EP0433224B1

EP0433224B1 - Zusammengesetztes Tragelement

Info

Publication number: EP0433224B1
Application number: EP90810917A
Authority: EP
Inventors: Julius Prof. Natterer
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1990-11-27
Publication date: 1993-04-28
Anticipated expiration: 2010-11-27
Also published as: FI92949B; CA2031447A1; FI905881A0; CA2031447C; US5125200A; FI92949C; EP0433224A1; FI905881A; DE59001310D1; ATE88780T1; CH678959A5

Description

Die Erfindung betrifft ein zusammengesetztes Tragelement gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Als Tragelement im Bauwesen, beispielsweise für Dekkenkonstruktionen, Brücken oder für andere tragende Strukturen werden oftmals Stahlbeton-Elemente eingesetzt. Dabei wird eine erhebliche Menge Beton eingesetzt, welcher keine tragende Funktion, sondern lediglich die Funktion des Korrosionsschutzes für die innenliegenden Stahlelemente wahrnimmt. Demgegenüber können beim Einsatz von zusammengesetzten Tragelementen bei gleicher Steifigkeit oftmals leichtere Konstruktionen verwirklicht und weitere Vorteile erzielt werden. Ein zusammengesetztes Tragelement besteht aus wenigstens zwei Einzelelementen. Die ein solches zusammengesetztes Tragelement bildenden Einzelelemente können beispielsweise eine Betonplatte und mit dieser Betonplatte zusammenwirkende Holzträger bzw. Holzbalken sein. Ein solches auf Biegung beanspruchtes zusammengesetztes Tragelement wird in der Regel so eingesetzt, dass der Betonträger die Druckkräfte und der Holzträger die Zugkräfte aufnimmt. Diese für eine solche Verbundbauweise typische Funktionenteilung hat zur Folge, dass zwischen den Einzelelementen des zusammengesetzten Tragelementes Schubkräfte auftreten.
Diese Schubkräfte müssen mit Hilfe von geeigneten Verbindungsmitteln übertragen werden. Dies kann beispielsweise über Dübel geschehen, welche einerseits im Betonträger einbetoniert sind und andererseits durch den Holzträger hindurchgehen, um beispielsweise auf der Seite des Holzträgers über ein Gewinde verspannt zu werden. Für eine kraftschlüssige Uebertragung der quer zur Fuge wirkenden Schubkräfte wird eine grosse Anzahl Dübel benötigt. Bei einer nicht vollständig kraftschlüssigen Uebertragung der Schubkräfte werden die Dübel jedoch in Querrichtung belastet, was eine Lockerung und damit einen Steifigkeitsverlust zur Folge haben kann.
Aus Der DE-OS 34 19 315 ist ein Verbundmittel für Stahl-Verbundkonstruktionen bekannt, das einen schlupffreien Verbund zwischen Gurtblechen und Betonplatten für dynamisch beanspruchte Tragwerke beschreibt. Diese Verbundmittel bestehen aus einer Profilierung der Blechoberfläche in Verbindung mit zugfest angeschlossenen Ankerstäben, die die Betonplatte durchdringen und nahe deren Oberfläche mit grossflächigen Köpfen verankert sind. Mit diesen Verbundmitteln wird insbesondere die Betonplatte fest auf der Profilierung der Blechoberfläche gehalten.
In einer anderen vorbekannten Ausführung eines zusammengesetzten Tragelementes ist eine Schrägverdübelung ausgeführt, d.h. die Dübel sind schräg angeordnet. Auch hier ist eine grosse Anzahl von Dübeln erforderlich, aber auch die Schrägverdübelung ist anfällig gegen Lockerung. Um eine verbesserte Uebertragung der Schubkräfte zu bewirken, sind auch bereits formschlüssige Verbindungen zwischen den tragenden Einzelelementen bekannt, wie dies beispielsweise in der französischen Patentanmeldung 2 568 610 beschrieben ist.
Beide zuvor gennanten Verbindungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass die im Beton und im Gurtblech bzw Holzelement in jedem Fall auftretenden Schwindungen zu einer Lockerung der formschlüssigen Verbindung führen könne, was wiederum einen erheblichen Steifigkeitsverlust des zusammengesetzten Tragelementes zur Folge hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, ein zusammengesetztes Tragelement zu schaffen, bei dem die Uebertragungsmittel zwischen den Einzelelementen so beschaffen sind, dass die bei den vorbekannten Ausführungen von derartigen Tragelementen auftretenden Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Tragelement geschaffen werden, welches einfach herzustellen ist, also mit wenigen Dübeln oder anderen Klemmitteln auskommt, und auch bei Schwindungen im Holz und/oder im Beton seine hohe Steifigkeit beibehält. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die ausgeführte Art der Verzahnung zwischen den Einzelelementen des zusammengesetzten Tragelementes in Verbindung mit einer senkrecht zur Tragachse wirkenden Druckkraft ermöglicht eine vorgespannte formschlüssige Verbindung. Hierdurch wird eine Umlenkung der Schubkräfte in Richtung senkrecht zu den zwischen den Einzelelementen vorhandenen Flanken erreicht. Die Vorspannung der formschlüssigen Verbindung bewirkt, dass die Steifigkeit des zusammengesetzten Tragelementes auch bei auftretenden Schwindungen in den tragenden Einzelelementen aufrechterhalten bleibt.
Bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen zusammengesetzten Tragelementes,
Fig. 2: einen Längsschnitt durch das zusammengesetzte Tragelement längs der Linie A-A aus Fig. 1,
Fig. 3: eine vergrösserte Darstellung des Längsschnittes durch einen mit Verzahnung versehenen Teil eines erfindungsgemässen Tragelementes,
Fig. 4: eine vergrösserte Darstellung des Längsschnittes durch ein erfindungsgemässes Tragelement, wobei das Klemmelement über Tellerfedern vorgespannt ist,
Fig. 5: eine vergrösserte Darstellung des Längsschnittes durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen zusammengesetzten Tragelementes,
Fig. 6: eine vergrösserte Darstellung des Längsschnittes durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen zusammengesetzten Tragelementes,
Fig. 7: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemässen Verbundträgers, wobei die Uebertragung der Schubkraft durch eine Schubleiste erfolgt, dargestellt vor dem Einbringen des Betons, und
Fig. 8: einen erfindungsgemässen Verbundträger, ausgerüstet mit Distanzstücken zwischen den Einzelelementen.

In Fig. 1 ist eine Uebersichtszeichnung eines erfindungsgemässen zusammengesetzten Tragelementes dargestellt. Das Tragelement ist aus den Einzelelementen 1, 2 zusammengesetz. Dabei ist das erste Einzelelement 1 in Form einer Anzahl Holzbalken und das zweite Einzelelement 2 in Form eines plattenförmigen Betonelementes ausgeführt. Das dargestellte zusammengesetzte Tragelement kann beispielsweise eine im Bauwesen eingesetzte Deckenkonstrukion sein. In Fig. 1 sind ausserdem Schalungsbretter 3 zu erkennen, welche mit Hilfe von Kanthölzern 4 gegenüber dem ersten Tragelement 1 befestigt sind, um die Betonplatte 2 einbringen zu können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen den Schalungsbrettern 3 und der Betonplatte 2 zusätzlich eine Isolierschicht 5. Das dargestellte zusammengesetzte Tragelement wird durch das Eigengewicht insbesondere der Betonplatte 2 sowie darauf befindliche Lasten auf Biegung beansprucht. Dabei hat das oben befindliche Tragelement 2 die Aufgabe, die auftretenden Druckspannungen aufzunehmen, während das untere Tragelement 1 die in Folge der Biegebelastung auftretenden Zugspannungen aufnimmt. Eine solche Verbundkonstruktion hat den Vorteil, dass das Betonelement 2 nur auf Druck belastet wird und im Beton keine Vorkehrungen zum Aufnehmen von Zugspannungen getroffen werden müssen. Als Folge dieser Funktionsaufteilung müssen in der Fuge 6 zwischen den Einzelelementen auftretende Schubkräfte übertragen werden. Diese Uebertragung der Schubkräfte geschieht durch einen Formschluss in der Art, dass zwischen den Einzelelementen 1, 2 eine Verzahnung 7 vorgesehen ist.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt entlang der Linie A-A des in Fig. 1 dargestellten zusammengesetzten Tragelementes. Zur Erhöhung der Uebertragungsfähigkeit für die in der Fuge wirkende Schubkraft sind die Wirkflächen 8, 9 der Einzelelemente 1, 2 zu einem Verzahnungsprofil ausgebildet. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel sind jeweils in einigem Abstand voneinander Kerbverzahnungen 7 angeordnet. Die Wirkfläche 8 des ersten Tragelementes 1, welches im hier beschriebenen Beispiel aus Holz besteht, ist jeweils an den entsprechenden Stellen mit einer kerbförmigen Vertiefung, beispielsweise einer Ausfräsung ausgeführt. Nach Erstellen der in Fig. 1 sichtbaren Schalung und gegebenenfalls Einbringen einer Zwischenlage aus Isolierstoffen wird der Beton eingebracht, welcher nach dem Abbinden das tragende Einzelelement bildet. Der Beton füllt dabei die in dem ersten Einzelelement vorhandenen Vertiefungen 10 aus und bildet sich zu komplementär zu den Vertiefungen 10 geformten zahnförmige Erhöhungen 11 aus.
Die beschriebene Verzahnung der Wirkflächen zwischen den Einzelelementen 1 und 2 bewirkt, dass die infolge der Biegebelastung des zusammengesetzten Tragelementes auftretenden Schubkräfte übertragen werden können, wobei eine hohe Steifigkeit des zusammengesetzten Tragelementes erreicht wird. In Fig. 2 sind zusätzlich Kraftvektoren 12, 13, 14 eingetragen, um die Wirkungsweise der Verzahnung der Wirkflächen 8, 9 zu veranschaulichen. Die zwischen den Einzelelementen wirkende Schubkraft 12 wird an der Verzahnung in eine senkrecht zur Zahnflanke gerichtete Kraftkomponente 13 und in eine parallel zur jeweiligen Zahnflanke gerichtete Komponente 14 zerlegt. Die parallel zur Zahnflanke gerichtete Kraftkomponente 14 bewirkt einen Auftrieb des Einzelelementes 2. Folglich ist eine zwischen den Tragelementen 1, 2 wirkende Druckkraft erforderlich, die diesem Auftrieb entgegenwirkt. Die erforderliche Höhe dieser Druckkraft hängt von der Dimensionierung, Belastung und Ausführung des zusammengesetzten Tragelementes ab. Wenn das Einzelelement 2 aus Beton besteht, also ein relativ hohes Eigengewicht aufweist, kann die erforderliche Druckkraft zwischen den Einzelelementen bereits von diesem Eigengewicht aufgebracht werden. Bei höheren Belastungen bzw. einem zu leichten oberen Einzelelement ist es erforderlich, zwischen den Einzelelementen Klemmelemente vorzusehen.
Ein solches Klemmelement ist in Fig. 3 in vergrössertem Massstab dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Klemmelement durch einen Gewindebolzen 15 dargestellt, dessen Kopf 15a sich über eine Unterlagscheibe 16 am Einzelelement 2 abstützt und welcher mittels einer Hülse 17 vom Beton des Elementes 2 getrennt ist. Eine solche Trennung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Krafteinleitung in senkrechter Richtung erfolgt. Auf der Gegenseite, also am Einzelelement 1, ist das Klemmelement durchgehend ausgeführt und stützt sich über eine Mutter 18 and der Gegenfläche 19 des Einzelelementes 2 ab. Ueber den in Fig. 3 dargestellten Umfang hinaus sind auch andere Ausführungen des Klemmelementes möglich. So kann anstelle eines Bolzenkopfes 15a, welcher nach oben aus dem Tragelement 2 herausragt, das Klemmelement auch einbetoniert sein. Ebenso ist es möglich, dass der mit dem Tragelement 1 zusammenwirkende Teil des Klemmelementes in einer Bohrung im Tragelement 1 eingeleimt ist. Bei auftretenden Schubkräften in der Fuge zwischen den Einzelelementen 1, 2 und dadurch hervorgerufenen Auftriebskräften wird das Klemmelement auf Zug belastet und verhindert damit ein Abheben des Tragelementes 2 vom Tragelement 1. Dies kann insbesondere dann geschehen, wenn hohe Einzellasten einseitig auf das zusammengesetzte Tragelement einwirken.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemässen zusammengesetzten Tragelementes sind die Uebertragungsmittel zwischen den Einzelelementen vorgespannt. Mittel zum Erzeugen einer Vorspannung können beispielsweise die in Fig. 3 dargestellte Mutter 18 zusammen mit dem Gewinde des Bolzens sein. Nach dem Abbinder des das Einzelelement 2 bildenden Betons wird der Bolzen 15 durch Anziehen der Mutter 18 vorgespannt. Aufgrund dieser Druckkraft wirken dann in den schrägen Flanken der Verzahnung 7 bereits im unbelasteten Zustand solche Kraftkomponenten, die den bei Belastung des Tragelementes an der Zahnflanke wirkenden, in Fig. 2 mit 13 und 14 bezeichneten Kraftkomponenten entgegengesetzt sind. Auf diese Weise wird eine erhöhte Steifigkeit des erfindungsgemässen Tragelementes im belasteten Zustand erreicht.
In den einzelnen Elementen kann es durch Veränderungen der Feuchtigkeit im Betonelement und der Feuchtigkeit im Holzelement zu Schwindungen kommen. Bei bisher bekannten Verbundträgern führen derartige Schwindungen zu einem hohen Steifigkeitsverlust. Durch die hier vorgesehene Vorspannung lassen sich diese Schwindungen ausgleichen. Die beschriebene Vorspannung lässt sich nicht nur über ein Gewinde aufbringen, sondern es gibt darüberhinaus verschiedene andere Möglichkeiten der Erzeugung einer Vorspannung.
Wie in Fig. 4 dargestellt, kann das Klemmelement auch gegen elastische Spannmittel, beispielsweise ein Tellerfederpaket 20 gespannt sein. Auf diese Weise ist ein grösserer elastischer Weg gegeben, was bedeutet, dass auch grössere Schwindungsbeträge ohne Vorspannkraftverlust ausgeglichen werden können. Neben der in Fig. 4 dargestellten Ausführung kann das elastische Element auch auf der Gegenseite 19, d.h. auf der Seite des Einzelelementes 1 angeordnet sein. Das elastische Element kann in Form von Tellerfedern, Springfedern oder anderen elastischen Mitteln ausgeführt sein. Ebenso ist der Einsatz quellender Mittel möglich, welche im Beton angeordnet werden und nach der Aufnahme von Feuchtigkeit aus dem Beton eine Ausdehnung erfahren, über welche Ausdehnung eine Vorspannkraft auf das Klemmelement aufgebracht wird.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Uebertragungsmittel zwischen den Einzelelementen 1, 2 dargestellt. In diesem Fall ist die Wirkfläche 8 des Einzelelementes 1 jeweils in einigem Abstand zu einer Hohlkehle 21, also zu einer Vertiefung mit gerundeten Flanken ausgebildet. Der Formschluss wird über diese Hohlkehle und die komplementär dazu geformte Erhöhung 22 am anderen Einzelelement 1 erzeugt.
In dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die mit der Betonplatte 2 zusammenwirkende Wirkfläche 8 des Holzträgers 1 zu einem Wellenprofil 23 ausgearbeitet. Die Klemmelemente, welche beispielsweise in Form eines Bolzens 15 ausgeführt sind, werden jeweils in den Wellentälern 24 des Einzelelementes 1 angeordnet. Die Abstände der Klemmelemente voneinander richten sich nach der Ausführung und Belastung des Tragelementes. Sie ist jedoch in der Regel kleiner als die Anzahl der Profilwellen und in jedem Fall deutlich kleiner als die Anzahl der bei herkömmlichen Verbundträgern vorzusehenden Klemmelemente. Gegenüber herkömmlichen Ausführungen von zusammengesetzten Tragelementen ist es bei der erfindungsgemässen Ausgestaltung der Uebertragungsmittel eines zusammengesetzten Tragelementes möglich, die Anzahl der Klemmittel um 40 bis 60% zu verringern. Je nach Dimensionierung des Tragelementes, der Ausführung des Verzahnungsprofils, den auftretenden Belastungen und der geforderten Steifigkeit kann die Anzahl der zu verwendenden Klemmelemente, welche immer in der tiefsten Stelle der im unteren Tragelement 1 angeordneten Profile zu positionieren sind, festgelegt werden.
Das erfindungsgemässe zusammengesetzte Tragelement kann in einer weiteren Ausführungsform auch als Verbundträger aus zwei balkenförmigen Elementen, beispielsweise aus Holz bestehen, welche an den Wirkflächen zwischen den Einzelelementen mit einer Verzahnung und zugehörigen Klemmelementen ausgeführt sind.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das zusammengesetzte Tragelement aus zwei plattenförmigen Einzelelementen, wobei die erfindungsgemässen Uebertragungsmittel zum Uebertragen der Schubkräfte als ein paar zwischen den Platten angeordnete Schubleisten ausgeführt sind.
Fig. 7 erläutert eine Ausführungsform des erfindungsgemässen zusammengesetzten Tragelementes, in welcher eine solche Schubleiste vorgesehen ist. Das erste Tragelement 1 ist hier als Holzbalken und das zweite Tragelement als Betonplatte ausgeführt. In Fig. 7 ist der Träger vor dem Einbringen des Betons dargestellt. Der Holzbalken 1 ist mit einer Schubleiste 25 verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise genagelt, geleimt, o.ä. sein. In Fig. 7 ist die Schubleiste 25 mit den Schalbrettern 3 verbunden. Für die Anbringung der Schalbretter 3 sind auch andere Ausführungsformen möglich. So können beispielsweise die Schalbretter auch mit dem Holzträger 1 verbunden sein. Die Schubleiste 25 ist an ihrer Oberseite, d.h. an der mit dem zweiten, obenliegenden Tragelement zusammenwirkenden Wirkfläche 8 mit einem Wellenprofil 26 versehen. In Fig. 7 ist das Tragelement vor dem Einbringen des das obere Einzelelement bildenden Betons dargestellt. Der das obere Einzelelement bildende Beton wird von oben auf die Schalbretter 3 eingebracht und schliesst sich dementsprechend um die Schubleiste 25 herum. Dabei bildet sich ein komplementär zum Wellenprofil 26 ausgebildetes Profil. Diese beiden miteinander im Eingriff stehenden Profile bilden nach dem Abbinden des Betons den Formschluss zwischen beiden Tragelementen. Ebenso wie im vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel können Klemmelemente in ungespannter oder auch in vorgespannter Ausführung ausgeführt werden. Zu diesem Zweck befinden sich in einigem Abstand voneinander jeweils im Grund einer Welle des Wellenprofils 26 der Schubleiste 25 Bohrungen 27. Durch diese Bohrungen 27 ragen Klemmelemente (nicht dargestellt) hindurch, welche im zweiten Einzelelement einbetoniert werden oder durch das Einzelelement 2 hindurchragen. In diesem Fall können die Klemmelemente auf der gegenüberliegenden Seite, beispielsweise über ein Gewinde, vorgespannt werden.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen zusammengesetzten Tragelementes ist in Fig. 8 dargestellt. Das Tragelement ist wiederum aus zwei Einzelelementen 1, 2 zusammengesetzt. Diese Einzelelemente sind beispielsweise aus Holz, es sind jedoch auch andere Ausführungsformen von Profilierungen und Trägern möglich. Die Wirkflächen der Einzelelemente sind über Distanzstücke 28 voneinander getrennt. Bezogen auf das erste, untenliegende Einzelelement 1 sind die Zwischenstücke 28 jeweils auf der der Trägermitte 29 weg weisenden, äusseren Zahnflanke angeordnet. Die Distanzstücke können als Plättchen aus weichem Metall, Holz oder Kunststoff ausgeführt sein. Beim Vorspannen der Klemmelemente 30 wird die zwischen den Einzelelementen wirkende Druckkraft nicht in der Achse der Klemmelemente, sondern versetzt dazu, über die Distanzstücke 28 übertrager. Infolgedessen wirkt jeweils in den Einzelelementen eine vertikale Kraftkomponente, dh. es wird im oberen Einzelelement 2 eine Zugspannung und im unteren Einzelelement 1 eine Druckspannung erzeugt. Unter dieser Vorspannung der Einzelelemente kommt es zu einer Ueberhöhung 31 des Tragelementes im vorgespannten Zustand. Eine solche Ueberhöhung ist dann gefordert, wenn ein Tragelement nach Aufbringen einer Grundlast eine gerade, nicht durchgebogene Gestalt aufweisen soll.

Claims

Zusammengesetztes Tragelement zum Aufnehmen von Biegebelastungen, aus wenigsten zwei aufeinanderliegenden und miteinander zusammenwirkenden tragenden Einzelelementen (1, 2), wobei die tragenden Einzelelemente die durch die Biegung verursachten Normalkräfte aufnehmen und wobei zum Übertragen der in der Fuge zwischen den Einzelelementen wirkenden Schubkräfte Mittel (7, 10, 11, 15, 21, 22, 23, 26) vorhanden sind, deren Wirkflächen (8, 9) mit einer schräge und/oder gerundete Flanken aufweisenden Verzahnung (7) versehen sind, welche Verzahnung aus an einem ersten Einzelelement vorhandenen Vertiefungen (10, 21, 24) und aus am gegenüberliegenden Einzelelement vorhandenen, komplementär zu den Vertiefungen geformten Erhöhungen (11) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen einer zwischen den Einzelelementen senkrecht zur Tragachse wirkenden Druckkraft eine Anzahl Klemm-Mittel (15, 18) zum Erzeugen einer Vorspannung jeweils mittig zu einer der Vertiefungen angeordnet sind.
Zusammengesetztes Tragelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel eine einerseits mit den Vertiefungen versehene und andererseits mit dem besagten ersten Einzelelement fest verbundene Schubleiste (26) beinhalten.
Zusammengesetztes Tragelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen in dem besagten ersten Einzelelement eingearbeitet sind.
Zusammengesetztes Tragelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemm-Mittel mit Mitteln (20) zum Aufbringen einer von der Höhe der Einzelelemente im wesentlichen unabhängigen Vorspannkraft versehen sind.
Zusammengesetztes Tragelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel zum Erzeugen einer Überhöhung (31) des vorgespannten Tragelementes mit Distanzstücken (28) versehen sind, wobei die Distanzstücke, bezogen auf das in Richtung der Überhöhung gesehen untere Einzelelement (1), jeweils auf der von der Trägermitte (29) aus gesehen äusseren Flanke der Verzahnung angeordnet sind.