Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hybride Grout-Verbindungen für Stahlbaukonstruktionen

Zu Herstellung von Rohrsteckverbindungen, beispielsweise beim Bau von Gründungsstrukturen von Windenergieanlagen, werden Groutverbindungen eingesetzt. Dabei wird der zylindrische Fügespalt, der in seiner Fugenweite gezielt zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen dimensioniert wird, mit einem hochfesten Feinkornmörtel vergossen. Bei der Inspektion von gegrouteten Monopileverbindungen wurden jedoch häufig erhebliche, auf einen Verlust des Haftverbundes zurückführbare, Relativverschiebungen der gefügten Bauteile festgestellt. Zur Verbesserung der Verzahnung werden mechanische Schubrippen auf die Fügeteiloberflächen geschweißt. Die Schweißnähte stellen jedoch Ausgangspunkte von Ermüdungsrissen dar, eine konzentrierte Lasteinleitung im Bereich der Schubrippen schädigt den Vergussmörtel.

Ziel des Forschungsprojektes ist die systematische Untersuchung einer neuartigen Groutverbindung. Diese Verbindung besteht aus mehreren Schichten: Dünnschichten aus Strukturklebstoffen sorgen für die Haftung auf den Fügeteiloberflächen. Dabei versiegelt der Klebstoff gleichzeitig die Stahloberflächen und wirkt korrosionsschützend. Der Verbund zwischen Klebschicht und Grout wird über ein eingestreutes Granulat erzielt. Diese Fertigungsschritte können unter kontrollierten Bedingungen vorab im Herstellwerk erfolgen. Zuletzt wird die eigentliche Verbindung mit Vergussmörtel in situ erzeugt. Vorversuche zeigen eine hohe Tragfähigkeit der hybriden Verbindung bei sehr geringer Streuung der Versuchsergebnisse. Die hybride Verbindung kann eine leistungsfähige und wirtschaftliche Alternative zu den üblichen Fügeverfahren Schweißen und Schrauben darstellen und in vielen Anwendungsgebieten des Stahlbaus eingesetzt werden.

Die im Rahmen dieses Forschungsprojekts erarbeiteten Ergebnisse sind neben den Anwendungsgebieten in der Baubranche auch bei lastabtragenden Hohlprofilverbindungen im Kran- und Anlagenbau sowie dem Land- und Schwingmaschinenbau nutzbar. Durch den Wissensvorsprung und die Spezialisierung in den Bereichen Fügetechnik bei Stahlkonstruktionen und insbesondere Grout-Verbindungen profitieren speziell die in Konstruktion, Berechnung und Fertigung tätigen KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Gegenstand des vorliegenden Forschungsprojektes war die Entwicklung, Untersuchung und Optimierung der neuartigen, hybriden Grout-Verbindung. Aufgrund der vielfältigen mechanischen und fertigungstechnischen Vorteile eignet sich die neuartige Verbindung nicht nur für die Anwendung im Stahlbau, sondern kann auch in vielen anderen Einsatzgebieten von Kreishohlprofilen eingesetzt werden. Die Fertigung erfolgt in zwei Schritten: Die Klebung wird unter definierten Bedingungen im Werk gefertigt, der Verguss mit Grout stellt einen Vorgang dar, der auch unter Baustellenbedingungen prozesssicher durchgeführt werden kann.

Axiale Versuche an hybrid gegrouteten Kreishohlprofilen zeigen die hohe Tragfähigkeit der Verbindung und deren geringe Anfälligkeit gegenüber Imperfektionen. Untersuchungen zur Biegetragfähigkeit zeigen, dass bei allen im Rahmen des Projektes durchgeführten Versuchen die plastische Momententragfähigkeit der Rohrquerschnitte erreicht wurde.

Untersuchungen zur Beständigkeit zeigen, dass die Verbindung für einen großen Temperaturbereich geeignet ist. Eine Auslagerung in künstlichem Meerwasser oder Temperaturwechselbeanspruchung führen zu keiner Reduktion der Tragfähigkeit. Diesem robusten Verhalten kommt vor dem Hinblick der rauen Einsatzbedingungen im Stahlbau eine besondere Bedeutung zu.

Im Rahmen von Ermüdungsversuchen wird eine hohe Ermüdungsbeanspruchbarkeit der Verbindung festgestellt, was die Anwendung insbesondere auch bei nicht ruhend beanspruchten Konstruktionen (Brücken) ermöglicht.

Anhand von numerischen Untersuchungen wurde ein probabilistisches Bemessungsverfahren entwickelt, das eine gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Tragfähigkeiten zeigt.

In den Großbauteilversuchen werden die Erkenntnisse zusammengeführt. Anhand der Versuche kann die Tragfähigkeit auch für große Geometrien gezeigt werden.

Von den Forschungsergebnissen profitieren insbesondere die in Planung, Konstruktion und Fertigung von Stahlkonstruktionen tätigen KMU.