Schubtragverhalten von Verbunddübelleisten bei Stahlverbundträgern im Brandfall

Abstract

Die Berücksichtigung der Aspekte der Wirtschaftlichkeit, der Resourcenschonung und der nachhaltigen Nutzung von Gebäuden sind neben den konstruktiven und brandschutztechnischen Anforderungen für horizontale Tragelemente von Gebäuden essentiell, um eine nachhaltige Bauweise zu realisieren. Nachhaltige Bauweisen für horizontale Tragelemente sind Verbundträger oder multifunktionale Deckensysteme mit Verbundübelleisten (VDL). Im Gegensatz zu den etablierten Kopfbolzendübeln (KBD) ist die Herstellung von VDL effizienter, es können schlankere Betongurte realisiert werden und zugleich können höhere Schubkräfte in der Verbundfuge mit VDL übertragen werden. Dennoch werden im Hochbau in der Baupraxis in der Regel KBD bei Verbundträgern verwendet, da eine Bemessung der Schubtragfähigkeit der VDL im Brandfall aufgrund einer fehlenden experimentellen Datenbasis mit den derzeitigen technischen und normativen Regelungen nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist für die Genehmigung eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich. Die bisherigen experimentellen Untersuchungen und numerischen Simulationen zum Schubtragverhalten der VDL sind ausschließlich auf Raumtemperaturbedingungen begrenzt. Zur Bewertung des Schubtragverhaltens der VDL im Brandfall und für ein vertieftes Verständnis der Tragcharakteristiken der VDL im Brandfall werden in dieser Forschungsarbeit experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen durchgeführt und analysiert. Zusätzlich wird für die Ingenieurpraxis basierend auf diesen ein Bemessungsvorschlag für eine vereinfachte Ermittlung der Schubtragfähigkeit der VDL im Brandfall abgeleitet. Dafür wird mit 30 Push-out-Versuchen und zwei großmaßstäblichen Untersuchungen der Temperatureinfluss auf das Schubtragverhalten der VDL bewertet sowie der Einfluss des Schubtragverhaltens am Tragverhalten eines Verbundträgers im Brandfall analysiert. In den Push-out-Versuchen zur Schubtragfähigkeit ist ein Stahlversagen der VDL bei Raumtemperaturbedingungen und im Brandfall aufgetreten. Aus den Push-out-Versuchen mit homogenen Temperaturfeldern wird abgeleitet, dass der Versagensmechanismus des Stahlversagens sich mit zunehmender Verbundmitteltemperatur nicht verändert. Des Weiteren resultiert aus den Push-out-Versuchen, dass sich der Einfluss der Anzahl der Querstäbe auf die Schubtragfähigkeit mit zunehmender Verbundmitteltemperatur reduziert. Außerdem wird nahezu ausschließlich bei Raumtemperaturbedingungen ein Anteil der Schubtragfähigkeit über Reibung übertragen. In den großmaßstäblichen Untersuchungen wird das Tragverhalten des Verbundträgers nicht durch das Schubtragverhalten der VDL beeinflusst, da kein Schlupf in der Verbundfuge aufgetreten ist. Basierend auf den wissenschaftlich etablierten Modellierungsansätzen sowie Materialformulierungen wird ein allgemeingültiges numerisches Modell entwickelt, mit dem das Schubtragverhalten der VDL im Brandfall für die Versagensmechanismen Stahlversagen und Ausstanzen des Betons beschrieben werden kann. Auf Basis der Bewertung der Push-out-Versuche wird geschlussfolgert, dass bei dem Versagensmechanismus Stahlversagen unabhängig vom Temperaturfeld der kritische Schnitt, der sich oberhalb des Dübelfußes befindet, maßgebend für die Schubtragfähigkeit der VDL ist. Aus diesem Grund wird mit dem numerischen Modell ausschließlich der Einfluss eines Temperaturgradienten auf den Versagensmechanismus Ausstanzen analysiert. Der Temperaturgradient beeinflusst den charakteristischen Beanspruchungszustand - den Ausbruchkegel - des Versagensmechanismus des Ausstanzens des Betons nicht. Infolge der Brandbeanspruchung wird die Schubtragfähigkeit der VDL mit einem Ausstanzversagen reduziert. Auf Grundlage der Erkenntnisse der experimentellen Untersuchungen und numerischen Simulationen wird ein Bemessungsvorschlag zur vereinfachten Ermittlung der Schubtragfähigkeit von VDL im Brandfall abgeleitet, mit dem auf Basis der geometrischen Abmessung der VDL in Abhängigkeit der Feuerwiderstandsdauer die Bemessung der Schubtragfähigkeit der VDL erfolgen kann. Damit wird im Zuge dieser Forschungsarbeit ein für die Ingenieurpraxis anwendbares Modell entwickelt, um die Vorteile der VDL nutzen zu können.