Fatigue behavior of composite dowels due to the interacting damage processes of steel and concrete
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde das Ermüdungsverhalten von Verbunddübelleisten unter Berücksichtigung der interagierenden Schädigungsprozessen von Stahl und Beton unter zyklischer Beanspruchung untersucht. Die Untersuchungen umfassten Versuche an Modellkörpern und Bauteilen unter zyklischer Beanspruchung sowie umfangreiche theoretische Untersuchungen mit systematischen Parameterstudien. Während beim Verbundpartner Stahl die Rissentwicklung in den Stahlzähnen den Schwerpunkt bildeten, waren es beim Beton die inelastische Schlupfentwicklung bis hin zum Betonausstanzen infolge Betonermüdung. Zur Betonermüdung wurde anhand von Single-Push-Out Tests und ergänzenden FE-Untersuchungen ein semi-empirischer Ansatz zur Abschätzung der Lebensdauer der Verbunddübel abgeleitet, dessen Übertragbarkeit auf Bauteilversuche die durchgeführten Trägerversuche bestätigten. Für die Degradation der Stahlzähne mit abnehmender Steifigkeit und Tragfähigkeit infolge Risswachstum wurde anhand von experimentellen und numerischen Untersuchungen ein analytisches Ingenieurmodell hergeleitet. Die durchgeführten Untersuchungen belegen eindrucksvoll das im Forschungsantrag prognostizierte große Potential der Verbunddübelleisten als Verbundsicherung in Stahl-Beton-Verbundkonstruktionen unter zyklischer Beanspruchung. Die aktuell in der aBG definierten Bemessungsansätze sind angesichts der Forschungsergebnisse als konservativ zu bewerten und erlauben es der Praxis nicht das volle Potential der Verbunddübelleisten auszuschöpfen. Die hier vorgestellten Erkenntnisse, sind ein erster vielversprechender Schritt zur Weiterentwicklung ermüdungsfester Verbundkonstruktionen mit Verbunddübelleisten. Eine genauere Beschreibung der Umlagerungsprozesse innerhalb der Verbundfuge infolge Rissfortschritt im Stahl und inelastischer Verformung im Beton ist die Basis für ein neues, ressourceneffizienteres Bemessungskonzept, das statt der Bemessung eines einzelnen Dübels das Tragverhalten der Verbundfuge als Ganzes berücksichtigt. Mit zunehmender Anzahl der Verbundmittel wird sich das Bemessungsniveau weiter in Richtung des Mittelwertniveaus der Dübeltragfähigkeit verschieben. Dazu sind allerdings weitere Forschungsarbeiten zur Resttragfähigkeit angerissener Stahlzähne (reines Stahl- sowie kombiniertes Stahl- und Betonversagen) und zur Schlupfentwicklung bei mehrstufigen Belastungen erforderlich. Zur Festlegung des Bemessungsniveaus sind außerdem zuverlässigkeitstheoretische Untersuchungen durchzuführen und eine breitere Datenbasis für probabilistische Auswertungen der experimentellen Versuche zu schaffen. Zur Klärung dieser Fragestellungen wird die Beantragung eines Nachfolgeprojekts vorbereitet.
Publications
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Entwicklung eines neuen Single-Push-Out-Versuchsstands zur zyklischen Untersuchung der Verbunddübelleiste. Stahlbau 86 (2017), Heft 12, S. 1098–1105
Wolters, K.; Kopp, M.; Feldmann, M.
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Ermüdungsuntersuchungen an Verbundträgern mit Verbunddübelleisten und nachgiebiger Verbundfuge mittels Stabwerkmodellen. Bauingenieur 93 (2018), Heft 11, S. 429-437
Wolters, K.; Feldmann, M.
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Fatigue and crack propagation investigations on composite dowels using an inclined single push-out test. 12th International Conference on Advances in Steel-Concrete Composite Structures – ASCCS 2018, Valencia, 06/2018, S. 725-732
Wolters, K.; Feldmann M.
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Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von Verbunddübelleisten in einem neuen Versuchsstand. Deutscher Ausschuß für Stahlbau (DASt), 110 Jahre DASt und 21. DASt-Forschungskolloquium, 6. - 7. März 2018, Kaiserslautern, 164-169
Christou, G.; Claßen, M.; Hegger, J.
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Fatigue of composite constructions with composite dowels. 14th Nordic Steel Construction Conference, Copenhagen, 09/2019, S. 277-28
Christou, G.; Claßen, M.; Wolters, K.; Broschart, Y.; Hegger, J.
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Untersuchungen zum Risswachstum in Verbunddübelleisten. Bauingenieur 94 (2019), Heft 6, S. 216-227
Wolters, K.; Christou, G.; Feldmann, M.
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Concrete fatigue of composite constructions with rib shear connectors. Eurosteel Sheffield 2020
Christou, G.; Hegger, J.; Claßen, M.
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Crack propagation and residual load-bearing behavior of composite dowels – effects on the global behavior of composite girders under cyclic loading. Eurosteel Sheffield 2020
Wolters, K.; Christou, G.; Feldmann, M.
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Ermüdung von Verbunddübelleisten – Analyse und Modellentwicklung. Beton- und Stahlbetonbau 115 (2020), Heft 5, S. 355-363
Christou, G.; Ungermann, J.; Wolters, K.; Hegger, J.; Claßen, M.
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Ermüdung von Verbunddübelleisten – Experimentelle Untersuchungen. Stahlbau 89 (2020), Heft 4, S. 388-398
Christou, G.; Ungermann, J.; Wolters, K.; Hegger, J.; Claßen, M.
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Tragverhalten eines Verbundträgers unter Berücksichtigung des Risswachstums in Verbunddübelleisten. Berichte aus dem Konstruktiven Ingenieurbau 03/2020 – Festschrift Prof. Mangerig, S.227-234
Feldmann, M., Wolters, K.
