Zum Ermüdungsverhalten von Holz-Beton ... - Quadriga

Zum Ermüdungsverhalten von
Holz-Beton-Verbundbrücken
Die Holzbrückenbaunorm DIN 1074:2006 [3] thematisiert
in Abschnitt 10 bzw. Anhang C den
Ermüdungsnachweis für Holz, Holzwerkstoffe und
Holzverbindungen. Dabei wird ein vereinfachter
Nachweis vorgestellt, der auf einer ermüdungsrelevanten
Einwirkung mit gleich bleibender Amplitude
basiert. Für Brückenkonstruktionen in Holz-
Beton-Verbundbauweise, die in der jüngeren Vergangenheit
zunehmend in den Blickpunkt des
Ingenieurholzbaus geraten sind, ist ein solcher
Ermüdungsnachweis ebenfalls zwingend erforderlich.
Da bei Holz-Beton-Verbundbrücken die Teilquerschnitte
Holz und Beton in der Regel jedoch
über spezielle Sonderverbindungsmittel zusammengefügt
sind (z.B. eingeklebte Streckmetalle,
kreuzweise eingeklebte Stahlstäbe, Dübelleisten,
Kerven), sind die in DIN 1074:2006 [3] genannten
Nachweisansätze nicht immer direkt anwendbar.
Einige Forschungs- und Entwicklungsvorhaben
haben sich dieser Thematik in der letzten Zeit
angenommen und Untersuchungen zur Ermittlung
der Ermüdungsfestigkeit von Verbindungsmitteln,
die bei Holz-Beton-Verbundbrücken eingesetzt
werden, durchgeführt. Im Rahmen dieses
BRÜCKENBAU-SPECIALS werden im folgenden Beitrag
die aktuell vorliegenden Untersuchungsergebnisse
vorgestellt.
Autoren:
Dipl.-Ing. (TU) Dipl.-Ing. (FH)
Oliver Bletz
Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon
Fachhochschule Wiesbaden
Fachbereich Architektur und
Bauingenieurwesen
Institut für Baustoffe und
Konstruktion
Grundlagen zur
Ermüdung
In DIN 1074:2006 [3] werden
in Abschnitt 10 die allgemeinen
Nachweise in den
Grenzzuständen der Tragfähigkeit
behandelt.
Danach ist für Tragwerke,
Tragwerksteile oder Verbindungen,
die häufigen Spannungsänderungen
ausgesetzt
sind, nachzuweisen,
dass kein Versagen oder
größerer Schaden infolge
von Ermüdung auftritt.
Unter Ermüdung versteht
man dabei die in einem
Werkstoff ablaufenden Veränderungen
und Prozesse,
die bei veränderlichen und
zeitlich wiederholt auftretenden
Beanspruchungen
auftreten und im Laufe der
Nutzungsdauer zu einer
Funktionsuntüchtigkeit
oder zum Versagen führen
können. Die Beurteilung
des Ermüdungsverhaltens
gehört zu den wichtigsten
Kriterien in den Grenzzuständen
der Tragfähigkeit.
Bei Brückenkonstruktionen
in Holz-Beton-Verbundbauweise
ist es daher zwingend
erforderlich, eine Aussage
über das Ermüdungsverhalten
bzw. die Ermüdungsfestigkeit
der eingesetzten
Verbindungsmittel zu erhalten,
da sie wiederholt auftretenden
und ermüdungsrelevanten
Einwirkungen
ausgesetzt sind.
Dauerschwingversuch
Die Ermüdungsfestigkeit
von Verbindungsmitteln im
Holz-Beton-Verbundbau
wird i.d.R. über die Durchführung
von Dauerschwingversuchen
ermittelt. Die
Grundlagen zu solchen
Dauerschwingversuchen
sind in DIN 50100:1978 [4]
beschrieben. Darin wird
auch der so genannte
Wöhlerversuch erwähnt.
Beim Wöhlerversuch handelt
es sich um den wichtigsten
Versuch zur Ermittlung
der Ermüdungsfestigkeit.
Hierbei werden mehrere
identische Prüfkörper in
einer Prüfserie so lange
periodisch schwingend
beansprucht, bis entweder
ein Bruchversagen der Prüfkörper
eintritt oder eine
definierte Grenzlastspielzahl
erreicht wird. Die Beanspruchung
wird am Beginn
des Versuchs definiert und
über die Dauer nicht mehr
verändert. Ein auf diese Art
Abb. 1:
Schwingbeanspruchung
(aus [2])
und Weise durchgeführter
Versuch wird nach DIN
50100:1978 [4] als Einstufen-Dauerschwingversuch
bezeichnet.
Bei üblichen Schwingfes -
tigkeitsuntersuchungen wird
die Belastung in Form einer
sinusförmigen Schwing -
belastung mit einer be -
stimmten Mittelspannung
aufgebracht. Die sinusförmige
Lastaufbringung entspricht
zwar nicht den realen
Verhältnissen, bei
denen in der Regel hinsichtlich
der Größe und der
Regelmäßigkeit ungleichmäßige
Beanspruchungen
auftreten – Untersuchungen
haben jedoch gezeigt,
dass Abweichungen vom
sinusförmigen Lastverlauf
im Vergleich zu Änderungen
der Lastgrenzen nur
geringen Einfluss auf das
Werkstoffverhalten haben,
wodurch diese idealisierte
Lastaufbringung legitimiert
wird.
Beim Wöhlerversuch
werden die Prüfkörper einer
Prüfserie stets unter definierten
Beanspruchungsverhältnissen
getestet. Diese
Beanspruchungsverhältnisse
stellen nach Abbildung 1
entweder eine konstante
Special: Holzbrücken
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Special: Holzbrücken
Oberspannung o [N/mm 2 ]
Abb. 2:
Idealisiertes Wöhlerdiagramm
in halblogarithmischer Darstellung
(aus [2])
Tabelle 1: Kenngrößen zur
Beschreibung der Ermüdungsversuche
(aus [2])
Kenngröße Einheit Definition
Oberspannung o N/mm² Betragsmäßige größere Spannung
Unterspannung u N/mm² Betragsmäßige kleinere Spannung
Mittelspannung m N/mm² m = ( u + o ) / 2
Spannungsschwingbreite N/mm² = o - u
Spannungsamplitude A N/mm² A = ( o - u ) / 2
Spannungsverhältnis - = u / o
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Kurzzeitfestigkeit
Schwingspielzahl N [-]
Zeitfestigkeit
Mittelspannung m mit
Variation der Spannungsamplitude
a oder ein konstantes
Spannungsverhältnis
zwischen Unterspannung
u und Oberspannung
o dar. Tabelle 1 zeigt die
Beziehungen zwischen den
einzelnen Parametern.
Im Allgemeinen wird
beim Dauerschwingversuch
noch zwischen Wechselund
Schwellbeanspruchung
unterschieden. Bei einer
Wechselbeanspruchung
wird die Probe innerhalb
eines Lastspiels sowohl auf
Dauerfestigkeit
Druck als auch auf Zug
beansprucht. Bei Schwellbeanspruchungen
treten
entweder nur Zugbeanspruchungen
oder nur Druckbeanspruchungen
auf (im
Rahmen der später vorgestellten
Untersuchungen
wurden jeweils schwellende
Druckscherbeanspruchungen
aufgebracht).
Zur Auswertung der Versuchsergebnisse
wird ein
Wöhlerdiagramm erstellt
(Abbildung 2). Dabei wird
in einer möglichen Darstellungsvariante
die Anzahl
der Schwingspiele N in
Abhängigkeit der Spannungsverhältnisse
aufgetragen.
Die Darstellung der
Ergebnisse im Wöhlerdiagramm
erfolgt entweder im
halb- oder doppelt-logarithmischen
Maßstab. Im
Wöhlerdiagramm werden
drei Festigkeitsbereiche bestimmt.
Als Kurzzeitfes -
tigkeit wird ein Bereich
definiert, bei dem das
Bruchversagen der Prüfkörper
bei einer Schwingspielzahl
N < 10 4 erfolgt. Der
Bruchvorgang ist durch
plastische Verformungen
gekennzeichnet. Der
Bereich von N = 10 4 bis
N = 10 6 - 10 7 Schwingspiele
wird als Zeitfestigkeit
bezeichnet. Die Wöhler -
linie weist in diesem
Bereich eine stark fallende
Tendenz auf. Als Dauerfestigkeit
wird dagegen ein
Bereich definiert, der ab
N = 10 6 - 10 7 Schwingspielen
gerade nicht mehr zum
Versagen der Prüf körper
durch Ermüdung führt.
Im Wöhlerdiagramm zeigt
sich dies durch einen horizontalen
Verlauf der
Wöhlerlinie. Unterhalb des
der Dauerfestigkeit zugehörigen
Lastniveaus kann
ein Bauteil theoretisch
beliebig viele Schwingungen
erfahren.
Das eingesetzte Material
hat einen wesentlichen Einfluss
auf die Dauerfestigkeit.
So sind in der Literatur
Richtwerte für Grenzlastspielzahlen
von N = 10 7 für
den Werkstoff Stahl oder
N = 10 8 für Leichtmetalle
zu finden. Einige Materialien
besitzen zudem überhaupt
keine Dauerfestigkeit.
Aluminium stellt ein Beispiel
für einen Werkstoff
ohne ausgeprägte Dauerfes -
tigkeit dar. Im Wöhlerdiagramm
weisen solche Materialien
keinen horizontalen
Verlauf der Wöhlerlinie auf.
Es bleibt zu erwähnen,
dass ein Wöhlerdiagramm
jeweils immer nur für ein
Beanspruchungsverhältnis
(konstante Mittelspannung
oder konstantes Verhältnis
von Unterspannung zu
Oberspannung) erstellt
wird.
DIN-Fachbericht
101:2003 [5]
Um die oben genannten
Schwingspielzahlen besser
einordnen zu können, können
die Angaben und Empfehlungen
des DIN-Fachberichtes
101:2003 [5], der
die Einwirkungen auf Brü -
cken regelt, herangezogen
werden. Danach führt ein
über eine Brücke fließender
Verkehr zu einem Spannungsspektrum,
das Ermüdung
herbeiführen kann.
Das Spannungsspektrum
hängt von den Achslasten,
den Abmessungen der
Fahrzeuge, dem Fahrzeugabstand,
der Verkehrszusammensetzung
und deren
dynamischen Wirkungen
ab. Für Ermüdungsnachweise
soll eine Verkehrskategorie
festgelegt werden, die
die Anzahl der Fahrstreifen
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mit LKW-Verkehr sowie die
Anzahl der jährlichen
LKW-Überfahrten berücksichtigt.
Tabelle 2 zeigt eine
Zusammenstellung der in
DIN-Fachbericht 101:2003
[5] genannten Verkehrskategorien
mit zugehörigen
Spannungsspielen. Danach
ergeben sich für örtliche
Straßen mit einem geringen
LKW-Anteil jährlich N obs =
50.000 Spannungsspiele.
Für Hauptstraßen mit
geringem LKW-Anteil können
jährlich N obs = 125.000
Spannungsspiele, für Stra -
ßen oder Autobahnen mit
mittlerem LKW-Anteil
bereits N obs = 500.000
Spannungsspiele im Jahr
sowie für Straßen und
Autobahnen mit je zwei
oder mehr Fahrstreifen je
Fahrtrichtung mit hohem
LKW-Anteil sogar N obs =
2.000.000 jährliche Spannungsspiele
angesetzt werden.
Bei einer (konservativ)
angesetzten 40 jährigen
Nutzungsdauer einer Brücke
ergeben sich somit
Spannungsspiele von bis zu
80.000.000 Schwingspielen.
Diese Überlegungen verdeutlichen
eindrucksvoll,
weswegen ein Ermüdungsnachweis
bei Brückenkonstruktionen
zwingend erforderlich
ist.
Untersuchungen zum
Verbindungsmittel „eingeklebte
Streckmetalle“
An der FH Wiesbaden wurden
in einem vor Kurzem
abgeschlossenen Forschungsvorhaben
,eingeklebte
Streckmetalle’ als
Verbindungsmittel für Holz-
Beton-Verbundbrücken
untersucht. Ein Schwerpunkt
der Untersuchungen
lag dabei in der Untersuchung
des Ermüdungsverhaltens.
Hierbei wurden ca.
60 Holz-Beton-Verbundprüfkörper
hergestellt und
in Dauerschwingversuchen
getestet [2]. In Abbildung 3
ist exemplarisch ein im
Rahmen dieser Untersuchungen
eingebauter Holz-
Beton-Verbundprüfkörper
Tabelle 2: Verkehrskategorien nach DIN-Fachbericht 101:2003 [5]
Verkehrskategorie
N obs je Jahr und Gesamtschwingzahl während
je LKW-Fahrstreifen einer 40-jährigen Nutzung
Straßen und Autobahnen mit je zwei
oder mehr Fahrstreifen je Fahrtrichtung 2.000.000 80.000.000
mit hohem LKW-Anteil
Straßen und Autobahnen
mit mittlerem LKW-Anteil
500.000 20.000.000
Hauptstraßen
mit geringem LKW-Anteil
125.000 5.000.000
Örtliche Straßen
mit geringem LKW-Anteil
50.000 2.000.000
mit applizierter Messtechnik
dargestellt, der unter
schwellender Druckscherbeanspruchung
getestet
wurde. In den Versuchsreihen
wurden Schwingspielzahlen
von bis zu
10.000.000 Belastungen
aufgebracht.
Der Holzquerschnitt
bestand bei allen Prüfkörpern
aus Brettschichtholz
der Sortierklasse BS 11 mit
Abmessungen b/h/l =
400/80/600 mm. Die
Lamellenstärke betrug ca.
42 mm. Bei den eingesetzten
Holzelementen der
Prüfkörper lag eine senkrechte
Lamellenanordnung
vor. Die Lagerung der
Brettschichtholzelemente
vor der Versuchsdurchführung
erfolgte unter
Laborbedingungen. Stichprobenartige
Messungen
der Prüfkörper ergaben
Holzfeuchten zwischen 8%
und 13%. Bei den Prüfkörpern
wurden Holzplattenelemente
und Betonquerschnitte
über ins Holz eingeklebte
und in den Beton
verankerte unverzinkte
Streckmetalle verbunden.
Die Streckmetalle besaßen
eine Höhe von 90 mm, eine
Breite von 2 mm sowie eine
Länge von 40 cm. Sie wurden
jeweils einreihig in eine
40 mm tiefe und 3,0 mm
breite Nut in den Holzquerschnitten
eingeklebt. In den
Untersuchungen wurden
u.a. zwei unterschiedliche
Klebstoffsysteme für den
Einklebevorgang der
Streckmetalle verwendet.
Wesentliches Ziel der
Versuche war es, die Beanspruchungen,
die z.B. bei
Brückenkonstruktionen
durch regelmäßige Überfahrten
von Verkehrsmitteln
(Lastkraftwagen, Personenkraftwagen)
auftreten,
im Rahmen der Untersuchungen
zu simulieren. Bei
solchen Brückenkonstruktionen
tritt eine Beanspruchung
mit der Überfahrt
auf. Sie fällt weg, wenn die
Überfahrt des Verkehrsmittels
beendet ist. Eine Beanspruchung
infolge eines solchen
Verkehrsmittels
schwankt somit zwischen
einem Minimalwert 0 und
Abb. 3:
Prüfvorrichtung (aus [2])
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Special: Holzbrücken
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Special: Holzbrücken
Tabelle 3: Verhältnis zwischen Dauerschwingdruckscherfestigkeit und Kurzzeitdruckscherfestigkeit in
Abhängigkeit des eingesetzten Klebstoffsystems, 0,09 (aus [2])
Klebstoffsystem
Kurzzeitdruckscher- Dauerschwingdruckscherversuch:
Fmax,m
versuch: F D
F D / F max,m
[-] [kN] [kN] [-]
A 93,34 ~ 35,00 0,37
B 102,39 ~ 37,00 0,36
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einem von der Charakteristik
des Verkehrsmittels
abhängigen Maximalwert.
Übertragen auf den Prüfkörper
handelt es sich um
eine Schwellenbeanspruchung
mit einer minimalen
Unterlast und einer maximalen
Oberlast. Die einzelnen
Holz-Beton-Verbund-
Bauteilversuche wurden
unter einer Druckscherschwellenbeanspruchung
gefahren, d.h. die aufgebrachte
Last befand sich zu
jedem Zeitpunkt des Versuchs
im Druckbereich. Die
Frequenz der Lastaufbringung
(sinusförmige Lastaufbringungsart),
d.h. die
Anzahl der aufgebrachten
Belastungen pro Sekunde
betrug zwischen 2 Hz und
3 Hz, wodurch sich Versuchsdauern
von bis zu 39
Tagen (!) pro Versuchskörper
ergaben. Die Ermittlung
des Ober- und Unterlastniveaus
erfolgt unter Berücksichtigung
eines gleich bleibenden
Spannungsverhältnisses
. In den Versuchsreihen
wurde bei einem
Großteil der Prüfkörper ein
Spannungsverhältnis von
0,09 angestrebt. Damit
sollte das oben beschriebene
Beanspruchungsverhalten
aus einer Verkehrsbelas -
tung simuliert werden, bei
dem nach einer maximalen
Beanspruchung o die Entlastungsphase
erfolgt, wobei
u Werte annimmt, die relativ
nahe am Wert 0 liegen
(nur Beanspruchungen in -
folge Eigengewicht vorhanden).
Zusätzlich wurde bei
einem Teil der Versuche ein
Spannungsverhältnis von
= 0,50 gewählt. Aus dem
Vergleich der Messergebnisse
ließ sich eine grundsätz -
liche Aussage zum Einfluss
des Spannungsverhältnisses
auf das Ermüdungsverhalten
von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
mit
Abb. 4:
Einfluss des Klebstoffsystems
auf die Bauteilwöhlerlinien,
0,09 (aus [2])
eingeklebten Streckmetallen
ableiten.
In den durchgeführten
Versuchen trat das Versagen
stets im Streckmetall auf.
Die Werkstoffe Holz und
Beton sowie das jeweils eingesetzte
Klebstoffsystem
wiesen keine Ermüdungserscheinungen
auf. Dieses
Systemverhalten entsprach
damit dem Systemverhalten
von Holz-Beton-Verbundprüfkörpern
unter einer
Kurzzeitdruckscherbeanspruchung,
bei dem ebenfalls
das Streckmetall versagte.
Die aus den Dauerschwingversuchen
ermittelten
Bruchschwingspielzahlen
in Abhängigkeit des
Oberlastniveaus sind für
Holz-Beton-Verbundprüfkörper
mit eingeklebten
Streckmetallen (Klebstoffsystem
A bzw. Klebstoffsys -
tem B) grafisch in Abbildung
4 aufgetragen. Das
Wöhlerdiagramm ist im
halblogarithmischen Maßstab
erstellt. Hierin sind die
drei Festigkeitsbereiche
Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit
und angenommene
Dauerfestigkeit durch
gestrichelte Linien angedeutet.
Die Werte bei N =
1 · 10 0 Schwingspiel stellen
die Bruchlasten F max der
zugehörigen Kurzzeitdruckscherversuche
dar. Grundsätzlich
zeigt sich eine eindeutige
Abhängigkeit zwischen
aufgebrachter Oberlast
und Schwingspielzahl.
Mit steigender Oberlast
sinkt die die aufnehmbare
Schwingspielzahl. Deutlich
erkennbar im Wöhlerschaubild
sind die jeweils stark
fallenden Tendenzen der
Bauteilwöhlerlinien im Be -
reich der Zeitfestigkeit. Ab
einer erreichten Schwingzahl
von N = 2 · 10 6
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Abb. 5:
Einfluss des Spannungsverhältnisses
auf die Bauteilwöhlerlinien
(aus [2])
Schwingspielen liegt ein
nahezu horizontaler Verlauf
der Bauteilwöhlerlinien vor.
Aus dem Wöhlerschaubild
wird ersichtlich, dass
das verwendete Klebstoff -
sys tem einen maßgeblichen
Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit
der Prüfkörper
besitzt. Auf demselben Lastniveau
treten Ermüdungsbrüche
bei mit dem Klebstoffsystem
A eingeklebten
Streckmetallen bei geringeren
Schwingzahlen auf als
bei mit dem Klebstoffsystem
B eingeklebten Streck -
metal len. Die Wöhlerlinien
für beide Klebstoffsysteme
ähneln sich qualitativ im
Verlauf, sind aber in
Abhängigkeit des aufnehmbaren
Oberlastniveaus
gegeneinander versetzt. Für
das Klebstoffsystem A liegt
bei einem Lastniveau von
circa 35 kN die angenommene
Dauerfestigkeit vor;
für das Klebstoffsystem B
liegt bei der angenommenen
Dauerfestigkeit das
Lastniveau mit ungefähr
38 kN geringfügig höher.
Für beide Klebstoffsysteme
liegen somit unter den
gewählten Versuchsparametern
Verhältniswerte zwischen
der Dauerschwingdruckscherfestigkeit
und
der mittleren Kurzzeitdruckscherfestigkeit
F D /F max,m von etwa 0,37
vor (Tabelle 3). Daraus
kann direkt gefolgert werden,
dass bei ermüdungsrelevanten
(nicht statischen)
Be anspruchungen die statische
Tragfähigkeit von eingeklebten
Streckmetallen
abgemindert werden muss.
Der Einfluss des Spannungsverhältnisses
auf die
Ermüdungsfestigkeit von
Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
mit eingeklebten
Streckmetallen wur de
Tabelle 4: Verhältnis zwischen Dauerschwingdruckscherfestigkeit und Kurzzeitdruckscherfestigkeit in
Abhängigkeit des Spannungsverhältnisses (aus [2])
in einer weiteren Versuchsreihe
untersucht und kann
aus Abbildung 5 abgelesen
werden. Bei den dargestellten
Versuchsreihen wurde
ein Teil der Versuchsköper
unter einem Spannungs -
verhältnis 0,09 getes -
tet, während bei dem Rest
der Prüfkörper ein Spannungsverhältnis
0,50
zugrunde gelegt wurde. Es
zeigte sich, dass die Versuchskörper,
die unter
einem Spannungsverhältnis
0,09 getestet wurden,
auf gleichem Oberlastniveau
signifikant geringere
Bruchschwingspielzahlen
aufwiesen als Versuchskörper,
bei denen ein Spannungsverhältnis
0,50
vorlag. Daraus lassen sich
folgende Schlussfolgerungen
ableiten:
●
●
Spannungsverhältnis Kurzzeitdruckscher- Dauerschwingdruckscher-
versuch: Fmax,m versuch: F D
F D / F max,m
[-] [kN] [kN] [-]
0,09 100,78 ~ 32,00 0,32
0,50 100,78 ~ 59,00 0,59
Mit wachsendem Spannungsverhältnis
sinkt
die ermüdungsrelevante
Beanspruchung für eine
Holz-Beton-Verbundkonstruktion
mit eingeklebten
Streckmetallen.
Mit wachsendem Spannungsverhältnis
steigt
●
das rechnerische Verhältnis
aus Dauerschwingdruckscherfestigkeit
und
der mittleren Kurzzeitdruckscherfestigkeit
F D /F max,m an (Tabelle 4).
Bei Holz-Beton-Verbundkonstruktion
mit eingeklebten
Streckmetallen
wird die Ermüdungsfestigkeit
durch die Größe
der Spannungsamplitude
stärker beeinflusst als
durch die Größe der Mittelspannung.
●
Die Ermüdungsfestigkeit
von Holz-Beton-Verbundbrücken
mit eingeklebten
Streckmetallen
wird maßgeblich durch
das Eigengewicht der
Brücke beeinflusst.
Brücken mit hohem
Eigengewicht sind
gegenüber Ermüdung
weniger anfällig als
Brücken mit geringem
Eigengewicht (bei Überfahrten
von identischen
Verkehrsmitteln).
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Special: Holzbrücken
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Special: Holzbrücken
Abb. 6:
Detailansicht des Verbindungsmittels
„Dübelleiste“ (aus [8])
Abb. 7:
Detailansicht des Verbindungsmittels
„kreuzweise eingeklebte
Stahlstäbe“ (aus [6])
Die Ergebnisse aus den
Untersuchungen zeigen in
der Summe, dass das Verhalten
von in Holz eingeklebten
und in Beton verankerten
Streckmetallen
unter einer schwellenden
Druckscherbeanspruchung
bei den untersuchten Versuchsparametern
grundsätzlich
sehr gleichmäßig,
reproduzierbar und gut vorhersagbar
ist. Bei ermüdungsrelevanten
Beanspruchungen
darf jedoch nicht
die unter statischen Verhältnissen
(in Kurzzeittraglastversuchen)
ermittelte
Tragfähigkeit von eingeklebten
Streckmetallen
angesetzt werden. Eine
Abminderung der statischen
Tragfähigkeit der eingeklebten
Streckmetalle in
Abhängigkeit der Randbe-
dingungen Klebstoffsystem
und Spannungsverhältnis
muss vorgenommen werden.
Untersuchungen zum
Verbindungsmittel
„Dübelleiste“
In einem Forschungsvorhaben
an der Bauhaus Universität
Weimar wurde u.a.
das Verbindungsmittel
‚Dübelleiste-Stahlplatte mit
aufgeschweißten Kopfbolzendübeln’
untersucht und
aufgrund der positiven
Untersuchungsergebnisse
als für den Brückenbau
geeignetes Verbindungssys -
tem eingestuft ([8], [9]).
Als Besonderheiten dieses
Verbindungsmittels (Abbildung
6) sind die relativ einfache
Herstellung sowie die
gut erfassbare Beschreibung
der Bemessungssituation zu
nennen. Die Dübelleiste
nutzt anerkannte und
langjährig bewährte Prinzipien
zur Kraftübertragung
(holzseitig liegt das Versatzprinzip
vor, während betonseitig
auf das aus dem
Stahlverbundbau bekannte
Verbindungsmittel Kopfbolzendübel
zurückgegriffen
wird). Zwei Prüfkörper mit
diesem Verbindungsmittel
wurden im Rahmen des
FuE-Vorhabens hergestellt
und in Druckscherschwellenversuchen
auf ihr Ermüdungsverhalten
hin getestet.
Die aufgebrachte
Oberlast betrug dabei 35%
der Bruchlast des statischen
Kurzzeittraglastversuchs
(0,35 F max ). Das Unterlastniveau
wurde zu 0,06 F max
festgelegt. Daraus ergab
sich ein Spannungsverhältnis
0,17. Beide Prüfkörper
durchliefen die
angesetzte Lastspielzahl von
2.000.000 Schwingspielen
ohne Ermüdungsversagen.
Lediglich die Relativverschiebungen
zwischen den
Teilquerschnitten Holz und
Beton nahmen während der
Versuchsdurchführung zu.
Nach Beendigung der dynamischen
Vorbelastungen
und vollständiger Entlas -
tung wurden beide Probekörper
bis zum Bauteilbruch
hin beansprucht. Die
dynamisch vorbelasteten
Probekörper zeigten dabei
ähnliche Versagensmodi wie
die Probekörper der Kurzzeitdruckscherversuche
(sprödes Abscheren der
Vorhölzer). Die Tragfähigkeiten
der vorbelasteten
Prüfkörper lagen in der gleichen
Größenordnung wie
die Tragfähigkeiten der
Prüfkörper der Kurzzeitdruckscherversuche.
Untersuchungen zum
Verbindungssystem
„kreuzweise eingeklebte
Stahlstäbe“
In dem oben genannten
Forschungsvorhaben an der
Bauhaus Universität Weimar
wurde auch das Verbindungssystem
‚kreuzweise
eingeklebte Stahlstäbe’ ge -
testet ([8], [9]). Die Schub -
übertragung zwischen den
Teilquerschnitten Holz und
Beton erfolgte hierbei über
zwei unter einem Winkel
von 45° kreuzweise ins Holz
eingeklebte Bewehrungsstäbe
(BST 500) mit einem
Durchmesser von jeweils
14 mm. Der Durchmesser
der 50 cm tiefen Bohrungen
betrug jeweils 18 mm. Als
Klebstoff wurde ein zweikomponentiger
Epoxydharz
verwendet. Die aus dem
Holzquerschnitt herausragenden
Abschnitte der
Bewehrungsstähle wurden
abgewinkelt und im Frischbeton
verankert. Zwei auf
diese Art und Weise hergestellte
Prüfkörper wurden
ebenfalls in Druckscherschwellenversuchen
auf ihr
Ermüdungsverhalten hin
getestet. Die aufgebrachte
Oberlast betrug wiederum
35% der Bruchlast des
zugehörigen statischen
Kurzzeitdruckscherversuchs
(0,35 F max ). Das Unterlastniveau
wurde zu 0,06 F max
festgelegt, woraus sich ein
Spannungsverhältnis von
0,17 ergab. Beide Prüfkörper
durchliefen die
angesetzte Lastspielzahl von
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Abb. 8:
Ansicht der Birkbergbrücke
(Foto: Schaffitzel [11])
Abb. 9:
Querschnitt der Birkbergbrücke
(aus [7])
ca. 2.200.000 Schwingspielen
ohne Ermüdungsversagen.
Wiederum nahmen die
Relativverschiebungen zwischen
den Teilquerschnitten
Holz und Beton
während der Versuchsdurchführung
zu. Nach
Beendigung der dynamischen
Vorbelastungen und
vollständiger Entlastung
wurden die Probekörper bis
zum Bauteilbruch hin beansprucht.
Die dynamisch
vorbelasteten Probekörper
zeigten ähnliche Versagensmodi
wie die Probekörper
der Kurzzeitdruckscherversuche
(Stahlbruch des Zugstabes
nach ausgeprägt duktiler
Verformung).
Weitere Untersuchungen
zur Ermüdungsfestigkeit des
Verbindungsmittels ,kreuzweise
eingeklebte Bewehrungsstäbe’
werden derzeit
an der Universität Stuttgart
durchgeführt [6]. 9 Prüfkörper
sollen hierbei im
Rahmen von Druckscherschwellenversuchen
getes -
tet werden, wobei bei einem
festgelegten Spannungsverhältnis
= 0,10 das Oberund
Unterlastniveau gezielt
variiert werden soll. Ab -
bildung 7 zeigt exemplarisch
einen Versuchskörper
mit eingeklebten Bewehrungsstäben
vor dem Betonieren.
Die Ergebnisse werden
in Kürze nach Ab -
schluss des FuE-Vorhabens
in einem Forschungsbericht
veröffentlicht.
Untersuchungsergebnisse
zum Verbindungsmittel
„Kerve“
An der Universität Stuttgart
wird seit einigen Jahren
die ‚Kerve’ als Verbindungsmittel
für Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
untersucht.
In einem derzeit laufenden
FuE-Vorhaben wird
hierbei auf die Ermüdungsfestigkeit
der Kerve eingegangen
[6]. 9 Prüfkörper
wurden im Rahmen von
zyklischen Druckscherversuchen
jeweils unter einem
Spannungsverhältnis =
0,10 getestet, wobei in der
Versuchsreihe das Oberund
Unterlast niveau gezielt
variiert wurde. Bisher vorliegende
Forschungsergebnisse
zeigen, dass das Ermüdungsver
sagen der Prüfkörper
jeweils durch ein
Schubversagen im Brettschichtholz
hervorgerufen
wurde. Dieser Versagens -
mechanismus lässt sich gut
mit dem in DIN 1074:2006,
Anhang C vorgeschlagenen
Bemessungsansatz für das
Ermüdungsverhalten von
auf Schub beanspruchtem
Holz darstellen. Die ermittelten
Messergebnisse sind
gegenüber dem Norm-
Berechnungsansatz jedoch
geringfügig günstiger. Die
abschließenden Forschungsergebnisse
werden nach
Beendigung des FuE-Vorhabens
in einem Forschungsbericht
präsentiert.
Praxisumsetzung
Die unmittelbare Umsetzung
erster Forschungsergebnisse
in der Brücken -
baupraxis erfolgte in letzter
Zeit für die Verbindungsmittel
‚eingeklebte Streckmetalle’
sowie ,Dübelleis te’.
Bei der im November
2008 fertig ge stellten Birkbergbrücke
über die Wipper
bei Wippra (Abbildungen 8
und 9) wurden als Verbindungsmittel
Dübelleisten
ein gesetzt [7]. Die Trag -
konstruktion der 15,20 m
weit gespannten, als Stra -
ßenbrücke genutzten Birkbergbrücke
besteht hierbei
aus zweistegigen Plattenbalken
aus blockverleimtem
Brettschichtholz (b/h =
126/70 cm).
Bei der im Jahr 2007
erstellten Unidobrücke bei
Wien ([1], [12]) wurden
eingeklebte Streckmetalle
als Verbindungsmittel
genutzt (Abbildungen 10
und 11). Die Tragkonstruktion
der Unidobrücke
besteht aus drei Fischbauchträgern
mit oben liegender
schubfest verbundener
Betonplatte. Als Verbundsystem
wurden jeweils
zweireihig in die Fischbauchträger
eingeklebte
Streckmetalle verwendet.
Special: Holzbrücken
3/2009 19

Special: Holzbrücken
Abb. 10:
Ansicht der Unidobrücke
(Foto: TiComTec [12])
Abb. 11:
Querschnitt der Unidobrücke
(Zeichnung: Duscheck &
Duscheck [10])
Die Streckmetalle wurden
in definierten Abständen
gleichmäßig über die Trägerlänge
angeordnet. Sie
besaßen jeweils eine Höhe
von 90 mm und wurden in
40 mm tiefe Schlitze in den
Holzquerschnitten eingeklebt.
Als Klebstoffsystem
wurde das Klebstoffsystem
A verwendet, das auch in
den Versuchen an der FH
Wiesbaden zum Einsatz
kam. Das Einkleben der
Streckmetalle erfolgte im
Werk. Die 50 mm herausragenden
Teile der eingeklebten
Streckmetalle wurden
anschließend auf der Baustelle
bei der Herstellung
der Betonplatte im Betonquerschnitt
verankert.
Fazit
Bei Holz-Beton-Verbundbrücken,
die als Straßenverkehrsbrücken
genutzt wer-
den, ist aufgrund der
zyklisch wiederkehrenden
Überfahrten der Verkehrsmittel
eine Ermüdungsbeanspruchung
gegeben. Ein
Nachweis gegen Ermüdungsversagen
ist daher für
alle Bestandteile einer Brü -
cke, die durch Ermüdung
beansprucht werden, zu
führen. Neben den Hauptbauteilen
Holz und Stahlbeton
ist insbesondere auch
für metallische Verbin -
dungs mittel ein solcher Er -
müdungsnachweis zu er -
bringen. Da bis vor Kurzem
für diese Verbindungsmittel
keine wissenschaftlich abgesicherten
Aussagen vorlagen,
war es notwendig, diese
Erkenntnisse im Rahmen
experimenteller Untersuchungen
zu erbringen. Neueste
Erkenntnisse aus Forschungs-
und Entwicklungsvorhaben
belegen nun, dass
das Ermüdungsverhalten
von Holz-Beton-Verbundbrücken
und im Speziellen
das Ermüdungsverhalten
der eingesetzten Verbindungsmittel
gut bestimmbar
ist. Im Einzelnen liegen
Erkenntnisse zu den Verbindungsmitteln
‚Kerve’,
‚kreuzweise eingeklebte
Stahlstäbe’, ‚Dübelleiste’
sowie ‚eingeklebte Streckmetalle’
vor. Die Erkenntnisse
ermöglichen nun
einen abgesicherten Einsatz
der Holz-Beton-Verbundbauweise
im Brückenbau.
Mit der Birkbergbrücke über
die Wippra und der Unidobrücke
bei Wien konnten
inzwischen auch zwei Pilotprojekte
ausgeführt werden,
bei denen die FuE-Ergebnisse
erstmals erfolgreich
umgesetzt wurden. ■
Literatur & Quellen
[1] Bathon, L.; Bletz, O.
(2008): „Holz trifft Beton”, bauen
mit holz 6/2008, Seite 28 - 33
[2] Bletz, O.: „Beitrag zur Entwicklung
von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
mit eingeklebten
Streckmetallen“, Dissertation in
Arbeit, TU Darmstadt, Institut
für Stahlbau und Werkstoffmechanik
[3] DIN – Deutsches Institut
für Normung (2006): „DIN
1074, Holzbrücken“
[4] DIN – Deutsches Institut
für Normung (1978): „DIN
50100, Werkstoffprüfung, Dauerschwingversuch,
Begriffe, Zeichen,
Durchführung, Auswertung“
[5] DIN – Deutsches Institut
für Normung (2003): „DIN-
Fachbericht 101, Einwirkungen auf
Brücken“
[6] Kuhlmann, U.; Aldi, P.
(2008): „Fatigue of timber-con -
crete-composite beams: characterisation
of the connection behaviour
through push-out tests“, Proceedings
of the 10th World Conference
on Timber Engineering,
Miyazaki, Japan
[7] Ingenieurgemeinschaft
Setzpfandt (2008): „Birkbergbrücke
über die Wipper bei Wippra“,
Firmenprospekt
[8] Rautenstrauch, K.;
Simon, A. (2008): „Weiterentwicklung
der Holz-Beton-Verbundbauweise
unter Einsatz von blockverleimten
Brettschichtholzquerschnitten
bei Straßenbrücken“, Forschungsbericht
14275 BR, Bauhaus
Universität Weimar
[9] Simon, A. (2008): „Analyse
zum Trag- und Verformungsverhalten
von Straßenbrücken in
Holz-Beton-Verbundbauweise“,
Dissertation, Bauhaus-Universität
Weimar
[10] Fa. Duscheck &
Duscheck GmbH Ingenieurholzbau,
A-3032 Eichgraben,
www.d2-duscheck.at
[11] Fa. Schaffitzel Holzindustrie
GmbH & Co. KG, D-74523
Schwäbisch-Hall,
www.schaffitzel.de
[12] Fa. TiComTec GmbH,
D-63808 Haibach, www.holzbeton-verbund.de
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