Randnahe Kopfbolzen im Brückenbau

Abstract

Kopfbolzen stellen ein bewährtes und wirtschaftliches Verbindungsmittel zwischen einem Bauteil aus Stahl und einem Bauteil aus Beton dar. Die randnahen Kopfbolzen weisen gegenüber dem häufigen Fall der randfernen Kopfbolzen einen geringen Abstand der Bolzenachse zur Betonoberfläche auf. Dadurch ergibt sich bei randnahen Kopfbolzen gegenüber randfernen Kopfbolzen ein geändertes Trag- und Ermüdungsverhalten der Verbundfuge, das insbesondere in Hinblick auf Ermüdung und damit der Anwendung im Brückenbau noch nicht vollständig geklärt war. Um die Erkenntnisse von randnahen Kopfbolzen an ebenen Stegblechen abzurunden, wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentelle Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten unter Querschub durchgeführt. Es konnte ein erheblicher Einfluss des effektiven Randabstands auf die Ermüdungsfestigkeit beobachtet werden. Mit Hilfe der Versuchsauswertung und einer statistischen Auswertung konnten Wöhlerlinien hergeleitet und damit eine Bemessungsgleichung für randnah angeordnete Kopfbolzen an ebenen Stegblechen bereitgestellt werden. Zusätzlich konnten Aussagen zu einer Interaktion zwischen einer gleichzeitig wirkenden, ermüdungsrelevanten Längsschub- und Querschubbeanspruchung getroffen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zu randfernen Kopfbolzen der Einfluss einer zyklischen Vorbelastung von untergeordneter Bedeutung auf die statische Resttragfähigkeit von randnahen Kopfbolzen unter einer Querschubbeanspruchung ist. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Anwendung von randnahen Kopfbolzen bei Verbundträgern mit trapezförmig gefalteten Stegen. Die experimentellen Untersuchungen unter einer Längsschubbeanspruchung haben gezeigt, dass eine zusätzliche Anordnung von Kopfbolzen einerseits zu einer Steigerung der Tragfähigkeit und andererseits zu einem günstigeren Last-Verformungsverhalten führen. Das beobachtete Last-Verformungsverhalten kann als duktil bezeichnet werden. Die Auswertung der Versuche und die umfangreich durchgeführten Finite-Elemente Berechnungen zeigen eine Vielzahl von unterschiedlichen Parametern, die die Beanspruchbarkeit der Verbundfuge beeinflussen. Sämtliche Maßnahmen, die ein Aufbiegen des Betongurts behindern, liefern einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der Beanspruchbarkeit. Anhand der durchgeführten Versuche und der Finite-Elemente Berechnungen konnte sowohl das Tragverhalten umfassend beschrieben als auch eine Bemessungsgleichung für die Längsschubbeanspruchung der Verbundfuge, die die zahlreichen Parameter berücksichtigt, angegeben werden. Das Stegblech muss unabhängig davon mit der einwirkenden Schubkraft dimensioniert werden. Eine weitere Versuchsreihe an Körpern mit trapezförmig gekanteten Stegblechen wurde genutzt um Erkenntnisse zum Tragverhalten bei einer Querbiegebeanspruchung bei einem negativen Biegemoment zu erhalten. Auch bei dieser Beanspruchung führt die Anordnung von randnahen Kopfbolzen zu einer erheblichen Steigerung der Tragfähigkeit. Um ein duktiles Last-Verformungsverhalten und gleichzeitig eine hohe Beanspruchbarkeit zu erlangen, ist außerdem die Anordnung von Zulagebewehrung über dem Stegblech von Vorteil. Auch hier war es durch die Auswertung der Versuche und die zahlreichen Finite-Elemente Berechnungen möglich, eine Bemessungsgleichung für das Querbiegemoment bereitzustellen. Auch in diesem Fall kann das Stegblech außerhalb der Verbundfuge mit der einwirkenden Beanspruchung, hier dem negativen Querbiegemoment, dimensioniert werden. Erste numerische Berechnungen bei einer Querbiegebeanspruchung mit einem positiven Biegemoment zeigen das gegenüber einem negativen Biegemoment geänderte Tragverhalten auf.

Headed studs form an established and a cost-effective connection between structural elements of steel and concrete. Horizontally lying headed studs feature a small edge distance of the dowels shank to the concrete surface. In comparison to headed studs with a large edge distance the load bearing and fatigue behaviour is different and has not been completely clarified especially in view of fatigue. The thesis enlarges the state of knowledge on horizontally lying headed studs by investigations on the fatigue behaviour under vertical shear. These studies show a large influence of the effective edge distance on the fatigue strength. By means of the test evaluation and a statistical evaluation it was possible to derive S-N-curves and to provide a design rule of headed studs arranged close to the concrete surface attached on plane steel webs. Additional conclusions could be drawn regarding the interaction of longitudinal and concurrent vertical shear under fatigue loading. In comparison to headed studs with a large edge distance the influence of vertical shear fatigue loading on horizontally lying headed studs negligible for the residual static resistance. Another main focus of this thesis is the application of horizontally lying headed studs in composite girders with corrugated steel webs. Experimental studies of a longitudinal shear load showed that additional lying headed studs are able to increase the carrying capacity and to improve the load-deformation behaviour. The observed load-deformation behaviour can be identified as ductile. The analysis of the tests and the investigations by additional finite element analysis show many parameters with influence on the carrying capacity. Any arrangements which prevent bending up of the concrete flange increase significantly the carrying capacity. The test evaluation and the numerous finite element analyses allowed to describe the load-carrying behaviour comprehensively and to develop a design equation for longitudinal shear loading under consideration of the relevant parameters. The corrugated steel web itself has to be designed independently for the longitudinal shear force. A further test series with composite specimens and corrugated steel webs has been used to obtain information about the load-carrying behaviour and the carrying capacity under influence of a negative transverse bending moment around the longitudinal axis. The application of horizontally lying headed studs leads to an increase of the carrying capacity for this kind of loading, too. Another possibility to increase the carrying capacity und to reach a ductile load-carrying behaviour is the arrangement of additional reinforcement above the corrugated steel web. The test evaluation and the numerous finite element analyses allowed developing a design equation for the negative transverse bending moment around the longitudinal axis under consideration of the relevant parameters. In this case the corrugated steel web itself has to be designed independently for the transverse bending moment, too. First numerical evaluations for a positive transverse bending moment show the different load-carrying behaviour in comparison to a negative transverse bending moment.