1.1   Allgemeines

Beim Stahlverbundbau werden Stahlprofile mit Stahlbetonteilen verdübelt, um eine gemeinsame Tragwirkung zu erzielen. Ziel ist die optimale Ausnutzung der beiden Werkstoffe, d.h. Stahl in der Zugzone, Beton in der Druckzone des Querschnittes. Daraus ergeben sich attraktive und wirtschaftliche Bauteile und Bauwerke für den Hoch- Industrie- und Brückenbau.

Mit der Stahlverbundbauweise lassen sich nennenswerte wirtschaftliche Vorteile erzielen, wie:

- große Spannweiten

- kleine Querschnitte mit hoher Tragfähigkeit

- geringe Stützenabmessungen

- Flexibilität bei Ausbau, Nutzung und nachträgliche Änderungen

- schneller, witterungsunabhängiger Bauablauf durch Vorfertigung und stahlbaumäßige Verbindungen

- geringer Flächenbedarf für Montage und Baustelleneinrichtung

- Ausbildung aller Bauteile für Brandschutzklasse F90 ohne weitere Maßnahmen

- einfache Montage der haustechnischen Installationen

Der Brückenbau wird im Rahmen dieses Seminars nicht behandelt. Die dabei eine große Rolle spielenden Fragen der Nachweise im elastischen Zustand, Spannungsnachweise unter Berücksichtigung des Schwinden und Kriechens und die darauf basierenden Verformungsnachweise zur Gradientensicherstellung werden hier nur vereinfacht, im Rahmen des Normenkonzeptes behandelt. Grundlage ist der Gelbdruck der Verbundrichtlinien

E DIN 18800 - 5 Ausgabe: 1999-01.

 

Die Norm ist in weitestgehend an den Eurocode 4 „Verbundbau" angelehnt, die Unterschiede sind in einigen Teilen erheblich (Stabilitätsnachweis bei Biegung und Längskraft) ansonsten marginal, die Gliederung und Aufbereitung ist dagegen erheblich übersichtlicher. Die Regelungen binden sich vollständig ein in die gültige Stahlbaunorm

DIN 18800-1 Ausgabe: 1990-11

 

Die Verbundnorm bezieht sich, wenn es um Fragen der Betonfestigkeit geht, auf die ebenfalls im Gelbdruck vorliegende

E DIN 1045-1 Ausgabe: 1997-02

 

Diese ist allerdings in der Zwischenzeit durch eine neuere Ausgabe ersetzt worden. Die neue Ausgabe ist leider sehr erheblich geändert, so sind beispielsweise alle Kapitelnumerierungen verschoben. Da sich die E Din 18800-5 auf die alte Ausgabe bezieht, kann es hier ggf. zu Irritationen kommen. Im vorliegenden Skript wird stets auf die neue Ausgabe der E DIN 1045 referenziert.

Da die DIN 18 800 Teil 5 sich auf die DIN 1045 bezieht, diese aber noch nicht eingeführt ist, "hängt" der Weißdruck der DIN 18 800 Teil 5.  Geplanter Termin für die Einführung der DIN 1045 und damit auch der DIN 18 800 Teil 5 ist Ende 2000.

 

1.2    Sicherheitskonzept

Das Sicherheitskonzept der DIN 18800-5 (01.99) basiert auf den Regelungen des Eurocodes. Es sind dabei zwei Kombinationen zu untersuchen:

Grundkombinationsregeln:

- Grundkombination:

- Außergewöhnliche Kombination:

 

 

Vereinfachte Kombinationsregeln:

Bei Tragwerken des Hoch- und Industriebaues darf die o.a. Gleichung durch die beiden folgenden Gleichungen ersetzt werden:

- Berücksichtigung der maßgebenden veränderlichen

- Berücksichtigung aller veränderlichen Einwirkungen:

Die Teilsicherheitsbeiwerte und Kombinationsbeiwerte für die Einwirkungen sind dem Eurocode zu entnehmen. Die Teilsicherheitsbeiwerte für den Widerstand sind in Tabelle 1.1 angegeben.

 

Kombination Baustahl, Profilblech ga Beton gc Betonstahl, Spannstahl gs Verbundmittel gv
Grundkombination 1,1 1,5 1,15 1,25
außergewöhnlich 1,0 1,3 1,0 1,0

Tabelle 1.1 Teilsicherheitsbeiwerte für den Widerstand

 

Die Bemessungswerte ergeben sich damit zu:

                                  fyd = fyk / ga (Baustahl)      "acier"

                                  fcd = fck / gc (Beton)           "concrete"

                                  fsd = fsk  / g s (Betonstahl)        "steel"

Für den Nachweis müssen die Beanspruchungen kleiner sein als die Beanspruchbarkeiten:

Die charakteristischen Werte der Werkstoffkennwerte ergeben sich für:

- Baustahl und Verbindungsmittel: DIN 18800

- Profilbleche für Verbunddecken: Produktnormen, i.a. Zulassungen

- Betonstahl und Spannstahl: E DIN 1045-1 (1997-02)

- Beton: E DIN 1045-1 (1997-02)

- Verbundmittel: jeweiligen Normen, Zulassungen

 

1.3    Schnittgrößenermittlung

Die Schnittgrößen dürfen nach der Elastizitätstheorie, der Fließzonentheorie und nach der Fließgelenktheorie berechnet werden, wenn die Querschnitte ausreichende b/t-Verhältnisse aufweisen. Dies wird, analog zum Eurocode, durch Querschnittsklassen geregelt.

Bei der Ermittlung der Schnittkräfte auf der Basis der Elastizitätstheorie ist der Einfluß der Rißbildung im Beton bei Zugbeanspruchung zu berücksichtigen.

Hierzu:

Ansatz einer effektive Biegesteifigkeit über 15% der Länge der angrenzenden Felder

Die effektive Biegesteifigkeit ist unter Berücksichtigung der Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen zu ermitteln (vgl. Verfahren in Anhang A der Norm), oder Näherung:

mit:

As: Querschnittsfläche des Betonstahls innerhalb der mitwirkenden Gurtbreite

fctm: Mittelwert der Betonzugfestigkeit nach E DIN 1045 (6.1.7)

ρs: Bewehrungsgrad der Längsbewehrung des Betongurtes

fsk: charakteristischer Wert der Streckgrenze des Betonstahls nach E DIN 1045 -1.

Vereinfachend darf mit den Querschnittswerten nach Zustand I gerechnet werden, wenn die Stützmomente (unter Beachtung der Gleichgewichtsbedingungen) um 10% abgemindert werden.

Bei Durchlaufträgern mit Querschnitten der Klassen 1 und 2 (dickwandig, keine lokale Beulgefahr) dürfen die Momente zusätzlich um bis zu 25% abgemindert oder um 10% angehoben werden. Hierbei müssen natürlich die Gleichgewichtsbedingungen eingehalten werden, d.h. die Feldmomente müssen entsprechend korrigiert werden (Bild).

Bei Berechnung nach der Fließgelenktheorie müssen die Abmessungen der Stahlträger so gewählt sein, daß kein lokales Querschnittsversagen auftritt (Querschnitt Klasse 1). Ebenso ist dem Biegedrillknickversagen erhöhtes Augenmerk zu schenken.

Kammerbeton darf hierbei nicht berücksichtigt werden, da die Haftung trotz Verdübelung schlechter ist als die des Gurtes.

Bei den Verbunddecken ist die Momentenumlagerung nach E DIN 1045-1 anzuwenden. Diese ist jetzt abhängig von der Querschnittsausnutzung.

 

1.4   Materialkennwerte

Generell gilt, dass bei der Definition der Betoneigenschaften auf den Gelbdruck der E DIN 1045-1 zurückgegriffen wurde. So ergibt sich der Rechenwert der Betondruckfestigkeit nach E DIN 1045-1:

Der Wert ac drückt das Verhältnis von Dauerfestigkeit zu Kurzzeitfestigkeit aus. Es gilt:

Beton, der auf Zug beansprucht wird, darf nicht mitgerechnet werden. Baustahl darf bis zur Fließgrenze fyd, Bewehrungsstahl bis zur Streckgrenze fsd beansprucht werden.
In Tabelle 1.2 sind die Festigkeiten der Betone aufgeführt, die bei Verbundkonstruktionen eingesetzt werden können.

 

Betonfestigkeitsklasse fck,cyl / fck,cub C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60
Zylinderdruckfestigkeit fck [N/mm²] 20 25 30 35 40 45 50
Sekantensteifigkeitsmodul Ecm [N/mm²] 29 000 30 500 32 000 33 500 35 000 36 000 37 000

Tabelle 1.2: Festigkeitsklassen, charakteristische Zylinderdruckfestigkeiten und Steifigkeitsmoduln für Normalbeton.

 

Bei den neuen Betonfestigkeitsklassen nach E DIN 1045-1 leitet sich der Buchstabe C aus dem englischen concrete ab, die erste Ziffer gibt die Zylinderdruckfestigkeit, die zweite Ziffer die Würfeldruckfestigkeit an.

Für den Bewehrungsstahl gelten die Bestimmungen von E DIN 1045-1. Betonstahl in der Zugzone darf nur in Rechnung gestellt werden, wenn er nach DIN E DIN 1045-1 als hochduktil einzustufen ist, siehe E DIN 1045-1 Abs. 9.2.2. Wenn der Betongurt in der Zugzone liegt, darf die Bewehrung nur angerechnet werden, wenn die innerhalb der mitwirkenden Breite eingelegte Bewehrung die Bedingung erfüllt:

mit:

ρs: Bewehrungsgrad

fctm: Mittelwert der Betonzugfestigkeit nach E DIN 1045-1.

fsk: charakteristische Wert der Streckgrenze des Betonstahls nach E DIN 1045-1.

Für den Baustahl gelten die Regelungen von DIN 18800 (11.91). Die Festigkeitsklassen des Bewehrungsstahls sind im allgemeinen an den Stahlbezeichnungen zu erkennen (z.B. S 500 => fsk = 500 N/mm²).

Bei den Stahlquerschnitten wird vorausgesetzt, daß diese so gedrungene Querschnittsteile aufweisen, daß sie bei Druckbeanspruchung bis in den plastischen Bereich nicht beulen (Querschnitte Klasse 1 und 2), d. h. ausreichende Rotationskapazität muß sichergestellt sein. Zur Behandlung von Querschnitten geringerer Rotationskapazität, Klassen 3 und 4 vgl. E DIN 18800-5. Die Querschnittklassen sind in E DIN 18800-5 den Tabellen mit den grenz b/t-Verhältnissen zugeordnet.