Ermüdungsverhalten von Befestigungen in Beton bei überlagerter statischer Beanspruchung

Abstract

Im Bauwesen werden Befestigungselemente zur Verbindung von Stahlkonstruktionen mit Betonbauteilen u.a. für Aufzüge, Kranbahnträger und Schwenkkrane oder Maschinen verwendet, bei denen häufig wiederholte Beanspruchungen in Kombination mit einer statisch wirkenden Belastung auftreten, die zu einem Ermüdungsversagen des Befestigungspunkts führen können. Der bisherige Wissensstand zur Ermüdungstragfähigkeit von Befestigungen in Beton basiert im Wesentlichen auf Schwingversuchen im Schwellbereich mit geringer Unterlast, wobei die Versagensart Stahlbruch des Befestigungsmittels häufig maßgebend wird. Bei der Bemessung werden für Befestigungen unter kombinierter Beanspruchung daher sehr konservative Annahmen getroffen, die insbesondere im Hinblick auf die Materialermüdung des Stahls von geltenden Normenregelungen im Bauwesen abweichen und vergleichsweise unwirtschaftliche Ergebnisse liefern. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des statischen Lastniveaus auf das Schädigungsverhalten und die Tragfähigkeit von ermüdungsbeanspruchten Befestigungen bei Stahlversagen systematisch untersucht. Hierzu erfolgten experimentelle Untersuchungen an drei verschiedenen Typen mechanischer Befestigungsmittel aus Kohlenstoffstahl, die durch unterschiedliche Kerbdetails gekennzeichnet sind. Aus den durchgeführten Untersuchungen geht hervor, 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 Lastniveaueinfluss nach den vorliegenden Bemessungsansätzen überschätzt wird und je nach Befestigungsmittel zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führen kann. Für die untersuchten Dübel und Kopfbolzen konnte ein ähnliches Ermüdungsverhalten wie bei Schraubenverbindungen im Stahlbau bzw. Kopfbolzendübeln im Verbundbau festgestellt werden. Dadurch ist es möglich, eine Bewertung der Ermüdungstragfähigkeit von Befestigungen auf der Basis des Nennspannungskonzepts vorzunehmen. Auf Grundlage der erzielten Erkenntnisse wird ein neues Bemessungskonzept zur Bestimmung des Ermüdungswiderstandes mit statischen Lastanteilen abgeleitet. Dieses erlaubt, die vorhandenen Tragfähigkeitsreserven von Befestigungen unter kombinierter Beanspruchung bei der Bemessung zu nutzen. Darauf basierend wird ein mehrstufiges Nachweiskonzept vorgestellt, das aus drei verschiedenen Bemessungsverfahren besteht, die einen zunehmenden Grad an Genauigkeit und Komplexität bei der Nachweisführung aufweisen. Dies führt zu einer effizienteren Auslegung von Befestigungen wie auch zu Potentialen bei der Bewertung der Restnutzungsdauer von bestehenden Anschlüssen und liefert damit einen wichtigen Beitrag zur Ressourceneinsparung im Bauwesen.