Beschreibung
P 1307 – Hybride Grout-Verbindungen für Stahlbaukonstruktionen
Verbindungen im Stahlbau werden derzeit durch Schweißen, Schrauben und Nieten hergestellt. Diese Fügeverfahren bringen jedoch Nachteile mit sich. Mit Klebverbindungen können Bauteile ohne diese Nachteile gefügt werden. Sind wie im Bauwesen aufgrund unvermeidlicher Maßtoleranzen jedoch Klebspaltdicken zwischen den zu verklebenden Bauteilen im Millimeter- bis Zentimeterbereich erforderlich, sind übliche Klebungen ungeeignet. Ein weiteres Fügeverfahren für Hohlprofile, insbesondere beim Bau der Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen, sind die sogenannten Grout-Verbindungen. Bei diesen Rohr-in-RohrSteckverbindungen im Großmaßstab wird der zylindrische Fügespalt, dessen Spaltmaß gezielt zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen festgelegt wird, mit einem hochfesten Feinkornmörtel (engl. Grout) vergossen. Aufgrund der geringen Adhäsion des Vergussmörtels an der Rohrwandung werden mechanische Schubrippen (Shear Keys) auf die Fügeteiloberflächen aufgeschweißt. Deren Schweißnähte können jedoch wiederum Ausgangspunkte von Schäden im Grout und in den Stahlbauteilen sein.
Im Fokus des vorliegenden Forschungsprojekts steht ein innovatives, hybrides Fügeverfahren für Stahlbauteile, das Grout- und Klebstoffschichten nutzt und diese unter Berücksichtigung der jeweiligen Werkstoffeigenschaften vorteilhaft kombiniert. Die hybride Grout-Verbindungstechnik weist einen neuartigen, mehrschichtigen Aufbau auf und wird in mehreren Verfahrensschritten hergestellt. Die gestrahlten Fügeflächen der Konstruktionsbauteile werden unter kontrollierten Bedingungen im Herstellwerk zunächst mit einer dünnen organischen Klebschicht (z.B. Epoxidharz) versehen, in die anschließend ein anorganisches Granulat (z.B. Korund, Quarzsand) eingestreut wird. Der eigentliche Formschluss zwischen den gegenüberliegenden Fügeteilen wird durch das Eingießen und Abbinden eines handelsüblichen, hochfesten Vergussmörtels in den verbleibenden Fügespalt und die flächige Verzahnung des Mörtels mit dem anorganischen Granulat hergestellt. Der Verbund zwischen der adhäsiv an der Stahloberfläche der Fügeteile angebundenen Klebschicht und dem Vergussmörtel wird dabei durch die starke flächige Verzahnung mit dem ein- und angebundenen anorganischen Granulat hergestellt.
Zur systematischen Untersuchung der hybriden Groutverbindung wurden umfangreiche analytische, experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt. Zunächst werden auf Basis eines im Projekt erarbeiteten Anforderungskatalogs die einzusetzenden Stahl-, Kleb- und Groutwerkstoffe ausgewählt und untersucht. In umfangreichen Zugversuchen an hybrid gegrouteten Rohrsteck-Verbindungen (Kleinmaßstab) werden die leistungsfähigsten Kombinationen von Klebstoff, Groutwerkstoff und Granulat bestimmt und für die weiteren Untersuchungen priorisiert. In umfangreichen Versuchen wird anschließend der Einfluss der Parameter Fügespaltdicke, Rohrquerschnitte, Überlappungslänge, Imperfektionen und Beanspruchungsrichtung auf das Tragverhalten bei axialer Beanspruchung für die beiden priorisierten Klebstoff-Grout-Kombinationen bestimmt.
In allen Versuchsreihen zeigt sich eine hohe Beanspruchbarkeit der hybriden GroutVerbindung (Verbundfestigkeiten bis zu 30 MPa). Die untersuchten geometrischen Imperfektionen resultieren nicht in einer reduzierten Tragfähigkeit. In Biegeversuchen an hybrid gegrouteten Rohrverbindungen wird das Biegetragverhalten in Abhängigkeit von Fügespaltdicke, Überlappungslänge und Fugenwerkstoffen untersucht. In allen im Rahmen des Projektes durchgeführten Biegeversuchen wurde die plastische Tragfähigkeit der Rohrquerschnitte erreicht, ohne dass ein Versagen der Verbindung festzustellen war. Die Untersuchung der Beständigkeit der hybriden Grout-Verbindung stellt einen weiteren Forschungsschwerpunkt dar. Zugversuche an Rohrverbindungen bei -20 °C und +60 °C bilden baurelevante Einsatztemperaturen ab. Bei Tieftemperatur zeigt sich für beide Klebwerkstoffe eine Steigerung der Tragfähigkeit. Bei einer Prüftemperatur von +60 °C nimmt die Tragfähigkeit der Verbindung um maximal 20 % ab. Das Arbeitspaket wird ergänzt durch die Quantifizierung der axialen Zugtragfähigkeit nach Auslagerung der Rohrproben für 1000 Stunden in künstlichem Meerwasser sowie nach der Durchführung des Temperaturwechseltests in Anlehnung an VW PV1200. Für beide Auslagerungsszenarien ist keine Reduktion der Tragfähigkeit festzustellen. Vor dem Hintergrund des angestrebten Einsatzes hybrider Groutverbindungen bei nicht ruhender Beanspruchung werden Ermüdungsversuche
durchgeführt. Bei axialer Druckschwellbeanspruchung der hybrid gegrouteten Rohrverbindung wird das Trag- und Versagensverhalten bei nicht ruhender Beanspruchung untersucht. Für beide Klebstoff-Grout-Kombinationen zeigt sich eine hohe Ermüdungsbeanspruchbarkeit. Die Dauerfestigkeit der hybriden GroutVerbindung liegt auf Basis der durchgeführten Versuche bei ca. 50 % der quasistatischen Tragfähigkeit. Numerische Simulationen begleiten die experimentellen Untersuchungen und sind Basis für die Erarbeitung von Bemessungsansätzen. Auf der Basis der Ergebnisse von Schrägzugversuchen an geklebten und hybrid gegrouteten Stahlproben wird ein Bruchkriterium für die hybride Groutverbindung entwickelt, das die Interaktion von Schubspannungen in der Verbundfuge und Normalspannungen orthogonal zur Verbundfuge berücksichtigt. Das Bruchkriterium wird statistisch ausgewertet und zur Bestimmung der Tragfähigkeit der hybriden Groutverbindung in einem probabilistischen Bemessungsverfahren erfolgreich angewendet.
Alle im Forschungsprojekt gewonnen Erkenntnisse werden abschließend bei der Fertigung und experimentellen Prüfung von Großbauteilen zusammengeführt. Hierzu werden Druckversuche an Kreishohlprofilen mit Außendurchmessern von ca. 270 mm und eine nominellen Fügespalt von 20 mm durchgeführt. Bei einer Überlappungslänge von 150 mm werden maximale Tragfähigkeiten von im Mittel ca. 1700 kN erreicht. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen die Leistungsfähigkeit der neuen, hybriden Grout-Verbindung deutlich auf. Aufgrund der in diesem Projekt bestimmten hohen Tragfähigkeiten bei quasi-statischer und nicht ruhender Beanspruchung sowie nach Alterungsauslagerungen hat die hybride Grout-Verbindung großes Potential für die Anwendung im Stahlbau.
Veröffentlichung:
2021
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. T. Ummenhofer, Prof. Dr. B. Mayer
