IGF Ermüdung Befestigungen

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der Einfluss des statischen Lastniveaus auf das Verformungsverhalten, die Schädigungsentwicklung und die Tragfähigkeit ermüdungsbeanspruchter Befestigungen in Beton systematisch untersucht. Hierzu erfolgten experimentelle und numerische Untersuchungen an drei verschiedenen Typen mechanischer Befestigungsmittel aus Kohlenstoffstahl, die durch unterschiedliche Kerbdetails gekennzeichnet sind.

Die experimentellen Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einfluss des statischen Lastniveaus auf das Ermüdungsverhalten von Befestigungen von der Art des Befestigungsmittels abhängt und bei der Bemessung nicht generell vernachlässigt werden kann. In den Versuchen hat sich dennoch bestätigt, dass der Einfluss des Lastniveaus nach dem aktuellen Bemessungsansatz überschätzt wird und je nach Befestigungsmittel zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führt. Darüber hinaus konnten aufgrund vergleichbarer Kerbdetails Analogien zum Ermüdungsverhalten von Schraubenverbindungen im Stahlbau und Kopfbolzen im Verbundbau hergestellt werden.

Im Rahmen der numerischen Untersuchungen wurde ein Berechnungsmodell zur Vorhersage der Ermüdungstragfähigkeit von Befestigungsmitteln bei Stahlversagen auf der Grundlage der lokalen maximalen Spannungen entwickelt, das auf dem Konzept der Spannungslebensdauer beruht. Anhand von Vergleichsberechnungen mit den untersuchten Kopfbolzen und Ankerschienen konnte eine angemessene Vorhersage der Lebensdauer unter Zugbelastung erzielt werden. Dagegen erwies sich das Modell unter Querbelastung als sehr sensitiv und erfordert weitere Untersuchungen, um es für zuverlässige Vorhersagen und Parameterstudien einsetzen zu können.

Auf Grundlage der erzielten Ergebnisse wird ein Auslegungskonzept zur Bestimmung des Ermüdungswiderstandes mit statischen Lastanteilen abgeleitet, um die vorhandenen Tragfähigkeitsreserven von Befestigungen unter kombinierten Beanspruchungen bei der Bemessung nutzen zu können. Eine effizientere Auslegung von Befestigungen erhöht die Wirtschaftlichkeit und Einsatzmöglichkeiten dieser Bauweise, wovon KMU im Bereich der Herstellung, Ausführung und Nutzung von Befestigungsmitteln profitieren. Bei der Planung können Ingenieurbüros, die überwiegend KMU sind, auf vereinfachte und sichere Bemessungsverfahren zurückgreifen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind der Ausgangspunkt für einheitliche und wirtschaftliche Bemessungsregeln, die eine Erweiterung der Anwendungsbereiche von Befestigungen in Betonkonstruktionen erwarten lassen.

Schlussbericht:

Der Schlussbericht kann bei der Forschungsvereinigung GAK angefordert werden.
Kontakt: Frau Sassen (GAK)

Veröffentlichungen:

Fröhlich, T.; Hofmann, J.; Ziwes, M.; Kuhlmann, U.: Ermüdungsverhalten von Kopfbolzen in Beton- und Verbundkonstruktionen. Beton- und Stahlbetonbau 116 (2021), online first

Fröhlich, T.; Kempter, J.: Anchor channels under fatigue shear loading. In: Otto-Graf-Journal 20 (2021), S.75-88

Froehlich, T.; Castridis, S.; Hofmann, J.: Ultrasonic tests on fastenings under fatigue loading. In: Zhao B., Lu X. (Eds.): Concrete Structures for Resilient Society; Proceedings of the fib Symposium 2020, Held Online, China, 22-24 November 2020, pp. 765-772

Fröhlich, T.; Castridis, S.: Detection of fatigue damage in fasteners using ultrasound. In: Otto Graf Journal 19 (2020), S. 21-32

Fröhlich, T.; Lotze, D.: Fatigue behaviour of fastenings under combined static and dynamic loading. In: Derkowski, W., u.a. (Eds.): Concrete - Innovations in Materials, Design and Structures; Proceedings of the fib Symposium 2019, Krakow, Poland, 27-29 May 2019, pp. 1920-1927

Fröhlich, T.; Lotze, D.: Fatigue of fastenings - investigations on the effect of static load level. In: Otto Graf Journal 18 (2019), S. 79-88