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Open Access
Handbuch. I, Entwurf von Anschlüssen zwischen Stahl und Beton
(2014) Kuhlmann, Ulrike; Hofmann, Jan; Wald, Frantisek; Ruopp, Jakob; Sharma, Akanshu; Becková, Sárka; Schwarz, Ivo; Silva, Luis Simoes da; Gervásio, Helena; Gentili, Filippo; Krimpmann, Markus; Kann, Jörg van; Dehan, Véronique
Dieses Handbuch fasst die gewonnenen Forschungsergebnisse des Forschungsprojektes INFASO RFS-CR-2012-00022 "New Market Chances for Steel Structures by Innovative Fastening Solutions between Steel and Concrete" und des Nachfolgeprojekts RFS2-CT-2012-00022 "Valorisation of Knowledge for Innovative Fastening Solutions between Steel and Concrete" zusammen. Dieses Handbuch wurde von Wissenschaftlern zweier unterschiedlicher Forschungsbereiche verfasst. Aus dem Bereich der Befestigungstechnik vertreten durch das Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart und aus dem Gebiet des Stahlbaus durch das Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart und des Department of Steel and Timber Structures der Czech Technical University in Prague. Der Praxisbezug des Projektes wurde sichergestellt, indem Industriepartner und Organisationen maßgeblich am Entstehen beteiligt waren.
Open Access
Handbuch. II, Anwendung in der Praxis von Anschlüssen zwischen Stahl und Beton
(2014) Kuhlmann, Ulrike; Hofmann, Jan; Wald, Frantisek; Ruopp, Jakob; Sharma, Akanshu; Becková, Sárka; Schwarz, Ivo; Silva, Luis Simoes da; Gervásio, Helena; Gentili, Filippo; Krimpmann, Markus; Kann, Jörg van; Dehan, Véronique
Das zweite Handbuch basiert auf Handbuch I "Entwurf von Anschlüssen zwischen Stahl und Beton", in welchem die Forschungsergebnisse des RFCS Forschungsprojektes INFASO RFS-CR-2012-00022 "New Market Chances for Steel Structures by Innovative Fastening Solutions between Steel and Concrete" und des Nachfolgeprojekts RFS2-CT-2012-00022 "Valorisation of Knowledge for Innovative Fastening Solutions between Steel and Concrete" zusammengefasst sind. Innerhalb des Forschungsprojektes INFASO wurden Bemessungsprogramme für drei verschiedene Anschlüsse zwischen Stahl und Beton entwickelt. Diese Programme wurden im Forschungsprojekt INFASO+ überarbeitet. In diesem Handbuch werden Hintergrundinformationen zu den Bemessungsprogrammen gegeben und zusätzlich Anwendungsmöglichkeiten der Programme im Detail beschrieben.
Open Access
Studies on steel-to-concrete joints with concentrated loading conditions
(2023) Ziwes, Maximilian; Ruopp, Jakob; Kuhlmann, Ulrike
In mixed buildings of steel and concrete an economical design depends on intelligent solutions for steel‐to‐concrete joints. The design and verification of steel‐to‐concrete joints is challenging, as the structural behaviour and the properties of different materials have to be considered. Large forces often have to be transferred in localized areas, e.g. bridge bearings, and various failure modes of steel and concrete may occur in the joints due to load concentrations. An imposed load preventing uplift and a well‐placed reinforcement can strengthen these joints decisively. In this contribution, experimental and numerical investigations and recent approaches for the design of steel‐to‐concrete joints are presented in order to extend and harmonise current rules leading to new chances of optimisation.
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Studies on the load‐carrying behaviour of steel‐to‐concrete joints with headed studs for normal and shear loads
(2023) Ruopp, Jakob; Kuhlmann, Ulrike
Steel and composite structures usually have interfaces to concrete walls or concrete foundations. The design and verification of the interaction between steel and concrete is challenging because the load‐carrying behaviour as well as the different material properties have to be taken into account. Steel‐to‐concrete joints can be realised economically and with comparatively little effort by using fasteners such as headed studs for the anchorage in the concrete. Recent investigations have shown that a holistic verification of joints is possible, if the concrete failure mechanisms are integrated into the concept of the component method of steel and composite structures. This allows an economical verification that is competitive with pure concrete solutions because the load‐carrying behaviour in the concrete is captured with the concrete components and the steel components of the joints do not have to be oversized to avoid failure in the concrete. The load‐carrying capacity of the steel‐to‐concrete joints can effectively be improved by taking into account the reinforcement which allows for a significant increase of the resistance of the concrete components. By arranging the reinforcement in the area of the fasteners, it is possible to achieve a higher load‐carrying capacity and, with a suitable design of the reinforcement, also a ductile behaviour of the joint. In the following article, joints are described that were studied in the dissertation (Ruopp, 2020) and were investigated with regard to the above‐mentioned aspects. The article concludes with an outlook on the normative implementation.
Open Access
Untersuchungen zum Tragverhalten von Ankerplatten mit Kopfbolzen zur Abtragung von Zug- und Querkräften
(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2020) Ruopp, Jakob; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)
Tragkonstruktionen in der Stahl- und Verbundbauweise müssen in der Regel an Massivbauteile angeschlossen werden. Praktische Anwendungsbeispiele sind z.B. Stützenfuß- oder Trägeranschlüsse. Der Entwurf und Nachweis des Schnittstellenbereichs zwischen Stahl und Beton stellt eine Herausforderung dar, da das Tragverhalten sowie die unterschiedlichen Materialeigenschaften der Werkstoffe berücksichtigt werden müssen. Anschlüsse zwischen Stahl und Beton können wirtschaftlich und mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden, indem für die Verankerung im Beton Befestigungsmittel wie Kopfbolzen verwendet werden. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass ein ganzheitlicher Nachweis der Anschlüsse zwischen Stahl und Beton möglich ist, wenn die Versagensmechanismen auf der Seite des Betons in das Konzept der Komponentenmethode des Stahl- und Verbundbaus integriert werden. Dadurch ist ein wirtschaftlicher und zur reinen Massivbaulösung konkurrenzfähiger Nachweis möglich, da das Tragverhalten im Beton mit den Betonkomponenten erfasst wird und die Stahlkomponenten des Anschlusses zur Vermeidung eines Versagens im Beton beispielsweise mit Hilfe von langen Ankerschrauben nicht überdimensioniert werden müssen. Die Tragfähigkeit des Anschlusses zwischen Stahl und Beton kann zudem wirksam gesteigert werden, indem das Tragverhalten der Bewehrung im Bereich des Massivbauteils berücksichtigt wird und dadurch die Widerstände der Betonkomponenten deutlich erhöht werden können. Mit der Anordnung der Bewehrung im Bereich der Befestigungsmittel sind so Traglaststeigerungen möglich und es kann ferner bei einer geeigneten Auslegung der Bewehrung ein duktiles Tragverhalten der Anschlüsse erzielt werden. Für die Einzelkomponenten im Bereich des Betons wurden in jüngerer Vergangenheit neuere, verformungsbasierte Ansätze entwickelt, mit denen das Tragverhalten der Befestigungsmittel wie Kopfbolzen in Kombination mit einer Rückhängebewehrung in Zusammenwirken mit dem Beton erfasst wird. Die Kombination dieser neueren Ansätze für die Betonkomponenten mit den Stahlkomponenten und die Validierung an praktischen Anschlusslösungen des Stahl- und Verbundbaus wurde bisher nur anhand einer geringen Anzahl an Untersuchungen gezeigt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte anhand von 45 eigenen Versuchen für unterschiedliche, praxisnahe Anschlusssituationen die Anwendung der neueren Modelle bestätigt werden. Neben den Untersuchungen zum Einfluss der Bewehrung werden zudem Fragestellungen untersucht, die sich aus der praktischen Anwendung der Anschlüsse zwischen Stahl und Beton ergeben. Die derzeitige Begrenzung auf eine 3-reihige Anordnung der Befestigungsmittel auf einer Ankerplatte ist bei der Übertragung von großen Kräften im Anschluss nicht mehr ausreichend, so dass Versuche an großen Ankerplatten unter Querlast mit einer mehrreihigen Kopfbolzenanordnung durchgeführt wurden. Anhand der Versuche zu den großen Ankerplatten und darauf aufbauenden numerischen Untersuchungen können offene Fragestellungen zur Lastverteilung beantwortet werden. Überdies wird der Einfluss der Steifigkeit der Ankerplatte auf das Tragverhalten des Anschlusses untersucht. Mit der Anordnung einer Rückhängebewehrung im Bereich der Kopfbolzen kann die Tragfähigkeit der Betonkomponenten erhöht werden und gezielt ein duktiles Tragverhalten der Ankerplatte erreicht werden. Im Stahl- und Verbundbau müssen die Kräfte zudem häufig konzentriert in Massivbauteile eingeleitet werden. Anwendungsbeispiele sind Brückenlager und randnahe Stützenfußanschlüsse. In diesen Anwendungsbeispielen kann die bereits im Bauteil liegende Bewehrung wirksam zur Traglaststeigerung herangezogen werden, allerdings ergeben sich insbesondere bei einer Querbelastung zum Bauteilrand offene Fragestellungen, da im Anschluss Lastumlagerungen auf Grund des Betonversagens durch Betonkantenbruch möglich sind. Mit den in der Arbeit beschriebenen experimentellen und numerischen Untersuchungen kann die Lastverteilung dieser Anschlüsse erfasst werden. Für die oben genannten Fragestellungen werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit analytische Nachweismodelle auf Grundlage der Komponentenmethode entwickelt. Neben den Untersuchungen zu den großen Ankerplatten und der konzentrierten Lasteinleitung im Bereich von Anschlüssen zwischen Stahl und Beton wird an Untersuchungen zu randnahen, liegenden Kopfbolzen unter Zug gezeigt, dass mit den neueren Modellen für die Rückhängebewehrung geeignete mechanische Modelle vorhanden sind, mit denen ein Versagen wie das Herausziehen der Kopfbolzen nachgewiesen wird und die z.B. eine geeignete Alternative zu vorhandenen geometrischen Randbedingungen darstellen. Ferner wird gezeigt, dass unter Berücksichtigung des vorhandenen Sicherheitskonzepts des Stahlbaus und der Befestigungstechnik die Anforderungen an das Bemessungsmodell nach DIN EN 1990 erfüllt werden. Während eine normative Umsetzung der neuen Ansätze für die Betonkomponenten auch in Kombination mit der Rückhängebewehrung im Rahmen einer Öffnungsklausel in prEN 1993-1-8 erfolgt ist, werden zudem weitere mögliche normative Vereinfachungen und Erweiterungen vorgeschlagen.