschicht vor allem von den Verbundeigenschaften des Ortbetons bestimmt. Nähere Details schildert das genannte Kapitel im Ganzen.

Zwischenfazit/Technik

Für die Bauweise generell lässt sich feststellen, dass sie, verbunden mit Fertigteilverbundträgern, eine wichtige Anwendung für den Stahl- und Verbundbau darstellt. Das spezifische Tragverhalten wird dabei normativ derzeit nur eingeschränkt erfasst. Die Abmessungen der Fertigteilplatten sind infolge der technologischen Randbedingungen bei Fertigung, Transport und Montage nur begrenzt. Die Verbundwirkung zwischen Fertigteilen und Stahlträgern muss nachträglich durch das Einbringen einer Ortbetonergänzung als Aufbeton und/oder als Fugenverguss hergestellt werden. In den Gurten von Fertigteilverbundträgern führen die geometrischen und materiellen Unstetigkeiten infolge dieser Längs-, Quer- und Verbundfugen zu abweichendem Tragverhalten im Vergleich zum herkömmlichen durchlaufenden Verbundträger mit reiner, obenliegender Ortbetonplatte.

Bei Verwendung von Teil- und Ganzfertigteilen müssen daher zur Beschreibung der Rissbildung und des Verformungsverhaltens ergänzende Überlegungen angestellt werden, um das für reine Ortbetongurte abgeleitete Rechenmodell Erstrissbildung – abgeschlossene Erstrissbildung in erweiterter Form anwenden zu können. Kapitel 4 zeigt die wesentlichen Fragestellungen hierzu auf und arbeitet die erforderlichen Lösungsansätze zur Problemstellung heraus.

Praktische Anwendungsbeispiele ergänzen die Berechnungen

Hier wird außerdem, getrennt sowohl für die Anwendungsfälle Teil-, als auch Ganzfertigteilträger, in allen Beanspruchungszuständen und für alle Trägerbereiche zunächst die Bestimmung der Stahlspannungen im Riss und der resultierenden Rissbreiten hergeleitet. Anschließend wird die Darstellung des mittleren Bauteilverhaltens durch die jeweilige Momenten-Krümmungsbeziehung in zusammenfassender Form beschrieben. Anwendungsbeispiele für typische Querschnitte des Brücken- und Hochbaus schließen die Beschreibung des jeweiligen Berechnungsmodells ab. Ein entsprechendes Anwendungsbeispiel findet sich in Kapitel 4.3.4, exemplarisch dargestellt für jeweils einen typischen Brückenbau- und Hochbauquerschnitt. Bauteilversuche an Verbundträgern mit Fertigteilen und deren Ergebnisse schildert Kapitel 5, Versuche an Teilfertigteilträgern Kapitel 5.2, Versuche an Ganzfertigteilträgern das nachfolgende Kapitel 5.3.

Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Arbeit werden umfassende Untersuchungen zum Rissverhalten von Fertigteilverbundträgern präsentiert. Das Tragverhalten dieser Bauweise unterscheidet sich im Gebrauchszustand vor allem aufgrund der Querfugen in wesentlichen Aspekten von herkömmlichen Verbundträgern und kann mit den bekannten Rechenmodellen nicht-zutreffend erfasst werden. Ziel und Neuigkeitswert dieser Arbeit war und ist es, entsprechende Berechnungsmodelle zu entwickeln, mit denen nach Möglichkeit auf Grundlage der bestehenden Rechenverfahren die Rissentstehung und -entwicklung unter Gebrauchslasten beschrieben werden kann. Risstheorien und Materialverhalten des Werkstoffs Betons werden überdies genauer beschrieben. Beide hier festgestellte und relevante Risstheorien und vor allem der Übergang von der genauen zur vereinfachten Methode werden ausführlicher beschrieben. Das vereinfachte Verfahren besitzt den Vorteil, dass die Beanspruchungen im Verbundträgergurt und die Rissbreiten mithilfe eines mittleren Bauteilverhaltens sowie gemittelter Werte für Dehnungen und Verbundspannungen in der Risseinflusszone bestimmt werden können. Es hat sich daher für die praktische Anwendung durchgesetzt und stellt den Stand der Technik dar. Entsprechende technische Regelwerke und Nachweise werden in der Arbeit erläutert.

Zugewinn: Der Ingenieur kann eine Bemessung in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit durchführen

Auf die Herleitung der Berechnungsmodelle folgt die Beschreibung umfangreicher experimenteller Untersuchungen an mehreren Stahlverbundträgern mit unterschiedlicher Konstruktion des Betongurtes. Die Nachrechnung der Versuchsergebnisse zeigt, dass das Riss- und Verformungsverhalten von Fertigteilverbundträgern mit den entwickelten Berechnungsmodellen zutreffend erfasst wird. Es schließen sich weitere rechnerische Untersuchungen an, mit denen durch systematische Variation ausgewählter Eingangsgrößen der Berechnungsmodelle deren Einfluss auf das Riss- und Verformungsverhalten untersucht wird.

Jegliche im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten Berechnungsansätze sind konsequent an den Grundansätzen des bestehenden Berechnungsmodells für herkömmliche Verbundträger orientiert. Vorteilhaft ist, dass sich damit auch die Bemessungsansätze aus den technischen Regelwerken in allgemeiner Form anwenden lassen. Vorgehensweise und Systematik der Berechnungsmodelle werden zusammengefasst, praktische Hinweise gegeben. Wichtigstes Ergebnis ist, dass der entsprechende, sich mit dem Gegenstand des Faches auseinandersetzende Ingenieur die Möglichkeit und Gelegenheit erhält, mit Hilfe der hier vorgestellten Methoden der Teil- und Ganzfertigteilverbundträger eine Bemessung in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit durchzuführen.

Weiterer Forschungsbedarf besteht

Somit stellt die Arbeit eine erste umfassende Untersuchung zu ausgewählten Fragestellungen des Riss- und Verformungsverhaltens von Fertigteilverbundträgern dar und bietet darüber hinaus noch weiteres Forschungspotential zur detaillierteren Untersuchung einzelner der hier genannten Aspekte.

Erhältlich bei

Shaker-Verlag Amazon
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