Toothed, high-performance steel interfaces for efficient force transmission between precast, high-performance concrete sections

Die neue Verbindung stellt eine Erweiterung der Verbindungsmöglichkeiten im Stahlbetonfertigteilbau dar. Die Notwendigkeit modulare Konstruktionen im Stahlbetonfertigteilbau effizient einzusetzen, zeigen nachfolgende Konstruktionen. Werden Fertigteile auf der Baustelle trocken miteinander gefügt, so sind insbesondere für Anschlüsse, die in einer Ebene erfolgen sollen, Ausklinkungen oder stahlbaumäßige Anschlüsse, notwendig. Das betrifft eine Vielzahl von Anschlusssituationen wie zum Beispiel Träger an Stütze oder Nebenträger an Hauptträger. Bei Konsolen ist es notwendig, die Standardschalung zu unterbrechen, um aufwendige Individualschalungen der Konsolen herzustellen. Auch große Konstruktionen, wie zum Beispiel ein Fachwerkträger, kann als Fertigteil nicht hergestellt werden, sondern muss monolithisch vor Ort betoniert werden. Um Stahlbetonbauteile modular zu fügen, wird die neue Verbindung entwickelt. Funktion Die neue Verbindung besteht aus zwei gezahnten Stahleinbauteilen, die in die Schalung der zu fügenden Bauteile eingelegt werden. Die Stahleinbauteile befinden sich an den beiden Verbindungsflächen von Betonfertigteilen. Das Stahleinbauteil besitzt auf der Betonseite eine betonseitige große Stahlverzahnung, um die Kräfte aus dem Betonbauteil in das Stahleinbauteil einzuleiten. Auf der gegenüberliegenden Seite besitzt das Stahleinbauteil eine feine Stahlverzahnung, mit der die Kräfte von einem Stahleinbauteil zum anderen übertragen werden. Beide Fertigteilelemente werden an der feinen Stahlverzahnung aneinander gesetzt. Über eine Gewindestange wird die Verbindung vorgedrückt. Damit werden die feinen Stahlzähne in ihrer Lage gesichert. Die Gewindestange verläuft in einem Langloch (Hüllrohr) und nimmt ausschließlich Zugkräfte auf. Die Vertikalkräfte werden über die feine Stahlverzahnung übertragen. Innovation Die modulare Verbindung ist in vielfältigen Anschlusssituationen im Stahlbetonfertigteilbau einsetzbar und lässt eine trockene Fügung der Elemente zu. Die Fertigteile werden separat gefertigt und auf der Baustelle montiert. Die Verbindung kann große Kräfte übertragen, ist robust und duktil. Eine effiziente Herstellung und Montage ist möglich. Der Toleranzausgleich funktioniert indem die Stahleinbauteile bei Bedarf um einen oder mehrere der feinen Stahlzähne versetzt werden. So kann die Lage der Einbauteile innerhalb der üblichen Hochbautoleranzen bis auf eine halbe Zahnbreite (= 1,8mm) exakt platziert werden. Einsatzgebiete Stützen können hergestellt werden, ohne dass die Standardschalung wegen der individuellen Konsolenschalung unterbrochen wird. Es ist auch nicht mehr notwendig die Konsole in einen zweiten Betonageschritt gegen die bereits erhärtete Stütze zu betonieren. Da die Bauteile auf der Baustelle gefügt werden, können die Stützen einfacher auf der Ladefläche platziert werden. Dadurch wird der Transport effizienter. Auch andere Anschlüsse des Hochbaus, wie zum Beispiel Träger an Stütze oder der Knotenpunkt eines modularen Fachwerkträgers, sind mit dieser Technik herstellbar. Entwicklungsschritte Auf Grundlage des Anforderungsprofils und bereits realisierten modularen Verbindungen wird das Verbindungskonzept entworfen. Die darin enthaltene feine Stahlverzahnung wird unter Einbezug einer Analyse von Maschinenelementen (Zahnrad, Gewinde) und darauffolgenden numerischen Parameterstudien entwickelt und optimiert. Diese feine Stahlverzahnung wird in vier Versuchsphasen experimentell und numerisch untersucht. Zuerst erfolgt die Betrachtung isoliert an kleinformatigen Stahlprismen mit schräger gezahnter Grenzfläche. In einem zweiten Schritt werden Stahleinbauteile eingebettet in ein Betonprisma getestet. In den beiden letzten Phasen werden Konsolen und Fachwerkknoten im Maßstab 1 zu 1 untersucht. Zur Bemessung wird sowohl für das Stahleinbauteil, als auch für die Verbindung ein Ingenieurmodell entwickelt und dieses mittels numerischen FE-Analysen validiert.Precast concrete construction elements are typically limited in their size due to transportation route restrictions. As a consequence, reinforced concrete joints, which must transmit large forces between the precast-elements, are still cast on site. This on-site casting often calls for significant space in order to accommodate the formwork, as well as skilled labour. Weather conditions (e.g. heat, cold, humidity) further complicate the quality control process. Another issue is the construction of corbels at precast plants, for which further steps are needed. Both scenarios would benefit from a new type of connection to enable more economical and modular assemblies. The introduction of such a connection is the subject of this doctoral thesis. The connection consists of two toothed steel components. Each is cast into one concrete element. They are subsequently joined via a threaded rod. This allows safe, robust, and efficient force transmission and offers the added benefits of being easy to produce in the factory and rapidly assembled and disassembled in the field. As a result, sections can also be easily transported, and rebuilt elsewhere if needed. The angle θ at which the compression strut acts on the connection should be as flexible as possible in order to permit a broad range of forces acting at an angle. The forces are transmitted from one concrete section through the transmitting side steel toothing to the adjacent, recipient side steel toothing and then to the attached recipient concrete piece. Various toothing geometries were developed. For each arrangement, the load carrying capacity was determined both on paper and in experimental trials. Consideration was also given to tolerances with respect to both manufacturing and erection concerns. First, standard steel gears known from mechanical engineering applications were analysed and examined to determine whether they could potentially be adapted for the construction industry. Threads (e.g. Whitworth, trapezoidal) were used as a basis for further investigations. The tooth geometry was optimised based on the outcomes of these initial studies. In the first test phase, a pair of toothed, shear surfaces under various angles θ were tested. The global and local deformation measurements that were achieved demonstrated sufficient correlation between numerical and experimental results. The influence of the concrete on the stress distribution in the embedded steel inlay on the overall structural behaviour was considered in a further test phase. Toothed steel inlays were embedded in the concrete prisms at angles θ varying from 30° to 70° to the vertical. The range of angles represents the lower and upper limits of the compression strut angle when applied in practice (e. g. truss and corbel nodes). High-strength concrete was used in order to ensure that the ultimate capacity of the connection is limited by the steel-to-steel interface rather than by means of a concrete or steel/concrete failure. The concrete prisms with steel inlays are loaded using compression force. The laboratory test setup takes into account the detection of potential concrete cracks as well as deformation measurements of the steel inlay, potential gap formation in the steel-to-steel joint, as well as delamination of the steel to concrete interface. The results showed that the steel-to-concrete interface in combination with the stiffness of the steel inlay resulted in a balanced stress distribution in the steel inlay and, therefore, an even distribution of the forces transmitted by the teeth. The load transmitting capacity of the connection was limited by the failure of the steel-to-steel interface. The connection benefits from the ductile deformation of the steel teeth. In large 1:1 scale trials, the connection was tested on truss and corbel nodes. The load and deformation behaviour of the connection was investigated. The results obtained during previous small-scale tests corresponded well with the results achieved in the full scale application. The results showed that the compression strut angle θ has a major impact on the failure load. While a target angle of approximately 45° can be easily achieved with the truss joint connection, this is more difficult for the corbel application. The geometry of the corbel has to be tailored in order to achieve the most efficient angle of the compression strut. The test results showed that a high load transfer is possible with the introduced modular connection. In this thesis, an engineer's model has been used to describe the force flow and the tensions on the teeth. The same model has been applied to explain how the connection works. Finally, a design proposal for the steel toothing as well as for the connection is presented. For the connection, a general design proposal is described. This is specified for the corbel and the truss node