Trag- und Ermüdungsverhalten liegender Kopfbolzendübel im Verbundbau

Abstract

Neue interessante Verbundquerschnitte aus Stahlbeton und Baustahl im Hoch- und Brückenbau führen unter Berücksichtigung konstruktiver, fertigungstechnischer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte zu einer liegenden Anordnung von Kopfbolzendübeln mit teilweise nur geringem Abstand der Dübelreihe zum freien Plattenrand. Infolge des geringen Randabstands ergeben sich gegenüber stehenden Kopfbolzen unterschiedliche Bettungseigenschaften der Dübel im umgebenden Stahlbeton-Werkstoff und somit auch ein abweichendes Trag- und Ermüdungsverhalten der Verbundfuge. Die vorliegende Arbeit behandelt das Trag- und Ermüdungsverhalten liegender Kopfbolzendübel im Verbundbau. Ausgehend von einer vorangegangenen Dissertation zum Tragverhalten unter reinem Längsschub wird im Rahmen dieser Arbeit sowohl das Tragverhalten – d. h. insbesondere die Tragfähigkeit – von Verbundfugen mit liegenden Kopfbolzendübeln unter reinem Querschub und kombiniertem Quer- und Längsschub als auch das Verformungsverhalten der Verbundfuge für beide Beanspruchungsrichtungen untersucht und diskutiert. Darauf aufbauend wird für Anwendungen in Verbundbrücken das Ermüdungsverhalten unter reinem Längsschub systematisch untersucht. Im Hinblick auf zukünftige Anwendungen von liegenden Kopfbolzendübeln werden auf Grundlage experimenteller und theoretischer Untersuchungen einfache Bemessungsregeln für den Nachweis der Verbundsicherung sowohl im Grenzzustand der Tragsicherheit und als auch der Gebrauchstauglichkeit entwickelt. In Ergänzung dazu werden Hinweise und Empfehlungen zur konstruktiven Durchbildung der Verbundfuge und des auflagernahen Bereichs der Stahlbetonplatte herausgearbeitet und vorgestellt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit ermöglichen eine wirtschaftliche Anwendung von randnah angeordneten Kopfbolzendübeln in innovativen Verbundkonstruktionen im Hoch- und Brückenbau. Für die Ingenieurpraxis werden hierzu Entscheidungskriterien und einfache Hilfsmittel vorgestellt, die ab sofort auch eingesetzt werden können.

In consideration of structural and economic aspects new interesting composite cross sections for buildings and bridges consisting of reinforced concrete and structural steel lead to a horizontally lying arrangement of headed shear studs partly with only a small distance to the surface of the slab. Compared to common vertical shear studs the relatively small distance of horizontally lying shear studs from the edge of the slab leads to different bedding conditions of the connectors within the surrounding reinforced concrete material, which results in differing structural and fatigue behaviour of this type of shear connection. The presented doctoral thesis deals with the structural and fatigue behaviour of horizontally lying shear studs in composite design. In continuation of a previous dissertation about the structural behaviour under pure longitudinal shear this thesis deals with the structural behaviour – in particular the carrying capacity – of shear connections with horizontally lying studs under pure vertical shear and under combined vertical and longitudinal shear. Further studies about the deformation behaviour of this type of shear connection for both shear actions complete the investigations about the monotonic shear actions. In particular for composite bridges the fatigue behaviour under pure longitudinal shear is investigated as well. For future applications of horizontally lying shear studs on the basis of experimental and theoretical investigations some simple design rules for the shear connection in the ultimate and serviceability limit state are developed. In addition further design recommendations for the detailing of both the shear connection and the reinforced concrete slab close to the support are derived and illustrated. The results presented in this doctoral thesis enable an economic application of horizontally lying shear studs in innovative composite structures of buildings and bridges. For the engineering practice decision criteria and efficient design tools are provided, which may immediately be applied.