Analysis of the fatigue behaviour of crown dowels as alternative shear connectors

Abstract

Die Stahl-Beton-Verbundbauweise zeichnet sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit infolge der werkstoffgerechten Beanspruchung der beiden Verbundbaustoffe aus. Um die gemeinsame Tragwirkung der einzelnen Querschnittsteile sicherzustellen, sind Verbundmittel erforderlich. Das gebräuchlichste Verbundmittel stellt dabei der Kopfbolzendübel dar.<br />Kontinuierliche Schubverbinder, wie Betondübel gewinnen allerdings in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Sie bestehen aus einem Blechstreifen, mit hintereinander angeordneten Dübelausnehmungen, der in den bewehrten Betongurt einbindet und der durch längslaufende Kehlnähte mit dem Stahlquerschnitt verbunden ist. Eine spezifische Dübelform ist der sogenannte Kronendübel. Nachdem die statische Tragfähigkeit dieser Dübelgeometrie bereits in früheren Forschungsarbeiten eingehend analysiert wurde, liegt der Fokus nun auf der Untersuchung des Ermüdungsverhaltens Den Mittelpunkt der Arbeit stellt die Lebensdauerberechnung des Kronendübels nach dem Kerbspannungs- und nach dem Kerbdehnungskonzept, sowie die Verifikation der Ergebnisse mit Hilfe begleitender Dauerschwingversuche dar. Beide Berechnungsverfahren erfordern zunächst die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen der äußeren Dübelkraft und den maßgebenden Kerbbeanspruchungen. Zu diesem Zweck werden umfangreiche numerische Untersuchungen durchgeführt, die sowohl die Versuchssimulation, als auch Parameterstudien beinhalten. Den Kerbbeanspruchungen kann in weiterer Folge eine Anrissschwingspielzahl zugeordnet werden. Dazu stehen verschiedenste Methoden der Schädigungsbewertung zur Auswahl. Das Ergebnis stellt jeweils der Zusammenhang zwischen der zyklischen Dübelbeanspruchung und der ertragbaren Lastzyklenzahl in Form von Bauteil-Wöhlerkurven dar.<br />Durch den Vergleich von Berechnungs- und Versuchsergebnissen konnten verschiedenste Methoden der Schädigungsbewertung hinsichtlich ihrer Tauglichkeit zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens des Kronendübels beurteilt werden. Die durchgeführten Parameterstudien zeigen den Einfluss der Verwendung unterschiedlicher Materialgüten und Dübelgeometrien auf die Lebensdauer auf. Die Linearisierung der Bauteil-Wöhlerkurven nach dem Kerbdehnungskonzept führt letztendlich auf den Vorschlag eines praxistauglichen Nachweiskonzepts.<br />

In steel-concrete composite constructions shear connectors ensure the transmission of shearing forces between the section parts.<br />Continuous shear connectors like concrete dowels are thereby a competitive alternative to the widely used headed studs. They consist of a perforated sheet of steel which is embedded in reinforced concrete. A specific dowel is the so-called 'crown dowel'. After the examination of the static load carrying behaviour of different concrete dowels in former research programs, the current investigations are focussed on the fatigue behaviour of the crown dowel. The central point of the present work is the lifetime prediction of the crown dowel. For that purpose the notch stress concept and the local strain concept are used and verified against the results of cyclic push out tests. For both calculation methods the relations between the external dowel loads and the maximum local stresses and strains have to be determined. Therefore extensive numerical calculations, containing the simulation of the laboratory tests, as well as parameter studies are made. The local stresses and strains can be assessed by different methods. The result is always the relation between an external, cyclic dowel load and the bearable number of load cycles till crack initiation.<br />The comparison of the laboratory tests and the calculation results allows the evaluation of the suitability of different approaches for the lifetime calculation of the crown dowel. The parametric studies show the influence of material properties and dowel shapes. Finally the linearization of the "`Wöhler"'- curves obtained from the local strain concept leads to the suggestion of a very simple and practicable design procedure for the crown dowel.<br />