Zum Trag- und Verformungsverhalten von Pin-Strukturen in Stahl-Beton-Verbundquerschnitten unter statischer Beanspruchung
Maik Kopp
Die Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen im konstruktiven Ingenieurbau er-möglichen deutlich filigranere Tragwerke. In Verbundkonstruktionen wird dieser Effekt durch die optimale Kombination von Baustahl mit Beton weiter gesteigert. Durch die konstruktiven Anwendungsgrenzen bekannter Verbundmittel, wie z.B. der Kopfbolzendübel, sind der Konstruktion schlanker Bauteile jedoch Grenzen gesetzt. Denn zur weiteren Optimierung von Verbundkonstruktionen bedarf es kleiner leistungsfähiger Verbundmittel, die Schubkräfte auch dann übertragen können, wenn die Platte extrem schlank wird.
Die Entwicklung des CMT PIN-Schweißverfahrens durch die Firma Fronius ermöglicht die Herstellung von kleinen Metall-Pins. Die wenige Millimeter hohen Pins werden während des Schweißprozesses auf das Grundmaterial geschweißt und direkt aus dem Schweißdraht geformt. Die Pins ermöglichen eine schubfeste, duktile Verbindung zwischen metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen. Das Pin-Schweißen erlaubt einen im Vergleich zu Kopfbolzendübeln ähnlich hohen Vorfertigungsgrad.
Aufbauend auf dem PIN-Schweißverfahren werden zunächst Untersuchungen zu den Einflussparametern des Schweißprozesses, wie z.B. Schweißstrom und Drahtgeschwindigkeit, durchgeführt. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die Pin-Geometrie, im Speziellen die Pin-Höhe und den Pin-Schaftdurchmesser, für den Einsatz in Stahl-Beton-Verbundkonstruktionen weiter zu entwickeln. Hierzu wer-den unter anderem die Schweißparameter der einzelnen Phasen variiert und unterschiedliche Drahtdurchmesser verwendet. Um Fehlerscheinungen ausschließen zu können, werden die Pins anhand von Makroschliffen und Materialtests überprüft.
Zur Ermittlung der lokalen Tragfähigkeit, dem Verformungsvermögen und zur Identifizierung von Versagensmechanismen werden Schub- und Zugversuche an den weiterentwickelten Pin-Geometrien durchgeführt, wobei der Einfluss des Pin-Abstands in einem selbst entwickelten Torsionsversuch ermittelt wird. Die globale Biegetragfähigkeit wird mithilfe von Verbundträgern untersucht. Dabei wird der Einfluss der Rissbildung auf die Tragfähigkeit und das Verformungsvermögen mit Hilfe von Verbundplatten geprüft. Darüber hinaus werden teilverdübelte Bauteilversuche durchgeführt, bei denen sowohl die Pin-Anzahl als auch die Schublänge variiert wird. Aufbauend auf den Untersuchungen werden für die Anwendung der Pins in Stahl-Beton-Verbundkonstruktionen statistisch abgesicherte Bemessungsgleichungen hergeleitet.
