DE10139751A1 - Konstruktionen und Verfahren zur Erhöhung der Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit von Biegeträgern - Google Patents

Abstract

Biegeträger aus hochfesten und verformungsintensiven Werkstoffen haben bei Ausschöpfung der Festigkeiten unzulässig große Verformungen. Diese Werkstoffe können daher ihre Vorteile nicht entfalten. Ziel der Erfindung sind Aufgabenlösungen, mit denen das Festigkeitspotenzial hochfester und verformungsintensiver Werkstoffe voll ausgeschöpft wird und zusätzlich eine für die Gebrauchstauglichkeit ausreichende Erhöhung die Biegesteifigkeit im Banspruchungsbereich zulässiger Gebrauchslasten bewirkt wird. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Widerstandspotenzial für die gebrauchslastparellele Vorspannung M1 eines Grundprofils "geopfert" wird, die zu einer Vorverformung f1 führt und die bei Beanspruchung M1 + M2 durch Gebrauchslasten abgebaut wird. Bei der Beanspruchung M1 + M2 ist somit statt f1 + f2 nur noch f2 als Biegeverformung wirksam. Die Grenztragfähigkeit wird bestimmt vom vollen Widerstandspotenzial. DOLLAR A Die Erfindung erhöht die Biegesteifigkeit und Dauerfestigkeit von Biegeträgern beliebiger Konstruktionen und erlaubt die Ausschöpfung der Festigkeiten sehr unterschiedlicher Werkstoffe.

Description

Gegenstand der Erfindung sind Konstruktionen und Verfahren zur Erhöhung der Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit sowie zur Verbesserung des Tragverhaltens von Biegeträgern in beliebigen statischen Systemen für vorwiegend ruhende und nicht ruhende Gebrauchslasten bei Beanspruchungen aus Biegung und Querkraft sowie Normalkraft mit Biegung und Querkraft. Die erfindungsgemäßen Konstruktionen und Verfahren bei der Fertigung der Biegeträger führen darüber hinaus zu einer Vervielfachung der Zeit-Betriebs- und Dauerfestigkeit der Biegeträger bei Beanspruchungen aus Biegung und Querkraft sowie Normalkraft mit Biegung und Querkraft durch vorwiegend nicht ruhende Gebrauchslasten.

Die Konstruktionen und Verfahren sind anwendbar für Biegeträger in Baukonstruktionen, die aus Stahlträgern im Verbund mit stählernen Querschnittsergänzungen oder aus Stahlträgern im Verbund mit Stahlbetonplatten und vorgespannten Spannstäben aus Stahl bzw Profilen oder Bändern aus kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) oder aus Stahlbetonträgern bzw Spannbetonträgern im Verbund mit vorgespannten Spannstäben aus Stahl bzw Profilen oder Bändern aus kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) oder aus einer anderen Kombination von Werkstoffen bestehen.

Die Konstruktionen und Verfahren sind auch anwendbar in Fahrzeug- und Schiffskonstruktionen sowie in Hebezeugen und mobilen Kränen.

Nach der technischen Biegelehre sind die Verformungen im elastischen Beanspruchungsbereich eines Biegeträgers eine Funktion seiner Biegesteifigkeit E × J und der Biegespannungen, die bei Beanspruchungen durch die Gebrauchslasten entstehen, wobei E der Elastizitätsmodul des Werkstoffes und J das Trägheitsmoment des Biegeträgers sind.

Die Verformungen der Biegeträger sind dabei umgekehrt proportional zur Biegesteifigkeit E × J und proportional zur Höhe der Biegespannungen. Bei gleicher Biegesteifigkeit nehmen die Verformungen der Biegeträger somit linear mit den Biegespannungen zu. Dies bedeutet, dass die Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials hochfester Werkstoffe zu großen Verformungen führt.

Der Einsatz hochfester Werkstoffe ist daher nur dann wirtschaftlich sinnvoll, wenn die großen Verformungen, die mit den hohen zulässigen Biegespannungen verbunden sind, die Gebrauchsfähigkeit der Biegeträger nicht schmälern.

Für alle Baukonstruktionen mit nicht vorwiegend ruhender Belastung und eine Vielzahl von Baukonstruktionen mit vorwiegend ruhender Belastung sind die maximalen Verformungen unter Gebrauchslast zu begrenzen. Es sind Anforderungen an die Steifigkeitsbeziehungen zu erfüllen, die eine Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials hochfester Werkstoffe ausschließen.

Nach dem Stand der Technik führt daher der Einsatz hochfester Werkstoffe in Biegeträgern für Baukonstruktionen zu keinen oder nur sehr geringen wirtschaftlichen Vorteilen, weil die hohen Festigkeiten aus Gründen der Gebrauchstauglichkeit nicht ausgeschöpft werden können.

Darüber hinaus ist die Betriebsfestigkeit für größere Lastspielzahlen und die Dauerfestigkeit von Biegeträgern aus Stahl für fast alle praxisüblichen Kerbfälle in Stahlkonstruktionen nahezu unabhängig von der Festigkeit des eingesetzten Stahls. Baukonstruktionen brauchen aus wirtschaftlichen Gründen eine lange Nutzungszeit. Für Baukonstruktionen mit nicht vorwiegend ruhender Belastung und langen Nutzungszeiten ist der Einsatz von hochfesten Stählen bereits aus diesen Gründen unwirtschaftlich.

Bei Fahrzeugkonstruktionen und mobilen Kränen beeinflusst diese Eigenschaft von Stahlkonstruktionen die Lebensdauer von Konstruktionen aus hochfesten Stählen und damit ihre Wirtschaftlichkeit ungünstig.

In Biegeträgern aus Stahlleichtbetonen und in Biegeträgern, die aus Stahlträgern im Verbund mit Stahlleichtbetonplatten bestehen, entstehen ebenfalls bei Ausschöpfung des Festigkeitpotenzials der Leichtbetone große Verformungen, weil der Elastizitätsmodul der Leichtbetone wesentlich kleiner ist als der Elastizitätsmodul der Normalbetone. Der Einsatz hochfester Leichtbetone ist daher ebenfalls wirtschaftlich nur dann sinnvoll, wenn die großen Verformungen, die mit den hohen zulässigen Biegespannungen verbunden sind, die Gebrauchsfähigkeit der Biegeträger nicht schmälern.

Für die Herstellung von Stahlverbundträgern (Stahlträger im schubfesten Verbund mit Stahlbeton) ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Stahlträger in der Werkstätte durch Einwirkungen gleicher Richtung wie die Gebrauchslasten vorgespannt und vorverformt wird. Im vorgespannten und vorverformten Zustand des Stahlträgers wird sein Zuggurt in der Werkstätte mit einem Betongurt ummantelt, der durch Kopfbolzendübel schubfest mit dem Zuggurt des Stahlträgers verbunden ist. Nach Erhärten des Betons werden die Einwirkungen entfernt. Der Biegeträger federt um einen Teil der Vorverformung zurück, bis ein Gleichgewicht zwischen dem beim Zurückfedern sich bildenden Druckspannungen im Betongurt und einem Teil der durch die Vorspannung erzeugten Zugspannungen im gezogenen Gurt des Stahlträgers entsteht. Der Betongurt verhindert das vollständige Zurückfedern. Die Druckspannungen des Betongurtes "frieren" einen Teil der Vorspannmomente und Vorverformungen ein. Um diesen Anteil der Verformungen ist die Biegeverformung bei Beanspruchungen durch Gebrauchslasten bis zum Abbau der Druckspannungen des Betongurtes kleiner. Der Biegeträger ist bis zu dieser Beanspruchungshöhe bei Belastung durch Gebrauchslasten um diesen Anteil effektiv steifer.

Das Widerstandspotenzial des Betongurtes wird "geopfert", um den Biegeträger bei Beanspruchungen durch Gebrauchslasten bis zum Abbau der Druckspannungen des Betongurtes steifer zu machen. Durch die unsymmetrische, nur an einem Gurt angeordnete Vergrößerung des Widerstandspotenzials federt ein relativ hoher Anteil der Vorspannung und Vorverformung zurück. Durch Kriechen und Schwinden des vorgedrückten Betongurtes geht darüber hinaus ein großer Teil der nach dem Erhärten des Betongurtes und dem anschließenden Entspannen des Biegeträgers verbliebenen Druckspannungen verloren. Die steifigkeitsfördernde Effizienz des Verfahrens ist daher gering. Die wirtschaftliche Effizienz des Verfahrens wird weiter eingeschränkt, weil das Widerstandspotenzial, das für die Steifigkeitserhöhung bis zum Abbau der "eingefrorenen" Vorspannmomente "geopfert" wird, bei der Laststeigerung bis zur Grenztragfähigkeit die elastische Beanspruchbarkeit und die Grenztragfähigkeit des Biegeträgers nur unwesentlich erhöht.

Dieses Verfahren, das unter dem Namen PREFLEX-Träger bekannt ist, löst somit nicht das der Erfindung zugrunde liegende Problem, in Baukonstruktionen ohne Einbuße an Gebrauchstauglichkeit und zur Erhöhung ihrer Wirtschaftlichkeit den Einsatz beliebig hochfester Werkstoffe oder von Werkstoffen mit beliebigen Elastizitätsmoduli oder den kombinierten Einsatz dieser Werkstoffe im gleichen Biegeträger zu ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahrensweisen und Biegeträger- Konstruktionen vorzuschlagen, mit denen die beschriebenen Einschränkungen des Standes der Technik vermieden werden. Ziel der Erfindung sind technische Lösungen, mit denen das Festigkeitspotenzial hoch- und höchstfester Werkstoffe und von Werkstoffpaarungen mit unterschiedlichen Festigkeiten und beliebiger Elastizitätsmoduli für die Tragfähigkeit der Biegeträger voll ausgeschöpft werden kann und zusätzlich eine für die Gebrauchstauglichkeit ausreichende Erhöhung der effektiven Biegesteifigkeit im Beanspruchungsbereich zulässiger Gebrauchslasten bewirkt wird.

Diese Aufgaben werden durch eine gebrauchslastparallele Vorspannung und Vorverformung der Biegeträger und eine der erfinderischen Zielsetzung jeweils angepasste Gestaltung konstruktiver Merkmale der Biegeträger gelöst. Für unterschiedliche Werkstoffpaarungen im gleichen Biegeträger ergeben sich hierbei unterschiedliche erfindungsgemäße Konstruktionsmerkmale.

Die Aufgabe einer Steifigkeitserhöhung im Beanspruchungsbereich zulässiger Gebrauchslasten wird dadurch gelöst, dass ein Teil der Biegeverformungen, die bei der Beanspruchung der Biegeträger durch die Gebrauchslasten entstehen, durch erfindungsgemäß erzeugte Eigenspannungszustände im Biegeträger vorweggenommen werden, die zu Verformungen führen, die das gleiche Vorzeichen haben wie die Biegeverformungen aus den Gebrauchslasten und die bei Beanspruchung der Biegeträger durch Gebrauchslasten abgebaut werden.

Für das Aufbringen der Eigenspannungszustände wird ein kleiner Teil des Widerstandspotenzials der Biegeträger "geopfert". Hinsichtlich der Biegeverformungen wirken die Eigenspannungszustände wie Vorspannmomente. Durch die vorgeschlagene Verfahrensweise bei der konstruktiven Gestaltung und Fertigung der Biegeträger entstehen dauerhafte Eigenspannungszustände, die bei Belastung der Biegeträger durch Gebrauchslasten stetig abgebaut und bei Entlastung wieder aufgebaut werden.

Für die erfindungsgemäße Aufgabenlösung werden die Momenten- Verformungs-Beziehungen für die Biegemomente aus Gebrauchslast und die Beziehungen, die für die Verformungen aus den Eigenspannungszuständen gelten, so gestaltet, dass die Eigenspannungszustände erst nach Erreichen der maximalen Gebrauchslast, für die eine Verminderung der effektiven Verformungen erreicht werden soll, vollständig abgebaut werden. Bei Beanspruchung des Biegeträgers durch die zulässigen Gebrauchslasten wirkt somit nur eine Biegeverformung, die der vollen elastischen Durchbiegung vermindert um die bereits durch die Eigenspannungszustände erzeugten und jeweils abgebauten Vorverformung entspricht.

Die Momenten-Verformungs-Beziehung für die Biegemomente aus Gebrauchslast ist eine Funktion der Biegesteifigkeit E × J und der Biegemomente aus Gebrauchslast. Die Momenten-Verformungs-Beziehung für die Eigenspannungszustände ist ebenso eine Funktion von Steifigkeitsbeziehungen, die für den Aufbau und die Auflösung der Eigenspannungszustände gelten.

Die maximalen Verformungen durch die Gebrauchslasten und durch die Eigenspannungszustände ergeben sich durch die Integration der jeweiligen Momenten-Verformungs-Beziehungen über die Länge der Biegeträger. Eine Kontinuitäts- und Gleichgewichtsbedingung bestimmt die Höhe der durch Eigenspannungszustände vorweggenommenen und bei Beanspruchung durch die Gebrauchslasten abbaubaren Vorverformungen. Der prozentuale Anteil der durch Eigenspannungszustände vorweggenommenen und bei Beanspruchung durch Gebrauchslasten abbaubaren Vorverformungen an den Gesamtverformungen aus Gebrauchslast ist um so größer, je steifer die Teilwiderstände sind, mit denen die Eigenspannungszustände erzeugt werden.

Für die erfinderische Zielsetzung einer Steifigkeitserhöhung im Beanspruchungsbereich zulässiger Gebrauchslasten sind daher sehr hohe Steifigkeiten des Teilwiderstandes, der die abbaubare Vorspannung erzeugt, im Vergleich mit der Steifigkeit des Teilwiderstandes des Grundprofils, der bis zum Abbau der Eigenspannungszustände die Biegesteifigkeit des Biegeträgers bestimmt, sehr vorteilhaft. Eine hohe Steifigkeit der Teilwiderstände, mit denen die Eigenspannungszustände erzeugt werden, im Vergleich mit der Biegesteifigkeit des Grundprofils des Biegeträgers bei Beanspruchung durch Gebrauchslasten erhöht somit die Effizienz des Verfahrens, verbessert aber auch das Tragverhalten des Biegeträgers nach Abbau der Vorspannungen. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Werkstoffen mit höherem Elastizitätsmodul, wie zum Beispiel auf Zug oder Druck beanspruchte Spannstäbe, die aus Profilen oder Bändern aus CFK oder aus anderen Hochleistungswerkstoffen bestehen, für die Teilwiderstände des Biegeträgers, mit denen die bei Beanspruchung durch Gebrauchslasten abbaubaren Vorspannungen und Vorverformungen erzeugt werden, lassen sich somit neben den steifigkeitsfördernden Effizienz auch Eigenschaften der Biegeträger fördern, die zu einer Verbesserung des Tragverhaltens führen.

Nach dem Abbau der Eigenspannungszustände wirkt bis zum Erreichen der Traglast das volle Widerstandspotenzial des Biegeträgers. Die effektiven Verformungen sind in diesem Beanspruchungsbereich eine Funktion des vollen Widerstandspotenzials des Biegeträgers. Die effektive Biegesteifigkeit des Biegeträgers ist in diesem Beanspruchungsbereich aber kleiner, weil die verformungsmindernde Wirkung der Eigenspannungszustände fehlt.

Die erfindungsgemäßen konstruktiven Merkmale bewirken, dass die Biegeträger bei Beanspruchungen durch Laststeigerungen über die maximalen Gebrauchslasten hinaus eine aus Sicherheitsgründen ausreichende elastische Tragreserve haben. Sie bewirken weiterhin, dass beim Einsatz von Werkstoffen mit unterschiedlichen Festigkeiten und unterschiedlichen Elastizitätsmoduli die Grenztragfähigkeit und Bruchlast des Biegeträgers vom Widerstandspotenzial aller Querschnittsteilflächen und Widerstand bildenden Teilen des Biegeträgers bestimmt wird und der Biegeträger sich vor Erreichen der Grenztragfähigkeit und Bruchlast duktiler verhält.

Die Erfindung wird an Hand von Beispielen durch die Fig. 1 bis 25 erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch und höhenverzerrt die verformte Biegeträgerachse 1 nach Aufbringen der lastparallelen Vorspannung und die verformte Biegeträgerachse 2 nach Aufbringen der maximalen Gebrauchslasten sowie die dazu gehörenden Beanspruchungs-Verformungs-Diagramme A - C und B - C,

Fig. 2 bis 6 ein Beispiel für einen Biegeträger aus Stahl gemäß Anspruch, 2,

Fig. 2 schematisch die Systemlinie 3 des vorgekrümmten Biegeträgers,

Fig. 3 den Querschnitt eines Grundprofils 4,

Fig. 4 schematisch die Verformungen der Systemlinie des Biegeträgers aus der gebrauchslastparallelen Vorspannung,

Fig. 5 und Fig. 5a Beispiele von Querschnittsergänzungen 5,

Fig. 6 schematisch die Systemlinie des unbelasteten erfindungsgemäß gestalteten Biegeträger und die Systemlinie bei maximal zulässiger Gebrauchslast.

Fig. 7 und 8 die vorgeschlagene Segmentierung für einen Biegeträger aus Stahl gemäß Anspruch 3 oder 4,

Fig. 7 ist eine Längsansicht

Fig. 8 ein Querschnitt

Fig. 9 bis 14 Beispiele für Biegeträger aus Stahl im Verbund mit einer Stahlbetonplatte gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7,

Fig. 9 ist ein maßstabsverzerrter Längsschnitt durch einen Verbundträger nach Anspruch 5 nach der ersten Herstellungsphase der Verbundwirkung. Die Querschnittshöhen sind wesentlich größer dargestellt als die Längen.

Fig. 10 ein Querschnitt nach Linie I-I in Fig. 9,

Fig. 11 die durch die Vorspannung der Spannstäbe 12 erzeugte Momentenfläche,

Fig. 12 die durch die Vorspannung der Spannstäbe 12 erzeugte Momentenfläche nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons,

Fig. 13 ist ein maßstabsverzerrter Längsschnitt durch einen Verbundträger nach einem der Ansprüche 6 oder 7. Dargestellt sind nur die Spannstäbe, die am rechten Ende des Biegeträgers vorgespannt werden. Die Querschnittshöhen sind wesentlich größer dargestellt als die Längen.

Fig. 14 die durch die Vorspannung der Spannstäbe 12 erzeugte Momentenfläche,

Fig. 15 bis 18 ein Beispiel für einen über mehrere Felder durchlaufenden Biegeträger aus Stahl im Verbund mit einer Stahlbetonplatte gemäß Anspruch 10,

Fig. 15 ist ein maßstabsverzerrter Längsschnitt durch einen Verbundträger nach Anspruch 10 nach der ersten Herstellungsphase der Verbundwirkung. Die Querschnittshöhen sind wesentlich größer dargestellt als die Längen.

Fig. 16 die durch die Vorspannung der Spannstäbe 12 erzeugte Momentenfläche,

Fig. 17 ist ein maßstabsverzerrter Längsschnitt durch einen Verbundträger nach Anspruch 10 nach der kompletten Herstellung der Stahlbetonplatte 11. Die Querschnittshöhen sind wesentlich größer dargestellt als die Längen.

Fig. 18 die durch die Vorspannung der Spannstäbe 12 erzeugte Momentenfläche nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons,

Fig. 19 bis 23 Beispiele für Biegeträger aus Stahlbeton oder Spannbeton gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15,

Fig. 24 und 25 Querschnitt und Draufsicht eines Verbundspannstabes gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, der aus CFK-Bändern 17 und dünnen Stahlblechen 16 besteht, die miteinander verklebt sind.

In Anspruch 1 wird für die erfindungsgemäße Verfahrensweise und die konstruktiven Merkmale bei der Fertigung und Gestaltung von Biegeträgern, mit denen die erfindungsgemäßen Wirkungen erzielt werden und die für alle möglichen Bauweisen von Biegeträgern geeignet sind, Schutz begehrt.

In Fig. 1 sind schematisch die Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Gestaltung auf das Beanspruchungs- Verformungs-Verhalten der Biegeträger dargestellt. Fig. 1 zeigt die verformten Längsachsen 1 und 2 eines Biegeträgers und ein Beanspruchungs-Verformungs Diagramm der erfindungsgemäß gestalteten Biegeträger. Die Beanspruchung M1 charakterisiert den Eigenspannungszustand des Biegeträgers, der durch "opfern" eines Teils des Gesamtwiderstandes und gegensinnige Vorspannung der Teilwiderstände dauerhaft "eingefroren" wird und zu einer Biegeverformung f1 führt.

Die Beanspruchungshöhe M1 ist der gebrauchslastparallele Vorspannungszustand in den beiden Teilwiderständen, der auf Grund der erfindungsgemäßen Gestaltung der Biegeträger bei Beanspruchung der Biegeträger durch die maximalen Gebrauchslasten bis zur Beanspruchungshöhe M1 + M2 vollständig abgebaut wird. Die erfindungsgemäße Gestaltung bewirkt somit, dass statt der Biegeverformung f1 + f2 eines herkömmlich gestalteten Biegeträgers mit der maximal zulässigen Beanspruchungshöhe M1 + M2 nur eine Biegeverformung f2 wirksam ist.

Statt der Beanspruchungs-Verformungs-Linie A - C gilt bezogen auf die effektiven Verformungen die Linie B - C.

Bei Beanspruchungshöhen größer als M1 + M2 - nach vollständigem Abbau der Eigenspannungszustände - entfällt die steifigkeitserhöhende Wirkung der Vorspannung. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der konstruktiven Merkmale beteiligt sich in dieser Beanspruchungsstufe auch der Teilwiderstand an der Lastabtragung, der bis zur Beanspruchungshöhe M1 + M2 für die Erzeugung des steifigkeitserhöhenden Eigenspannungszustandes "geopfert" worden ist. Die Beanspruchungs-Verformungs-Linie ist in dieser Beanspruchungsstufe eine Funktion des Gesamtwiderstandes des Biegeträgers.

Die erfindungsgemäßen Gestaltungspotenziale des Anspruchs 1 erlauben auch eine vorteilhafte volle Ausschöpfung der Festigkeiten von Werkstoffen mit unterschiedlichen Festigkeiten bis zum plastischen Beanspruchungsbereich der Biegeträger. Die Paarung von spröden hochfesten Werkstoffen mit weichen hochduktilen Werkstoffen macht die Biegeträger darüber hinaus in diesem Beanspruchungsbereich ohne Einbuße an Tragfähigkeit duktiler.

Für die Effizienz der steifigkeitsfördernden Wirkung der Vorspannung ist eine besonders hohe Steifigkeit des Teilwiderstandes, der die Vorspannung erzeugt und "einfriert", besonders vorteilhaft. Je höher die Steifigkeit dieses Teilwiderstandes und je kleiner die Biegesteifigkeit des Grundprofils des Biegeträgers ist, um so größer ist das Vorspannmoment, das durch die Beanspruchungen aus Gebrauchslast abgebaut werden kann.

Die steifigkeitsfördernde Wirkung der gebrauchslastparallelen Vorspannung ist daher besonders groß, wenn für die Erzeugung der Vorspannung Werkstoffe mit höherem Elastizitätsmodul, wie zum Beispiel CFK- Profile und Bänder, eingesetzt werden. Aber auch durch die Paarung von Stahl für die Erzeugung der Vorspannung mit Grundprofilen der Biegeträger, in denen statt Normalbeton Leichtbeton verwendet wird, lassen sich erhebliche Steifigkeitsgewinne erzielen. Durch die Paarung von Stahl für die Erzeugung der Vorspannung mit Grundprofilen von Biegeträgern, in denen der Elastizitätsmodul von Leichtbeton die Biegesteifigkeit bestimmt, lassen sich effektive Steifigkeitsgewinne bis zu 70% erzielen. Durch die Kombination von CFK- Profilen und Bändern mit besonders hohem Elastizitätsmodul für die Erzeugung der Vorspannung mit Grundprofilen von Biegeträgern, in denen der Elastizitätsmodul von Leichtbeton die Biegesteifigkeit bestimmt, lassen sich effektive Steifigkeitsgewinne bis zu 85% erzielen.

Da durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Biegeträger für die Grenztragfähigkeit eine Ausschöpfung der Festigkeitspotenziale aller eingesetzter Werkstoffe möglich ist, können sich Gewichts- und Massenersparnisse von mehr als 50% ergeben. Durch den Einsatz der Erfindung kann bei günstiger Kombination der erfindungsgemäßen Gestaltungspotenziale mit Kostenersparnissen von mehr als 30% gerechnet werden.

Durch den Einsatz der Erfindung in hybriden Stahlkonstruktionen lässt sich die Betriebs- und Dauerfestigkeit von geschweissten Stahlkonstruktionen um ein Vielfaches steigern. Die wirtschaftlichen Vorteile dieser erfindungsgemäßen Wirkungen sind besonders hoch einzuschätzen.

In Anspruch 2 wird Schutz begehrt für eine konkrete Ausprägung der Verfahrensweise gemäß Anspruch 1 bei der konstruktiven Gestaltung und Fertigung von Biegeträgern, die aus stählernen Grundprofilen 4 im Verbund mit stählernen Querschnittsergänzungen 5 bestehen.

Gemäß Fig. 2 wird der aus dem Grundprofil bestehende Biegeträger um die Durchbiegung f1 vorgekrümmt hergestellt. Fig. 4 zeigt schematisch die gebrauchslastparallelen Einwirkungen, die zu einem Biegemoment von M1 + M2 und zu einer Durchbiegung von f1 + f2 führen und deren Verteilung möglichst affin zu den Gebrauchslasten sein sollte. Die in Fig. 5 und 5a dargestellten Querschnittsergänzungen 5 werden schubfest mit dem vorgespannten Grundprofil 4 verbunden. Fig. 6 zeigt schematisch den um f2 zurückgefederten Biegeträger und gestrichelt die Biegeverformung f1 bei maximaler Gebrauchslast.

Die Ansprüche 3 und 4 beschreiben die Ausgestaltung des Verfahrens für Stahlträger mit größeren Trägheitsmomenten, großen Trägerhöhen und Trägerlängen, deren Segmentierung in Fig. 7 und 8 dargestellt ist.

Verfahren und Konstruktionsmerkmale können sowohl in statisch bestimmt gelagerten einfeldrigen Biegeträgern wie auch in statisch unbestimmt gelagerten Biegeträgern wie zum Beispiel Durchlaufträgern eingesetzt werden. Bei der Gestaltung der Eigenspannungszustände durch gebrauchslastparallele Einwirkungen müssen alle Auflagerbedingungen des Biegeträgers abgebildet werden. Für die Effizienz des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn die Einwirkungen, für die eine Steifigkeitserhöhung erzielt werden soll, möglichst affin zu den Einwirkungen aus Gebrauchslast abgebildet werden.

Der Ansprüche 2 bis 4 beschreiben Verfahren und Konstruktionsmerkmale, bei denen ein Grundprofil 4 aus einem höherfesten Stahl mit Querschnittsergänzungen 5 aus einem Stahl mit einer geringeren Festigkeit in den Querschnitten von Biegeträgern kombiniert werden. Der Steifigkeitsgewinn und die vorteilhaften Wirkungen für die Grenztragfähigkeit sind besonders groß, wenn Grundprofile 4 aus hoch- und höchstfesten Stählen mit Querschnittsergänzungen 5 aus Stählen kombiniert werden, deren Festigkeiten um ein Vielfaches kleiner sind.

Im ersten Verfahrensschritt wird das hochfeste Grundprofil 4 durch Einwirkungen, die durch eine besondere Vorrichtung während des Fertigungsprozesses erzeugt werden, bis zu den maximalen Biegemomenten M1 + M2 aus Gebrauchslast vorgespannt und vorverformt.

Das vorverformte und vorgespannte Grundprofil 4 wird in einem zweiten Verfahrensschritt mit den Querschnittsergänzungen 5 aus einem Stahl mit einer geringeren Festigkeit schub- und biegefest durch ein geeignetes Verbindungsmittel, zum Beispiel durch Flankenkehlnähte, verbunden.

Nach der Herstellung des kraftschlüssigen Verbundes zwischen Grundprofil 4 und den Querschnittsergänzungen 5 werden die äußeren Einwirkungen, mit denen die Vorspannung des Grundprofils 4 erzeugt wurde, entfernt. Der um die Querschnittsergänzungen 5 verstärkte Biegeträger federt um den Teilbetrag f2 der Vorverformung zurück. Hierbei wird das Moment M1 "eingefroren". Das Maß der Rückfederung wird bestimmt von den Steifigkeiten des Grundprofils 4 und des Gesamtprofils 4 und 5 nach der Verstärkung.

Zur rechnerischen Ermittlung dieses Rückfederungsanteils steht eine Gleichgewichts- und eine Kontinuitätsbedingung zur Verfügung. Beim Zurückfedern bildet sich an jeder Stelle der Biegeträgerlänge in den Biegeträgerquerschnitten ein Eigenspannungszustand aus, dessen Resultierende über den ganzen Biegeträgerquerschnitt zwar an jeder Stelle der Biegeträgerlänge null ist. Der Eigenspannungszustand führt aber innerhalb der Biegeträgerquerschnitte zu einem Kräftepaar mit inneren Kräften umgekehrten Vorzeichens und innerem Hebelarm, die ein Eigenspannungsmoment bilden, das dem Anteil M1 des durch Einwirkungen im Grundprofil 4 erzeugten Vorspannmomentes das Gleichgewicht hält, der auf Grund der Gleichgewichts- und Kontinuitätsbedingung nach der Rückfederung "eingefroren" wird.

Die Kontinuitätsbedingung bewirkt, dass während des Zurückfederns in der Querschnittsfuge zwischen Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 bei elastischem Verhalten der beiden Stähle die gleichen Biegespannungsdifferenzen Delta Sigma entstehen.

Mit der für die folgenden analytischen Betrachtungen gewählten idealen Voraussetzung, dass die Vorspannmomentenfläche M1 + M2 identisch ist mit der Momentenfläche aus den maximalen Gebrauchslasten, ist die "eingefrorene" Momentenfläche M1 affin zur Momentenfläche aus den maximalen Gebrauchslasten. Die Vorverformung f2, die zurückfedert, ist damit eine einfache Funktion des Verhältnisses des Trägheitsmomente des aus Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 bestehenden Gesamtquerschnittes J₁ zu dem Trägheitsmoment des aus dem Grundprofil 4 bestehenden Querschnittes J₀. Bezeichnet man dieses Verhältnis mit K, so federt in diesem Falle die Vorverformung um das K/(1 + K)-fache der gesamten Vorverformung zurück. Der K/(1 + K)-fache Anteil der gesamten Vorverformung f2 ist auch die effektive Biegeverformung, die sich bei Beanspruchung der erfindungsgemäß hergestellten Biegeträger durch äußere Einwirkungen bis zu den maximalen Biegemomenten der Vorspannung einstellt, wenn sie identisch sind mit den im ersten Verfahrensschritt erzeugten Einwirkungen.

Mit dieser Voraussetzung stellt sich auf der ganzen Biegeträgerlänge bei der Entfernung der Einwirkungen, mit denen die Vorspannung erzeugt wurde, und bei jeder weiteren Beanspruchung des Biegeträgers durch die maximalen Gebrauchslasten in der Querschnittsfuge zwischen Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 die gleiche relative Biegespannungsdifferenz ein, die der Formel Delta Sigma = 1/(1 + K) gehorcht.

Mit diesen Voraussetzungen nehmen bei Beanspruchung des Biegeträgers bis zu den maßgebenden maximalen Biegemomenten durch die Gebrauchslasten die Biegespannungen in der Querschnittsfuge zwischen Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 um die Biegespannungsdifferenz Delta Sigma zu, während die gleich hohen Biegespannungen mit umgekehrtem Vorzeichen in den Querschnittsergänzungen 5 auf null abgebaut werden.

Anstelle der Biegespannungen im Grundprofil 4 ist daher bei Biegeträgern nach Anspruch 2 mit vorwiegend nicht ruhender Beanspruchung durch Gebrauchslasten die Biegespannungsdifferenz Delta Sigma gemeinsam mit der Zahl der Lastwechsel und der Völligkeit des ermüdungswirksamen Beanspruchungskollektiv die maßgebende Bezugsgröße für die Betriebs- und Dauerfestigkeit des Biegeträgers.

Für Steifigkeitsverhältnisse K zwischen 1,2 und 4 ergeben sich damit Delta Sigma-Werte von 0,45 bis 0,2 der Biegespannungen in konventionellen Biegeträgern.

Die effektive Biegeverformung des Biegeträgers bei maximaler Beanspruchung durch Gebrauchslasten beträgt für Steifigkeitsverhältnisse K zwischen 1,2 und 4 nur noch den 0,45- bis 0,2-fachen Anteil der Biegeverformungen des vorverformten Grundprofils.

Die ermüdungswirksame Biegespannungsamplitude beträgt ebenfalls nur den 0,45- bis 0,2-fachen Anteil der Biegespannungsamplitude von gleich beanspruchten konventionellen Biegeträgern.

Die Wirkungen der Gestaltung eines stählernen Biegeträgers nach Anspruch 2 werden an einem Beispiel erläutert:

• - Werkstoff für das hochfeste Grundprofil: S 960.
• - Werkstoff für die Querschnittsergänzungen: S 235
• - Steifigkeitsverhältnis: K = 2
• - maximale Biegespannung im Grundprofil nach der Vorverformung und bei maximaler Beanspruchung durch Gebrauchslasten: 640 N/mm²
• - Delta Sigma = 213 N/mm² ≈ 0,9 der Streckgrenze des S 235

Bei maximaler Beanspruchung des Biegeträgers durch Gebrauchslasten ist die Biegespannung der Querschnittsergänzungen 5 in der Querschnittsfuge zwischen Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 null. Bei weiterer Steigerung der Beanspruchung des Biegeträgers steigen die Biegespannungen im Grundprofil 4 und in den Querschnittsergänzungen 5 zunächst proportional zu den Verformungen. Hierbei erreichen die Biegespannungen in den Querschnittsergänzungen 5 die Streckgrenze des S 235 noch bevor in den Randfasern des Grundprofils 4 die Streckgrenze des S 960 erreicht wird. Der Biegeträger kann aber auch so bemessen werden, dass beide Stähle annähernd gleichzeitig die Streckgrenze erreichen. Der Biegeträger verhält sich auch über diese Laststufe hinaus wegen des erheblich größeren plastischen Arbeitsvermögens des S 235 duktiler als ein konventioneller Biegeträger aus hochfestem Stahl. Die Grenzlast des erfindungsgemäß gestalteten hybriden Biegeträgers wird erreicht, nachdem beide Stähle die Streckgrenze erreicht haben. Bei der Bemessung des erfindungsgemäß gestalteten hybriden Biegeträgers kann daher das Festigkeitspotenzial beider Stähle voll berücksichtigt werden.

Die effektive Biegeverformung des Biegeträgers bei maximaler Beanspruchung durch Gebrauchslasten beträgt nur noch das 1/(1 + K) = 0,33-fache der maximalen Vorverformung des Grundprofils. Die Biegeverformung eines konventionellen Biegeträgers mit einem Trägheitsmoment von J₁ würde bei maximaler Beanspruchung durch Gebrauchslasten das K/(1 + K) = 0,667-fache der maximalen Vorverformung des Grundprofils betragen. Der auf die Steifigkeit eines konventionellen Biegeträgers mit gleich großem Trägheitsmoment J₁ bezogene effektive Steifigkeitsgewinn, den das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt, beträgt in diesem Beispiel 33%.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Biegeträger erhöht sich somit die effektive Steifigkeit bei Beanspruchung durch die Gebrauchslasten je nach Wahl des Steifigkeitsverhältnisses K unterschiedlich. Für die Biegespannungsdifferenz Delta Sigma gelten die gleichen funktionalen Zusammenhänge. Die Biegespannungsdifferenz Delta Sigma ist daher ein Maßstab für den effektiven Steifigkeitsgewinn und gleichzeitig der Bruchteil der Biegespannungsschwingbreite, der ermüdungswirksam ist.

Durch die Variation des Steifigkeitsverhältnisses K lassen sich die vorteilhaften Einzelwirkungen für den Anwendungsfall optimieren. Eine auf den Materialeinsatz bezogene Maximierung des Steifigkeitsgewinns lässt sich bei möglichst kleinen Steifigkeitsverhältnissen K erreichen. Ein Steifigkeitsverhältniss K = 1,2 führt zu einem Steifigkeitsgewinn von 1/(1 + 1,2) = 0,45 = 45%, gleichzeitig aber auch zu einer vergleichsweise größeren ermüdungswirksamen Biegespannungsschwingbreite von 0,45-fachen der vergleichbaren Biegespannungsamplitude eines gleich beanspruchten konventionellen Biegeträgers. Ein Steifigkeitsverhältniss K = 4 führt zu einem Steifigkeitsgewinn von 1/(1 + 4) = 0,2 = 20%, gleichzeitig aber auch zu einer wesentlich kleineren ermüdungswirksamen Biegespannungsschwingbreite.

Die größten wirtschaftlichen Vorteile entstehen bei der Paarung von Stählen mit um ein Vielfaches unterschiedlich hohen Festigkeiten im gleichen aus Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 bestehenden Querschnitt. Die Parameter des Verfahrens können dann so gestaltet werden, dass die effektive Biegesteifigkeit der Biegeträger bei Beanspruchung durch die Gebrauchslasten in wünschenswertem Umfang erhöht wird und die ermüdungswirksame Biegespannungsschwingbreite in wünschenswertem Umfang reduziert wird und bei der Beanspruchung der Biegeträger bis zur Erschöpfung ihrer Tragfähigkeit die beiden unterschiedlich festen Stähle annähernd gleichzeitig die Streckgrenze erreichen.

Die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 kann auch in Biegeträgern aus Stählen mit gleich hohen Nennfestigkeiten im gleichen aus Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 bestehenden Querschnitt sinnvoll sein. Die Biegeträger haben dann nach Erreichen der Streckgrenze im Stahl des Grundprofils 4 noch eine elastische Tragreserve bis zum Erreichen der Streckgrenze in den Querschnittsergänzungen 5, deren elastischen Eigenschaften eine Funktion des Trägheitsmomentes der Querschnittsergänzungen 5 ist. Biegeträger mit diesen konstruktiven Merkmalen verhalten sich vor allem beim Einsatz hochfester und höchstfester Stähle vor der Erschöpfung ihrer Tragfähigkeit duktiler. Der Steifigkeitsgewinn eines so gestalteten Biegeträgers ergibt sich aus den gleichen funktionalen Zusammenhängen wie oben beschrieben.

Die verformungsmindernde Wirkung des Verfahrens nach Anspruch 2 ist am größten, wenn die Form der Momentenfläche aus den erfindungsgemäß erzeugten Eigenspannungen über die Biegeträgerlänge affin ist zur Momentenfläche aus den Gebrauchslasten, für die eine Reduzierung der effektiven Verformungen erreicht werden soll. Die Effizienz des Verfahrens ist annähernd gleich groß, wenn die Form der Momentenfläche aus den erfindungsgemäß erzeugten Eigenspannungen über die Biegeträgerlänge eine Umhüllende der Momentenfläche aus den Gebrauchslasten ist, für die eine Reduzierung der effektiven Verformungen erreicht werden soll.

In den Ansprüchen 3 und 4 wird Schutz begehrt für die Ausprägung des Verfahrens nach Anspruch 2 für höhere und längere Biegeträger, deren erfindungsgemäße Vorspannung vor allem im Auflagerbereich zu hohe Einwirkungen erfordern würde. Es wird vorgeschlagen, die Biegeträger in mehreren biegeträgerlangen Segmenten zu fertigen und die Verfahrensschritte des Anspruchs 2 an dem Segmenten getrennt durchzuführen. Zwei von drei möglichen Segmenten 6 und 7, enthalten die Gurte und Teile des Stegbleches. Nur die beiden Segmente 6 und 7, zu deren Querschnittsfläche je einer der beiden Gurte gehört, werden vorgespannt und den weiteren Verfahrensschritten des Anspruchs 2 unterzogen. Die beiden Segmente 6 und 7, zu deren Querschnittsfläche je einer der beiden Gurte des Biegeträgers gehört, werden vor dem Vorspannen an ihren Stegblechrändern durch Hilfsgurte 9 verstärkt. Durch die Hilfsgurte 9 werden die Schwerlinien und Trägheitsmomente der Segmente 6 und 7 so verändert, dass durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 2, das anschliessende Zusammenfügen der Segmente zu dem ganzen Biegeträger, und die Entfernung der Hilfsgurte 9 nach dem Zusammenfügen der Segmente eine Eigenspannungsverteilung über die ganze Biegeträgerhöhe und Biegeträgerlänge erzielt wird, die in dem Biegeträger die Eigenschaften des Anspruchs 2 erzeugen. Die beiden Segmente 6 und 7 werden so gefertigt und vorgespannt, dass ihre Stegblechränder sowohl nach der Fertigung wie auch nach der Vorspannung, der schub- und biegefesten Verbindung mit den Querschnittsergänzungen 5 und dem anschließenden Entfernen der Einwirkungen den gleichen Krümmungsverlauf haben, so dass sie sowohl nach der Fertigung wie auch nach der Vorspannung, dem Entfernen der Einwirkungen, aber vor dem Entfernen der Hilfsgurte 9, zusammenpassen. Biegeträger, die aus zwei Segmenten 6 und 7 bestehen, können somit auch nach Durchführung der Verfahrensschritte des Anspruchs 2 an den Stegblechrändern der Segmente 6 und 7 zusammengefügt werden. Bei Biegeträgern, die aus drei Segmenten 6, 7 und 8 bestehen, müssen die Stegblechränder des dritten Segmentes 8, das nur aus dem mittleren Teil des Stegbleches besteht, dem Krümmungsverlauf der Stegblechränder der Segmente 6 und 7 angepasst werden.

Die beiden Segmente 6 und 7, zu deren Querschnittsfläche je einer der beiden Gurte des Biegeträgers gehört, werden zunächst an ihren Stegblechrändern durch Hilfsgurte 9 verstärkt. Die so veränderten Segmente 6 und 7 werden vorgespannt, im vorgespannten Zustand durch die Querschnittsergänzungen 5 verstärkt, anschliessend entlastet und mit den Hilfsgurten 9 zusammengefügt. Die Hilfsgurte 9 werden erst nach dem schub- und biegefesten Zusammenfügen entfernt. Durch die Hilfsgurte 9 werden die Schwerlinien und Trägheitsmomente der Segmente 6 und 7 so verändert, dass durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 2, das anschliessende Zusammenfügen der Segmente zu dem ganzen Biegeträger, und die Entfernung der Hilfsgurte 9 nach dem Zusammenfügen der Segmente 6 und 7 oder 6, 7 und 8 eine Eigenspannungsverteilung über die ganze Biegeträgerhöhe und Biegeträgerlänge erzielt wird, die in dem Biegeträger die Eigenschaften des Anspruchs 2 erzeugen.

Das Verfahren gemäß den Ansprüchen 2 bis 4 erlaubt die Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials von hoch- und höchstfesten Stählen in Baukonstruktionen und somit ihre wirtschaftliche Anwendung. Die Anwendung des Verfahrens in hybriden Baukonstruktionen mit Werkstoffpaarungen aus hoch- und höchstfesten Stählen mit Stählen geringerer Festigkeit im gleichen Querschnitt, die auf Biegung oder Biegung mit Querkraft oder Biegung mit Querkraft und Normalkräften beansprucht werden, führt zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen.

Im einzelnen entstehen bei der Anwendung des Verfahrens für Baukonstruktionen, Schiffs- und Fahrzeugkonstruktionen sowie für mobile Kräne folgende Vorteile:

• - die effektive Biegeverformung der erfindungsgemäßen Konstruktionen bei Beanspruchung bis zu den maximalen Gebrauchslasten beträgt durch den vollständigen Abbau der Vorverformungen nur noch einen Bruchteil der Biegeverformung eines herkömmlichen Biegeträgers mit dem gleichen Trägheitsmoment. Dieser Bruchteil ist der effektive Steifigkeitsgewinn und beträgt 1/(1 + K), wobei K das Verhältnis des Trägheitsmomentes des Gesamtquerschnitts zum Trägheitsmoment des Grundprofils ist.
• - die effektive Biegespannungsschwingbreite, die bei Beanspruchung durch vorwiegend nicht ruhende Gebrauchslasten ermüdungswirksam ist, beträgt nur noch einen Bruchteil der Biegespannungsschwingbreite, die bei einem herkömmlichen Biegeträger mit gleichem Trägheitsmoment J₁ und gleichem Beanspruchungskollektiv für die Betriebs- und Dauerfestigkeit wirksam und für die Bemessung maßgebend ist.
• - Der Bruchteil der Biegespannungsschwingbreite, der ermüdungswirksam ist, beträgt ebenfalls nur noch das 1/(1 + K)-fache der Biegespannungsschwingbreite, die bei einem konventionell gestalteten Biegeträger maßgebend für die Betriebs- und Dauerfestigkeit ist. Mit den durch die erfindungsgemäße Gestaltung zur Erhöhung der Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit sowie zur Verbesserung des Tragverhaltens erzielbaren Bruchteilen von 0.2 bis 0,45 der Biegespannungsschwingbreite herkömmlicher Biegeträger ist die Betriebs- und Dauerfestigkeit nicht mehr bemessungsrelevant. Biegeträger nach Anspruch 2 oder 3 oder 4 können auch bei ungünstigen Beanspruchungskollektiven und beliebig großen Lastspielzahlen für die Traglast bei vorwiegend ruhender Belastung bemessen werden. Das Festigkeitspotenzial hoch- und höchstfester Stähle kann voll ausgeschöpft werden. Diese vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung gestattet daher den wirtschaftlichen Einsatz hoch- und höchstfester Stähle auch in Baukonstruktionen mit nicht vorwiegend ruhender Beanspruchung.
• - bei Laststeigerung und Zunahme der Beanspruchung des Biegeträgers bis zur Erschöpfung der Tragfähigkeit erreichen die Stähle beider Querschnittsteilflächen bei erfindungsgemäßer Bemessung und um ein Vielfaches unterschiedlichen Festigkeiten annähernd gleichzeitig die Streckgrenze. Bis zu dieser Laststufe bleiben die Lastverformungseigenschaften elastisch. Die Biegesteifigkeit wird in diesem Beanspruchungsbereich vom Trägheitsmoment J₁ des Gesamtquerschnitts bestimmt. Bei der Bemessung der erfindungsgemäß gestalteten Biegeträger kann daher das Festigkeitspotenzial beider Stähle voll ausgeschöpft werden. Der Anteil des Widerstandspotenzials, der für eine Erhöhung der effektiven Biegesteifigkeit für Beanspruchungen bis zu den maximalen Gebrauchslasten "geopfert" wird, steht somit in vollem Umfang für die Erhöhung der Grenztragfähigkeit zur Verfügung. Das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit der erfindungsgemäßen konstruktiven Gestaltung bewirken, dass der Biegeträger mindestens eine Grenztragfähigkeit besitzt wie ein konventioneller Biegeträger mit gleich großem Trägheitsmoment, der nur aus dem hochfesten Stahl besteht und darüber hinaus im Beanspruchungsbereich zulässiger Gebrauchslasten wesentlich biegeweicher ist.

Bei der Anwendung des Erfindung zur Herstellung von Baukonstruktionen, deren Verformungen unter Gebrauchslast aus Gründen der Gebrauchstauglichkeit begrenzt werden müssen, ist es vorteilhaft, für ein gegebenes Trägheitsmoment und eine zu bemessende Traglast eine möglichst kleine effektive Biegeverformung infolge Gebrauchslasten anzustreben. Dieses Optimierungsziel lässt sich mit einem möglichst großen Steifigkeitsverhältnis K erzielen.

Für das Beispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Biegeträgers mit einem Steifigkeitsverhältnis K = 3,5, dessen Querschnittsteilflächen aus S 960 und S 235 bestehen, sowie einer Vorverformung und Vorspannung des Grundprofils aus S 960 bis zu einer maximalen Biegespannung von 640 N/mm² ist Delta Sigma = 1/(1 + K) = 0,222 × 640 = 142 N/mm².

Nach dem Aufbringen der Querschnittsergänzungen federt der Biegeträger nur um einen Anteil von 22,2% der maximalen Vorverformung des Grundprofils zurück. Diese Rückfederungsverformung ist auch identisch mit der effektiven Biegeverformung des um die Querschnittsergänzungen verstärkten Biegeträgers durch die maximalen Gebrauchslasten. Trotz einer maximalen Biegespannung von 640 N/mm² im Grundprofil 4 entspricht diese Biegeverformung der eines konventionellen Biegeträgers mit gleichem Trägheitsmoment J₁ und einer Biegespannung von 142 N/mm² in der Querschnittsfuge zwischen Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5.

Bei Beanspruchung des Biegeträgers bis zu den maximalen Gebrauchslasten ensteht in der Querschnittsfuge zwischen Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 eine Biegespannungsdifferenz in Höhe von Delta Sigma = 142 N/mm². Ermüdungswirksam ist nur der Bruchteil dieser Biegespannungsdifferenz, der dem Anteil der Verkehrslast an der maximalen Gebrauchslast entspricht. Bei einem für dieses Beispiel angenommenen Lastverhältnis Ständige Last zu Verkehrslast von 1 zu 1 beträgt die ermüdungswirksame Biegespannungsschwingbreite 71 N/mm². Diese Biegespannungsschwingbreite kann auch von Stahlkonstruktionen mit sehr ungünstigen Kerbwirkungen dauerhaft ertragen werden.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Baukonstruktionen, die aus Gründen der Gebrauchstauglichkeit keiner Verformungsbegrenzung unterliegen, und in Fahrzeug- und Schiffskonstruktionen sowie in mobilen Kränen ist die Minimierung der Verformungen nicht das wichtigste Gestaltungsziel. Wichtigstes Gestaltungsziel ist vielmehr, für eine zu bemessende Traglast der Biegekonstruktionen ein möglichst kleines Konstruktionsgewicht anzustreben. Dieses Optimierungsziel lässt sich mit einem möglichst kleinen Steifigkeitsverhältnis K erzielen.

Für das Beispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Biegeträgers mit einem Steifigkeitsverhältnis K = 1,25, dessen Querschnittsteilflächen aus S 960 und S 355 bestehen, sowie einer Vorverformung und Vorspannung des Grundprofils aus S 960 bis zu einer maximalen Biegespannung von 640 N/mm² ist Delta Sigma = 1/(1 + K) = 0,444 × 640 = 284 N/mm².

Nach dem Aufbringen der Querschnittsergänzungen federt der Biegeträger um einen Anteil von 44,4% der maximalen Vorverformung des Grundprofils zurück. Diese Rückfederungsverformung ist auch identisch mit der effektiven Biegeverformung des um die Querschnittsergänzungen 5 verstärkten Biegeträgers durch die maximalen Gebrauchslasten. Trotz einer maximalen Biegespannung von 640 N/mm² im Grundprofil 4 entspricht diese Biegeverformung der eines konventionellen Biegeträgers mit gleichem Trägheitsmoment J₁ und einer Biegespannung von 284 N/mm² in der Querschnittsfuge zwischen Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5.

Bei Beanspruchung des Biegeträgers bis zu den maximalen Gebrauchslasten ensteht in der Querschnittsfuge zwischen Grundprofil 4 und Querschnittsergänzungen 5 eine Biegespannungsdifferenz in Höhe von Delta Sigma = 284 N/mm². Die Biegespannungsdifferenz würde in einem konventionellen Biegeträger aus S 960 bei gleicher Beanspruchungshöhe und gleich großem Trägheitsmoment 640 N/mm² betragen.

Ermüdungswirksam ist auch bei diesem Beispiel nur der Bruchteil der Biegespannungsdifferenz, der dem Anteil der Verkehrslast an der maximalen Gebrauchslast entspricht. Bei einem für dieses Beispiel angenommenen Lastverhältnis Ständige Last zu Verkehrslast von 1 zu 2 beträgt die ermüdungswirksame Biegespannungsschwingbreite 0,667 × 284 = 189 N/mm². In einem konventionellen Biegeträger aus S 960 würde bei gleicher Beanspruchungshöhe und dem gleichen Lastverhältnis die ermüdungswirksame Biegespannungsschwingbreite 0,667 × 640 = 426 N/mm² betragen. Die erfindungsgemäße Gestaltung bewirkt, dass nur noch 44,4% dieser Spannungsschwingbreite wirksam sind. Beide Spannungsschwingbreiten sind aber bei üblichen Kerbwirkungen und ungünstigen Beanspruchungskolektiven nicht mehr dauerhaft ertragbar.

Zwischen der Höhe der maximalen Spannung, die sich bei schwellender Beanspruchung bei jedem Lastwechsel einstellt oder sich bei einem Beanspruchungskollektiv mit einer bestimmten Häufigkeit einstellt und der jeweils ertragbaren Lastspielzahl bestehen bekanntlich exponentielle funktionale Zusammenhänge. Bei einer Reduzierung der Spannungsschwingbreiten nehmen die ertragbaren Lastspielzahlen je nach den maßgebenden Kerbfällen der Konstruktion mit etwa der dritten bis zur fünften Potenz der Spannungsänderung zu.

Eine Reduzierung der maßgebenden maximalen Spannungsschwingbreite auf 44,4% des sich bei einem konventionellen Biegeträgers einstellenden Wertes vergrößert die ertragbaren Lastspielzahlen bei einem Exponenten von drei, der für mäßig ungünstige Kerbfälle gilt, damit um das 11,39-fache.

Die Wahl eines Steifigkeitsverhältnisses von 1,25 bei der erfindungsgemäßen Gestaltung eines Biegeträgers, dessen Grundprofil 4 aus S 960 besteht und dessen Querschnittsergänzungen 5 auch aus einem Stahl mit geringerer Festigkeit bestehen können, führt im Vergleich mit einem konventionellen Biegeträger aus S 960 mit gleichem Trägheitsmoment zu einer effektiven Steifigkeitssteigerung um 44,4%. Bei gleichem ermüdungswirksamen Belastungskollektiv ergibt sich eine Erhöhung der zuverlässig ertragbaren Lastspielzahlen um mehr als das 10-fache.

Die Ansprüche 5 bis 7 beschreiben die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 bei Biegeträgern aus Stahlträgern 10 im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten 11.

Anspruch 5 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Eigenspannungszustände durch die Vorspannung von Spannstäben 12 erzeugt werden, die im Längenabschnitt a ohne Verbund mit der Stahlbetonplatte 11 verbleiben und deren durch Vorspannung erzeugten Dehnungen bei der Beanspruchung des Biegeträgers durch Gebrauchslasten jeweils abgebaut werden. Die Wirksamkeit dieser Eigenschaft ist im Bereich größerer Biegespannungen aus Gebrauchslast wesentlich intensiver. Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung wird daher durch die Vorspannung nur eines Längenbereichs a der Biegeträgerlänge mit größeren Gebrauchslastmomenten wesentlich wirksamer erreicht. Es ist vorteilhaft, als Teillänge e die Hälfte des Abstandes zwischen den Momentennullpunkten aus Gebrauchslast zu wählen.

In der ersten Herstellungsphase der Verbundwirkung zwischen Stahlträger 10 und Stahlbetonplatte 11 wird die Stahlbetonplatte 11 nur in einer Teillänge a der Biegeträgerlängenabschnitte mit positiven Gebrauchslastmomenten gemäß Fig. 9 im Verbund mit dem Stahlträger 10 hergestellt. Die Teillänge a ist hierbei symmetrisch zum Maximum der Momentenfläche aus den Gebrauchslasten angeordnet. Nach Erhärten der Stahlbetonplatte 11 auf der Teillänge a des Biegeträgers werden auf der Teillänge a die Vorspannmomente der Biegeträger durch die Vorspannung der Spannstäbe 12 erzeugt. Die Höhe der Vorspannung wird so gewählt, dass nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons ein Vorspannmoment verbleibt, das bei Beanspruchung des Biegeträgers durch die maximalen Verkehrslasten vollständig abgebaut wird. Die Spannstäbe 12 verbleiben in den Längenabschnitten a ohne Verbund mit dem Biegeträger. In der nächsten Herstellungsphase des Biegeträgers wird die Stahlbetonplatte 11 in den Längenabschnitten b im Verbund mit dem Stahlträger 10 und den bis in die Längenabschnitte b verlängerten Spannstäben 12 hergestellt.

Die Beschränkung der Vorspannung auf einen Längenbereich a der Stützweite, symmetrisch zum Maximum der Momente aus Gebrauchslast, bewirkt darüber hinaus nach Abbau der Vorspannung die Inanspruchnahme der Spannstäbe 12 zur Erhöhung der Grenztragfähigkeit. Bei Steigerung der Belastung über die maximale Gebrauchslast hinaus beteiligen sich die Spannstäbe 12 im Längenabschnitt a entsprechend ihrer Längskraftsteifigkeit durch die Aufnahme von Druckkräften an der Abtragung von Lasten. Da die Spannstäbe 12 im Stahlbeton der Längenabschnitte b verankert sind, entlasten sie den Längenbereich a des Biegeträgers dort, wo sich die größten Schnittkräfte bilden.

Durch die Verankerung der Spannstäbe 12 in der Stahlbetonplatte 11 der Längenabschnitte b des Biegeträgers werden weitere vorteilhafte Ziele der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung erreicht.

Durch das Kriechen und Schwinden des Betons verändern sich die zum Zeitpunkt der Vorspannung erzeugten Eigenspannungszustände im Biegeträger. Der vorgespannte Beton des Längenabschnittes a entzieht sich teilweise durch Kriech- und Schwindverkürzungen des Betons der Kraftaufnahme. Dadurch vermindern sich die Vorspannkräfte.

Durch die Verankerung der vorgespannten Spannstäbe 12 in der Stahlbetonplatte 11 der Längenabschnitte b werden die durch Kriech- und Schwindverkürzungen des Betons verursachten Veränderungen der durch die Vorspannung erzeugten Eigenspannungszustände günstig beeinflusst. Die Verankerung der vorgespannten Spannstäbe 12 im Stahlbeton der Längenabschnitte b vermindert die Vorspannverluste durch Kriechen und Schwinden. Ein Teil der Vorspannkräfte wird in die Längenabschnitte b verlagert. Mit dem Abklingen von Kriechen und Schwinden verändert sich die durch die Vorspannung erzeugte Momentenfläche. Fig. 11 zeigt die Form und Verteilung der Vorspannmomente unmittelbar nach der Vorspannung. Fig. 12 zeigt qualitativ die Form und Verteilung der Vorspannmomente nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons. In den Längenabschnitten b bilden sich gebrauchslastparallele Dübelkräfte in der Querschnittsfuge zwischen Stahlträger 10 und Stahlbetonplatte 11, die bei Beanspruchung der Biegeträger durch Gebrauchslasten mit der Vorspannung ebenfalls abgebaut werden und die ermüdungswirksame Schwingbreite der Dübelkräfte verringern.

Anspruch 6 beschreibt eine Verfahrensweise gemäß Anspruch 1 für Verbundträger, bei der die durch die Biegespannungen aus Gebrauchslast abbaubaren Eigenspannungszustände durch vorgespannte Spannstäbe 12 erzeugt werden, deren Hüllrohre 13 nach dem Vorspannen in herkömmlicher Weise mit Zementmörtel verpresst werden.

Anspruch 7 ist eine Variante von Anspruch 6, bei der die Spannstäbe 12 im Längenabschnitt c ohne festen Verbund mit dem sie umgebenden Beton verbleiben.

Da das Eigengewicht erfindungsgemäßer Biegeträger erheblich kleiner sein kann als das Eigengewicht von Biegeträgern nach dem Stand der Technik, werden sie anfälliger für Resonanzschwingungen bei Beanspruchung durch Verkehrslasten, die sich periodisch mit annähernd gleichem Rhythmus wiederholen.

Die effektiven Biegeverformungen erfindungsgemäß gestalteter Biegeträger ergeben sich aus den elastischen Biegeverformungen, die sich auch bei einem Biegeträger nach dem Stand der Technik mit gleicher Biegesteifigkeit und gleichen Biegemomenten aus Gebrauchslasten einstellen würden, vermindert um die zurückfedernde Vorverformung, deren Größe von den abgebauten Eigenspannungen bestimmt wird. Wie schnell die Verkehrslastverformungen die Eigenspannungen abbauen, wird beeinflusst von den Verbundeigenschaften zwischen den vorgespannten Spannstäben 12 und dem sie umgebenden Beton. Durch das Verpressen der Hüllrohre 13 mit einem plastischen Medium wird die für das Schwingungsverhalten der Biegeträger sehr wesentliche effektive Biegesteifigkeit auch eine Funktion der Zeit.

Die Ansprüche 8 und 11 sind Varianten und Weiterentwicklungen des Verfahrens nach Anspruch 5 oder 7 oder 10, bei der die Hüllrohre 13, in denen die vorgespannten Spannstäbe 12 liegen, nach dem Vorspannen zusätzlich zur Vermeidung von Resonanzschwingungen des Biegeträgers mit einem viskosen Medium verpresst werden, dessen Eigenschaften die Biegesteifigkeit des Biegeträgers zu einer Funktion der Zeit und Belastungsgeschwindigkeit machen, mit der die Verkehrslasten rhythmisch die Beanspruchungen des Biegeträgers verändern.

Die bei statischem Gleichgewicht sich einstellenden Biegeverformungen des Biegeträgers sind dann keine lineare Funktion der Beanspruchungen mehr; sie sind auch eine Funktion der Zeit und der zeitabhängigen periodischen Veränderungen der Verkehrslasten. Die viskosen Eigenschaften des Verbundes können erfindungsgemäß so gestaltet werden, dass die zeitlichen Veränderungen der effektiven Biegesteifigkeit abgestimmt sind auf die zeitabhängigen periodischen Veränderungen der Verkehrslasten und eine ausgezeichnete Dämpfung bewirken, so dass keine Resonanzschwingungen mehr entstehen können. Die Frequenz der Beanspruchungsänderungen und die Zeitabhängigkeit der Biegesteifigkeit werden erfindungsgemäß so aufeinander abgestimmt, dass der für die Entstehung von Resonanzschwingungen notwendige lineare Zusammenhang zwischen Verformungen und Belastungen hinreichend gestört wird.

Anspruch 9 beschreibt die Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 2 oder 3 oder 4 in längeren über mehrere Felder durchlaufenden Biegeträgern und Rahmenbauwerken, deren Biegeträger Stahlträger 10 sind. Die gesamte Biegeträgerlänge wird in Längensegmenten gefertigt, deren Enden im Bereich der Momentennullpunkte der Biegemomente aus Gebrauchslast liegen. Die Verfahrensschritte des Anspruchs 2 werden an jedem Segment getrennt durchgeführt. Bei der Abbildung des statischen Systems und der Einwirkungen, mit denen die erfindungsgemäßen Vorspannwirkungen erzielt werden sollen, werden an den Enden der Segmente Querkräfte angesetzt, die affin zu den Querkräften aus Gebrauchslast im Biegeträger sind.

Anspruch 10 beschreibt die Anwendung des Verfahrens bei über mehrere Felder durchlaufenden Biegeträgern und Rahmenbauwerken mit Biegeträgern, die aus Stahlträgern 10 im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten 11 bestehen. Nach der Montage der Stahlträger 10 und der Herstellung ihrer Durchlaufwirkung sowie dem Verlegen der Längsbewehrung 14 der Stahlbetonplatte 11 auf der gesamten Biegeträgerlänge wird die Stahlbetonplatte 11 im Verbund mit dem Stahlträger 10 zunächst nur in den Teillängen e der Biegeträgerlängenabschnitte mit positiven Gebrauchslastmomenten hergestellt. Die Teillängen e sind hierbei symmetrisch zum Maximum der positiven Momentenflächen aus den Gebrauchslasten angeordnet. Nach Erhärten der Stahlbetonplatte 11 auf den Teillängen e des Biegeträgers werden auf den Teillängen e die Vorspannmomente der Biegeträger durch die Vorspannung der Spannstäbe 12 erzeugt. Die Höhe der Vorspannung wird so gewählt, dass nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons ein Vorspannmoment verbleibt, das bei Beanspruchung des Biegeträgers durch die maximalen Gebrauchslasten vollständig abgebaut wird. Der weitere Verfahrensablauf ist im Anspruch 10 beschrieben. Durch die Verankerung der vorgespannten Spannstäbe 12 in den Längenabschnitten f werden die Vorspannverluste infolge Kriechen und Schwinden des Betons vermindert. Ein Teil der Vorspannkräfte verlagert sich in die Längenabschnitte f. Nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons verändert sich die durch Vorspannung erzeugte Momentenfläche. Fig. 16 zeigt die Form und Verteilung der Vorspannmomente unmittelbar nach der Vorspannung. Fig. 18 zeigt qualitativ die Form und Verteilung der Vorspannmomente nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons. In den Längenabschnitten f bilden sich wie in einfeldrigen Biegeträgern gebrauchslastparallele Dübelkräfte in der Querschnittsfuge zwischen Stahlträger 10 und Stahlbetonplatte 11, die bei Beanspruchung der Biegeträger durch Gebrauchslasten mit der Vorspannung ebenfalls abgebaut werden und die ermüdungswirksame Schwingbreite der Dübelkräfte verringern.

Durch eine Gestaltung von Durchlaufträgern gemäß Anspruch 10 kann über die Vorteile der Ansprüche 5 bis 7 hinaus in den Längenbereichen f die Beanspruchung des Betons auf Zug sowie die Beanspruchungsschwingbreite der Dübelfuge reduziert werden.

Für die Erhöhung der effektiven Biegesteifigkeit der Biegeträger sind die Längskraftsteifigkeiten der Spannstäbe 12 und die Biegesteifigkeit des Grundprofils des Verbundträgers maßgebend. Bei Beanspruchung der Biegeträger durch die Gebrauchslasten wird der druckbeanspruchte Obergurt gestaucht. Diese elastische Obergurtverkürzung baut die Dehnung der vorgespannten Spannstäbe ab. Die Steifigkeitsbeziehungen, die für den Abbau der Vorspannwirkungen und die Biegeverformungen bei Beanspruchungen durch Gebrauchslasten gelten, werden so bemessen, dass nach Aufbringen der maximalen Gebrauchslasten die Vorspannkräfte und das Vorspannmoment abgebaut sind. Die effektive Biegeverformung des Biegeträgers ist damit die Biegeverformung des Biegeträgers nach dem Stand der Technik vermindert um die Biegeverformung des Biegeträgers aus der Wirkung der Vorspannmomente, die während jeder Belastung durch Verkehrslasten abgebaut und nach Entlastung wieder aufgebaut werden.

Der Anteil der bei Verkehrsbelastung abbaubaren Vorspannkräfte und Vorverformungen ist um so größer, je steifer die vorgespannten Spannstäbe 12 sind und je kleiner die Biegesteifigkeit des Grundprofils der Biegeträger ist. Die Biegesteifigkeit von Verbundträgern wird vom Elastizitätsmodul des Betons mitbestimmt. Verfahrenswirksam ist nicht der normgemäße Sekantenmodul sondern der Elastizitätsmodul des Betons bei Beanspruchung durch die Verkehrslasten. Er ist durch einen degressiven Verlauf der Spannungs- Dehnungs-Linie von Beton deutlich kleiner als der Sekantenmodul bei der Beanspruchung von null bis zum 0,4-fachen der Druckfestigkeit des Betons.

Da der Elastizitätsmodul des Leichtbetons wesentlich kleiner ist als bei Normalbeton, ist die Effizienz des Verfahrens beim Einsatz von Leichtbeton wesentlich größer als bei Normalbeton.

Da der Elastizitätsmodul von Spannstäben aus CFK um ein Vielfaches größer gestaltet werden kann als der Elastizitätsmodul von Stahl, ist die Effizienz des Verfahrens beim Einsatz von vorgespannten CFK-Spannstäben wesentlich größer als beim Einsatz von vorgespannten Spannstäben aus Stahl.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung von Biegeträgern, die aus Stahlträgern im Verbund mit Stahlbetonplatten bestehen, entstehen folgende Vorteile:

• - Der durch das Verfahren erzielbare effektive Steifigkeitsgewinn beträgt beim Einsatz von Leichtbetonen und vorgespannten Spannstäben aus Stahl bis zu 70%.
• - Der durch das Verfahren erzielbare effektive Steifigkeitsgewinn beträgt beim Einsatz von Leichtbetonen und vorgespannten CFK-Spannstäben bis zu 85%.
• - Bei Beanspruchungen bis zu den maximalen Biegemomenten aus Gebrauchslast, die zum vollständigen Abbau der Vorspannmomente und Vorverformungen durch Vorspannung führen, bewirkt der Aufwand an Material und Verfahrenskosten für die Vorspannung der Biegeträger die effektive Verringerung der Biegeverformungen, die den wirtschaftlichen Einsatz hochfester Werkstoffe erst ermöglicht. Bei weiterer Laststeigerung bis zur Traglast und Bruchlast des Biegeträger beteiligen sich die Widerstandspotenziale, die bis zum Erreichen der maximalen Gebrauchslastmomente für das Aufbringen der Vorspannmomente und Vorverformungen benötigt werden, in vollem Umfang an der Erhöhung der Traglast. Der degressive Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Linie von Beton bewirkt, dass sich die Spannstäbe bei zunehmender Last immer dominanter an der Übertragung der Lasten beteiligen. Bei geeigneter Wahl der Vorspannung und der Festigkeiten der Betone und der Spannstäbe werden bei Laststeigerung bis zum Versagen der Biegeträger die Bruchgrenze des Betons und die Streckgrenze des Stahls der Spannstäbe annähernd gleichzeitig erreicht. Weil die Spannstäbe im Längenabschnitt a, c oder e der Biegeträger keinen Verbund mit dem Biegeträger haben, übertragen sie die von ihnen übernommenen Schnittkräfte auf die Längenabschnitte b, d oder f und entlasten damit den Biegeträger im Bereich der maximalen Schnittkräfte vor Erreichen der Traglast sehr wirksam.
• - Durch diese Wirkungen verhält sich der Biegeträger wesentlich duktiler als ein Biegeträger nach dem Stand der Technik. Die Verbesserung der Duktilität ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung der Erfindung in Verbundträgern mit hochfesten Betonen, deren Festigkeit zwar um ein Vielfaches größer sein kann, deren Bruchdehnung aber nicht größer ist als in Betonen geringer Festigkeit und die darum bei Beanspruchung bis zur Bruchlast außerordentlich spröde sind.
• - Um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen, werden die Biegeträger durch Vorspannung auch um die Durchbiegung aus Kriechen und Schwinden des Betons infolge ständiger Last und die nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons bei Beanspruchung durch die maximale Verkehrslast abbaubare Durchbiegung vorgespannt und vorverformt. Das Kriechen des Betons wird durch die relativ hohen Betonspannungen durch Vorspannung beschleunigt. Das zeitabhängige Kriechen und Schwinden des Betons erzeugt einen Verlust an Vorspannkraft, der zu einer Verringerung der Vorverformung aus Vorspannung führt. Diese Verringerung der Vorverformung entspricht annähernd der Durchbiegung eines Biegeträgers nach dem Stand der Technik infolge Kriechen und Schwinden des Betons. Bei erfindungsgemäß gestalteten Verbundträgern sind die mit der Zeit zunehmenden Biegeverformungen aus Kriechen und Schwinden des Betons daher vernachlässigbar klein.
• - Kriechen und Schwinden des Betons infolge ständiger Last erzeugen durch die Verankerung der Spannstäbe im Stahlbeton der Längenabschnitte b, d oder f eine Umformung der Momentenfläche aus Vorspannung. Die Verankerung der Spannstäbe 12 im durch ständige Lasten unbelasteten Stahlbeton der Längenabschnitte b, d oder f vermindert den Spannungsabfall infolge Kriechen und Schwinden des Betons und verlagert diesen Anteil der Vorspannwirkung in die Längenabschnitte b, d oder f. Es entsteht nach Abklingen von Kriechen und Schwinden des Betons der in den Fig. 12 oder 18 dargestellte Verlauf der Vorspannmomente. In den auflagernahen Längenabschnitten b, d oder f des Biegeträgers erzeugt diese Vorspannwirkung lastparallele Dübelkräfte in der Verbundfuge zwischen Stahlträgerobergurt und Stahlbetonplatte. Diese lastparallelen Dübelkräfte werden bei Beanspruchung des Biegeträgers durch Verkehrslasten abgebaut. Ermüdungswirksam sind daher nur die Dübelkräfte aus der Beanspruchung durch die Verkehrslasten vermindert um die Dübelkräfte aus Vorspannung.

In Anspruch 12 wird Schutz begehrt für die Kombination der erfindungsgemäßen Verfahren und konstruktiven Merkmale für Biegeträger aus Stahl und für Biegeträger aus Stahl im Verbund mit Stahlbetonplatten am gleichen Biegeträger. Stahlträger, in denen bereits nach den Ansprüchen 2 oder 3 oder 4 oder 9 ein Eigenspannungszustand erzeugt wurde, erfahren zusätzlich den Verfahrensablauf und die konstruktive Gestaltung gemäß der Ansprüche 5 oder 6 oder 7 oder 10. Hierdurch überlagern sich im Stahlträger die Wirkungen beider Verfahren mit zusätzlichen vorteilhaften Wirkungen auch für die Beanspruchungen der Stahlbetonplatte 11.

Im Einzelnen erzeugt diese Kombination folgende zusätzliche vorteilhafte Wirkungen:

• - Die Überlagerung führt zu einer weiteren Steigerung der effektiven Biegesteifigkeit der Biegeträger für den Beanspruchungsbereich zulässiger Gebrauchslasten. Die steifigkeitsfördende Effizienz der Überlagerung beider Verfahren liegt aber unter der linearen Addition beider Wirkungen, weil die höhere Biegesteifigkeit des bereits nach Anspruch 2, 3, 4 oder 9 vorgespannten Stahlträger 10 die steifigkeitsfördernde Wirkung der zusätzlichen Vorspannung nach den Ansprüchen 5, 6, 7 oder 10 vermindert.
• - Für die vorteilhaften Wirkungen der Kombination gemäß Anspruch 12 ist vielmehr entscheidend, dass durch die Variation des Steifigkeitsverhältnisses K die Beanspruchungsintensität der schub- und biegefest mit dem Stahlträger 10 verbundenen Stahlbetonplatte 11 vorteilhaft beeinflußt werden kann. Das Steifigkeitsverhältniss K bestimmt die Randspannung Delta Sigma in der Querschnittsfuge zwischen Stahlträger 10 und Stahlbetonplatte 11. Für das Steifigkeitsverhältniss K können Werte zwischen etwa 1,2 bis 4 konstruktiv verwirklicht werden. Am gleichen Biegeträger und bei gleicher Gesamtbeanspruchbarkeit des Biegeträgers kann daher die Beanspruchungsintensität der Stahlbetonplatte 11 sehr unterschiedlich gestaltet werden. Durch die Variation des Steifigkeitsverhältnisses K kann daher das Ziel der Erfindung verwirklicht werden, in Verbundträgern mit Stählen und Betonen sehr unterschiedlicher Festigkeiten und Elastizitätsmoduli das Festigkeitspotenzial aller eingesetzten Werkstoffe voll auszuschöpfen. Durch die gezielte Gestaltung des Steifigkeitsverhältnisses K kann die Beanspruchung der Querschnittsfuge zwischen Stahlträger 10 und Stahlbetonplatte 11 und damit auch die Beanspruchung der Stahlbetonplatte 11 so verändert und gestaltet werden, dass die Festigkeiten des gewählten Stahl und Beton jeweils voll ausgeschöpft werden. Die Bandbreite der zur Verfügung stehenden erfinderischen Gestaltungsmöglichkeiten ist groß genug, um die Festigkeiten höchstfester Stähle und Leichtbetone mit normaler Festigkeit trotz ihres niedrigen Elastizitätsmoduls im gleichen Biegeträger voll auszuschöpfen.

In den Ansprüchen 13, 14 und 15 wird Schutz begehrt für eine gebrauchslastparallele Vorspannung von Biegeträgern aus Stahlbeton oder Spannbeton.

Für die Vorspannung werden gemäß Anspruch 13 geradlinig und gemäß Anspruch 14 oder 15 gekrümmt verlegte Spannstäbe 12 vorgeschlagen. In der Regel ist es vorteilhaft, einen kleineren Teil der Spannstäbe eines Biegeträgers geradlinig und den größeren Teil der Spannstäbe gekrümmt zu verlegen. Die Spannstäbe bleiben im mittleren Längenabschnitt g der Stützweite ohne festen Verbund mit dem sie umgebenden Beton.

Auch bei diesem Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gestaltungsgrundsätze des Anspruchs 1 wird Widerstandspotenzial "geopfert", um durch gebrauchslastparallele Vorspannung einen Eigenspannungs- und Verformungszustand zu erzeugen, der einen möglichst großen Anteil der Spannungen und Verformungen aus der Beanspruchung durch die Gebrauchslasten vorwegnimmt. Auch hier werden die elastischen Wechselwirkungen zwischen den Vorspanngliedern und dem Biegeträger so gestaltet, dass der Eigenspannungszustand bei Beanspruchung des Biegeträgers durch die maximal zulässigen Gebrauchslasten abgebaut wird.

Der Krümmungsverlauf der Spannstäbe 12 gemäß Anspruch 14 bildet die Verteilung der maßgebenden Gebrauchslasten affin ab. Somit entsteht durch die Vorspannung auch ein Spannungs- und Verformungszustand, der ein affines Abbild der Spannungen und Verformungen aus Gebrauchslast ist.

Nach dem Abbau der durch Vorspannung der Spannstäbe 12 im Biegeträger erzeugten Eigenspannungszustände beteiligen sich die Spannstäbe 12 ebenfalls sehr effizient wie ein inneres Sprengwerk an der weiteren Lastabtragung. Durch die affine Abbildung Spannstabführung wird daher die Effizienz der erfindungsgemäßen Gestaltung auch bei Beanspruchungen, die größer sind als die planmäßig zulässigen Gebrauchslasten, vorteilhaft verbessert.

Um die steifigkeitserhöhende Effizienz des Verfahrens darüber hinaus zu erhöhen, werden gemäß Anspruch 15 die Krümmung der Spannstäbe, durch die gebrauchslastparallele Umlenkkräfte erzeugt werden, auf den mittleren Längenabschnitt g der Stützweite konzentriert. In den Längenabschnitten h werden die Spannstäbe geradlinig geführt.

Die Vorspannwirkung wird so bemessen, dass die aufgebrachte Vorspannung auf Grund der Kraftverformungseigenschaften der Spannstäbe bei Beanspruchung des Biegeträgers durch die maximalen Gebrauchslasten abgebaut wird.

Im mittleren Längenabschnitt g werden die Hüllrohre 13 nicht mit Zementmörtel verpresst. Die vorgespannten Spannstäbe bleiben ohne kraftschlüssigen Verbund mit dem sie umgebenden Beton.

Die Länge des Abschnitts g wird erfindungsgemäß so bemessen, dass sowohl ein möglichst großer Anteil der Gebrauchslastverformungen durch Vorspannung vorweggenommen wird und das Widerstandspotenzial, das nach Abbau der Vorspannung die Grenztragfähigkeit des Biegeträgers mitbestimmt, wirksam erhöht wird. Die Optimierung dieser Ziele führt, je nach Längskraftsteifigkeit der Spannstäbe 12 und ihrer Relation zur Biegesteifigkeit des Grundprofils des Biegeträgers zu unterschiedlich großen Längenabschnitten g.

Zur wirksamen Vermeidung von Resonanzschwingungen werden die Hüllrohre 13 im Längenabschnitt g gemäß Anspruch 16 mit einem viskosen Medium verpresst. Durch diesen plastischen Verbund zwischen den Spannstäben 12 und dem sie umgebenden Beton wird die Linearität zwischen den Verformungen und Beanspruchungen des Biegeträgers, die Voraussetzung der Resonanzschwingungen ist, so gestört, dass bei rhythmischen Belastungsänderungen keine Resonanzschwingungen mehr auftreten können.

Die Erfindung trägt zur Verminderung von Biegeverformungen des Biegeträgers durch Sonneneinstrahlung bei, wenn die Umhüllungen der Hüllrohre 13 gemäß Anspruch 13 wärme-isoliert ausgeführt werden. Die Sonneneinstrahlung auf die Oberfläche des Biegeträgers, die über die Höhe des Biegeträgers zu einer ungleichmässigen Erwärmung des Biegeträgerquerschnitts führt, erzeugt eine Aufwölbung der Biegeträgerachse. Eine ausreichend verzögerte Erwärmung der Spannstäbe verringert diese Aufwölbung auf einen Bruchteil der herkömmlichen Werte.

Die steifigkeitsfördernde Wirkung der gebrauchslastparallelen Vorspannung nimmt mit der Längskraftsteifigkeit der Spannstäbe 12 zu. Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher auch hier sehr vorteilhaft verbessert durch den Einsatz von Werkstoffen mit höherem Elastizitätsmodul für die Spannstäbe 12. CFK-Profile und CFK-Bänder lassen sich mit einer ausserordentlich großen Längskraftsteifigkeit herstellen. Der Elastizitätsmodul von CFK-Profilen und CFK-Bändern kann um das Vierfache größer sein als der Elastizitätsmodul von Stahl.

In den Ansprüchen 20 bis 22 wird Schutz begehrt für die Herstellung und Verwendung eines sandwichartig aufgebauten Spannstabes 12, dessen Querschnitt gemäß Fig. 24 aus mehreren übereinandergeschichteten und miteinander verklebten Lamellen 16 und 17 aufgebaut ist, die abwechselnd aus dünnen Stahlblechen 16 und Bändern aus CFK 17 bestehen. Entscheidend für die Längskraftsteifigkeit dieser Spannstäbe 12 ist der Elastizitätsmodul der CFK-Bänder 17, die zwischen den Stahlblechen 16 eingebettet sind. Die Stahlbleche 16 übertragen im Verhältnis ihrer geringeren Längskraftsteifigkeit nur einen geringen Anteil der Vorspannkraft. Sie haben pr 06822 00070 552 001000280000000200012000285910671100040 0002010139751 00004 06703imär die Aufgabe, die kerbempfindlichen CFK-Bänder 17 zu schützen, die Umlenkkräfte in den Biegeträgerquerschnitt zu übertragen und die Vorspannkräfte an den Enden der Spannstäbe 12 zu verankern.

Es ist vorteilhaft, die Breite der Stahlbleche 16 größer zu wählen als die Breite der CFK-Bänder 17. Die Ränder 19 der Stahlbleche 16 haben darüber hinaus eine Zahnung, deren Tiefe kleiner ist als der Überstand über die Ränder der CFK-Bänder 17. Durch die Profilierung der Ränder 19 der Stahlbleche 16 wird in den Längenabschnitten h des Biegeträgers der Verbund der Spannstäbe mit dem sie umgebenden Beton verbessert. Im Längenabschnitt g wird hierdurch bei einer Gestaltung des Biegeträgers gemäß Anspruch 16 vorteilhaft der Reibungsverbund mit dem viskosen Medium verbessert.

Durch den Einsatz der Erfindung bei Biegeträgern aus Stahlbeton oder Spannbeton ergeben sich folgende vorteilhafte Wirkungen:

• - Wie bei den anderen Anwendungsbeispielen verringert sich durch die gebrauchslastparallele Vorspannung die effektive Biegeverformung eines Biegeträgers bei Beanspruchungen bis zu den zulässigen Gebrauchslasten auf einen Bruchteil der Biegeverformung eines gleich beanspruchten herkömmlichen Biegeträgers. Die Effizienz dieser Wirkungen ist sogar bei der Paarung von Normalbeton bzw. Leichtbeton für das Grundprofil eines Biegeträgers mit Stahl bzw. CFK-Profilen oder CFK-Bändern für die Spannstäbe 12 größer als bei den Anwendungsbeispielen, die Stahl für das Grundprofil des Biegeträgers verwenden.
• - Durch den Einsatz von hochfestem Leichtbeton und von Spannstäben aus CFK-Bändern gemäß den Ansprüchen 17 bis 22 lassen sich die effektiven Biegeverformungen durch die gebrauchslastparallele Vorspannung um bis ca. 80% reduzieren. Die effektive Biegeverformung eines Biegeträgers aus Leichtbeton statt Normalbeton, dessen Elastizitätsmodul um etwa 1/3 kleiner ist als der Elastizitätsmodul eines Normalbetons mit gleicher Festigkeit, ist damit immer noch mehr als 50% kleiner als die Biegeverformung eines herkömmlichen Biegeträgers aus Normalbeton mit der gleichen Festigkeit.
• - Durch die gekrümmte Verlegung der Spannstäbe wird die steifigkeitsfördernde Wirksamkeit im Beanspruchungsbereich zulässiger Gebrauchslasten und das Tragverhalten der Biegeträger bei höheren Lasten entscheidend verbessert.

Für eine Anwendung der Erfindung bei Biegeträgern aus Stahlbeton und Spannbeton in Überführungsbauwerken für Verkehrssysteme, die hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Gradiente erfüllen müssen, sind aber die folgenden Vorteile von besonderer Bedeutung:

• - Biegeverformungen infolge Kriechen und Schwinden des Betons, die sich in Stahlbetonträgern und nicht formtreu vorgespannten Spannbetonträgern einstellen, sind um etwa den gleichen Bruchteil kleiner wie die effektiven Durchbiegungen aus der Beanspruchung durch Gebrauchslasten.
• - Biegeverformungen infolge einer ungleichmäßigen Erwärmung über die Querschnittshöhe des Biegeträgers sind ebenfalls um etwa den gleichen Bruchteil kleiner als bei einem Biegeträger nach dem Stand der Technik, wenn die Spannstäbe ausreichend wärme-isoliert verlegt werden.

Die Vorteile, die sich mit einer Gestaltung von Biegeträgern aus Stahl- und Spannbeton nach den Ansprüchen 13 bis 22 erzielen lassen, werden durch einen Vergleich des Standes der Technik bei der Herstellung und dem Einsatz des Fahrwegträgers für den Transrapid mit den durch den Einsatz der Erfindung möglichen vorteilhaften Veränderungen an diesem Fahrwegträger dargestellt.

Die Systemtechnik des Transrapid erfordert einen Fahrwegträger mit einer ausserordentlich hohen Biegesteifigkeit und einer sehr hohen Herstellungsgenauigkeit. Nach dem derzeitigen Stand der Technik lassen sich die Anforderungen an die Biegesteifigkeit nur durch einen über zwei Felder durchlaufenden formtreu vorgespannten Biegeträger erreichen. Der Träger wird werksmäßig in einem Spannbett hergestellt, mit Spannlitzen und sofortigem Verbund zentrisch vorgespannt und später zusätzlich durch girlandenförmig geführte Spannglieder mit nachträglichem Verbund formtreu vorgespannt, um Verformungen infolge Kriechen und Schwinden des Betons auszuschließen. Die Durchlaufwirkung des zweifeldrigen Biegeträgers wird erst nach dem Transport auf der Baustelle hergestellt.

Durch den Einsatz der Erfindung sind folgende vorteilhafte Veränderungen am Fahrwegträger nach dem Stand der Technik möglich:

• - Statt Durchlaufträger über zwei Felder können einfeldrige Träger eingebaut werden. Die zulässigen Verformungen unter Verkehrslast und dem verbindlich zu berücksichtigenden Temperaturgradienten (to minus tu = 22 K) werden auch bei einem Einfeldträger und dem Einsatz von Leichtbeton nicht überschritten,
• - Durch den Einsatz von Leichtbeton vermindert sich das Gewicht eines Fahrwegträgers um mehr als 1/3,
• - Auf eine exakt formtreue Vorspannung der Fahrwegträger kann ebenfalls verzichtet werden. Wenn die Vorspannung durch Spannlitzen im Spannbett mit sofortigem Verbund außermittig aufgebracht wird, kann auf eine zusätzliche herkömmliche Vorspannung verzichtet werden.

Bezugszeichenliste

1

die höhenverzerrte Systemlinie des erfindungsgemäß vorgespannten Biegeträgers

2

die höhenverzerrte Systemlinie des erfindungsgemäß vorgespannten Biegeträgers bei maximal zulässiger Gebrauchslast

3

Systemlinie des vorgekrümmt hergestellten Biegeträgers mit dem Querschnitt des Grundprofils

4

4

Beispiel eines Grundprofils

5

Beispiele von Querschnittsergänzungen

6

Obergurtsegment eine Biegeträgers nach Anspruch 3 oder 4

7

Untergurtsegment eine Biegeträgers nach Anspruch 3 oder 4

8

Stegblechsegment eine Biegeträgers nach Anspruch 4

9

Hilfsgurt

10

Stahlträger

11

Stahlbetonplatte

12

Spannstäbe

13

Hüllrohre

14

Durchlaufende Betonstahlbewehrung der Stahlbetonplatte

11

gemäß Anspruch 10 oder 11

15

Biegeträger aus Stahlbeton oder Spannbeton

16

Bänder aus dünnem Stahlblech

17

Bänder aus kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK)

18

Klebschicht

19

Bänder aus dünnem Stahlblech mit gezahnter Längskante

Claims (22)

1. Konstruktionen und Verfahren zur Erhöhung der Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit von Biegeträgern in beliebigen statischen Systemen für Beanspruchungen aus Biegung, Biegung mit Querkraft sowie Normalkraft und Querkraft mit Biegung durch vorwiegend ruhende und nicht ruhende Gebrauchslasten, die anwendbar sind für Biegeträger, die aus Stahlträgern im Verbund mit stählernen Querschnittsergänzungen oder aus Stahlträgern im Verbund mit Stahlbetonplatten und vorgespannten Spannstäben aus Stahl bzw. Profilen oder Bändern aus kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) oder aus Stahlbetonträgern bzw. Spannbetonträgern im Verbund mit vorgespannten Spannstäben aus Stahl bzw. Profilen oder Bändern aus kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) oder aus einer anderen Kombination von Werkstoffen bestehen, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gesamtwiderstand des Biegeträgers aus zwei Teilwiderständen besteht, die nach Maßgabe der folgenden Merkmale miteinander gekoppelt sind und
dass einer der beiden Teile des Gesamtwiderstandes des Biegeträgers zur Erzeugung eines Eigenspannungs- und Verformungszustandes herangezogen wird, der in dem anderen Teil des Gesamtwiderstandes, dem Grundprofil des Biegeträgers zu Schnittkräften, Spannungen und Verformungen mit gleichem Vorzeichen wie bei Beanspruchung des Biegeträgers durch Gebrauchslasten führt und
dass die Kraftverformungseigenschaften der beiden Teilwiderstände so aufeinander abgestimmt werden, dass die Eigenspannungen und die durch sie ausgelösten Verformungen bei jedem Aufbringen von Gebrauchslasten elastisch abgebaut werden und bei jedem Entlasten des Biegeträgers von Gebrauchslasten wieder elastisch aufgebaut werden und
dass folglich bei Beanspruchung der Biegeträger durch Gebrauchslasten nur die Differenz der Biegemomente, Biegespannungen und Biegeverformungen aus den Gebrauchslastmomenten und dem aus Kontinuitäts- und Gleichgewichtsgründen jeweils abgebauten Eigenspannungen verformungs­ und kraftwirksam ist, und
dass weiterhin bei Beanspruchung der Biegeträger durch nicht vorwiegend ruhende Gebrauchslasten nur die Differenz der Spannungen aus dem Gebrauchslastmoment und den Spannungen der aus Kontinuitäts- und Gleichgewichtsgründen jeweils abgebauten Eigenspannungen als Spannungsschwingbreite wirksam sind und die Dauer- und Betriebsfestigkeit des Biegeträgers bestimmen und
dass aber bei Steigerung der Belastung durch Gebrauchslasten nach dem Abbau der Eigenspannungen alle Widerstandselemente der Biegeträger mit dem vollen Festigkeitspotenzial der eingesetzten Werkstoffe, auch die Teilwiderstände, die die Eigenspannungen erzeugen, die Tragfähigkeit des Biegeträgers bestimmen und
dass die relative Steifigkeit der Kraftverformungseigenschaften des Teilwiderstandes, mit dem die gebrauchslastparallelen Eigenspannungs- und Verformungszustände im anderen Teilwiderstand des Biegeträgers, dem Grundprofil, erzeugt werden, durch Werkstoffpaarungen mit unterschiedlichen Festigkeiten oder durch Werkstoffpaarungen mit unterschiedlichen Elastizitätsmoduli oder durch die Erzeugung von Eigenspannungszuständen, die über die Biegeträgerlänge affin zu den Spannungen aus Gebrauchslast sind, oder durch die symmetrische Anordnung der Widerstandselemente dieses Teilwiderstandes oder durch mehrere der vorgenannten Merkmale mit der Zielsetzung erhöht werden, die vorteilhaften Wirkungen zur Erhöhung der effektiven Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit zu erhöhen.

2. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Biegeträger aus einem Grundprofil aus hochfestem Stahl (4) mit größerer Streckgrenze und stählernen Querschnittsergänzungen (5) aus einem Stahl mit kleinerer Streckgrenze bestehen, und
dass im ersten Verfahrensschritt die Biegeträger aus dem hochfesten Grundprofil (4) durch eine Vorrichtung, mit der die gewünschten Vorspannwirkungen erzeugt werden, bis zu den maximalen Biegemomenten aus den Gebrauchslasten, für die eine Verringerung der Biegeverformungen erzielt werden soll, vorgespannt werden, und
dass die Vorrichtung zum Aufbringen der Vorspannung so gestaltet ist, dass das statische System des Biegeträgers abgebildet wird und Einwirkungen und Vorspannmomente erzeugt werden, die affin zu den Biegemomenten aus Gebrauchslasten sind und
dass im zweiten Verfahrensschritt die stählernen Querschnittsergänzungen (5) schub- und biegefest durch ein geeignetes Verbindungsmittel, z. B. durch Flankenkehlnähte, auf ihrer ganzen Länge mit dem vorgespannten Biegeträger aus dem hochfesten Grundprofil (4) verbunden werden, und
dass im dritten Verfahrensschritt nach dem Entfernen der Einwirkungen, mit denen die Vorspannung des hochfesten Grundprofils (4) erzeugt wurde, der hybride Biegeträger um einen Bruchteil des Vorspannmomentes zurückfedert, wobei der zurückfedernde Bruchteil eine Funktion des Quotienten aus dem Trägheitsmoment des hybriden Gesamtquerschnitts (4 und 5) zum Trägheitsmoment des hochfesten Grundprofils (4) ist, und
folglich bei Beanspruchungen des hybriden Biegeträgers durch Gebrauchslasten bis zur Höhe der Vorspannmomente nur dieser Bruchteil der Momente, Biegespannungen und Biegeverformungen erzeugt und
folglich bei Beanspruchungen des hybriden Biegeträgers durch nicht vorwiegend ruhende Gebrauchslasten bis zur Höhe der Vorspannmomente nur der gleiche Bruchteil der Biegespannungen als Biegespannungsamplitude die Betriebs- und Dauerfestigkeit des hybriden Biegeträgers bestimmt.

3. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass hohe und längere Biegeträger mit größeren Trägheitsmomenten in zwei Teilen (6 und 7) mit Querschnittsflächen gefertigt werden, die bei einem der beiden Teile (6) aus dem Obergurt und dem Stegblech bis zur Nullinie des Gesamtquerschnitts, bei dem anderen der beiden Teile (7) aus dem Untergurt und dem Stegblech bis zur Nullinie des Gesamtquerschnitts bestehen, sodass die beiden Teile (6 und 7) nach dem Zusammenfügen der Teile an den Stegblechrändern den Biegeträger mit seinem Gesamtquerschnitt ergeben und
dass die beiden Teile (6 und 7) so gefertigt werden, dass ihre Stegblechränder auf der ganzen Biegeträgerlänge zusammenpassen und
dass die einzelnen Verfahrensschritte des Anspruchs 2 an jedem der beiden Teile des Biegeträgers getrennt durchgeführt werden und
dass vor dem Vorspannen der Teile (6 und 7) die Schwerlinien und Trägheitsmomente der Teile durch Hilfsgurte (9), die mit den Stegblechrandbereichen der Teile (6 und 7) auf der ganzen Biegeträgerlänge schubfest verbunden werden, so verändert werden, dass durch die Vorspannung der Teile, das daran anschließende schub- und biegefeste Verbinden der Querschnittsergänzungen (5) mit den Teilen, das Entfernen der Einwirkungen, mit denen die Vorspannung erzeugt wurde, in beiden Teilen (6 und 7) die gleichen Krümmungsänderungen über die Biegeträgerlänge erzeugt werden und
dass infolge dessen die Stegblechränder der beiden Teile (6 und 7) auch nach der Durchführung der Verfahrensschritte nach Anspruch 2 noch zusammenpassen und anschließend auf der ganzen Trägerlänge durch Verbindungsmittel, zum Beispiel eine Schweissnaht, zu dem schub- und biegefesten Biegeträger mit dem Gesamtquerschnitt zusammengefügt werden und
dass der Biegeträger nach dem anschließenden Entfernen der Hilfsgurte (9) über die volle Querschnittshöhe und die ganze Biegeträgerlänge die Eigenschaften des Anspruchs 2 hat.

4. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet
dass hohe und längere Biegeträger mit größeren Trägheitsmomenten in drei Teilen (6, 7 und 8) mit Querschnittsflächen gefertigt werden, die bei zwei der drei Teile (6 und 7) aus einem der Gurte des Biegeträgers und einem Teil des Stegblechs, bei dem dritten der Teile (8) aus dem restlichen Stegblech bestehen, sodass die drei Teile (6, 7 und 8) nach dem Zusammenfügen der Teile an den Stegblechrändern den Biegeträger mit seinem Gesamtquerschnitt ergeben und
dass die einzelnen Verfahrensschritte des Anspruchs 2 an jedem der beiden Teile (6 und 7) mit den Gurten des Biegeträgers getrennt durchgeführt werden und
dass vor dem Vorspannen der Teile (6 und 7) die Schwerlinien und Trägheitsmomente der Teile durch Hilfsgurte (9), die mit den Stegblechrandbereichen der Teile (6 und 7) auf der ganzen Biegeträgerlänge schubfest verbunden werden, so verändert werden, dass durch die Vorspannung der Teile (6 und 7), das daran anschließende schub- und biegefeste Verbinden der Querschnittsergänzungen (5) mit den Teilen, das Entfernen der Einwirkungen, mit denen die Vorspannung erzeugt wurde, in beiden Teilen (6 und 7) die gleichen Krümmungsänderungen und Verformungen über die Biegeträgerlänge erzeugt werden und
dass die Stegblechränder der beiden Teile (6 und 7) anschließend mit Teil (8) auf der ganzen Trägerlänge durch Verbindungsmittel, zum Beispiel eine Schweissnaht, zu dem schub- und biegefesten Biegeträger mit dem Gesamtquerschnitt zusammengefügt werden und
dass der Biegeträger nach dem anschließenden Entfernen der Hilfsgurte (9) über die volle Querschnittshöhe und die ganze Biegeträgerlänge die Eigenschaften eines Biegeträgers gemäß Anspruchs 2 hat.

5. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1 für Biegeträger aus Stahlträgern im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten, dadurch gekennzeichnet,
dass in der ersten Herstellungsphase der Verbundwirkung zwischen Stahlträger (10) und Stahlbetonplatte (11) die Stahlbetonplatte (11) im Verbund mit dem Stahlträger (10) nur in einem Teil a der Biegeträgerlängenabschnitte mit positiven Gebrauchslastmomenten symmetrisch zum Maximum der Momentenfläche hergestellt wird, die auflagernahen Längenbereiche b aber ausgespart werden, und
dass nach dem Erhärten der Stahlbetonplatte (11) der Längenabschnitte a die Vorspannmomente der Biegeträger durch die Vorspannung von Spannstäben (12) erzeugt werden, die in Hüllrohren (13) in der Stahlbetonplatte (11) verlegt werden und
dass in der nächsten Herstellungsphase des Biegeträgers in den Längenabschnitten b die Stahlbetonplatte (11) im Verbund mit dem Stahlträger (10) und den bis in die Längenabschnitte b verlängerten Spannstäben (12) hergestellt wird, und
dass die Vorspannkräfte der Spannstäbe (12) in den Längenabschnitten b der Stahlbetonplatte (11) verankert werden und
dass die vorgespannten Spannstäbe (12) im Bereich der Längenabschnitte a ohne Verbund mit dem sie umgebenden Beton verbleiben und
dass die Länge der Abschnitte a der Biegeträger so bemessen werden, dass bei der Beanspruchung der Biegeträger durch Gebrauchslasten durch den Abbau der Vorspannmomente möglichst kleine effektive Biegeverformungen entstehen, und
dass aber bei Steigerung der Belastung nach Abbau der Vorspannmomente das volle Widerstandspotenzial der Spannstäbe (12) bis zur Traglast der Biegeträger aktiviert wird.

6. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1 für Biegeträger aus Stahlträgern im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten, dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Herstellen der Stahlbetonplatte (11) im Verbund mit dem Stahlträger (10) auf der ganzen Länge des Biegeträgers und nach dem Erhärten der Stahlbetonplatte (11) die Vorspannmomente der Biegeträger durch die Vorspannung von Spannstäben (12) erzeugt werden, die in Hüllrohren (13) in der Stahlbetonplatte (11) verlegt werden und
dass durch Anordnung der Verankerungsenden der vorgespannten Spannstäbe (12) im Abstand d vor dem Biegeträgerende eine abgestufte Momentenfläche der Vorspannmomente erzeugt wird, die affin zur Umhüllenden der Momentenfläche der Biegemomente aus den Gebrauchslasten ist.
dass die Hüllrohre (13) mit den vorgespannten Spannstäben (12) nach dem Vorspannen in herkömmlicher Weise mit Zementmörtel verpresst werden.

7. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 6 für Biegeträger aus Stahlträgern im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllrohre (13) mit den vorgespannten Spannstäben (12) nach dem Vorspannen nur im Längenabschnitt d in herkömmlicher Weise mit Zementmörtel verpresst werden, im Längenabschnitt c aber ohne Verbund mit dem sie umgebenden Beton verbleiben.

8. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 5 oder 7 für Biegeträger aus Stahlträgern im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 5 oder 7 für die vorgespannten Spannstäbe (12) im Bereich der Längenabschnitte a oder c durch das Verpressen der Hüllrohre (13) mit einem bei allen Gebrauchstemperaturen geeigneten viskosen Stoff ein plastischer Verbund mit dem sie umgebenden Beton hergestellt wird, der kritische Resonanzschwingungen des Biegeträgers bei Beanspruchung durch rhythmisch aufgebrachte Verkehrslasten verhindert.

9. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 oder 4 für über mehrere Felder durchlaufende Biegeträger aus Stahl und für Biegeträger aus Stahl in rahmenartigen Bauwerken, dadurch gekennzeichnet,
dass die Biegeträger in Längensegmenten gefertigt und dem Verfahrensablauf gemäß Anspruch 2 unterzogen werden, deren Enden im Bereich der Momentennullpunkte der Biegemomente aus den Gebrauchslasten liegen, und
dass die einzelnen Längensegmente erst nach Durchführung des Verfahrensablauf gemäß Anspruch 2 durch Biegeträgerstöße zum Gesamtsystem verbunden werden.

10. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1 für über mehrere Felder durchlaufende Biegeträger und für Biegeträger in rahmenartigen Bauwerken, die aus Stahlträgern im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten bestehen, dadurch gekennzeichnet,
dass nach der Montage des durchlaufenden Stahlträgers (10) in der ersten Herstellungsphase der Verbundwirkung zwischen Stahlträger (10) und Stahlbetonplatte (11) die Stahlbetonplatte (11) im Verbund mit dem Stahlträger (10) nur in einer Teillänge e der Biegeträgerlängenabschnitte mit positiven Gebrauchslastmomenten symmetrisch zum Maximum der Momentenfläche hergestellt wird, in den Längenbereichen f nur die Längsbewehrung (14) der Stahlbetonplatte (11) verlegt wird, und
dass nach dem Erhärten der Stahlbetonplatte (11) der Längenabschnitte e die Vorspannmomente der Biegeträger durch die Vorspannung von Spannstäben (12) erzeugt werden, die in Hüllrohren (13) in der Stahlbetonplatte (11) verlegt werden und
dass in der nächsten Herstellungsphase des Biegeträgers in den Längenabschnitten f die Stahlbetonplatte (11) im Verbund mit dem Stahlträger (10), der Längsbewehrung (14) der Stahlbetonplatte (11) und den bis in die Längenabschnitte f verlängerten Spannstäben (12) hergestellt wird, und
dass die Hüllrohre (13) nach dem Vorspannen nicht mit Zementmörtel verpresst werden und die vorgespannten Spannstäbe (12) daher im Bereich der Längenabschnitte e ohne festen Verbund mit dem sie umgebenden Beton verbleiben und
dass die Länge der Abschnitte e der Biegeträger so bemessen werden, dass bei der Beanspruchung der Biegeträger durch Gebrauchslasten durch den Abbau der Vorspannmomente möglichst kleine effektive Biegeverformungen entstehen, und der auf Zug beanspruchte Obergurt des Biegeträgers im Längenbereich f der negativen Gebrauchslastmomente einschließlich der Stahlbetonplatte (11) möglichst wirksam entlastet wird, und
dass bei Steigerung der Belastung nach Abbau der Vorspannmomente das Widerstandspotenzial der Spannstäbe (12) bis zur Traglast der Biegeträger aktiviert wird und die Traglast erhöht.

11. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 10 für Biegeträger aus Stahlträgern im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 10 für die vorgespannten Spannstäbe im Bereich der Längenabschnitte e durch das Verpressen der Hüllrohre (13) mit einem bei allen Gebrauchstemperaturen geeigneten viskosen Stoff ein plastischer Verbund mit dem sie umgebenden Beton hergestellt wird, der kritische Resonanzschwingungen des Biegeträgers bei Beanspruchung durch rhythmisch aufgebrachte Verkehrslasten verhindert.

12. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1 für Biegeträger aus Stahlträgern im schub- und biegefesten Verbund mit Stahlbetonplatten, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst an dem Stahlträger (10) die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 2 oder 3 oder 4 oder 9 ausgeführt werden und anschließend an dem aus dem Stahlträger (10) und der Stahlbetonplatte (11) bestehenden Verbundträger die Verfahrensschritte und Gestaltungsmerkmale gemäß Anspruch 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 10 oder 11 ausgeführt werden.

13. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 1 für Biegeträger aus Stahlbeton oder Spannbeton dadurch gekennzeichnet
dass durch vorgespannte Spannstäbe (12) eine Momentenfläche erzeugt wird, die das gleiche Vorzeichen hat wie die Momentenfläche aus den Gebrauchslasten und
dass durch Anordnung der Verankerungsenden der vorgespannten Spannstäbe (12) im Abstand h vor dem Biegeträgerende eine abgestufte Momentenfläche der Vorspannmomente erzeugt wird, die affin zur Umhüllenden der Momentenfläche der Biegemomente aus den Gebrauchslasten ist und
dass die Spannstäbe (12) zur Vermeidung von Verformungen durch ungleichmäßige Erwärmung des Biegeträgers über die Querschnittshöhe in wärme-isolierten Hüllrohren (13) verlegt werden und
dass die Spannstäbe (12), die in Hüllrohren (13) im Stahl- oder Spannbeton verlegt werden, nach dem Vorspannen nur auf den Teillängen h mit Zementmörtel verpresst werden, auf der Teillänge g aber ohne Verbund mit dem sie umgebenden Beton verbleiben.

14. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 13 für Biegeträger aus Stahlbeton oder Spannbeton, dadurch gekennzeichnet,
dass durch gekrümmte Verlegung der vorgespannten Spannstäbe (12) eine Momenten- und Querkraftfläche erzeugt wird, die affin zu der Momenten- und Querkraftfläche aus den Gebrauchslasten ist,
dass die Spannstäbe, die in Hüllrohren (13) im Stahl- oder Spannbeton verlegt werden und von beiden Seiten vorgespannt werden, nach dem Vorspannen nur auf den Teillängen h mit Zementmörtel verpresst werden, auf der Teillänge g aber ohne Verbund mit dem sie umgebenden Beton verbleiben.

15. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konzentration der Umlenkkräfte auf den mittleren Teil der Stützweite des Biegeträgers die Spannstäbe (12) nur auf der Teillänge g gekrümmt verlegt werden, in den Längenabschnitten h aber geradlinig zum Auflagerpunkt geführt werden.

16. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 13, 14 oder 15 für die vorgespannten Spannstäbe im Bereich der Längenabschnitte g durch das Verpressen der Hüllrohre (13) mit einem bei allen Gebrauchstemperaturen geeigneten viskosen Stoff ein plastischer Verbund mit dem sie umgebenden Beton hergestellt wird, der kritische Resonanzschwingungen des Biegeträgers bei Beanspruchung durch rhythmisch aufgebrachte Verkehrslasten verhindert.

17. Konstruktion und Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bauteile aus Stahlbeton oder Spannbeton statt Normalbeton Leichtbeton verwendet wird.

18. Konstruktion und Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespannten Stäbe nicht aus Stahl, sondern aus im Strangziehverfahren hergestellten Profilen aus kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bestehen.

19. Konstruktion und Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,
dass für die Bauteile aus Stahlbeton oder Spannbeton statt Normalbeton Leichtbeton verwendet wird und
dass die vorgespannten Stäbe nicht aus Stahl, sondern aus im Strangziehverfahren hergestellten Profilen aus kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bestehen.

20. Konstruktion und Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,
dass statt der Spannstäbe (12) aus Stahl Spannstäbe mit Querschnitten aus mehreren übereinandergeschichteten und miteinander verklebten Lamellen (16 und 17) verlegt und vorgespannt werden, die abwechselnd aus dünnen Stahlblechen (16) und Bändern (17) aus CFK bestehen und
dass im Verankerungsbereich an den Enden der Spannstäbe zur Realisierung einer trompetenförmigen Verankerung auf die Verklebung und auf die Bänder (17) aus CFK verzichtet wird.

21. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Spannstäbe (12) aus mehreren übereinandergeschichteten und miteinander verklebten Lamellen (16 und 17) nur im Längenabschnitt a oder c oder e oder g abwechselnd aus dünnen Stahlblechen (16) und Bändern (17) aus CFK bestehen, in den Längenabschnitten b oder d oder f oder h aber nur aus dünnen Stahlblechen (16).

22. Konstruktion und Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bauteile aus Stahlbeton oder Spannbeton statt Normalbeton Leichtbeton verwendet wird.