Stahl-Beton-Verbundbauteil

Abstract

 Aufschweißdübel aus Metall für den Stahl/Beton-Verbundbau, der an einem Ende, ein Aufschweißende (3) und am anderen Ende einen Kopf (5) zur Verankerung im Beton aufweist. Zur Verbesserung
des Tragverhaltens bei Scherbelastung ist vorgesehen, daß der Schaft (1) am Aufschweißende (3) einen Abschnitt (2) mit einem gegenüber dem Schaft vergrößerten Querschnitt aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Aufschweißdübel aus Metall für den Stahl/Beton-Verbundbau mit einem Schaft, der an einem Ende ein Aufschweißende zum Aufschweißen auf ein Bauteil aus Stahl aufweist. Am anderen Ende ist in der Regel ein Kopf zur Verankerung im Beton angeordnet.

[0002] Das Bauwesen bietet ein breites Einsatzgebiet für vorgenannte Dübel. Insbesondere ist hier der Einsatz im Stahl/Beton-Verbundbau angesprochen. Dazu werden Dübel mittels eines bekannten Bolzenschweißverfahrens auf ein mit dem Beton zu verbindendes Stahlbauteil geschweißt. Ein solches Stahlbauteil kann z. B. ein Verbundträger (für den Brückenbau oder den Hochbau), ein metallischer Liner für Stahlbeton- oder Spannbeton-Hohlkörper oder -gebäude (DE-A-3 322 998, DE-A-30 09 826) oder eine Ankerplatte zur Verankerung von Lasten in einer Betonstruktur sein. Der Beton schließt dabei im allgemeinen direkt an das Stahlbauteil an, wobei dieses gegebenenfalls zugleich die Schalung oder einen Teil derselben bildet.

[0003] Von wesentlicher konstruktiver Bedeutung für solche Stahl/Beton-Verbundbauteile ist das Tragverhalten der Dübel. Dabei ist zu unterscheiden zwischen Zugbelastungen, d. h. in Richtung der Längsachse des Dübels, und Scherbelastungen, d. h. in Richtung der Grenzfläche Stahl/Beton wirkenden Lasten. Sehr wichtig ist dabei das Tragverhalten des Dübels bezüglich der Scherbelastung, die z. B. als planmäßige Belastung infolge von Schubkräften zwischen Stahl und Beton entstehen oder in Form einer zu verankernden Last eingeleitet werden kann. Die Scherbelastung kann aber z.B. auch infolge von thermischen Ausdehnungen, Setzungserscheinungen oder dergleichen auftreten.

[0004] Ein wesentlicher Aspekt des Dübeltragverhaltens bei Belastung auf Abscheren ist die Versagensart. Das Versagen einer Dübelverbindung der geschilderten Art kann entweder in Form eines Stahlversagens (der Dübel schert oder reißt ab) oder in Form eines Betonversagens (als Ausbruch eines meist trichterförmigen Betonteiles) auftreten. Dabei ist es für das Tragverhalten der Verbindung günstiger, wenn ein Betonversagen vermieden werden kann, wie es bei einem großen Teil der derzeit ausgeführten Stahl/Beton-Verbundkonstruktionen auch der Fall ist, indem hierzu ausreichend lange Dübel verwendet werden.

[0005] Das Tragverhalten bezüglich Scherbelastung wird im wesentlichen durch zwei Parameter bestimmt, nämlich die Bruchlast, d. h. die maximale Scherkraft, die von der Dübelverbindung aufgenommen werden kann, und die Bruchverschiebung, d.h. die maximale Verschiebung zwischen Stahlbauteil und Beton. Das Tragverhalten läßt sich anschaulich darstellen, indem die Scherkraft über der Verschiebung als sogenannte Last-Verformungslinie aufgetragen wird. Die Fläche unter dieser Linie wird als Arbeitsvermögen des Dübels bezeichnet, wobei ein hohes Arbeitsvermögen wünschenswert ist.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dübel der oben genannten Art mit verbessertem Tragverhalten bei Scherbelastung zu schaffen.

[0007] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Schaft am Aufschweißende einen Abschnitt mit einem gegenüber dem Schaft vergrößerten Querschnitt aufweist.

[0008] Die Erfindung trägt der Erkenntnis Rechnung, daß sich bei einem herkömmlichen Dübel bei hohen Belastungen weite Bereiche des Dübelschaftes an der Abtragung der Scherbelastungen in den Beton beteiligen, wobei die Lastabtragung im wesentlichen über Pressungen zwischen Dübelschaft und Beton vonstatten geht. Durch den erfindungsgemäß verstärkten Abschnitt im Bereich des Aufschweißendes wird erreicht, daß sich die Pressungen im Bereich dieses Abschnittes stark konzentrieren. Dadurch wird die mit der Dübelverschiebung einhergehende Verdrängung des Betons verstärkt, was zu größeren Dübelverschiebungen und auch zu einer stärkeren Aktivierung weiterer Lastabtragungsmechanismen, wie es z.B. Axialzugkräfte im verformten Bolzen sind, führt. Es hat sich bei Versuchen überraschenderweise gezeigt, daß Dübel mit erfindungsgemäß verstärktem Abschnitt nicht nur ein wesentlich günstigeres Tragverhalten zeigen als herkömmliche Dübel mit einem über die gesamte Länge konstanten Durchmesser, der dem Schaftdurchmesser des erfindungsgemäßen Dübels entspricht, sondern, daß auch, wenn der Durchmesser des herkömmlichen Dübels dem Durchmesser des erfindungsgemäß verstärkten Abschnittes entspricht, das Tragverhalten des Dübels mit konstantem Durchmesser schlechter ist als bei Dübeln mit verstärktem Abschnitt. Es ist also lediglich eine Frage der Beschreibungsweise und für den Erfindungsgedanken unerheblich, ob man eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Dübels durch Verringerung des Schaftquerschnittes oder durch Verstärkung im Bereich des Aufschweißendes erreicht. Wesentlich ist die deutliche Steigerung der Bruchverschiebung und die damit verbundene Steigerung des Arbeitsvermögens. Weiterhin ist von Bedeutung, daß auch hinsichtlich der Bruchlast eine deutliche Steigerung erreicht wird, wenn man die Betrachtungsweise eines am Aufschweißende verstärkten Dübels wählt, wohingegen nur geringe Verluste bei der Bruchlast zu verzeichnen sind, wenn man den erfindungsgemäßen Dübel als einen Dübel mit verringertem Schaftdurchmesser betrachtet.

[0009] Eine herstellungstechnisch besonders einfache Realisierung ergibt sich dann, wenn der Schaft und der Abschnitt rotationssymmetrisch zu einer gemeinsamen Achse ausgebildet sind. Zudem weist ein solcher Dübel ein symmetrisches Tragverhalten auf.

[0010] Bei bestimmten Lastkombinationen kann es aber auch vorteilhaft sein, den Schaft und/oder den Abschnitt prismatisch auszubilden.

[0011] In einer einfachen bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Schaft und/oder der Abschnitt jeweils die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen.

[0012] Zur weiteren Optimierung des Tragverhaltens kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der Abschnitt in Achsrichtung ballig ist.

[0013] Dadurch, daß der Abschnitt mit einer stetigen Verjüngung in den Schaft übergeht, wird eine gleichmäßigere Gesamtbeanspruchung des Dübels insbesondere im Bereich des Überganges von dem Abschnitt mit vergrößertem Querschnitt auf den Schaft mit normalem Querschnitt erreicht und eine Kerbwirkung, die im Zusammenhang mit dynamischen Beanspruchungen unerwünscht ist, vermieden.

[0014] Damit eine ausreichende Verankerung im Beton gewährleistet wird, kann der Dübel, wie herkömmlich, einen Kopf aufweisen. In diesem Fall ist gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß der Durchmesser des Kopfes mindestens so groß wie der Durchmesser des Abschnittes ist.

[0015] In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Abschnittes zwischen 1:2 und 4:2, vorzugsweise zwischen 1:2 und 3:2 beträgt. Dadurch wird zum einen erreicht, daß der Dübel mittels bekannter Bolzenschweißverfahren verschweißt werden kann, zum anderen wird dadurch ein besonders günstiges Verformungsverhalten sichergestellt.

[0016] In weiterhin bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schaftes ohne Kopf und ohne Abschnitt etwa 3:1 oder größer ist, wodurch eine ausreichende Verankerung des Dübels im Beton sichergestellt und ein durch die Scherbelastung hervorgerufenes Ausreißen des Dübels aus dem Beton vermieden wird.

[0017] Zur Optimierung des Arbeitsvermögens eines Dübels ist des weiteren vorgesehen, daß das Verhältnis des Durchmessers des Abschnitts zu dem des Schaftes zwischen 7:6 und 10:6, vorzugsweise etwa 9:6 liegt, und/oder, daß das Verhältnis der Länge des Abschnittes zu der des Schaftes ohne Kopf und ohne Abschnitt mindestens 1:3 beträgt, wobei die Obergrenze bei 1:8 liegen kann. Vorzugsweise liegt dieses Verhältnis zwischen 1:4 und 1:7.

[0018] Zur weiteren Verbesserung des Verformungsverhaltens kann zudem vorgesehen werden, daß der Abschnitt eine abgestufte Querschnittsvergrößerung aufweist.

[0019] Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Aufschweißdübels;

Figur 2 einen Schnitt 11 - 11 gemäß Figur 1;

Figur 3 einen Dübel mit einem außenballigen Abschnitt;

Figur 4 einen Dübel mit einem innenballigen Abschnitt;

Figur 5 einen Dübel mit zwei gestuften Abschnitten;

Figur 6 einen Dübel in einer abgewandelten Ausführung und

Figur 7 ein Diagramm mit Last-Verformungslinien von zwei herkömmlichen und einem erfindungsgemäß ausgebildeten Dübel.

[0020] In Figur 1 ist ein Aufschweißdübel mit einem Schaft 1 und einem Abschnitt 2, die jeweils die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen, dargestellt. Der Abschnitt 2 geht im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichmäßig über einen Übergangsabschnitt 4 in den Schaft 1 über. Mit dem freien Ende des Abschnittes 2, dem Aufschweißende 3, wird der Dübel mittels eines Bolzenschweißapparates auf ein nicht gezeigtes Bauteil aus Stahl aufgeschweißt.

[0021] An dem dem Aufschweißende gegenüberliegenden Ende weist der Dübel beim gezeigten Ausführungsbeispiel einen Kopf 5 auf. Dieser dient der Übertragung von parallel zur Längsachse des Dübels gerichteten Belastungen zwischen Beton und Dübel und damit auch zur Verbesserung der Verankerung des Dübels im Beton.

[0022] In Figur 2 ist ein Schnitt 11 - 11 des Dübels gemäß Figur 1 dargestellt. Man erkennt deutlich den kreisförmigen Querschnitt des Abschnittes 2, des Kopfes 5 sowie gestrichelt dargestellt des Schaftes 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Abschnittes 2 gegenüber dem Durchmesser des Schaftes 1 um ca. 40 % vergrößert. Um eine gute Verankerung des Dübels im Beton zu erreichen, ist der dargestellte Kopf 5 im Durchmesser wesentlich größer als der Abschnitt 2. Da der Abschnitt 2, der Schaft 1 und der Kopf 5 rotationssymmetrisch auf einer Achse liegen, kann der Dübel einfach hergestellt werden.

[0023] Der gesamte Dübel ist im Einbauzustand in Beton eingesetzt. Bei einer Scherbelastung, d. h. einer Belastung rechtwinklig zur Längsachse des Dübels im Bereich des Aufschweißendes 3, treten hohe Pressungen zwischen Dübel und Beton auf. Bei kleinen Scherbelastungen konzentrieren sich die Pressungen in der Nähe des Aufschweißendes. Bei steigender Scherbelastung nimmt die Größe des Bereiches des Dübels zu, der in dieser Form zur Lastabtragung herangezogen wird. Bei Dübeln mit konstantem Durchmesser über die gesamte

[0024] Länge kann sich dieser Bereich, je nach Betonzusammensetzung bis über fast die gesamte Dübellänge ausdehnen. Dies gilt besonders für Dübel mit großen Durchmessern, die eine hohe Biegesteifigkeit besitzen. Verringert man den Durchmesser des herkömmlichen Dübels auf ca. 2/3 des ursprünglichen Durchmessers auf einer Länge von ca. 80 % vom Kopf 5 her, so ergibt sich der erfindungsgemäße Dübel gemäß Figur 1. Bei diesem Dübel konzentrieren sich bei hohen Scherbelastungen die Pressungen im Bereich des Abschnittes 2. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Dübel mit einem Durchmesser, der dem des Abschnittes 2 entspricht, liegen daher die übertragbaren Scherbelastungen etwas niedriger. Allerdings liegen sie deutlich über den Scherbelastungen, die ein herkömmlicher Dübel mit einem Durchmesser, der dem des Schaftes 1 entspricht, zu übertragen in der Lage ist. Infolge der Konzentration der Pressungen im Bereich des Abschnittes 2 wird dort der Beton im Vergleich zu herkömmlichen Dübeln wesentlich stärker beansprucht. Dies führt zu größeren Verformungen des Betons und zu einer Vergrößerung der lokal begrenzten Bereiche der Betonverdrängung. Dies wiederum ermöglicht größere Dübelverschiebungen, d.h. größere Verschiebungen des Dübelfußes, der in diesem Fall dem Abschitt 2 entspricht, rechtwinklig zur Längsachse des Schaftes 1. Mit wachsenden Verschiebungen nehmen auch die Axialzugkräfte im Dübel zu. Diese wiederum liefern mit ihrem parallel zur Scherbelastung verlaufenden Anteil einen deutlichen Beitrag zur Bruchlast des Dübels. Außerdem rufen sie Verformungen des Schaftes 1 hervor, die auch die Verschiebungen des Abschnittes 2 vergrößern. Dadurch erklärt sich, daß mit einem sehr hohen Gewinn in der Bruchverschiebung lediglich ein geringer Verlust in der Bruchlast des Dübels oder sogar ein deutlicher Gewinn in der Bruchlast einhergeht, je nachdem welche der oben genannten Betrachtungsweisen gewählt wird. Dies wird später an Hand des Diagrammes gemäß Figur 7 deutlich.

[0025] In den Figuren 3, 4 und 5 sind verschiedene Ausführungsformen des Abschnittes 2 dargestellt. Diese Ausführungen können in Verbindung mit verschiedenen Betonsorten durchaus ein weiter verbessertes Tragverhalten bei einer Scherbelastung bieten.

[0026] Im Diagramm gemäß Figur 7 sind die Last-Verformungslinien dreier Dübel aufgetragen. Zwei dieser Linien, nämlich die Linien A und B, zeigen das Last-Verformungsverhalten herkömmlicher Dübel. Beide Dübel haben die gleiche Länge und über die gesamte Länge einen konstanten Querschnitt. Die Länge entspricht der Gesamtlänge des Dübels gemäß Figur 1. Der Durchmesser entspricht dem Durchmesser des Schaftes 1 gemäß Figur 1 für Kurve A und dem Durchmesser des Abschnittes 2 gemäß Figur 1 für die Kurve B. In dem Diagramm ist die Scherkraft F in kN über der Scherverschiebung s in mm aufgetragen. Dabei stellt s die relative Verschiebung des Stahlbauteiles und damit auch des Dübelfußes gegenüber dem Betonteil dar. Wie zu erkennen ist, liegt für Kurve A und den dazugehörigen Dübel die Bruchlast bei ca. 80 kN und die Bruchverschiebung bei ca. 7,5 mm, während für Kurve B und den dazugehörigen Bolzen die Bruchlast bei ca. 155 kN und die Bruchverschiebung bei ca. 9,0 mm liegt. Die Kurve C stammt aus einem Versuch, in dem ein Dübel gemäß Figur 1 geprüft wurde, dessen Schaftdurchmesser auf ca. 80 % der Dübellänge demjenigen der Dübel gemäß Kurve A und dessen Durchmesser im verstärkten Abschnitt demjenigen des Dübels gemäß Kurve B entsprach. Man erkennt, daß die Bruchlast mit etwa 140 kN etwas geringer als bei Kurve B ist, jedoch ergibt sich mit ca. 29 mm eine wesentliche Steigerung der Bruchverschiebung. Aus diesen Werten ergibt sich überschlagsmäßig, daß bei den in diesem Beispiel vorgegebenen konstruktiven Bedingungen das Arbeitsvermögen des Dübels durch Anordnung eines Abschnittes mit verstärktem Querschnitt im Vergleich zu den zu den Kurven A und B gehörigen Dübeln um den Faktor 5,5 bzw. 3,0 gesteigert wird. Diese Werte können durch Änderung der konstruktiven Vorgaben beeinflußt werden.

[0027] Natürlich entsprechen Tragverhalten und Tragfähigkeit eines erfindungsgemäßen Dübels bei Belastung auf Zug weitgehend dem eines herkömmlichen Dübels mit einem konstanten, dem Durchmesser des Schaftes 1 entsprechenden Durchmesser. Jedoch sind oftmals die Scherbelastungen ausschlaggebend für die Auslegung der Dübel, so daß eine derartige gesteigerte Bruchverschiebung, das deutlich gesteigerte Arbeitsvermögen und die hohen Bruchlasten in Scherrichtung viel entscheidender sind. Dabei sind vor allem die großen Bruchverschiebungen z.B. bei Anwendung des Traglastverfahrens im Verbundbau von besonderer Bedeutung. Ein weiterer Vorteil des im Schaftbereich verringerten Durchmessers des Dübels gemäß Figur 1 ist die Tatsache, daß dadurch mehr Platz für die Anordnung von Bewehrungsstäben im Beton verbleibt. Dies ist z.B. bei der Verwendung von Ankerplatten, in deren Umgebung erfahrungsgemäß vielfach eine Häufung von Bewehrung notwendig ist, von Bedeutung.

Ansprüche

1. Aufschweißdübel aus Metall für den Stahl/Beton-Verbundbau mit einem Schaft, der ein Aufschweißende zum Aufschweißen auf ein Bauteil aus Stahl aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1) am Aufschweißende (3) einen Abschnitt (2) mit einem gegenüber dem Schaft vergrößerten Querschnitt aufweist.

2. Dübel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1) und der Abschnitt (2) rotationssymmetrisch zu einer gemeinsamen Achse ausgebildet sind.

3. Dübel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1) und der Abschnitt (2) die Form eines Prismas aufweisen.

4. Dübel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1) rotationssymmetrisch und der Abschnitt (2) prismatisch oder der Schaft (1) prismatisch und der Abschnitt (2) rotationssymmetrisch ausgeführt sind.

5. Dübel nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1) und/oder der Abschnitt (2) jeweils die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen.

6. Dübel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (2) in Achsrichtung ballig ist.

7. Dübel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (2) mit einer stetigen Verjüngung (4) in den Schaft (1) übergeht.

8. Dübel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kopfes (5) mindestens so groß wie der Durchmesser des Abschnittes (2) ist.

9. Dübel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Abschnitts (2) zwischen 1:2 und 4:2 beträgt.

10. Dübel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge und Durchmesser des Abschnittes (2) zwischen 1:2 und 3:2 beträgt.

11. Dübel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schaftes (1) (ohne Kopf (5) und ohne Abschnitt (2)) etwa 3:1 oder größer ist.

12. Dübel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Abschnittes (2) zu dem des Schaftes (1) zwischen etwa 7:6 und 10:6 liegt.

13. Dübel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Abschnittes (2) zu dem des Schaftes (1) etwa 9:6 beträgt.

14. Dübel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des Abschnittes (2) zu der des Schaftes (1) (ohne Kopf (5) und ohne Abschnitt (2)) mindestens 1:3 beträgt.

15. Dübel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des Abschnittes (2) zu der des Schaftes (1) (ohne Kopf (5) und ohne Abschnitt (2)) zwischen 1:3 und 1:8 liegt.

16. Dübel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des Abschnittes (2) zu der des Schaftes (1) (ohne Kopf (5) und ohne Abschnitt (2)) zwischen 1:4 und 1:7 liegt.

17. Dübel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt eine abgestufte Querschnittsvergrößerung aufweist.

Zeichnung