Investigation of the composite action between steel and concrete of innovative small-scale pin-shear-connectors

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Markus Feldmann; Professor Dr.-Ing. Josef Hegger; Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Subject Area: Structural Engineering, Building Informatics and Construction Operation ; Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2013 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 243442988

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde der Verbund zwischen Stahl und Beton über kleinskalige Pin-Verbundmittel untersucht. Dazu wurde zunächst das Formungsverhalten (Durchmesser, Höhe, Fuß- und Kopfausbildung) der Pin-Strukturen ohne Betonzusatz für zwei Stahl-Werkstoffe experimentell und numerisch detailliert betrachtet. Die so gewonnenen Pin- Strukturen wurden metallografisch und durch werkstoffspezifische Untersuchungen bewertet sowie durch experimentelle und numerische Iterationsdurchführungen optimiert. Anhand von 360 reproduzierbaren Versuchsreihen gelang es Pins mit einer maximalen Höhe von hPin = 5,1 mm herzustellen. Das Trag- und Verformungsverhalten der Pin-Strukturen als Verbundmittel in Stahl-Beton-Verbundkonstruktionen wurde experimentell und numerisch anhand von kleinformatigen Abscher- , Torsions- und Auszugsversuchen sowie Bauteilversuchen (Verbundträger und –platten) untersucht. Ein besonderes Augenmerk im Versuchsprogramm galt der Entwicklung des Torsionsversuches, mit dem es möglich ist den Einfluss des Pin-Abstandes in Kraftrichtung zu untersuchen. Generell haben die Untersuchungen eindrucksvoll gezeigt, dass die Pin-Strukturen als Verbundmittel zur Übertragung der inneren Kräfte zwischen den Teilquerschnitten in Stahl-Beton-Verbundkonstruktionen und ein Einsatz in dünnen Betonplatten als Alternative zum Kopfbolzendübel geeignet sind. Allerdings ist die Verformbarkeit der Pin-Strukturen noch nicht ausreichend groß, um für alle Anwendungsbereiche das erforderliche duktile Bauteilverhalten zu erzielen. Dies ist zum einen auf die begrenzte Pin-Höhe von bislang maximal hPin = 5,1 mm und zum anderen auf das spröde Abscheren der Baustahl-Pins zurückzuführen. Die anhand von experimentellen und numerischen Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse belegen das große Potenzial und die grundsätzliche Eignung geschweißter Pins für die Verbundsicherung in Stahl-Beton-Verbundkonstruktionen. Die hier vorgestellten Erkenntnisse, sind ein erster vielversprechender Schritt zur Entwicklung dünnwandiger Verbundkonstruktionen. Um das große Potenzial dieser Bauweise zu erschließen sind allerdings weitere Untersuchungen zur Steigerung der Duktilität und zur Weiterentwicklung der Bemessungsmodelle notwendig.

Publications

• (2020) Investigations on small-scaled welded structures of austenitic stainless steel. km (Metallic Materials) 57 (06) 397–405
  Reisgen, U.; Willms, K.; Schäfer, J.; Turker, M.; Hegger, J.; Classen, M.; Feldmann, M.; Kopp, M.
  
• Kleinskalige Pin-Verbundmittel für den Stahl-Beton-Verbundbau, Bauingenieur 90 (2015), Heft 5, S. 200–208, Springer VDI Verlag, ISSN 0005-6650, Düsseldorf
  Claßen, M.; Gallwoszus, J.; Kopp, M.; Schäfer, J.
  
• Small-scale pin structures: Requirement for a multi material joint, CWA Journal 11 (2015), Issue 5, p. 52–61, Canadian Welding Association, ISSN 1714- 6410, Milton
  Schäfer, J.; Reisgen, U.; et al.
  
• Small-scale pin-structures: Requirement for a multi material joint, Proceedings of the CanWeld Conference 2015, 13.-15. September 2015, St. John’s, NL, Kanada, 2015
  Schäfer, J.; Reisgen, U.; et al.
  
• Verbundträger mit kleinskaligen Pin-Verbundmitteln – Experimentelle Untersuchungen und Finite-Elemente-Simulation, Stahlbau 84 (2015), Heft 10, S. 771–779, Ernst & Sohn Verlag, ISSN 0038-9145, Berlin
  Claßen, M.; Hegger, J.; et al.
  
• Derivation of design rules for innovative shear connectors in steel concrete composites by systematic use of nonlinear Finite Element Analysis (FEA), Structural Concrete 17 (2016), Heft 4, S. 646–655, Ernst & Sohn Verlag
  Claßen, M.; et al.
  
• Längsschubtragfähigkeit von kleinskaligen Pin-Verbundmitteln – Numerische Analyse und Handrechenmodell, Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016), Heft 6, S. 366– 376, Ernst & Sohn Verlag, Berlin
  Claßen, M.; et al.
  
• Mindestverdübelung von Verbundträgern mit kleinskaligen Verbundmitteln – Herleitung des Mindestverdübelungsgrades durch systematischen Einsatz nicht-linearer Finite-Elemente-Berechnungen, Bauingenieur 91 (2016), Heft 4, S. 140-151 Springer VDI Verlag, ISSN 0005-6650, Düsseldorf
  Claßen, M.; Herbrand, M.
  
• Pin-Connectors for Composites made of HSC/UHPC and Stainless Steel, 4th International Symposium on Ultra-High Performance Concrete and High Performance Construction Materials (HiPerMat Kassel 2016), Kassel; 03/2016
  Claßen, M.; Kueres, D.; Hegger, J.
  
• Small scaled shear connectors in HSC/UHPC, 1st International Interactive Symposium on UHPC July, Des Moines, Iowa, USA; 07/2016
  Claßen, M.; Herbrand, M.; Stark, A.; Hegger, J.
  
• Untersuchungen zur statischen Schubtragfähigkeit kleinskaliger Pin-Verbundmittel, Stahlbau 85 (2016), Heft 3, S. 200–206, Ernst & Sohn Verlag, ISSN 0038-9145, Berlin
  Kopp, M.; Feldmann, M.; et al.
  
• Static shear capacity of small-scaled pin shear connectors, 8th European Conference on Steel and Composite Structures (Eurosteel 2017), Copenhagen, 09/2017
  Wolters, K.; Kopp, M.; Feldmann M.; et al.