DE102004026871A1

DE102004026871A1 - Verbundträger aus hochfesten Werkstoffen mit Gestaltungsmerkmalen, die eine Ausschöpfung beliebig unterschiedlicher Dehnungs- und Festigkeitspotenziale der Werkstoffe in einem Trägerquerschnitt sicherstellen

Info

Publication number: DE102004026871A1
Application number: DE200410026871
Authority: DE
Inventors: Karl Gerhards
Original assignee: Gerhards Karl Dipl-Ing
Current assignee: Gerhards Karl Dipl-Ing
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-22

Abstract

Hochfeste Betons haben nur ein kleines plastisches Arbeitsvermögen. Ihre Zugfestigkeit ist kaum höher als in normalfesten Betons. Dadurch lassen sich ihre hohen Druckfestigkeiten in bewährten Biegeträgern nicht ausschöpfen. DOLLAR A Durch einen schubfesten Verbund von Biegeträgern aus Stahl mit Biegeträgern oder Gurten aus Stahlbeton und eine strukturierte Anordnung der Verbundmittel in den Stegflächen werden die Nachteile vermieden. Die Verbundmittel werden in den Stegflächen auf Achsen konzentriert. Für die Übertragung der Querkräfte entstehen Tragsysteme, die in beiden Verbundpartnern die technologischen Stärken zur Entfaltung bringen. DOLLAR A Ein einfaches Anwendungsbeispiel ist ein doppel-T-förmiger Stahlbetonträger mit einem Stegblech als Stahlträger in seiner Z-Achse. Schubmittel sind Kopfbolzendübel. Kopfbolzendübel und Schubbewehrung folgen der Richtung der Hauptzugspannungen. DOLLAR A Die Stahlbetonträger können auch als symmetrische Hälften vorgefertigt und durch die Reibungs- und Scherkräfte vorgespannter Schrauben schubfest mit dem Stegblech verbunden werden. DOLLAR A Die Erfindung erhöht entscheidend die Schubtragfähigkeit und erlaubt die volle Ausschöpfung der Festigkeitspotenziale hochfester Stähle und Betons.

Description

Die Erfindung betrifft Konstruktionen und Verfahren zur Herstellung von Verbundträgern und kompletten Verbundtragwerken aus Bauteilen, die aus hochfestem – oder ultrahochfestem Beton im Verbund mit Stahlträgern oder Biegeträgern nach einem der Ansprüche der Patentanmeldung 103 51 444. 9 vom 04.11.2003, bestehen, deren elastische Tragfähigkeit durch den Einsatz höherfester Stähle oder hochfester Stähle im Verbund mit CFK – Bändern bestimmt wird. In den erfindungsgemäßen Verbundträgern und Verbundtragwerken werden Betonbauteile und Stahlträger so miteinander kombiniert, dass ihre Tragfähigkeit von den Zug – und Druckfestigkeiten der eingesetzten Stähle und CFK – Bändern und den Druckfestigkeiten der Betone bestimmt wird und nachteilige Wirkungen durch die sehr kleinen Zugfestigkeiten hochfester Betone vermieden werden.

Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten haben zur Entwicklung von hochfesten Feinkornbaustählen mit Streckgrenzen von bis zu 1100 N/mm², sehr guter Schweißeignung und hoher Zähigkeit geführt. Diese Stähle besitzen dank ihrer ausgezeichneten Zähigkeit bis zu Temperaturen von minus 40°C auch einen hohen Sprödbruchwiderstand. Sie lassen sich bei ihrer Verarbeitung sehr gut kalt umformen und schweissen, ohne dass die Gefahr besteht, ihre günstigen Gebrauchseigenschaften, vor allem ihre Festigkeit und Zähigkeit zu verlieren.

Im Vergleich zur Anwendung normalfester Stahlsorten lässt sich mit höherfesten Stählen eine Kostenreduktion durch geringeren Material- Transport- und Fertigungsaufwand erzielen. Hochfeste und höchstfeste Stähle mit Streckgrenzen bis zu 1100 N/mm² haben bereits im Off-shore-Bereich, bei der Konstruktion von Druckbehältern und im Mobilkranbau seit Längerem ihr festes Einsatzgebiet, während ihr Einsatz in Baukonstruktionen auch heute noch äusserst selten ist.

Ursächlich für den nur geringfügigen Einsatz hochfester Stähle in Baukonstruktionen sind die großen Verformungen und ein erheblich größerer Aufwand zur Aussteifung schlanker auf Druck und Schub beanspruchter stählerner Bauteile, die bei der Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials hochfester Stähle entstehen, sowie eine nur geringe Steigerung der Dauer- und Betriebsfestigkeit. Geschweißte Baukonstruktionen aus hochfesten und höchstfesten Stählen haben bei vorwiegend nicht ruhender Beanspruchung bereits für die in geschweißten Baukonstruktionen unvermeidbaren Kerbfälle einer Halskehlnaht oder Stumpfnaht Dauerfestigkeiten und Betriebsfestigkeiten, die kaum höher sind als die der normalfesten Stähle. Höhere Festigkeiten lassen sich daher nur ausschöpfen bei Beanspruchungskollektiven, in denen höhere Beanspruchungen nur mit geringer Häufigkeit auftreten.

Die Entwicklung zementgebundener Baustoffe hat ebenfalls zu erheblichen Verbesserungen vor allem der Druckfestigkeiten geführt. Die jüngste Steigerungsstufe dieser Entwicklung sind ultrahochfeste Betone, mit denen Festigkeiten bis zu 800 N/mm² erzielt werden können [1]. Hochleistungsbetone mit Würteldruckfestigkeiten bis zu 115 N/mm² gehören bereits zum Stand der Technik. Ihre Verwendung bei der Herstellung von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen ist bereits in Normen und sonstigen bautechnischen Bestimmungen geregelt.

Hochleistungsbetone haben aber Eigenschaften, die eine Ausschöpfung ihres Druckfestigkeitspotenzials in Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen nach dem Stand der Technik nicht mit der gleichen Effektivität wie bei normalfesten Betonen erlauben:

– Die Spannungs-Dehnungs-Linien von Hochleistungsbetonen verlaufen in einem größeren Beanspruchungs- und Dehnungsbereich linear und elastisch. Die Stauchung des Betons bei der höchsten Beanspruchung nimmt zwar mit zunehmender Betonfestigkeit noch geringfügig zu. Nach Erreichen der höchsten Beanspruchung fällt die Spannungs-Dehnungs-Linie aber anders als bei normalfesten Betonen steil ab. Das geringe plastische Arbeitsvermögen erlaubt vor dem Versagen eines auf Biegung beanspruchten Stahlbetonquerschnitts keine volle Plastifizierung der Druckzone. Diese Eigenschaft hat die Bemessungsregeln für Stahlbeton- und Spannbetonbauteile aus Hochleistungsbeton beeinflusst. Bei der Bemessung und Ermittlung der Grenztragfähigkeit von Stahlbetonquerschnitten aus Hochleistungsbeton darf aus diesem Grunde nur eine erheblich reduzierte Betonstauchung am gedrückten Querschnittsrand berücksichtigt werden. Während bei Stahlbetonquerschnitten aus normalfesten Betonen bis zu einer Festigkeitsklasse C 50/60 bei der Ermittlung der Grenztragfähigkeit eine Betonstauchung von 3,5 Promille angesetzt werden darf, verringert sich bei der Festigkeitsklasse C 100/115 die ansetzbare Stauchung auf 2,2 Promille. Ausserdem muß beim Einsatz von C 100/115 ein höherer Teilsicherheitsbeiwert γc berücksichtigt werden.
– Die Zugfestigkeit hochfester Betone nimmt nur unterproportional mit der Druckfestigkeit zu. Nach den Berechnungsregeln der DIN 1045 – 1 kann bei einem Beton der Festigkeitsklasse C 35/45 mit einer Zugfestigkeit gerechnet werden, die 8,43 % seiner Würfeldruckfestigkeit entspricht. Nach den neuen Berechnungsregeln der DIN 1045 – 1 hat ein Beton der Festigkeitsklasse C 100/115 nur noch eine Zugfestigkeit, die 1,53 % seiner Würfeldruckfestigkeit entspricht.
– Für die Schubtragfähigkeit von Stahlbetonquerschnitten ist die Zugfestigkeit neben dem plastischen Arbeitsvermögen die maßgebende Kenngröße. Die Schubtragfähigkeit nimmt daher ebenfalls nur unterproportional mit der Druckfestigkeit zu. Die Bilder 3.8 und 3.9 in [2] stellen diese Abhängigkeiten dar. Bild 3.8 enthält eine empirisch aus Versuchsergebnissen abgeleitete Funktion, die darlegt, dass die Schubtragfähigkeit unbewehrter Stahlbetonträger mit größer werdender statischer Höhe abnimmt. Bild 3.9 stellt die rechnerisch nach der DIN-Norm, EC 2 und Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton für hochfesten Beton ansetzbare Schubtragfähigkeit für einen 20 cm hohen Biegeträger in Abhängigkeit von der Würfeldruckfestigkeit dar. Die Darstellung belegt, dass die Schubtragfähigkeit nur ausserordentlich degressiv mit der Würfeldruckfestigkeit zunimmt. Beide Abhängigkeiten bewirken, dass in Biegeträgern aus Stahlbeton bei größeren Konstruktionshöhen durch den Einsatz von Hochleistungsbetonen nur eine geringe Steigerung der Tragfähigkeit möglich ist. Ihr Einsatz wird in Biegeträgern dadurch unwirtschaftlich. Die Nachteile lassen sich auch nicht durch mehr Schubbewehrung oder eine den Hauptspannungstrajektorien besser angepasste Schubbewehrung vermeiden.
– Die hochfesten Leichtbetone verhalten sich bei gleichen Würteldruckfestigkeiten noch spröder als Normalbetone. Zugfestigkeit und Schubtragfähigkeit erreichen nur Bruchteile der Werte von hochfesten Normalbetonen gleicher Festigkeit, sodass die Steigerung der Tragfähigkeit noch kleiner ausfällt mit noch deutlicheren Folgen für eine Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes.
– Verbundträger nach dem Stand der Technik aus normalfestem Stahl und Gurtplatten aus normalfestem Beton, die durch Kopfbolzendübel schubfest mit dem Stahlträger verbunden sind, können so bemessen werden, dass beide Verbundpartner ihr Festigkeitspotenzial voll entfalten. Trotz der kleinen Bruchdehnung von Beton findet im Zustand der Grenztragfähigkeit eine Plastifizierung des Stahlträgers statt, weil sich die Kopfbolzendübel im Beton elastisch und plastisch stark verformen. Diese für die Sicherheit und volle Ausschöpfung der Festigkeiten beider Verbundpartner wesentlichen Eigenschaften gehen bei der Kombination von Stahlträgern aus hochfestem Stahl und Gurtplatten aus Hochleistungsbeton in Verbundträgern nach dem Stand der Technik verloren. Die hohen Festigkeiten und das geringe plastische Arbeitsvermögen von Hochleistungsbeton verhindern, dass sich die Kopfbolzendübel vor ihrem Versagen elastisch und plastisch verformen können, so dass sie mit dem Verbundträger ohne Ankündigung spröde versagen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verbundträger zu entwickeln und vorzuschlagen, in denen auch Hochleistungsbetone bis hin zu ultrahochfestem Beton mit Trägern aus normalfesten und hochfesten sowie höchstfesten Stählen bis zu Streckgrenzen von 1.100 N/mm² so kombiniert werden, dass beide Verbundpartner ihr Festigkeitspotenzial voll entfalten und die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Um die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, sollen die Verbundträger folgende erfinderische Zielsetzungen erfüllen:

– Biegeträger aus normalfesten Stählen oder hoch- und höchstfesten Stählen oder aus hoch- und höchstfesten Stählen im Verbund mit CFK-Bändern sollen im Verbund mit hochfestem Beton im Querschnitt eines Verbundträgers trotz der unterschiedlichen maximalen Dehnungen, die für ihre Grenztragfähigkeit maßgebend sind, so zusammenwirken, dass beide Verbundpartner ihre maximalen Dehnungen auf der gleichen Laststufe äusserer Lasten erreichen.
– Die Beanspruchung des Verbundträgers über die Grenztragfähigkeit hinaus bis zu den Bruchdehnungen des hochfesten Betons und dem spröden Bruchversagen der Stahlbetonquerschnitte soll nicht zum Versagen des Verbundträgers führen. Tragfähigkeit und Das Verformungsverhalten der Verbundmittel zwischen Beton und Stahlträger soll ausreichend duktil sein, so dass für die Grenztragfähigkeit und das Versagen des Verbundträgers ein mögliches spröde Bruchversagen der Stahlbetonquerschnitte nicht maßgebend ist. Vor dem Versagen des Verbundträgers soll sich auf einem hohen Belastungsniveau die Rotationskapazität des Stahlträgers voll entfalten können, sodass sich das vollständige Versagen des Verbundträgers durch größere Verformungen ankündigt und kein größerer Sicherheitsabstand erforderlich ist.
– Für eine effektive Übertragung von Querkräften sollen die beiden Verbundpartner im Querschnitt des Verbundträgers so zusammenwirken, dass sich die vorteilhaften Eigenschaften der hochfesten Betone und Stähle voll entfalten können und Tragfähigkeitseinbußen durch die technologischen Schwächen der Werkstoffe vermieden werden.

Die Aufgabe lässt sich durch eine Kombination von Einzelmaßnahmen erfüllen, die im Folgenden beschrieben werden.

Die erfindungsgemäßen Verbundträger bestehen aus biegesteifen Stahlbetonträgern oder Gurten aus Stahlbeton und biegesteifen Stahlträgern, die schub- und biegefest miteinander verbunden werden. Der Stahlträger befindet sich in der Z-Achse des Verbundträgers, die zugleich Symmetrieachse des Verbundträgers ist.

Bis zu Abmessungen und Gewichten der Verbundträger, die sich transportieren und durch Hebezeuge einbauen lassen, können die Verbundträger komplett vorgefertigt werden. Sie können schlaft bewehrt sein oder durch Zugstäbe mit nachträglichem Verbund oder im Spannbett mit direktem Verbund in Längsrichtung vorgespannt werden.

Bei Abmessungen und Gewichten der Verbundträger, die sich nicht mehr transportieren und durch Hebezeuge einbauen lassen, werden die Stahlträger und Stahlbetonträger vorgefertigt. Die vorgefertigten Stahlbetonträger können ebenfalls schlaft bewehrt sein oder im Spannbett durch Zugstäbe mit direktem Verbund in Längsrichtung vorgespannt werden. Sie können selbstverständlich auch durch Spannglieder mit nachträglichem Verbund vorgespannt werden. Die Stahlbetonträger werden erst nach dem Erhärten und Vorspannen des Betons schub- und biegefest mit dem Stahlträger verbunden.

Die erfindungsgemäße Zielsetzung einer vollen Berücksichtigung unterschiedlicher Dehnungs- und Festigkeitspotenziale der Verbundpartner bei der Bemessung der Verbundträger setzt voraus, dass in den Randfasern des Verbundquerschnitts der Beton der Stahlbetonträger seine maßgebende Stauchung und der Stahl des Stahlträgers seine Streckgrenze bei annähernd der gleichen äusseren Belastung erreichen. Die für die Bemessung maßgebende Stauchung des Betons ist in den folgenden Überlegungen der Dehnbetrag, der sich bei der maximalen Druckbeanspruchung vor dem Versagen des Betonquerschnitts einstellt. Für das Trag- und Verformungsverhalten des Verbundträgers im Bereich seiner Grenztragfähigkeit ist es vorteilhaft, wenn der Stahlträger seine Streckgrenze zuverlässig vor der Maximalbeanspruchung des Betons erreicht.

Diese erfinderische Zielsetzung ist damit an die Voraussetzung gebunden, dass nach Herstellung des Verbundes in den für die Bemessung maßgebenden Randfasern der Stahlbetonträger und des Stahlträgers für die volle Beanspruchungsspanne bis zur Grenztragfähigkeit annähernd das gleiche Dehnungspotenzial zur Verfügung steht.

Zur Realisierung dieser Zielsetzung stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung:

– Die Voraussetzung, dass nach Herstellung des Verbundes in den für die Bemessung maßgebenden Randfasern der Stahlbetonträger und des Stahlträgers für die Beanspruchungsspanne von null bis zur Grenztragfähigkeit annähernd das gleiche Dehnungspotenzial zur Verfügung steht, kann allein durch die Auswahl von Werkstoffen erfüllt werden, die bis zum Erreichen der Grenztragfähigkeit annähernd die gleichen Dehnungspotenziale haben. So erreichen Kombinationen von normalfesten und hochfesten Betonen mit Stahlträgern aus einem hochfesten Feinkornbaustahl mit einer Streckgrenze von 690 N/mm² zuverlässig diese Zielsetzung, weil die maßgebende Stauchung des Betons und die Streckgrenze des Stahls annähernd gleich sind. Beanspruchungsunterschiede zwischen den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger vor Herstellung des Verbundes sind zur Erfüllung der erfinderischen Zielsetzung bei dieser Kombination von Werkstoffen nicht erforderlich.
– Bei größeren Unterschieden zwischen der Streckgrenze des Stahlträgers und der maßgebenden Stauchung des Betons macht die Erfüllung der Zielsetzung gleicher Dehnungspotenziale bis zur Grenzbeanspruchung die Erzeugung von konsistenten Dehnungs- und Beanspruchungsunterschieden zwischen den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger vor Herstellung des Verbundes erforderlich. Konsistente Dehnungs- und Beanspruchungsunterschiede zwischen den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger können dadurch hergestellt werden, dass vor Herstellung des Verbundes die Stahlbetonträger gegen den Stahlträger vorgespannt werden. Eine zielführende Vorspannung erzeugt im Stahlträger Biegemomente, die das gleiche Vorzeichen haben wie die Biegemomente aus Gebrauchslast. In den Stahlbetonträgern entstehen aus Gleichgewichtsgründen gleich große Biegemomente mit umgekehrtem Vorzeichen. Durch die anschließende Herstellung des Verbundes wird dieser Eigenspannungszustand eingefroren. Die Dehnungsunterschiede können durch die Wahl der Höhe der Vorspannung und des Steifigkeitsverhältnisses des Stahlträgers zu den Stahlbetonträgern so gestaltet werden, dass die erfinderische Zielsetzung erfüllt wird. Bei der Wahl der Höhe der Vorspannung und des Steifigkeitsverhältnisses müssen die Spannungsverluste und Spannungsumlagerungen infolge des Kriechen und Schwinden des Betons berücksichtigt werden.
– Konsistente Dehnungs- und Beanspruchungsunterschiede zwischen den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger können aber auch dadurch hergestellt werden, dass vor Herstellung des Verbundes dem Stahlträger allein die Übertragung von Eigenlasten zugewiesen wird. Verbundträger für größere Spannweiten eignen sich besonders für dieses methodische Vorgehen. In Verbundträgern für größere Spannweiten überwiegt der Anteil der Eigenlasten des Tragwerks an der Gesamtlast. Er kann bis zu 80 % der Gesamtlast betragen. Verbundträger für größere Spannweiten haben Gewichte und Abmessungen, die eine getrennte Herstellung und Vorfertigung der Stahlbetonträger und des Stahlträgers ohnehin erforderlich machen. Der Verbund zwischen den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger erfolgt erst während der Montage auf der Baustelle. Durch die Auswahl der Werkstoffe hinsichtlich der gewünschten Dehnungspotenziale und ihrer Unterschiede, durch die Gestaltung des Steifigkeitsverhältnisses zwischen den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger sowie durch die Gestaltung der Montagefolge lässt sich die erfinderische Zielsetzung zuverlässig erfüllen.
– Konsistente Dehnungs- und Beanspruchungsunterschiede zwischen den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger können aber auch dadurch hergestellt werden, dass vor Herstellung des Verbundes dem Stahlträger allein die Übertragung von Eigenlasten zugewiesen wird und zusätzlich vor Herstellung des Verbundes die Stahlbetonträger gegen den Stahlträger vorgespannt werden. Diese Kombination ist bei größeren Unterschieden der Dehnungspotenziale von Stahlträger und Beton auch bei mittleren Spannweiten besonders geeignet, die erfinderischen Zielsetzungen zu erfüllen.

Die Verbundmittel, die Stahlbetonträger und Stahlträger zu einem biege- und schubfesten Verbundträger verbinden, befinden sich überwiegend in den Stegflächen der Träger. Als Verbundmittel sind Kopfbolzendübel geeignet oder Bewehrungsstäbe aus hochfestem Stahl bzw. HV-Schrauben, die durch kreisrunde Aussparungen im Stegblech des Stahlträgers geführt werden und die Stahlbetonträger und den Stahlträger durch zweischnittige Scherkräfte und die Lochleibungkräfte zwischen dem Stegblech und den Bewehrungsstäben schub- und biegefest verbinden.

Bei Abmessungen und Gewichten der Verbundträger, die sich nicht mehr transportieren und durch Hebezeuge einbauen lassen, werden die bereits vorgefertigten Stahlbetonträger durch Zugstäbe aus hochfestem Stahl bzw. HV-Schrauben, die durch Aussparungen in den Stahlbetonträgern und im Stegblech des Stahlträgers geführt und vorgespannt werden, mit dem Stahlträger schub- und biegefest verbunden. Die Übertragung der Scherkräfte zwischen den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger erfolgt durch die Reibung, die durch die Vorspannkräfte in den Kontaktflächen zwischen dem Stegblech und den benachbarten Oberflächen der Stahlbetonträger entsteht, gegebenfalls durch die Scherkräfte eines Klebstoffes, und durch zweischnittige Scherkräfte und die Lochleibungkräfte zwischen dem Stegblech und den Zugstäben.

Durch die Konzentration der Verbundmittel auf Verbundachsen werden für den inneren Kräftefluss beim Abtragen der Querkräfte Tragstrukturen generiert, die zu einer wesentlichen Verbesserung der Schubtragfähigkeit führen. Die einfachsten Ausprägungen dieser Strukturierung sind geradlinige Verbundachsen mit einer Neigung α kleiner oder größer als 90° zur Längsachse des Verbundträgers, wobei die Größe des Winkels α wie folgt gemessen werden soll:
Winkelscheitel des Winkels α sei der Schnittpunkt der Längsachse des Verbundträgers oder einer Parallelen zur Längsachse des Verbundträgers mit der Verbundachse. Die Winkelmaße des Winkels α werden im Uhrzeigersinn zwischen den beiden Winkelschenkel eines zum Auflager des Verbundträgers zeigenden Vektors der Längsachse oder einer Parallelen zur Längsachse des Verbundträgers und der aufsteigenden Verbundachse gemessen. Die für einen Verbundträger gewählte geometrische Anordnung der Verbundachsen soll sich an der Stelle der Längsachse des Verbundträgers spiegeln, an der die zu bemessenden Querkräfte das Vorzeichen wechseln. Bezogen auf die Spannweite des Verbundträgers ist dies in der Regel die Mitte der Feldweite.

Die Verbundquerschnitte in Verbundachsen mit einer Neigung α kleiner als 90° sind dominant auf Zug beansprucht. Das Stegblech des Stahlträgers und eventuelle Stahlbetonquerschnitte zwischen den Verbundachsen werden annähernd orthogonal zur Richtung der Verbundachsen dominant auf Druck beansprucht. Tragfähigkeit und Steifigkeit der Verbundquerschnitte können durch vorgefertigte und vorgespannte Betonquerschnitte erhöht werden, deren Längsbewehrung im Spannbett vorgespannt wird.

Die Wirksamkeit dieser Generierung des inneren Kräfteflusses beim Übertragen der Querkräfte wird beeinflusst durch die Gestaltung des Verhältnisses der Normalkraftsteifigkeiten der Verbundquerschnitte in den Verbundachsen zu den Normalkraftsteifigkeiten der Querschnittsflächen zwischen den Verbundachsen.

Besonders vorteilhaft sind Neigungen der Verbundachsen, die einen Winkel α von annähernd 45 bis 60° oder 120 bis 135° bilden. Durch die Erhöhung der Tragfähigkeit und Steifigkeit der Verbundquerschnitte können Steifigkeitsverhältnisse im Steg generiert werden, durch die Hauptzugspannungen in den Verbundachsen und orthogonal dazu Hauptdruckspannungen entstehen. Die Übertragung der Querkräfte erfolgt fast ausschließlich durch Normalspannungen. Das Steifigkeitsverhältnis zwischen Zug und Druck übertragenen Querschnittsflächen des Steges kann so gestaltet werden, dass auch aus Gründen der Formänderungsverträglichkeit nur geringe Schubspannungen entstehen. Diese Strukturierung bewirkt somit, dass die in ihrer Längsrichtung ausreichend vorgespannten Zugdiagonalen in den Verbundachsen die Zugkräfte übertragen und die Stegfelder zwischen den Zugdiagonalen die Druckkräfte. Die Betonquerschnitte des Steges werden vorwiegend auf Druck beansprucht, sodass auch hochfester Beton – trotz seiner kleinen Zugfestigkeit – bei der Übertragung der Querkräfte seine hohe Druckfestigkeit voll entfalten kann. Ausserdem verhindern die Betonquerschnitte zwischen den Zugdiagonalen ein Ausbeulen der Stegbleche, sodass auch Stegbleche aus hoch- und höchstfestem Stahl ohne aufwendige stahlbaumäßige Aussteifung ihr Festigkeitspotenzial bei der Übertragung von Querkräften voll entfalten können.

Die Verbundquerschnitte in Verbundachsen mit einer Neigung α größer als 90° sind dominant auf Druck beansprucht. Die Querschnitte der Verbundträger zwischen den Verbundachsen werden annähernd orthogonal zur Richtung der Verbundachsen dominant auf Zug beansprucht. Die inneren Kräfte bei der Übertragung der Querkräfte zwischen den Verbundquerschnitten in den Verbundachsen können bei dieser Gestaltung ausschließlich von nicht ausgesteiften stählernen Stegblechen übertragen werden, so dass auf Stahlbetonquerschnittsflächen zwischen den Verbundquerschnitten in den Verbundachsen verzichtet werden kann.

Die Ansprüche 1 bis 8 und 10 bis 17 beschreiben unterschiedliche Ausprägungen von Merkmalen der Verbundträger, mit denen die oben beschriebenen erfinderischen Zielsetzungen erfüllt werden.

Anspruch 9 beschreibt die Verfahrensmöglichkeiten, mit denen bei Verbundträgern nach Anspruch 1 bis 8 die erfinderische Zielsetzung einer Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials der Verbundpartner durch die Biegebeanspruchung der Verbundträger erreicht wird.

Anspruch 18 beschreibt die Verfahrensmöglichkeiten, mit denen bei Verbundträgern nach Anspruch 10 bis 17 die erfinderische Zielsetzung einer Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials der Verbundpartner durch die Biegebeanspruchung der Verbundträger erreicht wird.

Allen Verbundträgern gemeinsam sind die Doppel-T-förmigen oder kastenförmigen Querschnittsformen und die Gestaltung des Steges der Verbundträger zu einem Verbundtragsystem zur Übertragung der Querkräfte, in dem die eingesetzten Werkstoffe – in der Regel hochfester oder höchstfester Stahl und hochfester oder ultrahochfester Beton – ihre jeweils vorteilhaften technologischen Eigenschaften besser entfalten können, als nach dem Stand der Technik.

Die Ansprüche 19 bis 21 beschreiben die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbundträger für komplette Verbundtragwerke.

Anspruch 1 beschreibt einen Verbundträger, dessen Verbundmittel im Steg des Verbundträgers Kopfbolzendübel (1) sind. Kopfbolzendübel (1) und Schubbewehrung im Steg des Verbundträgers (4) folgen Achsen, die ein Abbild der Hauptspannungstrajektorien der inneren Zug- oder Druckkräfte im Steg sind, die bei der Übertragung der Querkräfte bei der Beanspruchung durch die Gebrauchslasten entstehen. Die Achsen repräsentieren somit Richtung und Verlauf der Hauptzugspannungen oder Hauptdruckspannungen im Steg.

Für Verbundträger mit diesem kennzeichnenden Merkmal sind zwei Varianten möglich:

– die Achsen folgen den Hauptzugspannungen. Diese Variante ist vorteilhaft für schlaft bewehrte Stahlbetonträger. Die Schubbewehrung der Gurte des Stahlbetonträgers (2) folgt ebenfalls den Hauptzugspannungen. Ein Teil der Schubbewehrung der Gurte des Stahlbetonträgers wird aus den Gurten zum Steg und entlang der Achsen im Steg hochgeführt und an den Kopfbolzendübel des Steges befestigt. Orthogonal zu den Achsen im Steg sind dominant Druckspannungen wirksam.
– die Achsen folgen den Hauptdruckspannungen. Diese Variante ist vorteilhaft für vorgespannte Verbundträger, im Besonderen für im Spannbett vorgespannte Verbundträger.

In beiden Varianten wird die Querbewehrung der Stahlbetongurte durch kreisrunde Aussparungen im Stegblech des Stahlträgers geführt.

Die Ansprüche 2 bis 8 beschreiben Verbundträger, dessen Verbundmittel und Schubbewehrung im Steg des Verbundträgers in Verbundquerschnitten konzentriert werden, die Verbundachsen (6) folgen, die geradlinig sind und eine Neigung α zur Längsachse des Verbundträgers bilden. In diesen Verbundachsen (6), die auch Systemachsen der Verbundquerschnitte sind und im Folgenden immer Verbundachsen (6) genannt werden, werden verbügelte Stahlbetonquerschnitte mit größerer Querschnittsdicke angeordnet.

Für Verbundträger mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8 sind ebenfalls zwei Varianten möglich.

– die Verbundachsen (6) haben eine Neigung kleiner als 90° zur Längsachse des Verbundträgers. Die Stahlbetonquerschnitte in den Verbundachsen (6) werden bei der Übertragung von Querkräften dominant auf Zug beansprucht. Durch den Einsatz von in ihrer Längsrichtung vorgespannten Stahlbetonfertigteilen (9) gemäß Anspruch 3 bis 8 können die Stahlbetonquerschnitte so bemessen werden, dass die Kriterien für eine volle Vorspannung erfüllt sind. Nahe zu orthogonal zur Richtung der Verbundachsen (6) werden die Stegquerschnitte dominant auf Druck beansprucht. Diese Variante ist auch geeignet für in ihrer Längsrichtung schlaft bewehrte Stahlbetonträger.
– die Verbundachsen (6) haben eine Neigung größer als 90° zur Längsachse des Verbundträgers. Die Stahlbetonquerschnitte in den Verbundachsen (6) werden bei der Übertragung von Querkräften dominant auf Druck beansprucht. Nahe zu orthogonal zur Richtung der Verbundachsen (6) werden die Stegquerschnitte dominant auf Zug beansprucht. Diese Variante ist nur vorteilhaft für in ihrer Längsrichtung vorgespannte Verbundträger.

Die Annahme, dass die Querkräfte durch Normalkräfte in den Verbundachsen (6) und orthogonal zu den Verbundachsen (6) übertragen werden, ist für den Grenzzustand der Schubtragfähigkeit eine zuverlässige Rechenannahme. Die Zuverlässigkeit dieses Tragmodelles kann durch die Gestaltung der Dehnsteifigkeiten in den Verbundachsen (6) und orthogonal zu den Verbundachsen (6) positiv beeinflusst werden. Vorteilhaft ist eine besonders große Dehnsteifigkeit in den Verbundachsen (6).

Die erfinderische Zielsetzung einer vollen Ausschöpfung der Festigkeiten der Werkstoffe in einem auf Biegung beanspruchten Verbundträgerquerschnitt erfordert bei unterschiedlichen Grenzdehnungen der Verbundpartner die Einprägung konsistenter Beanspruchungsunterschiede in den Teilquerschnittsflächen der Verbundpartner. Durch die Patentanmeldung DE 102 14 824 A1 vom 04.04.2002 ist es Stand der Technik, in einem Verbundträger, dessen Stahlträger eine erheblich größere Grenzdehnung haben kann als die Querschnittsteilflächen aus Stahlbeton, die konsistenten Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede durch das Einprägen eines dauerhaften Eigenspannungszustandes zu erzeugen, der gekennzeichnet ist durch ein Vorspannmoment im Stahlträger mit dem gleichem Vorzeichen wie das Biegemoment aus den Gebrauchslasten, dem das Gleichgewicht gehalten wird durch ein ebenso großes Biegemoment mit umgekehrtem Vorzeichen, das in den Querschnittsteilflächen aus Stahlbeton gebildet wird. Nach dem Stand der Technik wird der Stahlträger vor der Herstellung des Verbundes zwischen dem Stahlträger und den Querschnittsteilflächen aus Stahlbeton durch äussere Einwirkungen wie durch Gebrauchslasten vorgespannt. Nach der Herstellung des Verbundes und der Entfernung der äusseren Einwirkungen entsteht der Eigenspannungszustand, der so bemessen werden kann, dass die erfinderischen Zielsetzungen erfüllt werden.

Zur Erzeugung konsistenter Beanspruchungsunterschiede in den Teilquerschnittsflächen der Verbundpartner stehen aber daneben auch andere Verfahrensmöglichkeiten zur Verfügung, die auch miteinander kombiniert werden können und im Folgenden zusammenfassend dargestellt werden:

– Sie können dadurch erzeugt werden, dass im Verbundträger durch die Vorspannung von Spannstäben in der Zugzone des Verbundträgers ein Eigenspannungsmoment erzeugt wird, das den Biegemomenten aus den Gebrauchslasten entgegen gerichtet ist. Diese Maßnahme ist besonders wirksam, wenn zunächst der Verbundträger ohne den Stegbeton und den auf Druck beanspruchten Obergurt aus Stahlbeton hergestellt und vorgespannt wird.
– Sie können dadurch erzeugt werden, dass der Verbundpartner mit dem größeren Dehnungspotenzial einen größeren Anteil der Eigenlasten, oder sogar alle Eigenlasten allein überträgt.
– Sie können aber auch durch die Einprägung eines Eigenspannungszustandes erzeugt werden, der in dem Teilquerschnitt mit dem größeren Dehnungspotenzial zu einem gebrauchslastparallelen Biegemoment und in dem Teilquerschnitt mit dem kleineren Dehnungspotenzial zu einem dem Betrag nach gleich großen Biegemoment mit umgekehrtem Vorzeichen führt.

Die dargestellten Verfahrensmöglichkeiten können bei der Herstellung erfindungsgemäßer Verbundträger auch miteinander kombiniert werden. In Anspruch 9 wird Schutz begehrt für diese zielführenden Verfahrensweisen und die alternativen Möglichkeiten einer Kombination. Anspruch 9 enthält aber auch die Möglichkeit, die erfinderische Zielsetzung einer vollen Ausschöpfung der Festigkeiten der Werkstoffe durch die Kombination von Verbundwerkstoffen zu erfüllen, die ohne die Zuweisung unterschiedlicher Eigenlastanteile oder die Erzeugung von Eigenspannungszuständen zwischen den Teilquerschnitten nahezu auf der gleichen Laststufe ihre Grenzdehnungen erreichen.

In den Ansprüchen 10 und 17 bestehen die Stege der Verbundträger nur noch aus dem Stegblech der Stahlträger (3) und Verbundquerschnitten, die geradlinigen Verbundachsen (6) mit einer Neigung α größer als 90° zur Längsachse des Verbundträgers folgen. Es entsteht ein Tragsystem zur Übertragung der Querkräfte, dass aus den auf Druck beanspruchten Verbundquerschnitten in den Verbundachsen (6) und den nahe zu orthogonal zu den Verbundachsen im Stegblech der Stahlträger (3) wirksamen Zugspannungen besteht. Durch die Gestaltung einer im Vergleich mit der Dehnsteifigkeit des Stegbleches erheblich größeren Dehnsteifigkeit der Verbundquerschnitte, die bei der Übertragung der Querkräfte auf Druck beansprucht sind, können Schubspannungen im Stegblech des Stahlträgers (3) weitgehend vermieden werden.

Die erfinderische Zielsetzung einer vollen Ausschöpfung der Festigkeiten der Werkstoffe in einem auf Biegung beanspruchten Verbundträgerquerschnitt erfordert wie bei den Verbundträgern nach den Ansprüchen 1 bis 8 bei unterschiedlichen Grenzdehnungen der Verbundpartner die Einprägung konsistenter Beanspruchungsunterschiede in den Teilquerschnitten der Verbundpartner. Zur Erzeugung konsistenter zielführender Beanspruchungsunterschiede in den Teilquerschnitten der Verbundpartner stehen gemäß Anspruch 18 mit einer Ausnahme alle die im Anspruch 9 beschriebenen Verfahrensmöglichkeiten zur Verfügung.

Die Einprägung eines Eigenspannungszustandes, der in einem Stahlträger aus hochfesten Stählen mit dem in diesem Fall größeren Dehnungspotenzial zu einem gebrauchslastparallelen Biegemoment und in den Teilquerschnitten der Stahlbetongurte mit dem kleineren Dehnungspotenzial zu einem dem Betrag nach gleich großen Biegemoment mit umgekehrtem Vorzeichen führt, ist bei Verbundträgern nach den Ansprüchen 10 und 17 nicht möglich. Die Realisierung dieser Möglichkeit erfordert bei Verbundträgern nach den Ansprüchen 1 bis 8 die Einhaltung bestimmter Steifigkeitsverhältnisse zwischen der Biegesteifigkeit des Stahlträgers und der Biegesteifigkeit der Stahlbetonquerschnittsflächen. Durch den Ausschluss dieser Möglichkeit bei Verbundträgern nach den Ansprüchen 10 bis 17 entfällt das Erfordernis der Einhaltung bestimmter Relationen der Biegesteifigkeit des Stahlträgers und der Biegesteifigkeit der Stahlbetonquerschnittsflächen. Die erfinderischen Zielsetzungen lassen sich für beliebige Verhältnisse der Biegesteifigkeiten des Stahlträgers und der Stahlbetonquerschnittsflächen erfüllen. Für Verbundträger nach den Ansprüchen 10 bis 13 genügt es zum Beispiel, als Stahlträger in der Z-Achse des Verbundträger nur ein Stegblech anzuordnen.

Die Ansprüche 19 bis 21 beschreiben die Verwendung von Verbundträgern nach den Ansprüchen 1 bis 8 oder 10 bis 17 zur Herstellung kompletter Tragwerke.

Anspruch 21 beschreibt die Herstellung und Montage kompletter Tragwerke aus vorgefertigten Bauteilen für größere Spannweiten, bei denen der Transport und Einbau bereits in der Fertigungseinrichtung nach Anspruch 19 gefertigter kompletter Flächensegmente in der vollen Länge des Tragwerks nicht mehr möglich ist.

Die Querschnitte der Tragwerke gemäß Anspruch 21 bestehen aus mindestens zwei Hauptträgern (24), die Stahlträger (3) aus hoch – oder höchstfestem Stahl oder Biegeträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder 12 der Patentanmeldung 103 51 444.9 vom 04.11.2003 sein können, aus symmetrisch zu diesen Hauptträgern (24) angeordneten Stahlbetonträgern (10), die gemäß den Ansprüchen 4 bis 8 schub und biegefest mit den Stegen dieser Hauptträger (24) verbunden werden und aus vorgefertigten Fahrbahnplatten aus Stahlbeton (26), deren Länge der vollen Brückenbreite entspricht und deren Breite von den Transportbedingungen bestimmt wird. Der Verbund zwischen den vorgefertigten Fahrbahnplatten aus Stahlbeton (26) und den Hauptträgern (24) und Stahlbetonträgern (10) wird durch Verbundmittel erzeugt, die in Teilflächen des Querschnitts (27) hinein ragen, die erst dann während der Montage des Brückentragwerks mit Beton gefüllt werden, wenn sich durch die Übertragung der Eigenlasten durch die Hauptträger (24) und – falls notwendig – durch die Hauptträger (24) im Verbund mit den Stahlbetonträgern (10) Beanspruchungsunterschiede eingestellt haben, die zu einer Erfüllung der erfinderischen Zielsetzungen führen.

Die erfinderische Zielsetzung, die Druckfestigkeit des Betons und die Streckgrenze des Stahls – oder beim Einsatz von Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder 12 der Patentanmeldung 103 51 444.9 vom 04.11.2003 deren maximal mögliche elastische Beanspruchbarkeit – im Grenzzustand der Schub- und Biegetragfähigkeit des Tragwerks voll auszuschöpfen, setzt bei unterschiedlichen Grenzdehnungen der Verbundpartner eine gebrauchslastparallele Vorbeanspruchung des Verbundpartners mit der größeren Grenzdehnung voraus.

Stahlträger aus einem Stahl mit einer Streckgrenze von 1100 N/mm² haben ein elastisches Dehnungspotenzial von 5,24 Promille. Biegeträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 12 der Patentanmeldung 103 51 444.9 vom 04.11.2003 können ein elastisches Dehnungspotenzial von mehr als 10 Promille haben. Auch hochfeste Betone erreichen dagegen ihre maximale Druckbeanspruchung schon bei etwa 3 Promille. Bei Unterschieden in den maßgebenden Grenzdehnungen von bis zu 7,0 Promille sind erhebliche gebrauchslastparallele Vorbeanspruchungen der Hauptträger (24) möglich. Sie sind zudem erforderlich, um die erfinderischen Zielsetzungen zu erfüllen.

Dass erhebliche gebrauchslastparallele Vorbeanspruchungen der Hauptträger (24) möglich sind, erlaubt in Brücken mit großen Spannweiten mit Eigenlastanteilen bis zu 80% der Gesamtlasten und größeren Unterschieden der maßgebenden Grenzdehnungen einen besonders flexiblen Montageablauf. Der Montageablauf kann nicht nur technisch-wirtschaftlich optimiert werden; er ist auch Instrument zur Erfüllung der erfinderischen Zielsetzung einer Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials beider Verbundpartner im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Durch eine methodische und zeitliche Trennung des Aufbringens der Eigenlasten und der Herstellung des Verbundes zwischen den Hauptträgern (24) und den Querschnittsteilflächen aus Stahlbeton (10, 26 27) kann die Lastabtragung durch die Hauptträger (24) und die Querschnittsteilflächen aus Stahlbeton (10, 26 27) sehr intensiv beeinflusst werden. Dieses Gestaltungspotenzial erlaubt für konkrete Unterschiede in den maßgebenden Grenzdehnungen eine zuverlässige Erfüllung der erfinderischen Zielsetzung. Der Verbund zwischen den Hauptträgern (24) und den Fertigteilen aus Stahlbeton (10, 26) wird erst hergestellt, wenn in den für die Schubtragfähigkeit und Biegetragfähigkeit maßgebenden Querschnittsteilflächen des Brückentragwerks durch das Aufbringen von Eigenlasten Schnittkräfte entstanden sind, die zwischen den Verbundpartnern konsistent die erfindungsgemäßen Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede erzeugen.

Aus der Gliederung des Brückenquerschnitts ergibt sich aus technischen Gründen zwangsläufig folgende Reihenfolge des Montageablaufs: Zunächst werden die Hauptträger (24) für die volle Brückenlänge vorgefertigt und eingebaut. Anschließend werden die vorgefertigten Stahlbetonträger (10) eingebaut. Sie werden zunächst nur insoweit mit den Stegen der Hauptträger (24) verbunden, dass ihre Eigenlasten oder ein Teil ihrer Eigenlasten von den Hauptträgern (24) übertragen werden. Der Verbund zwischen den Hauptträgern (24) Biegeträgern (und den Stahlbetonträgern (10) wird erst hergestellt, wenn in den für die Schubtragfähigkeit und Biegetragfähigkeit maßgebenden Querschnitten der Verbundträger durch das Aufbringen von Eigenlasten in den Hauptträgern (24) Schnittkräfte entstanden sind, die zwischen den Verbundpartnern konsistent die erfindungsgemäßen Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede erzeugen. Wenn der Einbau monolithisch für die ganze Brückenlänge vorgefertigter Stahlbetonträger (10) nicht möglich ist, werden im Bereich geringerer Beanspruchungen Längsstöße angeordnet.

Anschließend werden die vorgefertigten Fahrbahnplatten aus Stahlbeton (26) auf den Obergurten der Hauptträger (24) abgelegt. Sie können ebenfalls zunächst so verlegt werden, dass ihre Eigenlasten von den Hauptträgern (24) übertragen werden. Für den Verbund zwischen den bereits mit den Stahlbetonträgern (10) kraftschlüssig verbundenen Hauptträgern (24) und den vorgefertigten Fahrbahnplatten aus Stahlbeton (26) steht eine Teilfläche des Querschnitts (27) zur Verfügung, in die Verbundmittel hinein ragen, die bereits mit den vorgefertigten Stahlbetonträgern (10), den vorgefertigten Fahrbahnplatten aus Stahlbeton (26) und gegebenenfalls mit den Stegen der Hauptträger (24) kraftschlüssig verbunden sind. Der Verbund zwischen allen Bauteilen, deren Verbundmittel in die Teilflächen des Querschnitts (27) hinein ragen, wird durch das Betonieren dieser Teilflächen des Querschnitts (27) erst hergestellt, wenn in den für die Schubtragfähigkeit und Biegetragfähigkeit maßgebenden Querschnitten des kompletten Tragwerks durch die erfindungsgemäße Ablauffolge des Aufbringens der Eigenlasten und der Herstellung des Verbundes Schnittkräfte entstanden sind, die zwischen den Verbundpartnern konsistent die erfindungsgemäßen Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede erzeugen.

Ein wesentliches kennzeichnendes Merkmal von Anspruch 21 ist es daher, dass die erfinderischen Zielsetzungen einer vollen Ausschöpfung der Druckfestigkeit des Betons und der Streckgrenze des Stahls für die Biegetragfähigkeit und die Schubtragfähigkeit des kompletten Tragwerks durch Bemessung der Querschnittsteilflächen der Verbundpartner und durch eine durch die erfinderischen Zielsetzungen eindeutig definierbare methodisch und zeitlich von einander getrennten Ablauffolge des Aufbringens der Eigenlasten und des Herstellens der Verbundwirkungen zwischen den Verbundpartnern erfüllt werden.

Figuren
Es zeigen
die 1 bis 3 einen Verbundträger nach Anspruch 1, dessen Stahlträger 3 nur aus einem Stegblech besteht. Verbundmittel sind Kopfbolzendübel 1. Sie folgen der Schubbewehrung 4 des Steges; die Schubbewehrung 4 wird im Steg so angeordnet, dass die Bewehrungsstäbe ein Abbild der Hauptzugspannungstrajektorien des Steges sind,
1 einen Querschnitt des Verbundträgers,
2 die Ansicht einen Stegbleches mit drei auflagernahen Reihen der Kopfbolzendübel 1 und der Schubbewehrung 4,
3 die Draufsicht auf eine Schubbewehrung 5 des Untergurtes, die den Hauptzugspannungstrajektorien des Untergurtes folgt, und die im Beton des Untergurtes verankerte Schubbewehrung 4 des Steges,
die 4 bis 6 zeigen Ansichten von Verbundträgern nach einem der Ansprüche 2 bis 8 oder 10 bis 17 mit unterschiedlichen Ausprägungen der Verbundachsen 6,
4 die Ansicht eines Steges eines Verbundträgers mit der Spannweite L mit Verbundachsen 6, die eine konstante Neigung α = 120° haben,
5 die Ansicht eines Steges eines Verbundträgers mit der Spannweite L mit Verbundachsen 6, die über die Höhe des Verbundträgers unterschiedliche Neigungen α₁ = 120° und α₂ = 105° haben,
6 die Ansicht eines Steges eines Verbundträgers mit der Spannweite L mit Verbundachsen 6, die über die Höhe des Verbundträgers unterschiedliche Neigungen α₁ = 60° und α₂ = 75° haben,
die 7 bis 9 einen Verbundträger nach Anspruch 2,
7 einen Querschnitt des Verbundträgers, mit Stahlbetonquerschnitten größerer Dicke b in den Verbundachsen 6
8 eine Ansicht des Verbundträgers; die Verbundachsen 6 haben eine Neigung von α = 60° zur Längsachse des Verbundträgers,
9 einen Längsschnitt im Bereich des Steges,
10 Schnitt I–I durch den Verbundquerschnitt im Bereich einer Verbundachse 6; der Verbundquerschnitt einschließlich der Längsbewehrung 8 folgen den Verbundachsen 6 ; die U-förmigen Bügel 7 werden durch kreisrunde Aussparungen im Stegblech des Stahlträgers 3 geführt;
11 Schnitt II–II durch den Verbundquerschnitt parallel zur Verbundachse 6,
12 Schnitt I–I durch den Verbundquerschnitt im Bereich einer Verbundachse 6 eines Verbundträgers nach Anspruch 3; Die zentrisch bewehrten Querschnittsteilflächen sind Stahlbetonfertigteile 9, die im Spannbett mit unmittelbarem Verbund vorgespannt werden können,
13 Schnitt II–II durch den Verbundquerschnitt eines Verbundträgers nach Anspruch 3 parallel zur Verbundachse 6,
die 14 und 16 Schnitte III–III als Querschnitte eines Verbundträgers nach Anspruch 4; die Dicke der Stahlbetonquerschnitte in den Verbundachsen 6 ist d, die Dicke des Stegbetons 12 zwischen den Verbundachsen 6 ist c,
die 15 und 17 Längsansichten eines Verbundträgers nach Anspruch 4; die Verbundachsen 6 haben eine Neigung von α = 60° zur Längsachse des Verbundträgers,
18 Schnitt IV–IV durch den Verbundquerschnitt im Bereich einer Verbundachse 6 eines Verbundträgers nach Anspruch 7 (untere Hälfte der Zeichnung) und nach Anspruch 8 (obere Hälfte der Zeichnung); Die zentrisch bewehrten Querschnittsteilflächen sind Stahlbetonfertigteile 9, die im Spannbett mit unmittelbarem Verbund vorgespannt werden können und durch ihre Bügel 7 mit dem Stegbeton 12 verbunden werden; die Zugstäbe, deren Achsen 11 dargestellt sind, werden durch Aussparungen in den Stahlbetonfertigteilen 9, dem Stegbeton 12 und dem Stegblech des Stahlträgers 3 geführt,
19 wie 18 Schnitt IV–IV durch den Verbundquerschnitt im Bereich einer Verbundachse eines Verbundträgers nach Anspruch 12 (untere Hälfte der Zeichnung) und nach Anspruch 13 (obere Hälfte der Zeichnung); die zentrisch bewehrten Querschnittsteilflächen sind Stahlbetonfertigteile 9, die im Spannbett mit unmittelbarem Verbund vorgespannt werden können; die Zugstäbe, deren Achsen 11 dargestellt sind, werden durch Aussparungen in den Stahlbetonfertigteilen 9 und dem Stegblech des Stahlträgers 3 geführt,
20 Schnitt V–V als Querschnitt durch zwei Stahlträger 3 und ihre Gurte aus Stahlbeton 14 einer Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 14 oder 15,
21 Schnitt VI–VI als Längsschnitt einer Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 14 oder 15; die Verbundachsen 6 und die in diesen Achsen angeordneten Verbundquerschnitte 13 haben eine Neigung von α = 120° zur Längsachse des Verbundträgers,
22 und 23 Schnitt VII–VII als Draufsicht auf den Untergurt zweier Stahlträger 3 einer Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 15; dargestellt sind nur die Bauteile des Stahlträgers 3 und die Verbundquerschnitte 13 in den Verbundachsen 6,
24 eine Draufsicht auf den Obergurt eines Stahlträgers 3 eines Beispiels einer Verbundträgerträgerkonstruktion nach Anspruch 15, dargestellt sind neben den Bauteilen des Stahlträgers 3 die Bewehrungsstäbe einer Schubbewehrung 16 und die Kopfbolzendübel 1 als Verbundmittel, die übrige Bewehrung, zum Beispiel die Bügelbewehrung, ist nicht dargestellt,
25 einen Querschnitt durch den Obergurt der in 24 dargestellten Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 15; die Dicke e des durch Biegedruck beanspruchten Gurtes aus Stahlbeton 14 kann auf der Breite f der Verbundquerschnitte 13 variiert und der Höhe der Biegebeanspruchung angepasst werden,
26 eine Draufsicht auf den Obergurt eines Stahlträgers 3 eines alternativen Beispiels einer Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 15, Verbundmittel sind an Stelle der Kopfbolzendübel 1 Bewehrungsstäbe 19, die in Aussparungen am oberen Rand des Stegbleches in der Z-Achse des Stahlträgers 3 und der beiden zusätzlichen Blechstreifen 15 gesteckt werden und Bewehrungsstäbe 18, die durch kreisrunde Aussparungen des Stegbleches in der Z-Achse des Stahlträgers 3 und der beiden zusätzlichen Blechstreifen 15 geführt werden; die Bewehrungsstäbe 18 und 19 sind auch Schubbewehrung, die übrige Bewehrung, zum Beispiel die Bügelbewehrung, ist nicht dargestellt,
27 einen Querschnitt durch den Obergurt der in 26 dargestellten alternativen Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 15; die Dicke e des durch Biegedruck beanspruchten Gurtes aus Stahlbeton 14 kann auf der Breite f der Verbundquerschnitte 13 variiert und der Höhe der Biegebeanspruchung angepasst werden,
28 Schnitt VIII–VIII als Querschnitt durch in Kontaktbauweise vorgefertigte Segmente nach Anspruch 17; die Stahlträger 3 haben zwei Stegbleche 21, die sich in der Z-Achse des Stahlträgers 3 berühren; die Oberflächen der beiden Stegbleche 21 in der Z-Achse sind die Kontaktfugen der Segmente,
29 Schnitt IX–IX als Längsschnitt einer Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 17; die Verbundachsen 6 und die in diesen Achsen angeordneten Verbundquerschnitte 13 haben eine Neigung von α = 120° zur Längsachse des Verbundträgers,
30 Schnitt X–X durch die Achse der Bauteile 22 mit ineinander passenden kegelförmigen Ausbuchtungen in den beiden Stegblechen 21 der durch eine Kontaktfuge getrennten Hälften der Stahlträger 3 einer Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 17; in der Achse der kegelförmigen Ausbuchtungen werden Hüllrohre 23 als Abstandshalter und zur Aufnahme von Spannstäben angeordnet, mit denen die Stahlträger 3 vor dem Betonieren der Gurte aus Stahlbeton 14 festgehalten werden und die vorgefertigten Segmente auf der Einbaustelle zu einem monolithischen Bauwerk zusammengefügt werden,
31 Schnitt XI–XI als Längsschnitt einer Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 17 im Bereich der Achsen der Bauteile 22 mit ineinander passenden kegelförmigen Ausbuchtungen, die in einen der Lastverteilung in Querrichtung dienenden Querträger aus Stahlbeton eingebettet sind,
32 ein Beispiel eines Querschnitts durch ein Brückentragwerk nach Anspruch 21; die beiden Hauptträger 24 sind Biegeträger nach Anspruch 12 der Patentanmeldung 103 51 444. 9 vom 04.11.2003 , deren Untergurte mit Stegansatz 25 vorgefertigte Verbundstäbe aus vorwiegend dünnen hochfesten Stahlblechen und Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind und deren elastisches Dehnungspotenzial durch Vorspannung bis zur Grenzbeanspruchbarkeit der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) und anschließendes Entspannen gegenüber dem elastischen Dehnungspotenzial des hochfesten Stahls annähernd verdoppelt werden kann; die Konstruktionshöhe der Stahlbetonträger 10 wird ihrem kleineren Dehnungspotenzial entsprechend verringert.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmenkombinationen entstehen in Verbundträgern gegenüber dem Stand der Technik Vorteile, die im Folgenden für die Werkstoffkombination von Trägern aus Stahl im Verbund mit Bauteilen aus Stahlbeton dargestellt werden:

– Werkstoffpaarungen von Beton und Stahl mit sehr unterschiedlichen Dehnungen bis zum Erreichen ihrer jeweiligen Grenzbeanspruchung können nach Herstellung des Verbundes in den Verbundträgern ihr Festigkeitspotenzial voll entfalten. Die Wirkungen nach Herstellung des Verbundes können durch die Wahl der Werkstoffe, durch die Bemessung des Verhältnisses der Biegesteifigkeiten und durch die Erzeugung von Beanspruchungs- und Dehnungsunterschieden so gestaltet werden, dass Stahlträger und Stahlbetonträger ihre jeweiligen Grenztragfähigkeiten auf Laststufen erreichen, die eine volle Berücksichtigung des Festigkeitspotenzials beider Verbundpartner bei der Bemessung erlauben. Die Wirkungen nach Herstellung des Verbundes können zum Beispiel so gestaltet werden, dass Stahlträger und Stahlbetonträger ihre jeweiligen Grenztragfähigkeiten auf annähernd den gleichen Laststufen erreichen. Es kann aber auch vorteilhaft sein, sie so zu gestalten, dass der Stahlträger seine Streckgrenze zuverlässig vor der Maximalbeanspruchung der Stahlbetonträger erreicht.
– Anders als Stahlbetonträger aus hochfestem Beton kann der erfindungsgemäße Verbundträger bei Beanspruchungen und Dehnungen, die über die Betonstauchung des Betons bei seiner maximalen Druckbeanspruchung hinaus gehen, nicht mehr spröde versagen. In diesem überkritischen Beanspruchungsbereich besitzt der Verbundträger auch nach dem spröden Bruch der auf Druck beanspruchten Betonquerschnitte die Rotationsfähigkeit und Tragfähigkeit des voll plastizierten Stahlträgers.
– Durch die Bemessung des Verhältnisses der Biegesteifigkeit des Stahlträgers zu der Biegesteifigkeit der Stahlbetonträger eines Verbundträgers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und die Generierung der Tragstrukturen des Steges des Verbundträgers kann der innere Kräftefluss beim Übertragen der Querkräfte so gestaltet werden, dass die Druckfestigkeit des Betons und die Streckgrenze des Stahls des Stahlträgers die maßgebenden Parameter für die Schubtragfähigkeit des Verbundträgers sind. Die geringe Zugfestigkeit hochfester Betone ist für die Schubtragfähigkeit nicht mehr bemessungsrelevant.
– Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Verbundes zwischen zwei Stahlbetonträgern und einem Stahlträger oder zwischen zwei Gurten aus Stahlbeton und einem Stahlträger verbessern sich die Beanspruchungsbedingungen der Stahlbetonträger und Stahlbetongurte in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit so, dass auf die in der DIN 1045–1 festgelegten höheren Sicherheitsbeiwerte und Einschränkungen hinsichtlich der zulässigen Dehnungsverteilungen verzichtet werden kann.
– Die erfindungsgemäße Kombination von Stahlträgern und Stahlbetonträgern oder von Stahlträgern mit Stahlbetongurten erlaubt die Herstellung von Verbundträgern aus dünnwandigen Kastenquerschnitten oder Doppel – T – Querschnitten, deren Grenztragfähigkeit von der Streckgrenze des Stahls der Stahlträger und der Druckfestigkeit der Betone bestimmt wird. Hochfeste und ultrahochfeste Betone können ihr Festigkeitspotenzial ebenso entfalten wie hoch- und höchstfeste Stähle, so dass durch den Einsatz der Erfindung eine erhebliche Steigerung der Resourcenproduktivität entsteht.
– Durch die Verwendung erfindungsgemäßer Verbundträger für komplette Tragwerke nach Anspruch 19 oder 21 kann darüber hinaus die Bauzeit erhebliche verkürzt werden.
– Die Kombination von Stahlträgern und Stahlbetonträgern und die Wahl des Steges zur Erzeugung des Verbundes zwischen Stahlträgern und Stahlbetonträgern oder Stahlträgern mit Stahlbetongurten hat darüber hinaus folgende weitere Vorteile:
– Die aufzunehmenden Verbundkräfte sind bei Verbundträgern nach den Ansprüchen 1 bis 8 kleiner als bei Verbundträgern nach dem Stand der Technik.
– Bei den Verbundträgern nach den Ansprüchen 11 bis 17 kann der Verbund zwischen den Gurten aus Stahlbeton und den Stahlträgern so leistungsfähig gestaltet werden, dass auch die Verbundkräfte höchstbeanspruchter Gurte aus bewehrtem Beton hochfester bis ultrahochfester Festigkeitsklassen zuverlässig übertragen werden können.
– Beim Einsatz von Betonstahlbewehrung als Schubmittel können die Verbundfugen nicht mehr spröde versagen, weil die Lochleibungsfestigkeit der Stegbleche die Grenzbeanspruchung der Verbundfugen bestimmt und ihr Versagen durch plastische Verformungen angekündigt wird.
– Die Halskehlnähte des Stahlträgers werden wesentlich geringer beansprucht als in Verbundträgern nach dem Stand der Technik.
– Die Konstruktive Gestaltung der Verbundfugen, die vorwiegende Anordnung der Verbundmittel im Steg und der Verzicht auf stahlbaumäßige Aussteifungen führen gegenüber dem Stand der Technik zu einer höheren Betriebs- und Dauertestigkeit.
– Der Verzicht auf stahlbaumäßige Aussteifungen verringert den Fertigungsaufwand für die Stahlträger.

1: Kopfbolzendübel als Verbundmittel
2: Stahlbetonträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3
3: Stahlträger
4: Schubbewehrung im Steg des Stahlbetonträgers 2 ; die Schubbewehrung und
: die Verbundmittel 1 folgen Achsen, die annähernd ein Abbild der Richtung der
: Hauptzugspannungen sind; die Schubbewehrung ist in den Gurten verankert
5: besondere Schubbewehrung, die durch kreisrunde Aussparungen in den Stegen
: des Stahlträgers 3 geführt wird und der Richtung der Hauptspannungstrajektorien
: in den Gurten folgt
6: Verbundachse und Systemachse der Verbundquerschnitte
7: Bügel der Stahlbetonquerschnitte in den Verbundachsen 6
8: Längsbewehrung der Stahlbetonquerschnitte in den Verbundachsen 6
9: Stahlbetonfertigteile für die Stahlbetonquerschnitte in den Verbundachsen 6,
: deren Längsbewehrung 8 zentrisch im Querschnitt der Stahlbetonfertigteile verlegt
: wird
10: Vorgefertigte Stahlbetonträger nach einem der Ansprüche 4 bis 8
11: Achsen der vorgespannten Zugstäbe nach einem der Ansprüche 4 bis 8 oder
: 11 bis 13 oder 17,
12: Stegbeton zwischen den Stahlbetonquerschnitten in den Verbundachsen 6 und
: den Stahlbetongurten der vorgefertigten Stahlbetonträger 10 nach einem der
: Ansprüche 4 bis 8
13: in den Verbundachsen 6 von Verbundträgern nach einem der Ansprüche 14 bis
: 17 angeordnete Verbundquerschnitte, die aus zwei U-förmigen stählernen
: Querschnitten, dem Stegblech des Stahlträgers 3 und den mit Beton gefüllten
: Hohlräumen zwischen den U-förmigen stählernen Querschnitten und dem
: Stegblech des Stahlträgers 3 bestehen,
14: Gurte aus Stahlbeton von Verbundträgern nach einem der Ansprüche 10 bis 17
15: zusätzliche Blechstreifen im Dickenbereich der Gurte aus Stahlbeton 14 von
: Verbundträgern nach einem der Ansprüche 10 bis 17
16: Bewehrungsstäbe zur Übertragung von Scherkräften zwischen den Stahlträgern
: 3 und den Gurten aus Stahlbeton 14 von Verbundträgern nach einem der
: Ansprüche 15 bis 17
17: orthogonal zu den zusätzlichen Blechstreifen 15 angeordnete Gurtbleche der
: Stahlträger 3 von Verbundträgern nach einem der Ansprüche 14 bis 17
18: Bewehrungsstäbe, die Verbundmittel und Schubbewehrung sind und die durch
: kreisrunde Aussparungen des Stegbleches in der Z-Achse des Stahlträgers 3
: und der beiden zusätzlichen Blechstreifen 15 gesteckt werden
19: Bewehrungsstäbe, die Verbundmittel und Schubbewehrung sind und die in
: Aussparungen am oberen Rand des Stegbleches in der Z-Achse des
: Stahlträgers 3 und der beiden zusätzlichen Blechstreifen 15 verlegt werden
20: kreisrunde Aussparungen in den Gurtblechen 17
21: Stegbleche zweier benachbarter Segmente von Verbundträgern nach Anspruch
: 17
22: Bauteile mit ineinander passenden kegelförmigen Ausbuchtungen in den
: Stegblechen 21 von Verbundträgern nach Anspruch 17
23: Hüllrohre
24: Querschnitt durch einen Stahlträger 3 oder Biegeträger nach einen der
: Ansprüche 1 bis 4 oder 12 der Patentanmeldung 103 51 444. 9 vom 04.11.2003
25: Untergurte mit Stegansatz, die vorgefertigte Verbundstäbe aus dünnen
: hochfesten Stahlblechen und Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten
: Kunststoffen (CFK) nach Anspruch 12 der Patentanmeldung 103 51 444. 9 vom
: 04.11.2003 sind,
26: vorgefertigte Fahrbahnplatten aus Stahlbeton
27: Teilflächen des Querschnitts des kompletten Tragwerks, in die Verbundmittel
: hinein ragen und die erst während der Montage durch einen geeigneten Beton
: gefüllt werden.

Zitierte Fachliteratur:

[1] Ulrich Schneider, Johannes Horvath, Gert König, Frank Dehn: Materialverhalten von ultrahochfesten Betonen (UHPC). Beton- und Stahlbetonbau 96, Heft 7, S. 468–477.
[2] Prof. Dr. – Ing. G. König und Dr. – Ing. R. Grimm: Hochleistungsbeton. Beton-Kalender 2000, B K 2, S. 327–439.

Claims

Verbundträger, der aus einem in der Z-Achse des Verbundträgers angeordneten Stahlträger und einem diesen Stahlträger umhüllenden Stahlbetonträger besteht, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verbundmittel, die den Stahlbetonträger (2) und Stahlträger (3) schub- und biegefest miteinander verbinden, in den Stegflächen angeordnet und auf Achsen in den Stegflächen konzentriert werden, mit denen Richtung und Verlauf der Hauptzugspannungen des Steges bei der Beanspruchung des Verbundträgers durch die Gebrauchslasten abgebildet werden, und – dass die Schubbewehrung (4) im Steg des Stahlbetonträgers (2) diesen Achsen folgt.
Verbundträger, der aus einem in der Z-Achse des Verbundträgers angeordneten Stahlträger und einem diesen Stahlträger umhüllenden Stahlbetonträger besteht, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verbundmittel, die den Stahlbetonträger und Stahlträger schub- und biegefest miteinander verbinden, in den Stegflächen angeordnet und vorwiegend auf geradlinige Verbundachsen (6) in den Stegflächen konzentriert werden, die mit der Längsachse des Verbundträgers einen Winkel α bilden, und – dass Verbundmittel die Bügel (7) von in der Richtung der Verbundachsen (6) längsbewehrten Betonquerschnitten sind, die durch kreisrunde Aussparungen im Stegblech des Stahlträgers (3) hindurch gesteckt werden und – dass die Bügel (7) und die Bewehrungsstäbe (8), die parallel zu den Verbundachsen (6) verlegt werden, die Bewehrung von verbügelten Stahlbetonquerschnitten sind, die gemeinsam mit dem Stegblech des Stahlträgers (3) Verbundquerschnitte bilden, und – dass die Querschnittsdicke b der verbügelten Stahlbetonquerschnitte in den Verbundachsen (6) gleich oder größer ist als die Querschnittsdicke a der übrigen Stegbetonflächen, und – dass die Winkel α zwischen der Längsachse des Verbundträgers und den Achsen der Verbundquerschnitte (6) kleiner als 90° sind, so dass in den Verbundachsen (6) bei der Übertragung von Querkräften Zugkräfte entstehen, oder – dass die Winkel α zwischen der Längsachse des Verbundträgers und den Achsen der Verbundquerschnitte (6) größer als 90° sind, so dass in den Verbundachsen bei der Übertragung von Querkräften Druckkräfte entstehen.
Verbundträger nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass – dass für Querschnittsteilflächen der symmetrisch zu den Verbundachsen (6) verbügelten Stahlbetonquerschnitte Stahlbetonfertigteile (9) verwendet werden, deren Längsbewehrung (8) zentrisch im Querschnitt der Stahlbetonfertigteile (9) verlegt wird, sodass sie im Spannbett mit direktem Verbund vorgespannt werden können, und – dass die U-förmigen Bügel der Stahlbetonquerschnitte in den Verbundachsen (6) in die Stahlbetonfertigteile (9) integriert sind und als Verbundmittel durch kreisrunde Aussparungen des Stegbleches des Stahlträgers (3) gesteckt werden.
Verbundträger, der aus einem in der Z-Achse des Verbundträgers angeordneten Stahlträger und zwei symmetrisch zu diesem Stahlträger angeordneten vorgefertigten Stahlbetonträgern besteht, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verbundmittel, mit denen die vorgefertigten Stahlbetonträger (10) und der Stahlträger (3) schub- und biegefest miteinander verbunden werden, in den Stegflächen angeordnet und auf geradlinige Verbundachsen (6) in den Stegflächen konzentriert werden, die mit der Längsachse des Verbundträgers einen Winkel α bilden, und – dass die Querschnittsdicke d des Stegbetons im Bereich der Verbundachsen (6) gleich oder größer ist als die Querschnittsdicke c des Stegbetons zwischen den Verbundachsen (6), und – dass die Verbundmittel vorgespannte Zugstäbe , z.B. HV-Schrauben, sind, die durch kreisrunde Aussparungen im Stegblech des Stahlträgers (3) und im Stegbeton der vorgefertigten Stahlbetonträger (10) hindurch geführt werden, so dass die Verbundkräfte zwischen dem Stahlträger (3) und den vorgefertigten Stahlbetonträgern (10) durch Reibung in den Kontaktflächen der Stege übertragen werden.
Verbundträger nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, – dass für Querschnittsteilflächen der in den Verbundachsen (6) verstärkten Stahlbetonquerschnitte Stahlbetonfertigteile (9) verwendet werden, deren Längsbewehrung (8) zentrisch im Querschnitt der Stahlbetonfertigteile (9) verlegt wird, sodass sie im Spannbett mit direktem Verbund vorgespannt werden können.
Verbundträger nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, dass – die Verbundkräfte zwischen dem Steg des Stahlträgers (3) und den vorgefertigten Stahlbetonträgern (10) durch Reibung in den Kontaktflächen der Stege und durch Scher- und Lochleibungskräfte zwischen dem Stegblech und den vorgespannten Zugstäben übertragen werden.
Verbundträger nach Anspruch 4 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, – dass in den Verbundachsen (6) die inneren Stegoberflächen der vorgefertigten Stahlbetonträger (10) Aussparungen erhalten, und – dass die Aussparungen zwischen dem Stegblech des Stahlträgers (3) und den vorgefertigten Stahlbetonträgern (10) sowie zwischen den Hüllrohren oder Aussparungen für die Zugstäbe und den Zugstäben nach dem Vorspannen der Zugstäbe durch einen geeigneten Mörtel oder Klebstoff verpresst werden, und – dass somit die Verbundkräfte zwischen dem Stahlträger (3) und den vorgefertigten Stahlbetonträgern (10) durch Reibung in den Kontaktflächen der Stege, durch die Scherfestigkeit der Klebfuge sowie durch die Scherkräfte in den Zugstäben und die Lochleibungskräfte im Stegblech des Stahlträgers (3) übertragen werden.
Verbundträger nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass das Stegblech des Stahlträgers (3) in den Verbundachsen (6) im Bereich der Aussparungen des Stegbetons der vorgefertigten Stahlbetonträger (10) durch Blechlamellen verstärkt wird.
Verfahren zur Herstellung von Verbundträgern nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – dass das Dehnungspotenzial des nur durch Eigenlasten beanspruchten Verbundträgers, das bis zum Erreichen der Grenztragfähigkeit im Verbundquerschnitt in den für die Bemessung maßgebenden Randfasern der Stahlbetonträger und des Stahlträgers zur Verfügung steht, durch die Auswahl der Werkstoffe, durch die Vorspannung der Querschnittsflächen der Stahlbetonträger durch Spannglieder, oder zusätzlich durch eine Vorbeanspruchung des Stahlträgers durch Eigenlasten, oder zusätzlich durch eine Vorbeanspruchung des Stahlträgers durch Eigenlasten und durch Eigenspannungszustände in den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger, die durch Vorspannung des Stahlträgers erzeugt werden und miteinander im Gleichgewicht stehen, oder zusätzlich nur durch Eigenspannungszustände in den Stahlbetonträgern und dem Stahlträger, die durch Vorspannung des Stahlträgers erzeugt werden und miteinander im Gleichgewicht stehen, so gestaltet wird, dass Stahlträger und Stahlbetonträger bei derselben äusseren Belastung oder bei annähernd derselben äusseren Belastung ihre Grenzdehnungen und ihnen zugeordnete Beanspruchungen erreichen.
Verbundträger, der aus einem in der Z-Achse des Verbundträgers angeordneten Stahlträger und diesen Stahlträger umhüllenden Gurten aus Stahlbeton besteht, dadurch gekennzeichnet, – dass die Gurte aus Stahlbeton (14) durch ihre Querbewehrung, die durch Aussparungen im Stegblech des Stahlträgers (3) geführt werden, schub- und biegefest mit dem Stahlträger (3) verbunden werden, und – dass in Verbundachsen (6), die mit der Längsachse des Verbundträgers einen Winkel α bilden, der größer als 90° ist, symmetrisch um das Stegblech des Stahlträgers (3) Verbundquerschnitte angeordnet werden, die kraftschlüssig mit den Gurten aus Stahlbeton (14) und dem Stegblech und den Gurten des Stahlträgers (3) verbunden werden, und – die Bügel (7) der Verbundquerschnitte in den Verbundachsen (6), die durch kreisrunde Aussparungen im Stegblech des Stahlträgers (3) geführt werden, die Verbundmittel zwischen den Verbundquerschnitte in den Verbundachsen (6), und Stegblech des Stahlträgers (3) sind.
Verbundträger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Stahlbetonquerschnittsflächen der Verbundquerschnitte in den Verbundachsen aus Stahlbetonfertigteilen (9) bestehen, deren Längsbewehrung (8) zentrisch im Querschnitt der Stahlbetonfertigteilen (9) angeordnet ist, so dass sie bei der Herstellung mit direktem Verbund vorgespannt werden können.
Verbundträger nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, – dass die dem Steg des Stahlträgers (3) zugewandten Oberflächen der Stahlbetonfertigteile (9) Aussparungen erhalten, und – dass die Aussparungen zwischen dem Stegblech des Stahlträgers (3) und den Stahlbetonfertigteilen (9) sowie zwischen den Hüllrohren oder kreisrunden Aussparungen für die Zugstäbe und den Zugstäben nach dem Vorspannen der Zugstäbe durch einen geeigneten Mörtel oder Klebstoff verpresst werden, und – dass somit die Verbundkräfte zwischen dem Stahlträger (3) und den Stahlbetonfertigteilen (9) durch Reibung in den Kontaktflächen der Stege, durch die Scherfestigkeit der Klebfuge sowie durch die Scherkräfte in den Zuggliedern und die Lochleibungskräfte im Stegblech des Stahlträgers übertragen werden.
Verbundträger nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, – dass das Stegblech des Stahlträgers (3) in den Verschubachsen (6) im Bereich der Aussparungen der Stahlbetonfertigteile (9) durch Blechlamellen verstärkt wird.
Verbundträgerkonstruktion, die aus mehreren in der Z-Achse der Verbundträgerkonstruktion in regelmäßigen Abständen angeordneten Stahlträgern und diese Stahlträger umhüllenden Gurten aus Stahlbeton bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass – dass in Achsen, die mit der Längsachse der Stahlträger (3) einen Winkel α bilden, der größer als 90° ist, symmetrisch um das Stegblech in der Z-Achse der Stahlträger (3) Verbundquerschnitte (13) angeordnet werden, deren Querschnittsflächen aus dem Stegblech des Stahlträgers (3), zwei U-förmigen stählernen Querschnitten, deren Schenkel mit den Stegblechen der Stahlträger (3) schubfest verbunden werden, und dem mit Beton oder faserverstärktem Beton gefüllten Hohlräumen zwischen den U-förmigen stählernen Querschnitten und dem Stegblech des Stahlträgers (3) bestehen, und – dass die Verbundquerschnitte (13) ausserdem kraftschlüssig mit den Gurten aus Stahlbeton (14) verbunden werden.
Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, – dass die Querschnitte der Stahlträger (3) im Höhenbereich der sie umhüllenden Gurte aus Stahlbeton (14) symmetrisch zur Z-Achse des Stahlträgers (3) und parallel zum Stegblech in der Z-Achse des Stahlträgers (3) aus zwei zusätzlichen Blechstreifen (15) bestehen, die in einem lichten Abstand von einander angeordnet werden, der mit der Breite f der Verbundquerschnitte in Y-Richtung übereinstimmt, und – dass die beiden zusätzlichen Blechstreifen (15) mit den Verbundquerschnitten (13) in den Verbundachsen (6) schubfest verbunden sind, und – dass Verbundmittel zur schubfesten Verbindung der Gurte aus Stahlbeton (14) Kopfbolzendübel (1) oder andere Verbundmittel auf dem Stegblech in der Z-Achse des Stahlträgers (3) und auf den zusätzlichen Blechstreifen (15) sowie Bewehrungsstäbe (16) in den Gurten aus Stahlbeton (14) sind, deren Stabachsen annähernd den Hauptzugspannungstrajektorien der Scherbeanspruchung zwischen den Gurten aus Stahlbeton (14) und den Stahlträgern (3) folgen, und – dass die Bewehrungsstäbe (16) durch Aussparungen in den zusätzlichen Blechstreifen (15) geführt und in den Gurten aus Stahlbeton (14) zwischen den zusätzlichen Blechstreifen (15) und dem Stegblech in der Z-Achse des Stahlträgers (3) verankert werden.
Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, – dass verbunden mit den zusätzlichen Blechstreifen ( 15 ) und orthogonal zu ihnen Gurtbleche (17) angeordnet sind, die im Bereich ihrer Längsränder kreisrunde Aussparungen (20) haben zur Verankerung von Schubbewehrung, und – dass in die kreisrunden Aussparungen (20) die Winkelhaken von Bewehrungsstäben gesteckt werden, deren Stabachsen annähernd den Hauptspannungstrajektorien der Scherbeanspruchung zwischen den Gurten aus Stahlbeton (14) und den Stahlträgern (3) folgen.
Verbundträgerkonstruktion nach Anspruch 14 oder 15 oder 16, die aus mehreren Segmenten in Kontaktbauweise vorgefertigt wird, die erst auf der Baustelle eingebaut und zu einem Tragwerk zusammen gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, – dass in der Z-Achse der Stahlträger (3) zwei sich berührende Stegbleche (21) angeordnet werden, deren Kontaktflächen die Kontaktfugen der vorgefertigten Segmente sind, und – dass die Verbundquerschnitte (13) in den Verbundachsen (6), die umrandet sind von den U-förmigen stählernen Profilen und den Stegblechen (21), erst nach der Montage der Segmente mit Beton oder mit faserbewehrtem Beton gefüllt werden, und – dass im Bereich der Verbundachsen (6) zwischen den Stegen der U-förmigen stählernen Profile auf beiden sich berührenden Stegblechen (21) der Stahlträger (3) Kopfbolzendübel (1) oder andere Verbundmittel angeordnet werden, die jeweils durch Aussparungen in dem gegenüberliegenden Stegblech (21) in die nach der Montage der Segmente mit Beton oder mit faserbewehrtem Beton gefüllten Querschnittsteilflächen geführt und dort verankert werden, und – dass für eine höhen- und lagegerechte Zentrierung der Kontaktflächen der vorgefertigten Segmente in die beiden sich im Tragwerk berührenden Stegbleche (21) benachbarter Segmente Bauteile (22) mit ineinander passenden kegelförmigen Ausbuchtungen oder Bauteile mit Ausbuchtungen, deren Form quer zur Längsachse der Verbundträgerkonstruktion trapezförmig ist, eingebaut werden.
Verfahren zur Herstellung von Verbundträgern nach den Ansprüchen 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, – dass das Dehnungspotenzial des nur durch Eigenlasten beanspruchten Verbundträgers, das bis zum Erreichen der Grenztragfähigkeit im Verbundquerschnitt in den für die Bemessung maßgebenden gedrückten Randfasern der Stahlbetonquerschnitte und des Stahlprofils zur Verfügung steht, durch die Auswahl der Werkstoffe, durch die Vorspannung von Querschnittsflächen der Stahlbetonträger durch Spannglieder, oder zusätzlich durch eine Vorbeanspruchung des Stahlträgers durch Eigenlasten, so gestaltet wird, dass Stahlträger und Stahlbetonträger bei derselben äusseren Belastung oder bei annähernd derselben äusseren Belastung ihre Grenzdehnungen erreichen.
Verwendung von Verbundträgern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 bis 13 oder 14 bis 17 zur Herstellung von kompletten Tragwerken, dadurch gekennzeichnet – dass mehrere vorgefertigte Segmente eines Tragwerks in ihrer vollen Länge als Verbundfertigteilträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 bis 13 werksmäßig in transportfähigen Gewichten und Breiten so gefertigt und eingebaut werden, dass die Längsfugen der Segmente zusammenpassen und alle Segmente zusammen das komplette Tragwerk ergeben, und – dass für eine höhen- und lagegerechte Zentrierung der Kontaktflächen der vorgefertigten Segmente in die beiden sich im Tragwerk berührenden Kontaktflächen benachbarter Segmente in einander passende Bauteile mit kegelförmigen Ausbuchtungen oder mit Ausbuchtungen, deren Form quer zur Längsachse der Verbundträgerkonstruktion trapezförmig ist, eingebaut werden.
Verwendung von Verbundträgern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 bis 17 zur Herstellung von kompletten Tragwerken, dadurch gekennzeichnet – dass die vorgefertigten Segmente nach ihrer Montage durch örtlich hergestellten und mit den Obergurten der vorgefertigten Segmente schubfest verbundenen Stahlbeton zu einem monolithischen Tragwerk verbunden werden.
Verwendung von Verbundträgern nach den Ansprüchen 4 bis 8 zur Herstellung von kompletten Tragwerken mit großen Spannweiten, die ergänzt werden durch vorgefertigte Fahrbahnplatten aus Stahlbeton, dadurch gekennzeichnet – dass die erfinderische Zielsetzung einer vollen Entfaltung des Festigkeitspotenzials der Stahlträger (3) oder der Biegeträger (24) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 oder 12 der Patentanmeldung 103 51 444. 9 vom 04.11.2003, der Stahlbetonträger (10) und der vorgefertigten Fahrbahnplatten aus Stahlbeton (26) im Grenzzustand der Tragfähigkeit nur durch die Auswahl der Festigkeits- und Dehnungspotenziale der Werkstoffe, die Festlegung der Trägheitsmomente der Stahlträger (3) oder der Biegeträger (24), der Stahlbetonträger (10) und der vorgefertigten Fahrbahnplatten aus Stahlbeton (26) sowie durch gezielte unterschiedliche Vorbeanspruchungen der Bauteile durch Eigenlasten des Tragwerks und die Gestaltungs- und Herstellungsfolge der Verbundes bewirkt wird, und – dass zur schub- und biegefesten Verbindung der Stahlträger (3) oder der Biegeträger (24) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 oder 12 der Patentanmeldung 103 51 444. 9 vom 04.11.2003, der Stahlbetonträger (10) und der vorgefertigten Fahrbahnplatten aus Stahlbeton (26) zusätzlich zu den Verbundmittel in den Verbundachsen (6) Schubmittel in allen Bauteilen des Querschnitts des Tragwerks (3 oder 24, 10 und 26) angeordnet werden, die in Querschnittsteilflächen (27) hinein ragen, die während der Montage der Bauteile (3 oder 24, 10 und 26) dann mit Beton gefüllt werden, wenn durch die Eigenlasten der Bauteile (3 oder 2, 10 und 26) die durch die unterschiedlichen Dehnungspotenziale bestimmten unterschiedlichen Vorbeanspruchungen sich konsistent eingestellt haben, die im Grenzzustand der Tragfähigkeit die erfinderische Zielsetzung einer vollen Entfaltung des Festigkeitspotenzials aller Bauteile (3 oder 24, 10 und 26) sicherstellen.