Experimentelle Untersuchung des Trag- und Ermüdungsverhaltens von Hochleistungsverbindungen mit Zahnleisten

Die Zahnleiste ist ein effektives Verbundmittel zur konzentrierten Übertragung sehr hoher Schubkräfte von Stahlbauelementen in dünne Stahlbetonscheiben. Sie besteht aus einer dicken Stahlplatte mit speziell ausgeformten Zähnen an der Oberfläche. Zur materialgerechten Lastübertragung drücken die Zähne großflächig in den anliegenden Beton. Die Dicke der Leiste lässt sich an die Dicke der Stahlbetonscheibe anpassen. Das ergibt eine sehr gleichmäßige Kontaktpressung zwischen Stahl und Beton. Gegenüber herkömmlichen Verbundmitteln im Stahl-Beton-Verbundbau werden deshalb höhere Traglasten und ein größerer Ermüdungswiderstand der Zahnleiste erreicht. Die vorliegende Arbeit stellt eine umfangreiche experimentelle Untersuchung der Zahnleiste in zwei Abschnitten vor. Im ersten Abschnitt wird das allgemeine Tragverhalten der Zahnleiste in vier grundlegenden und praxisnahen Einbau- und Belastungssituationen getestet. Im Resultat bestätigt die Zahnleiste ihre hohe Leistungsfähigkeit zur Übertragung konzentrierter Lasten in allen getesteten Situationen. Die Messergebnisse der Versuche belegen und erweitern das auf der Elastizitätstheorie beruhende Modell zur Beschreibung des Tragverhaltens und liefern darüber hinaus einen Ansatz für ein Bemessungskonzept. Der zweite Abschnitt der Arbeit betrachtet erstmalig das Ermüdungsverhalten der Verbindung. Der Widerstand der speziellen Zahngeometrie gegenüber Ermüdungslasten wird dabei anhand von Dauerversuchen an Betonprismen mit eingelegten Zahnleisten geprüft. Das Ermüdungsverhalten von Zahnleisten, die in eine Stahlbetonscheibe eingebaut sind, wird in Dauerversuchen an ausgesuchten Bauteiltypen des ersten Abschnittes der Arbeit untersucht. Die Grenzlasten der Dauerversuche orientieren sich dabei an vergleichbaren Untersuchungen zu herkömmlichen Verbundmitteln. Auch unter Ermüdungsbelastung erreicht die Zahnleiste eine hohe Tragfähigkeit. Die im Anschluss an die Dauerversuche ermittelten Traglasten erreichen die gleichen Traglasten wie vor den Dauerversuchen. Im Schwelllastbereich, unter Verwendung von Normalbeton, beschränkt ausschließlich die Ermüdungsfestigkeit des anliegenden Betons den Ermüdungswiderstand der gesamten Verbindung. Die Untersuchungen zur Wechselbelastung geben einen Anreiz für weiterführende experimentelle Untersuchungen.
The saw-tooth connector is an effective composite devise for the concentrated transfer of very high shear forces from structural steel elements into thin reinforced concrete slabs. It consists of a thick steel plate with specially shaped teeth on the surface. The teeth press into the adjacent concrete over a large area to transfer the load in a manner appropriate to the material. The thickness of the connector can be adapted to the thickness of the reinforced concrete slab. This results in very uniform contact pressure between steel and concrete. Compared with conventional composite materials in steel-concrete composite construction, higher ultimate loads and greater fatigue resistance of the saw-tooth connector are therefore achieved. This thesis presents an extensive experimental investigation of the saw-tooth connector in two sections. In the first section, the general load-bearing behavior of the saw-tooth connector is tested in four basic and practical installations and loading situations. As a result, the saw-tooth connector confirms its high performance for transmitting concentrated loads in all tested situations. The measurement results of the tests substantiate and extend the model based on elasticity theory for describing the load-bearing behavior and also provide an approach for a design concept. The second section of the paper considers the fatigue behavior of the connection for the first time. The resistance of the special tooth geometry to fatigue loads is tested by means of fatigue tests on concrete prisms with inserted saw-tooth connectors. The fatigue behavior of saw-tooth connectors installed in reinforced concrete slabs is investigated in fatigue tests on selected types of specimens from the first part of this thesis. The limit loads of the fatigue tests are based on comparable investigations of conventional composite devises. Even under fatigue loading, the saw-tooth connector achieves a high load-bearing capacity. The ultimate loads determined following the fatigue tests reach the same ultimate loads as before the fatigue tests. Under compression fatigue and tension fatigue loading, using normal concrete, only the fatigue strength of the adjacent concrete limits the fatigue resistance of the entire connection. The studies on cyclic compression-tension fatigue provide an incentive for further experimental investigations.