DE102008011176A1 - Stahl-Beton-Verbundträger und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von balkenförmigen Stahl-Beton-Verbundträgern aus einem Stahlträger und einem bewehrten Betonbalken als Obergurt, dessen Herstellung sich in die folgenden Schritte untergliedern lässt:
- Schritt a) Ausbilden von Stahldübeln mit Abschnitten mit Hinterschneidungen an einem stegförmigen Abschnitt des Stahlträgers durch zumindest einen in seinem Verlauf nahezu beliebig geführten Trennschnitt,
- Schritt b) Montage von Bewehrungsstahl für den Betonbalken unter Einbindung der Stahldübel des Stahlträgers, und schließlich
- Schritt c) Anbetonieren des bewehrten Betonbalkens an den Stahlträger.
- Die Erfindung betrifft außerdem einen Stahlträger für einen derartigen balkenförmigen Stahl-Beton-Verbundträger, der im Einbauzustand mit einem stegförmigen Abschnitt zumindest teilweise in einen bewehrten Betonobergurt des Stahl-Beton-Verbundträgers einbindet und der am stegförmigen Abschnitt im Wesentlichen zweidimensionale haken- oder zapfenförmige Stahldübel mit Hinterschneidungen aufweist. Die Erfindung betrifft schließlich einen balkenförmigen Stahl-Beton-Verbundträger mit einem Verbund zwischen einem bewehrten Betonbalken als Obergurt und einem Stahlträger mit einem Stahlflansch und mit einem stegförmigen Abschnitt, der im Einbauzustand mit dem stegförmigen Abschnitt zumindest teilweise in den Obergurt einbindet und der am stegförmigen Abschnitt im Wesentlichen zweidimensionale hakenförmige Stahldübel mit Hinterschneidungen aufweist. Bei T-förmigen Plattenbalken als Obergurt kann der stegförmige Abschnitt des Stahlträgers entweder in die Flansche des Obergurts oder in dessen Steg eingebunden sein.
- Der Verbundbrückenbau stellt eine wartungsfreundliche Alternative zum Spannbrückenbau dar, weil er eine offene Struktur bietet, in der sowohl die Beton- als auch die Stahlkomponenten leicht zugänglich und daher bequem zu überprüfen sind. Darüber hinaus bietet er eine große Gestaltungsvielfalt. Eine Bauweise und ein Träger der eingangs genannten Art sind beispielsweise im Betonkalender 2002, Teil II, Abschnitt E unter dem Stichwort „Verbundbrücken in der Praxis" (Verlag Ernst & Sohn, Berlin) offenbart.
- Die Brückenträger beruhen auf einem Verbund zwischen einem Betonflansch als Druckgurt und einem Stahlträger im zugbelasteten Feldbereich des Brückenträgers. Den Anschluss der Betonkomponente an das Stahltragelement bildet eine Verbundverdübelung. Sie besteht zum einen aus Stahldübeln, die am Stahlträger ausgebildet werden, und zum anderen aus Betondübeln. Zwischen den Stahldübeln ist genügend stahlfreier Raum vorzusehen, in dem im Fertigzustand des Trägers eine Querbewehrung des Betonflansches verläuft, die eine gute Übertragung der auftretenden Schubkräfte unterstützen kann. Der stahlfreie und betongefüllte Raum bildet dabei die Betondübel. Eine günstige Herstellungsweise zur Ausbildung der Stahldübel ist ein Ausschneiden der Dübel aus dem Stegblech eines obergurtlosen Stahlprofils oder eine separate, auf ein Doppel-T-Profil aufgeschweißte Dübelleiste.
- Die Form des Stahldübels lässt sich durch seine folgenden Bestandteile beschreiben: Der Bereich der Verbindung des Dübels mit dem Stahlträger bildet den Dübelgrund. An ihn schließen die aufragenden Dübelflanken oder Dübelstirnflächen an, die die Kraft übertragenden Druckflächen des Dübels darstellen. Sie gehen über in eine trägerferne, im Wesentlichen parallel zum Träger verlaufende und ihn abschließende Oberseite des Dübels.
- Ein besonders wirtschaftliches Herstellungsverfahren für Brücken stellt die Bauweise mit Verbundfertigteilträgern (VFT-Bauweise) dar. Die einzelnen Stahl-Beton-Verbundträger der zukünftigen Brücke werden dabei als Fertigteile hergestellt. Die Fertigteilbauweise gewährleistet einen qualitativ hochwertigen und frühzeitigen Verbund zwischen dem Betonflansch und dem Stahlträger. Unter Entfallen einer Schalung auf der Baustelle und damit unter geringer Beeinträchtigung des überbrückten Verkehrs werden die Fertigteilträger eingebaut. Dazu kommen die kurzen Montagezeiten der Fertigteilträger auf der Baustelle. Die Montage wird zusätzlich dadurch erleichtert, dass alle Verbindungen und Lagerpunkte vor Ort mit Beton vergossen werden können, also in einem problemlos bei nahezu jeder Witterung durchführbaren Verfahren. Witterungsanfällige Schweiß- und Korrosionsschutzarbeiten auf der Baustelle entfallen demzufolge. Der Fertigteilträger selbst dient anschließend außerdem als Schalungselement für die Ortbetonplatte der zukünftigen Brücke, so dass auch der Schalungsaufwand dafür deutlich reduziert werden kann.
- Zusätzliche Robustheit gewinnt das VFT-Verfahren durch seine Kombination mit der traditionellen Konstruktionsweise „Walzträger-in-Beton” (WIB). Die Stahlkomponenten des Verbundfertigteilträgers können zwei parallel nebeneinander angeordnete, obergurtlose Walzprofile oder entsprechend geschweißte Querschnitte bilden. Der durch ihre Stegbleche und Untergurte eingeschlossene U-förmige Zwischenraum wird mit Beton verfüllt. Er bildet dadurch quasi einen stahlumhüllten Unterzug der zukünftigen Brückentafel. Dadurch wird unter anderem ein hoher Widerstand bei einem Fahrzeuganprall erzielt. Ein Bewehrungsanschluss stellt die Kopplung einer nachträglich ergänzten Ortbetonplatte mit dem Fertigteilträger sicher.
- Dieses Bauverfahren ist am Beispiel der Verbundbrücke Pöcking in „Stahlbau" Heft 6/2004, Seiten 387 ff. (Ernst & Sohn Verlag, Berlin) beschrieben. Die Besonderheit des damaligen Projekts lag insbesondere in der Verwendung eines Doppel-T-Trägers, der durch einen speziellen Trennschnitt in zwei obergurtlose Stahlträger geteilt wurde. Der besondere wellenförmige Verlauf des Trennschnitts mit Hinterschneidungen sorgte einerseits für zwei gleichartige obergurtlose Stahlprofile und andererseits zugleich für die Ausbildung der Stahldübel. Dadurch konnten sowohl ein Materialverlust als auch eine Reduzierung der Stahlträgerhöhe durch Verschnitt weitgehend vermieden werden. Der einzige kontinuierliche Trennschnitt wies große Ausrundungsradien an den Kopfbolzendübeln aus, um eine ungünstige Kerbwirkung unter Betriebslast zu vermeiden. Dadurch ergab sich ein Trennschnitt mit einem quasi puzzleförmigen Verlauf.
- Insgesamt ist die WIB-Bauweise in Kombination mit der VFT-Konstruktion durch einen effizienten Materialeinsatz gekennzeichnet. Sie bietet einen hohen Vorfertigungs- und Vereinheitlichungsgrad, der zu kurzen Fertigungszeiten auf der Baustelle führt. Durch die Vorfertigung im Werk lassen sich hohe Qualitäten sowohl der Einzelkomponenten in Beton und Stahl als auch eine hohe Qualität ihres Verbunds erzielen. Die minimierte Witterungsanfälligkeit der Restarbeiten auf der Baustelle schließlich sorgt für einen nahezu unbehinderten Bauablauf. Ihre hohe Qualität reduziert den späteren Aufwand für die Bauwerkswartung.
- Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, das beschriebene VFT-WIB-Verfahren und die dafür eingesetzte Vorrichtung insbesondere hinsichtlich des Verbundes zwischen Beton und Stahl weiter zu verbessern.
- Dies gelingt bei dem eingangs genannten Herstellungsverfahren dadurch, dass der Trennschnitt am Stahlträger Stahldübel ausbildet, deren dem Dübelgrund am Träger gegenüberliegende Dübeloberseiten zumindest einseitig ausrundungsfrei in die Dübelstirnfläche übergehen. Die bekannten Dübel des oben beschriebenen Trägers bzw. Verfahrens orientierten sich noch an den konventionellen nagelförmigen Kopfbolzendübeln mit einem Dübelkopf und einer Dübelstirnfläche, die im Wesentlichen aus einem stielförmigen Abschnitt besteht, der an seinem Dübelgrund mit dem Träger rechtwinklig verschweißt wurde. Die Erfindung dagegen verfolgt das Prinzip, Rundungen am Dübelkopf bzw. der Dübeloberseite weitgehend zu vermeiden. Der Trennschnitt wird also derart geführt, dass die im Wesentlichen parallel zur Trägerlängsrichtung verlaufende Dübeloberseite nahezu ausrundungsfrei in eine plane oder konkave Dübelstirnfläche übergeht. Die konkave Stirnfläche nimmt über ihre offene Rundung Kontakt zum Beton auf und erzeugt über die Rundung einen mehraxialen Druckzustand. Diese Ausformung des Dübels ist insbesondere zur Übertragung von ruhenden Belastungen geeignet, da der Stahldübel eine maximale Steifigkeit gewinnt und eine große Kontaktfläche zur Schubkraftübertragung mit dem Beton bildet.
- Eine mögliche Ausführungsform für einen derartigen Dübel stellt ein haifischflossenförmiger Dübel dar. Er weist in Trägerlängsrichtung eine konkave Vorderseite und eine konvexe Rückseite auf. Durch diese Gestaltung erhält der Dübel eine Orientierung. Für eine optimale Kraftübertragung ist er daher gemäß dem vorhandenen Schubfluss mit seiner konkaven Vorderseite entgegen der Druckrichtung auszurichten.
- Der Trennschnitt kann mit Gasbrennverfahren, mittels Plasmaschneidens oder durch Schneiden mit einem Hochdruckwasserstrahl erzeugt werden. Das kostengünstige Gasbrennverfahren erzeugt eine große Rauhigkeit der Schnittkante, die gemäß den einschlägigen Vorschriften abgearbeitet wird. Der hohe Energieeintrag dieses Verfahrens wirkt sich allerdings negativ auf die Ermüdungsfestigkeit des bearbeiteten Stahls aus. Beim teureren Plasmaschneiden dagegen entsteht eine sehr glatte Schnittkante und der Schnitt kann sehr präzise geführt werden. Im Bereich der Schnittkante sind eine Aufglasung und damit eine unerwünschte Aufhärtung des Materials festzustellen. Es ist allerdings das schnellste der drei Verfahren. Das Wasserstrahlschneiden schließlich ist das teuerste Verfahren, bei dem in hoher Präzision glatte Schnittkanten erzielt werden können. Mangels Energieeintrag entstehen keine unerwünschten aufgehärteten Bereiche.
- Neben dem Dübelkopf, also dem Bereich der Dübeloberseite, trägt auch die Gestaltung des Dübels im Bereich des Dübelgrunds entscheidend zur Kraftübertragung bei. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens kann der Trennschnitt daher Ausrundungen an den Übergangen zwischen den Dübelstirnflächen und dem Dübelgrund ausbilden. Ein großer Radius am Dübelgrund verringert die Kerbwirkung und ermöglicht auch eine zuverlässige Kraftübertragung unter dynamischer Belastung. Damit können Ermüdungserscheinungen des Trägers bei nicht ruhenden Beanspruchungen vermieden werden.
- Diese Dübelformen können grundsätzlich an einem separaten Dübelblech hergestellt werden, das auf einem Träger aufgeschweißt wird. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Stahldübel jedoch an einem obergurtlosen Stahlträger ausgebildet. Das Entfallen des Obergurts ist konstruktiv hinnehmbar, weil er im eingebauten Zustand ohnehin kaum mehr in Längsrichtung belastet wird. Sein Wegfall bedeutet zum einen eine Materialeinsparung in einem Umfang von ca. 12% und erübrigt zum anderen zwei Halskehlnähte, womit sich auch der Herstellungsaufwand des Stahlträgers wesentlich verringert.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Trennschnitt zur Herstellung der Stahldübel einen Doppel-T-Träger in zwei obergurtlose Stahlträger teilen. Damit kann das Herstellen der Stahldübel an einem Stegblech eines Trägers mit der Herstellung zweier obergurtloser Stahlträger kombiniert werden. Das Zusammenfassen dieser beiden Herstellungsschritte verringert die Herstellungskosten des Verbundträgers erheblich.
- Zur Teilung eines Doppel-T-Trägers in zwei obergurtlose Einzelträger genügt an sich ein einziger kontinuierlicher Trennschnitt. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Stahldübel im Schritt a) des eingangs genannten Verfahrens durch einen einfachen kontinuierlichen und stetigen Trennschnitt als asymmetrische Dübel hergestellt. Die Asymmetrie ergibt sich aus der oben bereits erläuterten gewünschten Dübelform mit einem ausrundungsfreien Übergang der Dübeloberseite in die Dübelstirnfläche. Diese Form orientiert sich außerdem an einer weitgehend verschnittfreien Herstellung der obergurtlosen Stahlträger. Durch einen einzigen kontinuierlichen Trennschnitt lässt sich beispielsweise eine Dübelform nach Art der oben bereits erwähnten Haifischflosse erzeugen. Sie weist – in Längsrichtung des Trägers gesehen – auf einer Seite eine konkave und auf der gegenüberliegenden Seite eine konvexe Dübelstirnfläche auf. Beim Einbau sind seine Orientierung und die Richtung des Schubflusses zu berücksichtigen. Die konvexen Seiten des Stahldübels weisen demzufolge zu den Trägerenden, so dass in der Mitte des jeweiligen Trägers eine Richtungsumkehr der Stahldübel vorgenommen wird.
- Die Ausrichtung der Dübel an der Schubflussrichtung stellt eine gewisse konstruktive Einschränkung des Trägers dar. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können daher nach einem ersten Trennschnitt in Schritt a) mit einem zweiten Trennschnitt symmetrische Dübel mit einer Ausrundung der Dübelstirnfläche gegenüber einem Dübelgrund ausgebildet werden. Eine derartige Ausrundung kann weitgehend beliebige Formen annehmen. In einem einfachen Fall weist sie einen konstanten Radius auf, sie kann sich aber auch aus mehreren konstanten oder sich ändernden Radien zusammensetzen, beispielsweise in der Form einer Klothoide. Durch den Verschnitt bei der Herstellung der symmetrischen Dübelform ist die Dübelfläche am Stahlträger in der Regel kleiner als die dazwischen liegende Betonfläche. Speziell bei dicken Blechen und geringen Betongüten ist dies von Vorteil, weil der weniger tragfähige Betondübel in der Ebene der Stahldübel eine größere Querschnittsfläche erhält.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens können im Schritt b) zwei Stahlträger parallel nebeneinander und mit geringem Abstand zueinander angeordnet werden und in Schritt c) ein Zwischenraum zwischen ihnen mit Beton verfüllt werden. Die Stege der beiden Stahlträger und ihre nebeneinander liegenden Untergurte bilden damit einen quasi köcher- oder U-förmigen Trog, der den Beton im Querschnitt dreiseitig umschließt. Für einen guten Verbund zwischen Beton und Stahl sorgt die doppelte Verbunddübelreihe im Stegbereich der obergurtlosen Träger. Damit erhöht sich die Schubflussübertragung zwischen Beton und Stahl. Die Abmessung des so hergestellten Verbundträgers wird im Wesentlichen durch die Steghöhe des obergurtlosen Stahlträgers bestimmt. Die Steghöhe ihrerseits definiert die maximal mögliche Längserstreckung des Trägers.
- Die in der Erfindung gestellte Aufgabe wird außerdem durch einen Stahlträger für einen balkenförmigen Stahl-Beton-Verbundträger der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die dem Trägerflansch abgewandte und einem Dübelgrund gegenüberliegende Dübeloberseite zumindest einseitig ausrundungsfrei in eine Dübelstirnfläche übergeht. Der Stahldübel weist also an seiner trägerfernen Oberseite keine spaltenden Rundungen mehr auf, so dass die Gefahr einer Rissbildung in diesem Bereich reduziert ist. Der Erfindung ist also die Erkenntnis zu verdanken, dass sich durch die Ausbildung beispielsweise eines spitzwinkeligen Übergangs von der Dübeloberseite in die Dübelstirn die Tragfähigkeit des Stahl-Beton-Verbunds steigern lässt.
- Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Stahlträgers ist der Dübel asymmetrisch mit einer einseitig konkaven Dübelstirnfläche ausgebildet. Die asymmetrische Form des Dübels ermöglicht seine weitgehend verschnittfreie Herstellung aus einem in seinem Steg in etwa mittig getrennten Doppel-T-Träger mit einem einzigen durchgehenden Trennschnitt. Außerdem erhält der Stahldübel eines geteilten Doppel-T-Trägers bei einem Wegfall von Verschnitt eine maximale Querschnittsfläche und damit seine maximale Tragfähigkeit.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Stahlträgers kann der Dübel symmetrisch ausgebildet sein, wobei seine Dübelstirnfläche mit einer Ausrundung in den Dübelgrund übergeht. Die Ausrundung, die von einem konstanten Radius, mehreren Radien oder einer Klothoide gebildet sein kann, vermeidet eine Kerbwirkung des Stahlträgers im Beton am Dübelgrund. Daher ist ein Verbundträger mit einem derartigen Stahlträger auch für dynamische Belastung geeignet. Eine asymmetrische Ausbildung der Dübel bei einer Herstellung der Stahlträger aus einem getrennten Doppel-T-Träger verursacht einen höheren Verschnitt. Er geht zu Lasten der Dübelfläche, die kleiner ausfällt als die in der Ebene des Stahlträgers liegende Betonfläche. Kleinere Dübelflächen gegenüber größeren dazwischen liegenden Betonflächen sind insbesondere bei geringeren Betongüten ausreichend. Denn ein Beton geringerer Güte benötigt zur zuverlässigen Kraftübertragung einen größeren Querschnitt in der Ebene des Stahlträgers als ein höherwertiger. Umgekehrt ist eine dünnere Blechstärke bei gleicher durchschnittlicher Betonqualität in der Regel ausreichend für die Kraftübertragung aus dem oder in den Dübel.
- Eine Ausrundung zwischen Dübelstirn und Dübelgrund kann beispielsweise bei einer geradlinigen, gegenüber dem Träger senkrechten oder leicht geneigten Dübelstirn ausgebildet sein. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Dübelstirn selbst beidseitig eines Dübels konkav ausgerundet. Die Ausrundung kann einen konstanten Radius aufweisen oder klothoidenförmig ausgebildet sein. Gegenüber einer geradlinigen Dübelstirn erhält sie eine größere Kontaktfläche mit dem Beton, so dass die dortige Flächenpressung geringer ausfällt.
- Der symmetrisch konkave Dübel in der so genannten „Tenon”-Form bietet außerdem eine höhere Tragfähigkeit. Denn unter der einseitigen Belastung der mit der Schubkraft beaufschlagten Dübelstirn erhält der Dübel eine Tendenz, der Krafteinwirkung durch Verkippen in Kraftrichtung auszuweichen. Dieser Kippbewegung wirkt auf der nicht durch die Schubkraft belasteten Rückseite des Dübels eine Stützkraft entgegen. Denn dort umgreift die ebenfalls konkave Dübelstirn der Rückseite des Dübels einen konvexen Betondübel. Er hält mit einer Unterstützungskraft dagegen, die gegen den einen oberen Bereich der Dübelstirn quasi von unten gegen den Dübelkopf gerichtet ist. Während also die konkave Dübelstirn der Vorderseite des symmetrischen Dübels die Schubkraft aus dem Betondübel mit einer vorteilhaften geringeren Flächenpressung aufnimmt, unterstützt die konkave Dübelstirn der Rückseite den Dübel bei der Übernahme der Schubkraft durch die Aufnahme einer stützenden Gegenkraft, die einer schlimmstenfalls schädigenden Verformung des Dübels entgegenwirkt.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stahlträger obergurtfrei ausgebildet. Dies reduziert die Herstellungskosten des Trägers erheblich, weil mit dem Entfallen des Obergurtes, der ohnehin im Einbauzustand in Längsrichtung kaum mehr belastet ist, etwa 12% an Material eingespart werden. Damit entfällt auch eine doppelte Halskehlnaht am Obergurt, womit sich die Herstellungskosten weiter verringern.
- Die in der Erfindung gestellte Aufgabe wird außerdem bei einem balkenförmigen Stahl-Beton-Verbundträger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die dem Stahlflansch abgewandte und einem Dübelgrund gegenüberliegende Dübeloberseite zumindest einseitig ausrundungsfrei in eine Dübelstirnfläche übergeht. Er kann insbesondere hinsichtlich der Dübelform im Sinne des oben beschriebenen Stahlträgers weitergebildet sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform kann er aus zwei parallel und mit geringem Abstand zueinander angeordneten obergurtlosen Stahlträgern ausgebildet sein, deren U-förmiger Zwischenraum zwischen den Stegen mit Beton verfüllt ist.
- Das Prinzip der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1a : einen Querschnitt durch einen Verbundfertigteilträger mit paarweise angeordneten Walzträgern, -
1b : einen Querschnitt eines Verbundfertigteilträgers mit einem mittig angeordnetem Walzträger, -
2 : einen Längsschnitt durch einen Verbundträger, -
3a : eine Seitenansicht eines belasteten Verbunddübels, -
3b : eine Draufsicht eines belasteten Verbunddübels, -
4a bis d: vier Dübelformen, -
5 : die Kraftwirkung an einem einzelnen Dübel, -
6 : das Prinzip des Trennschnitts zur Teilung eines Walzträgers, und -
7 : einen Brückenquerschnitt unter Verwendung von VFT-WIB-Trägern. - Die
1a und1b zeigen zwei Konstruktionsbauweisen für Verbundfertigteilträger (VFT), die das Konstruktionsprinzip des Walzträgers-in-Beton (WIB) nutzen. Bei dieser Bauweise lassen sich zwei Prinzipien unterscheiden:1a zeigt einen Stahlbetonträger1 , dessen Betonbestandteil einen breiten plattenförmigen Obergurt3 mit zwei Flanschen5 beidseits eines Unterzugs7 bildet. Die Stahlkomponente bilden zwei obergurtlose Walzträger9 als Stahlträger mit jeweils einem senkrechten Steg11 und zwei waagrechten Flanschen13 , die mit einem kleinen Zwischenraum Flansch an Flansch parallel nebeneinander angeordnet sind. Die Stege11 und die Flansche13 der Walzträger9 bilden also einen nach oben offenen U-förmigen Querschnitt. Er ist Beton befüllt, der mit Bügeln17 bewehrt ist, und bildet den Unterzug7 . Die Walzträger9 weisen an dem freien Ende ihrer Stege11 Stahldübel15 auf (siehe auch2 ), mit denen sie in den Flansch5 des Obergurts3 einbinden. - Walzwerke produzieren Doppel-T-Querschnitte für Walzträger, die bis zu 1,10 m hoch sind. In zwei obergurtlose Walzträger
9 geteilt, ergibt sich für jeden Walzträger9 eine Höhe von etwa 0,55 m. Der daraus gebildete Stahlbetonträger1 erreicht damit eine maximale Konstruktionshöhe von ca. 0,60 m. Denn der Walzträger9 umhüllt den Unterzug7 vollständig und muss mit den Stahldübeln15 in den mit einer Querbewehrung armierten Flansch5 des Obergurts3 einbinden, womit er die Höhe des Untergurts7 und damit weitgehend die Gesamthöhe des Trägers1 bestimmt. Eine größere Konstruktionshöhe des Trägers1 durch einen dickeren Flansch5 zu erhalten, ist nicht wirtschaftlich. Mit der Trägerhöhe ist die maximale Spannweite des doppelstegigen Stahlbetonträgers1 auf maximal etwa 15 m beschränkt. Diese Konstruktion erlaubt auch keine veränderliche Trägerhöhe bei konstantem Querschnitt des Walzträgers9 . Dafür ist der Stahlbetonträger1 besonders widerstandsfähig, beispielsweise bei einem Fahrzeuganprall, weil sein Unterzug7 komplett vom Stahl der Walzträger9 ummantelt ist. - Die Höhe des Stahlbetonträgers
20 gemäß1b dagegen ist konstruktiv weitgehend unbeschränkt. Er eignet sich daher auch für größere Spannweiten über 15 Meter. Anders als beim doppelstegigen VFT-WIB-Träger1 gemäß1a umfasst er als Stahlträger einen T-förmigen Walzträger22 aus einem Untergurt24 und einem dazu rechtwinklig angeordneten Steg26 . Er weist am freien Ende seines Stegs26 ebenfalls Stahldübel32 auf. Der Walzträger22 bindet mit seinem Steg26 in einen Steg28 eines ebenfalls T-förmigen Obergurts30 aus Beton mit Flanschen31 ein. Den Verbund im Beton des Stegs28 stellen die Stahldübel32 sicher. Da die Dimensionierung des Stegs28 unabhängig von den Dimensionen des Walzträgers22 , insbesondere der Höhe seines Stegs26 ist, kann die Konstruktionshöhe des Stahlbetonträgers20 weitgehend unabhängig vom verwendeten Walzträger22 dimensioniert werden. Dieses Konstruktionsprinzip bietet also eine größere Dimensionierungsfreiheit. Auch der Steg28 verfügt über Bewehrungsbügel34 , die für eine zuverlässige Schubkraftübertragung über die Dübel32 auf den Walzträger22 sorgen. - Sowohl der Stahlbetonträger
1 gemäß1a als auch derjenige gemäß1b wird vorteilhaft als Fertigteil hergestellt. Die Walzträger9 ,22 werden durch industrielle Schneidverfahren getrennt. Das Schweißen von Blechen kann, abgesehen von Stirnplatten an den Trägerenden, vollständig entfallen. Der Korrosionsschutz kann im Walzwerk unter günstigen großtechnischen und witterungsgeschützten Verhältnissen aufgebracht werden, so dass er eine hohe Qualität bietet. Durch die Verarbeitung des Betons im Fertigteilwerk kann sowohl dessen hohe Qualität als auch eine optimale Verbindung zwischen Stahl und Beton sichergestellt werden. Ein weiterer Vorteil dieses Bauverfahrens liegt in dem hohen Grad der Vorfertigung und der Standardisierung der Bauteilkomponenten aus Beton und Stahl. Der Obergurt3 ,30 der Träger1 ,20 dient nach Verbringen der Träger1 ,20 in ihrer Einbaulage zugleich als Schalung für eine Ortbetonplatte der zukünftigen Brücke. Die Obergurte3 ,30 verfügen dazu über eine entsprechend dimensionierte Anschlussbewehrung19 ,36 . -
2 zeigt eine Schnittdarstellung durch den Stahlbetonträger20 nach1b in dessen Symmetrieachse. Sie verdeutlicht also die Flächenverhältnisse von Stahl und Beton im Bereich ihres Verbunds. Der Steg26 des Walzträgers22 ist an seiner Oberseite ausgeschnitten, so dass dort die Stahldübel32 ausgebildet sind. In den ausgeschnittenen Flächen zwischen den Stahldübeln32 entstehen durch das unmittelbare Anbetonieren des Obergurts30 Betondübel38 , die unmittelbaren und allseitigen Kontakt zu den Stahldübeln32 bekommen. Die Betondübel38 sind außerdem durchzogen von einer Bügelbewehrung34 . Sie lässt sich besonders einfach montieren, weil die Stahldübel32 zwischen sich einen nach oben offenen Raum für die späteren Betondübel38 lassen. - Die Flächen des Stahldübels
32 lassen sich wie folgt bezeichnen: Die Verbindung zwischen dem Stahldübel32 und dem übrigen Steg26 des Walzträgers22 stellt der Dübelgrund40 dar. An ihn schließt sich eine Dübelflanke bzw. Dübelstirn42 als aufragender Teil des Dübels32 an. Den oberen Abschluss des Dübels32 bildet seine Oberseite44 , die der Einfachheit halber in der Regel parallel zur Längserstreckung des Trägers32 verläuft. Die Kraftübertragung sowohl vom Beton auf den Stahl als auch umgekehrt findet also im Wesentlichen auf der Dübelstirnfläche42 als Kontaktfläche zwischen Beton und Stahl statt. Durch den zahnartigen Ausschnitt des Walzträgers22 an dem freien Ende seines Stegs26 ergibt sich also eine gute Verzahnung zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien Beton und Stahl. - Die
3a und3b veranschaulicht die Kraftübertragung zwischen Stahl und Beton in einer Seitenansicht (3a ) und einer Draufsicht (3b ) an der Kontaktfläche42 eines stilisierten Walzträgers22 mit nur einem Dübel32 . Eine auf den Steg26 wirkende Kraft P breitet sich an der Dübelstirn bzw. Kontaktfläche42 fächerförmig im nicht dargestellten und den Steg umgebenden Beton aus. Aufgrund der heute noch geringeren Festigkeit des Betons im Vergleich zum Stahl ist die maximal zulässige Pressung des Betons für die maximale Kraftübertragung an den Stahldübeln32 bzw. den Betondübeln38 ausschlaggebend. Unter Belastung entsteht an der Dübelstirnfläche42 eine Pressung, die den Betondübel38 auf Abscheren beansprucht. Ist der Abscherwiderstand des Betondübels38 hoch, kommt es an der Dübelstirn42 zu einem Zusammenbruch des Stützgerüstes im Betondübel38 und damit zu einer Materialverdichtung. Dabei können Spannungen im Beton erzeugt werden, die in der Größenordnung der maximal zulässigen Spannung des Stahls liegen. Das Material des Betondübels38 verspreizt sich und baut einen Querdruck auf, der durch Schubverzahnung in den den Betondübel38 umgebenden Beton übertragen wird. Bei weiter steigender Belastung ruft der Querdruck eine ebenfalls steigende Zugbelastung im Beton hervor, die bei Überschreiten der Zugfestigkeit des Betons zu Rissen und damit zum Abscheren der Verzahnung führen kann. - Die
4a bis4d zeigen verschiedene Möglichkeiten für die Ausbildung von Stahldübeln.4a zeigt einen Stahldübel60 in der Form einer sog. „Haifischflosse”. Der Dübel60 ist asymmetrisch und weist eine Vorderseite62 und eine Rückseite64 auf. Sie unterscheiden sich durch die unterschiedlich geformten Dübelstirnflächen66 ,68 . Auf seiner Vorderseite62 hat der Stahldübel60 eine anspruchsgemäße Hinterschneidung in der Form einer konkav eingebuchteten Dübelstirn66 , wohingegen auf seiner Rückseite64 die Stirnfläche68 konvex ausgebildet ist. Die Dübelstirn66 geht auf der Vorderseite62 mit einer Spitze70 in die waagrecht verlaufende Dübeloberseite72 über, an die sich auf seiner Rückseite64 die konvexe Dübelstirn68 unmittelbar mit ihrer konvexen Ausrundung anschließt. - Umgekehrte Geometrien liegen am Dübelgrund
74 vor. Dort geht die konvexe Dübelstirn68 mit einer scharf einspringenden Hinterschneidung76 in den Dübelgrund74 über. Die Dübelstirn66 dagegen nimmt einen stetigen Übergang in den Dübelgrund74 auf der Vorderseite62 . - Die asymmetrische Ausgestaltung des Dübels
60 hat den Vorteil, dass die Ausbildung der Spitze70 an der Dübeloberseite72 die ungünstigen spaltenden Rundungen zum Beispiel der Kopfbolzendübel vermeidet, so dass ein frühes Aufspalten des Betons vermieden und damit das Tragvermögen der Dübelverbindung nicht vermindert wird. - Umgekehrt verhält es sich mit der einspringenden Hinterschneidung
76 auf der Dübelrückseite64 . Bei hohen Zugkräften im Grundmaterial, die durch nicht ruhende Lasten hervorgerufen werden, bildet die Hinterschneidung76 eine Kerbe, von der aus ein Risswachstum entstehen kann. Für ruhende Lasten erscheint die Form jedoch sehr ausgereift, da der Stahldübel60 eine maximale Steifigkeit und der mit ihm korrespondierende Betondübel eine große Fläche besitzt. Die asymmetrische Ausgestaltung des Dübels60 mit einer Vorderseite62 und einer Rückseite64 erfordert dessen Ausrichtung entsprechend dem Schubfluss im Träger, so dass die Dübelstirn66 als druckbelastete Kontaktfläche zum Beton dient, wohingegen die Dübelstirnfläche68 weitgehend unbelastet bleibt. - Um die scharf einspringende Hinterschneidung
76 zu vermeiden, kann die Form der „Haifischflosse” gemäß4b modifiziert werden. Darin ist der Dübel60 gemäß4a schraffiert gekennzeichnet. Auch die dortige Dübelrückseite64 des Dübels60' zeigt eine konvexe Dübelstirnfläche68' . Sie geht jedoch nicht in einer Hinterschneidung76 in den Dübelgrund74 über, sondern durch eine Kehle78' . Der Radius der Kehle78 am Dübelgrund74 verringert die Kerbwirkung und ermöglicht auch eine nicht ruhende Beanspruchung der Verbindung. Insgesamt ist die Stahlfläche des Dübels60' (4b ) kleiner als die des Dübels60 . Die korrespondierende Querschnittsfläche für den Betondübel vergrößert sich damit gegenüber dem Stahldübel60 . - Auch die Dübelform gemäß
4b ist asymmetrisch und muss daher entsprechend dem Schubfluss im Träger ausgerichtet werden. Die Dübelform gemäß4c dagegen ist symmetrisch und kann daher in beiden Richtungen gleiche Traglasten aufnehmen. Ihre Dübelstirn66'' verläuft gegenüber den vorherigen Beispielen weitgehend geradlinig und ist leicht geneigt gegenüber dem Dübelgrund74 . Sie schließt an ihn mit einer Kehle78'' an. Der Radius der Kehle78'' ist deutlich größer als im vorher beschriebenen Beispiel, so dass die Kerbwirkung am Dübelgrund74 weiter verringert wird. In der geneigten Form bildet auch die Dübelstirn66'' zusammen mit der Kehle78'' eine Hinterschneidung im Sinne der Ansprüche. - Eine Verringerung der Kerbwirkung kann außerdem dadurch erreicht und verbessert werden, indem der Radius der Kehle
78'' durch eine Klothoide ersetzt wird. Ihre Krümmung steigert sich ausgehend vom Dübelgrund74 zur Spitze70''' , wird also in dieser Richtung ihres Verlaufs enger. Diese Ausbildung zeigt4d am Dübel60''' . Er ist dadurch an seinen beiden Dübelstirnflächen66'' stark konkav eingeschnitten, die Kehle78''' und die Dübelstirn66''' gehen also nahtlos ineinander über. Diese Ausgestaltung verleiht dem Dübel60''' im Vergleich zu dem Dübel60'' (4c ) bei gleicher Höhe eine größere Kontaktfläche66''' . Damit lassen sich die dortigen Flächenpressungen reduzieren. - Die
5a und5b verdeutlichen schematisch einen weiteren Vorteil des symmetrischen Dübels60''' gemäß4d : Er wird auf seiner Vorderseite62''' durch eine Kraft P aus einem nicht dargestellten ersten Betondübel belastet, der in die konkave Dübelstirn66''' eingreift. In gleicher Weise greift ein zweiter konvexer Betondübel in die ebenfalls konkave Dübelstirn68''' auf der Rückseite64''' des Dübels60''' ein. Wird er an seiner Vorderseite62''' von einer Kraft P aus dem ersten Betondübel belastet, neigt der Stahldübel60''' dazu, dieser Belastung durch elastisches Verkippen in Kraftrichtung auszuweichen. Die Verkippung ist in5b zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. Da der Dübel60''' auf seiner Rückseite64''' von dem zweiten Betondübel gestützt wird, ruft diese Ausweichbewegung eine Stützkraft U hervor. Dadurch wird die Gefahr einer Verformung des Dübels60''' unter der Kraft P deutlich reduziert, die Tragkraft des Dübels60''' also erhöht. -
6 zeigt das Grundprinzip der Herstellung zweier obergurtloser Walzträger22 aus einem gewalzten Ursprungsträger mit Doppel-T- oder I-Profil durch einen kontinuierlichen Trennschnitt. Sie zeigt zwei Walzträger22 mit haifischflossenförmigen Dübeln60 in einer Seitenansicht. Ihre Stege26 liegen zueinander gekehrt und greifen mit ihren Dübeln60 nicht mehr puzzleartig ineinander, sondern sind auseinander gezogen dargestellt. Durch das Ausbilden eines Stahldübels32 an einem der beiden Träger22 ergibt sich im Steg26 Raum für einen Betondübel am anderen Träger22 und umgekehrt. Die Form des Dübels60 gemäß4a hat den entscheidenden Vorteil, dass bei der Herstellung eines Trägers22 aus dem gewalzten Doppel-T- oder I-Profil nur ein einziger Trennschnitt erforderlich ist. Er kann kontinuierlich, also ohne Absetzen und Unterbrechung, durch den Steg des Ursprungsträgers geführt werden. Damit können einerseits aus einem Ursprungsträger zwei obergurtlose Träger22 gewonnen und zugleich andererseits an deren jetzt freien Enden ihrer Stege26 zugleich die Stahldübel60 ausgebildet werden. Durch die puzzleförmige Ausbildung der Dübel60 entsteht kein Verschnitt. - Die asymmetrischen Dübel
60 erhalten durch ihre unterschiedlich gestalteten Vorderseiten62 und Rückseiten64 eine Orientierung, die ihre Anpassung an den Schubkraftverlauf unter Belastung der Stahl-Beton-Verbundträger erforderlich macht. Da es in der Trägermitte80 zu einer Richtungsumkehr des Schubkraftverlaufs kommt, wird die Orientierung der Dübel60 entsprechend umgekehrt. - Die Herstellung der jeweiligen Formen der asymmetrischen Dübel
60' und der symmetrischen Dübel60'' ,60''' erfordert mehrere Trennschnitte. Alternativ können Bereiche zweimal durchfahren werden. - Dadurch entsteht einerseits ein gewisser Anteil an Verschnitt, andererseits eine ggf. erwünschte ungleiche Flächenverteilung zwischen den kleineren Flächen der Stahldübel
60 und den größeren Flächen der Betondübel38 . - Die unterschiedliche Flächenverteilung der Stahldübel einerseits und der Betondübel andererseits ist unter Normalbedingungen nicht nur hinnehmbar, sondern oft sogar wünschenswert, weil zu einer rissfreien Kraftübertragung bei den heute noch üblichen Betonqualitäten eine größere Betonfläche erforderlich ist. Der schlankere Stahldübel
60'' ,60''' reicht dagegen in der Regel aus, um die zu übertragenden Kräfte schadlos in den Beton einzuleiten. -
7 zeigt einen Straßenbrückenquerschnitt unter Verwendung dreier doppelstegiger Stahlbetonträger1 , die in Brückenlängsrichtung parallel nebeneinander verlegt wurden, so dass sie mit ihren Obergurten3 unmittelbar aneinander anstoßen. Die Träger1 werden mit einem Kran in ihre Einbau- bzw. Endlage eingehoben, wofür der überbrückte Verkehrsweg nur vorübergehend gesperrt werden muss. Die Obergurte3 der drei Träger1 bilden jetzt eine durchgehende Fläche, die ohne großen zusätzlichen Aufwand als Schalung für eine Ortbetonplatte50 dienen kann. Nach Aushärten der Ortbetonplatte50 werden Brückenkappen52 hergestellt, an denen ein Geländer54 angebracht wird. Im verbleibenden Fahrbahnbereich zwischen den Brückenkappen52 wird anschließend ein Fahrbahnbelag56 eingebracht. -
- 1
- Stahl-Beton-Träger
- 3
- Obergurt
- 5
- Flansch
- 7
- Unterzug
- 9
- Walzträger, Stahlträger
- 11
- Steg
- 13
- Flansch
- 15
- Stahldübel
- 17
- Bewehrungsbügel
- 19
- Anschlussbewehrung
- 20
- Stahl-Beton-Träger
- 22
- Walzträger
- 24
- Flansch
- 26
- Steg
- 28
- Steg
- 30
- Obergurt
- 31
- Betonflansch
- 32
- Stahldübel
- 34
- Bewehrungsbügel
- 36
- Anschlussbewehrung
- 38
- Betondübel
- 40
- Dübelgrund
- 42
- Dübelstirnfläche, Kontaktfläche
- 44
- Dübeloberseite
- 50
- Ortbetonplatte
- 52
- Brückenkappe
- 54
- Geländer
- 56
- Fahrbahnbelag
- 60
- Stahldübel
- 62
- Dübelvorderseite
- 64
- Dübelrückseite
- 66
- Dübelstirnfläche
- 68
- Dübelstirnfläche
- 70
- Spitze
- 72
- Dübeloberseite
- 74
- Dübelgrund
- 76
- Hinterschneidung
- 78
- Kehle, Ausrundung
- 80
- Trägermitte
- P
- Druckkraft
- U
- Stützkraft
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Betonkalender 2002, Teil II, Abschnitt E unter dem Stichwort „Verbundbrücken in der Praxis” (Verlag Ernst & Sohn, Berlin) [0006]
- - „Stahlbau” Heft 6/2004, Seiten 387 ff. (Ernst & Sohn Verlag, Berlin) [0011]
Claims (14)
- Verfahren zur Herstellung von balkenförmigen Stahl-Beton-Verbundträgern (
1 ) aus einem Stahlträger (9 ;22 ) und einem bewehrten Betonbalken (3 ;30 ), mit den folgenden Schritten: a) Ausbilden von Stahldübeln (15 ;32 ;60 ) an einem stegförmigen Abschnitt (11 ;26 ) des Stahlträgers (9 ;22 ) durch einen Trennschnitt mit Abschnitten mit Hinterschneidungen, b) Montage von Bewehrungsstahl für den Betonbalken (3 ;30 ) unter Einbindung des Stahlträgers, c) Anbetonieren des bewehrten Betonbalkens (3 ;30 ) an den Stahlträger, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschnitt am Stahlträger (9 ;22 ) Stahldübel (15 ;32 ;60 ) ausbildet, deren dem Träger (9 ;22 ) abgewandte und einem Dübelgrund (40 ;74 ) am Träger (9 ;22 ) gegenüberliegende Dübeloberseiten (44 ;72 ) zumindest einseitig ausrundungsfrei in eine Dübelstirnfläche (42 ;66 ) übergehen. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ausrundungen (
78 ) an den Übergängen zwischen den Dübelstirnflächen (66 ) und dem Dübelgrund (74 ) ausgebildet werden. - Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahldübel (
15 ;32 ) an einem obergurtlosen Stahlträger (9 ;22 ) ausgebildet werden. - Verfahren Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Trennschnitt ein Doppel-T-Träger in zwei obergurtlose Stahlträger (
9 ;22 ) geteilt wird. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) durch einen einfachen kontinuierlichen stetigen Trennschnitt asymmetrische Dübel (
60 ;60' ) hergestellt werden. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem ersten Trennschnitt im Schritt a) mit einem zweiten Trennschnitt symmetrische Dübel (
32 ;60'' ;60''' ) mit einer Ausrundung (78 ) der Dübelstirnfläche (66 ) gegenüber einem Dübelgrund (74 ) ausgebildet werden. - Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) zwei Stahlträger (
9 ) parallel nebeneinander und mit geringem Abstand zueinander angeordnet werden und ein Zwischenraum zwischen ihnen mit Beton verfüllt wird. - Stahlträger (
9 ;22 ) für einen balkenförmigen Stahl-Beton-Verbundträger (1 ;20 ), der im Einbauzustand mit einem stegförmigen Abschnitt (11 ;26 ) zumindest teilweise in einen bewehrten Betonbalken (3 ;30 ) als Obergurt des Stahl-Beton-Verbundträgers (1 ;20 ) einbindet und der am Steg (11 ;26 ) im Wesentlichen zweidimensionale kopfförmige Stahldübel (15 ;32 ) mit Hinterschneidungen ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Träger (9 ;22 ) abgewandte und einem Dübelgrund (40 ;74 ) gegenüberliegende Dübeloberseite (44 ;72 ) zumindest einseitig ausrundungsfrei in eine Dübelstirnfläche (42 ;66 ) übergeht. - Stahlträger nach obigem Anspruch, gekennzeichnet durch asymmetrische Dübel (
60 ;60' ) mit einer einseitig konkaven Dübelstirnfläche (66 ;66' ). - Stahlträger nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch symmetrische Dübel (
32 ;60'' ;60''' ), deren Dübelstirnfläche (42 ;66'' ,66''' ) mit einer Ausrundung in einen Dübelgrund (40 ;74 ) übergeht. - Stahlträger nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine konkave Ausrundung der Dübelstirnflächen (
42 ;66'' ,66''' ). - Stahlträger nach einem der obigen Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er obergurtfrei ausgebildet ist.
- Balkenförmiger Stahl-Beton-Verbundträger (
1 ;20 ) mit einem Verbund zwischen einem bewehrten Betonbalken als Obergurt (3 ;30 ) und einem Stahlträger (9 ;22 ) mit einem Stahlflansch (13 ;24 ) und einem stegförmigen Abschnitt (11 ;26 ), der im Einbauzustand mit dem stegförmigen Abschnitt (11 ;26 ) zumindest teilweise in den Betonbalken (3 ;30 ) einbindet und der am stegförmigen Abschnitt (11 ;26 ) im Wesentlichen zweidimensionale kopfförmige Stahldübel (15 ;32 ;60 ) mit Hinterschneidungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Stahlflansch (13 ;24 ) abgewandte und einem Dübelgrund (40 ;74 ) gegenüberliegende Dübeloberseite (44 ;72 ) zumindest einseitig ausrundungsfrei in eine Dübelstirnfläche (42 ;66 ) übergeht. - Stahl-Beton-Verbundträger (
1 ;20 ) nach obigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei parallel zueinander angeordnete obergurtlose Stahlträger (9 ;22 ) umfasst, deren Zwischenraum mit Beton verfüllt ist.
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