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Anwendung von Ankerstäben in Rahmenecken, Rahmenendknoten und Stütze-Fundament-Verbindungen
(2007) Bruckner, Markus J.; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Der immer mehr zunehmende Preis- und Termindruck im Bauwesen macht eine Weiterentwicklung der Bautechnik und damit der Bewehrungstechnik zwangsläufig notwendig. Die Anwendung vorgefertigter Bewehrungselemente und Fertigteile erhöht die Effizienz und die Geschwindigkeit auf der Baustelle und führt damit zu wesentlich kürzeren Bauzeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Anwendungsmöglichkeit von Ankerstäben (gerippte Bewehrungsstäbe mit Ankerkopf) in drei verschiedenen Bauteilen überprüft. Es wurden Rahmenecken mit negativer Momentenbeanspruchung, Rahmenendknoten und Stütze-Fundament-Verbindungen untersucht. Für alle drei Bauteilverbindungen wurden umfangreiche numerische Parameterstudien mit dem nichtlinearen Finite-Elemente-Code MASA3D durchgeführt. Weiterhin wurden Rahmenecken mit negativem Biegemoment experimentell untersucht. Ebenso wurden für alle drei Bauteile Stabwerkmodelle entwickelt und die Anwendbarkeit der Stabwerkmethode überprüft. Die experimentellen sowie die numerischen Studien an Rahmenecken unter negativer Biegemomentenbelastung haben ergeben, dass der Einsatz von Ankerstäben gegenüber einer herkömmlichen abgebogenen Bewehrung keinen Vorteil bringt. Nur durch den Einsatz einer zusätzlichen Bügelbewehrung kann eine ausreichende Tragfähigkeit erreicht werden. Ankerstäbe sollten somit nur bei geringer Beanspruchung der Rahmenecke verwendet werden. Dabei ist auf eine solide konstruktive Bügelbewehrung zu achten. Der Einsatz von Ankerstäben in Rahmenendknoten ist dagegen gut möglich. Die Bemessung kann anhand eines Stabwerkmodells oder anhand des semi-empirischen Bemessungsmodells nach Roeser [Roeser, 2002] durchgeführt werden. Ankerstäbe sind nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen auch als Verbindungselement zwischen Stütze und Fundament gut geeignet. Der Vergleich zwischen den Traglasten nach CC-Verfahren mit den numerischen Ergebnissen hat gezeigt, dass das Bemessungsmodell nach CC-Verfahren für alle praxisrelevanten Fälle sichere Ergebnisse liefert.
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Behavior and testing of fastenings to concrete for use in seismic applications
(2006) Hoehler, Matthew Stanton; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
This dissertation investigates the behavior in concrete of cast-in and post-installed fastenings under earthquake conditions and provides background for the development of seismic qualification methods and performance assessment criteria for fasteners. Chapters 1 and 2 define the problem and provide the context for the research. Chapter 3 puts existing literature related to the behavior and testing of fasteners under earthquake conditions into a cohesive framework. This chapter also reviews and summarizes normative standards for the design and testing of fasteners for seismic applications. Chapter 4 investigates the conditions to which fasteners may be subjected during an earthquake so that realistic boundary conditions for testing can be established. It is shown that fasteners used to connect structural and nonstructural elements to a reinforced concrete structure experience both crack cycling and load cycling at dynamic rates during an earthquake. Based on theoretical considerations and numerical studies, this chapter establishes typical values for crack widths and the number of crack opening and closing cycles during an earthquake for use in fastener qualification tests. Cumulative damage based cycle counting methods are used to develop tension and shear load cycling time-histories for fasteners. Chapters 5, 6 and 7 present and discuss the results of experimental investigations of fastener behavior under seismic conditions. Chapter 5 deals with fastener performance in wide cycled cracks when full crack closure occurs, i.e. when the cracks are pressed closed as could occur during a moment reversal in a member. This chapter describes in detail the load-displacement response of various fastener failure modes during extreme crack cycling. Chapter 6 presents results from tests with pulsating tension loads. Tests with cast-in headed bolts are used to develop an equation to predict head slip during tension load cycling. Tests with post-installed fasteners investigate the performance of various load-transfer mechanisms during tension cycling at near-ultimate load. Chapter 7 focuses on the behavior of fasteners under high (earthquake relevant) loading rates. Under certain conditions some fasteners can exhibit a lower ultimate capacity at high loading rate than at quasi-static loading rate or may undergo a change in failure mode. Chapter 8 demonstrates that some existing design guidelines have an insufficient margin of safety to avoid brittle fastener failure. This chapter also shows that the deformation capacity of anchors designed for ductile steel failure can be controlled using the margin of safety between steel failure and brittle failure. Finally, Chapter 9 makes recommendations to improve qualification testing methods and assessment criteria for fasteners used for earthquake applications.
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Beitrag zur Vereinheitlichung der Bemessung im Stahlbetonbau und in der Befestigungstechnik
(2015) Herzog, Martin; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Die Bemessung und die konstruktive Durchbildung erfolgen für monolithische Bauteilverbindungen des Stahlbetonbaus und Verankerungen in der Befestigungstechnik nach grundsätzlich unterschiedlichen Regeln, obwohl oftmals vergleichbare Randbedingungen hinsichtlich der verwendeten Werkstoffe, der Anschlussgeometrie und der Belastung vorliegen. Ein Ziel innerhalb der Weiterentwicklung der Regelwerke des Bauwesens kann daher deren Vereinheitlichung und anschließende Zusammenführung sein. Innerhalb dieser umfassenden Aufgabenstellung wurden in der vorliegenden Arbeit schwerpunktmäßig monolithische Anschlüsse zwischen Wänden und Streifenfundamenten sowie zwischen Stützen und Einzelfundamenten mit gerade endender Anschlussbewehrung bei überwiegender Biegebeanspruchung untersucht. Diese Verbindungen liegen einerseits außerhalb des Anwendungsbereichs der Befestigungstechnik und sind zudem nach den üblichen Vorschriften des Stahlbetonbaus bei allgemeiner Belastung nicht zulässig. Aus den existierenden Regelungen wurden aufgrund von numerischen und experimentellen Untersuchungen ein genauer und ein vereinfachter Berechnungs- und Bemessungsansatz abgeleitet. Allerdings konnten im Rahmen dieser Arbeit einige Detailpunkte nicht abschließend geklärt werden. Zudem ist zu überprüfen, ob die gefundenen Zusammenhänge und die daraus abgeleiteten Berechnungsansätze auf andere Randbedingungen erweitert bzw. verallgemeinert werden können.
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Brandverhalten von Befestigungen mit großem Randabstand in Beton bei zentrischer Zugbeanspruchung
(2001) Reick, Michael; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Über das Tragverhalten von Befestigungselementen bei normaler Umgebungstemperatur wurden in den vergangenen Jahrzehnten zahlreiche Forschungsarbeiten abgeschlossen. Hierdurch konnten Bemessungsmodelle entwickelt werden, mit denen die Tragfähigkeit von Befestigungselementen in nahezu beliebiger Einbausituation berechnet werden können. Die Bestimmung des Feuerwiderstandes dieser Konstruktionen wurde hierbei jedoch nur in (produktspezifischen) Versuchen diverser Hersteller untersucht, wobei auch nur die Versagensart Stahlbruch geprüft wurde. Eine umfassende wissenschaftliche Untersuchung wurde bisher nicht durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit konnten weitreichende Erkenntnisse für die einzelnen Versagensmechanismen im Brandfall vorgestellt werden. Es wurden umfangreiche theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Hierdurch ist es möglich, getrennt nach den einzelnen Versagensursachen Aussagen im Hinblick auf die zu erwartende Tragfähigkeit zu machen. Als abschließendes Ergebnis wurde ein Vorschlag für die Prüfung und Bemessung von Befestigungen bei Brandbeanspruchung vorgestellt. Mit diesem Vorschlag ist es möglich, eine Beurteilung der Feuerwiderstandsdauer von Befestigungen durchzuführen. Dies sowohl mit den in dieser Arbeit festgelegten Randbedingungen für Brandversuche als auch durch die vorgestellten konservativen Abschätzungen.
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Experimental performance and recommendations for qualification of post-installed anchors for seismic applications
(2012) Mahrenholtz, Philipp; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Die in dieser Promotionsarbeit vorgestellte Forschung stellt eine systematische und umfassende Behandlung der seismischen Qualifikation von Dübeln dar und basiert auf umfangreiche Untersuchungen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Wissenslücken über das Verhalten von Dübeln unter Erdbebenbelastung so zu schließen, dass bestehende Qualifikationsrichtlinien um sinnvolle Versuche für die Beurteilung der Erdbebentauglichkeit ergänzt werden können. Im Rahmen der Promotionsarbeit werden zunächst die Grundlagen erarbeitet, die für einen fundierten Ansatz zur seismischen Qualifikation notwendig sind. Nach einer kurzen Einleitung über die Motivation, Hintergründe und Ziele der Erforschung von Dübeln unter Erdbebenbelastungen (Kapitel 1), wird der gegenwärtige Stand der Qualifikationsrichtlinien erörtert (Kapitel 2). Die zur Beseitigung der daraus abgeleiteten Kenntnisdefizite durchgeführten Untersuchungen werden anschließend präsentiert und diskutiert (Kapitel 3). Jeder Aspekt, der als maßgeblich zur Charakterisierung des Verhaltens von Dübeln unter Erdbebeneinwirkung erkannt wurde, unterstützte die Erarbeitung einer entsprechenden Ergänzung der europäischen Qualifikationsrichtlinie, deren Prüfprotokolle anhand weiterer Versuche verifiziert wurden (Kapitel 4). Während die vorgenannten Versuche unter simulierten Erdbebenbedingungen durchgeführt wurden, wurden die Dübel bei den im zweiten Teil der Promotionsarbeit beschriebenen Versuchen unter realen Erdbebenbedingungen untersucht. Hierfür wurden Rütteltischversuche durchgeführt, die einen Vergleich des Verhaltens eines im Tragwerk eingebauten Dübels mit dem eines im Versuchskörper eingebauten Dübels ermöglichen. So konnte geklärt werden, ob das Konzept der zukünftigen Qualifikationsrichtlinien die charakteristischen Anforderungen eines echten Erdbebens widerspiegeln. Die Versuchsergebnisse wurden den vorgeschlagenen Anforderungen und Bewertungskriterien gegenübergestellt (Kapitel 5). Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen für die seismische Qualifikation von Dübeln abgeleitet und wichtige Bemessungsaspekte aufgezeigt (Kapitel 6). Um das für die seismische Qualifikation oftmals maßgebende Verschiebeverhalten besser vorhersagen zu können, wird ein Modell zur Abschätzung der sich aus zyklischen Lasten und sich zyklisch öffnenden und schließenden Rissen ergebenen Dübelverschiebung vorgeschlagen (Kapitel 7). Abschließend werden die wesentlichen Erkenntnisse zusammengefasst und offene Fragen formuliert, die weitere Untersuchungen erfordern (Kapitel 8).
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Experimental performance and recommendations for qualification of post-installed anchors for seismic applications
(2013) Mahrenholtz, Philipp; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Die in dieser Promotionsarbeit vorgestellte Forschung stellt eine systematische und umfassende Behandlung der seismischen Qualifikation von Dübeln dar und basiert auf umfangreiche Untersuchungen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Wissenslücken über das Verhalten von Dübeln unter Erdbebenbelastung so zu schließen, dass bestehende Qualifikationsrichtlinien um sinnvolle Versuche für die Beurteilung der Erdbebentauglichkeit ergänzt werden können. Im Rahmen der Promotionsarbeit werden zunächst die Grundlagen erarbeitet, die für einen fundierten Ansatz zur seismischen Qualifikation notwendig sind. Nach einer kurzen Einleitung über die Motivation, Hintergründe und Ziele der Erforschung von Dübeln unter Erdbebenbelastungen (Kapitel 1), wird der gegenwärtige Stand der Qualifikationsrichtlinien erörtert (Kapitel 2). Die zur Beseitigung der daraus abgeleiteten Kenntnisdefizite durchgeführten Untersuchungen werden anschließend präsentiert und diskutiert (Kapitel 3). Jeder Aspekt, der als maßgeblich zur Charakterisierung des Verhaltens von Dübeln unter Erdbebeneinwirkung erkannt wurde, unterstützte die Erarbeitung einer entsprechenden Ergänzung der europäischen Qualifikationsrichtlinie, deren Prüfprotokolle anhand weiterer Versuche verifiziert wurden (Kapitel 4). Während die vorgenannten Versuche unter simulierten Erdbebenbedingungen durchgeführt wurden, wurden die Dübel bei den im zweiten Teil der Promotionsarbeit beschriebenen Versuchen unter realen Erdbebenbedingungen untersucht. Hierfür wurden Rütteltischversuche durchgeführt, die einen Vergleich des Verhaltens eines im Tragwerk eingebauten Dübels mit dem eines im Versuchskörper eingebauten Dübels ermöglichen. So konnte geklärt werden, ob das Konzept der zukünftigen Qualifikationsrichtlinien die charakteristischen Anforderungen eines echten Erdbebens widerspiegeln. Die Versuchsergebnisse wurden den vorgeschlagenen Anforderungen und Bewertungskriterien gegenübergestellt (Kapitel 5). Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen für die seismische Qualifikation von Dübeln abgeleitet und wichtige Bemessungsaspekte aufgezeigt (Kapitel 6). Um das für die seismische Qualifikation oftmals maßgebende Verschiebeverhalten besser vorhersagen zu können, wird ein Modell zur Abschätzung der sich aus zyklischen Lasten und sich zyklisch öffnenden und schließenden Rissen ergebenen Dübelverschiebung vorgeschlagen (Kapitel 7). Abschließend werden die wesentlichen Erkenntnisse zusammengefasst und offene Fragen formuliert, die weitere Untersuchungen erfordern (Kapitel 8).
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Load-bearing behavior and design of anchorages subjected to shear and torsion loading in uncracked concrete
(2012) Grosser, Philipp R.; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Fastening Technology with cast-in and post-installed anchors has found widespread use in concrete construction due to their numerous fields of applications. Since the 1970’s research has been conducted in this area to learn more about the load-bearing behavior of anchorages installed in hardened concrete and to develop design recommendations. For design, it has to be distinguished if the anchorage is loaded in tension, shear or a combined tension and shear loading. This dissertation concentrates on the load-bearing behavior of post-installed and cast-in anchorages loaded in shear under arbitrary load direction. This includes anchorages loaded by a torsional moment. Shear loaded anchorages have been investigated in the past by different authors and design provisions are available to calculate the resistance for most of the standard applications. However, it is known that some existing calculation methods are quite conservative due to missing experimental and numerical investigations. These methods have been developed with engineering judgment and are not verified for all anchor configurations covered in design. Furthermore, it is assumed that for some anchor applications loaded in shear the design provisions lead to unconservative results. The aim of this dissertation is to answer these open questions and to improve existing design recommendations based on engineering models. Moreover, anchor configurations are investigated which are not covered in design. In particular, this is a step to extending the CCD-method for larger anchor groups. This dissertation covers the investigation of single anchors and anchor groups. In Chapter 1 the problem is defined and the context for research is pointed out. The starting point of a research project is an in-depth study of the literature. Therefore, in Chapter 2 the research activities related to shear loaded anchorages are summarized. This chapter also presents a discussion of existing design provisions and explains the load-bearing behavior and possible failure modes for shear loaded anchorages. In Chapter 3 the experimental investigations are presented and the results are discussed. In addition, numerical simulations were performed within the scope of this dissertation. An explanation of the developed FE-models and a discussion of the results of the simulations can be found in Chapter 4. Based on the experimental and numerical investigations new prediction equations and calculation models are developed for single anchors and groups loaded in shear and torsion which can be found in Chapter 5. Finally, in Chapter 6 design recommendations are given for anchorages loaded in shear in arbitrary direction. The calculation is explained for both anchorages located far away from the edge and anchorages located close to concrete edges. Closing, in chapter 7 a summary of the dissertation is given and open questions for future research are pointed out.
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Seismic assessment of RC exterior beam-column joints and retrofit with haunches using post-installed anchors
(2012) Genesio, Giovacchino; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
The assessment of the shear strength of two dimensional (2D) reinforced concrete (RC) exterior beam-column joints is an open issue and its solution is still a point of discussion in the scientific community although significant research effort has been devoted to this topic in recent times. The uncertainty in the evaluation of joint shear strength is exacerbated if substandard detailing is present such as lack of transverse reinforcement in the core, the use of plain round bars and inadequate anchorage of the beam bars, typical of pre 1970s construction practice. The need of a reliable evaluation of the shear behaviour of substandard joints is highlighted within the framework of a performance based seismic assessment and retrofit of RC frames. The first part of this thesis aims to develop a simple shear strength assessment model for typical pre 1970s beam-column connections based on mechanical principles. An experimental programme consisting of six quasi-static cyclic tests was carried out. The experimental results were used for the validation of a Finite Element (FE) model, which was used to carry out an extensive parametric study. The shear assessment model proposed was additionally validated with an experimental database. The model includes the influence of several parameters such as concrete strength, column axial load, amount and detailing of beam and column reinforcement, geometric aspect ratio and effect of beam bar yielding. In the second part, the possibility of using post-installed anchors for the seismic retrofitting of beam-column joints is investigated. Post-installed anchors are usually fast and easy to install and they represent a valuable minimally-invasive solution to transfer high loads with reasonably low costs. The retrofit of RC beam-column connections using a fully fastened diagonal haunch element is proposed as an optimisation of an existing retrofit technique. After some preliminary analytical considerations, experimental tests and numerical simulations were carried out to develop a safe and economical design model of the proposed retrofit solution. The investigations highlighted the need of displacement oriented design provisions for post-installed anchors, because tensile and shear stiffness of the anchorages are necessary in order to evaluate their loading and the effectiveness of the retrofit solution.
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Seismic behavior and retrofitting of RC frame structures with emphasis on beam-column joints : experiments and numerical modeling
(2013) Sharma, Akanshu; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
The vulnerability and poor seismic performance of the beam-column joints of old non-seismically designed reinforced concrete (RC) frame structures has been proven time and again, both at laboratory level as well as by natural disasters in real life situations. However, replacing a vast majority of existing structures designed with non-seismic considerations is not economically and practically viable. Such structures need to be correctly assessed to predict their seismic performance and retrofitted, if required. In order to realistically predict the seismic performance of such structures, practical and accurate models for simulating the inelastic joint behavior at structural level, are of utmost importance. Equally important is to associate realistic and practical hysteretic rules to capture the inelastic dynamic behavior of the structures. Assessment of existing structures using such tools can predict the seismic performance of the structures with high degree of confidence. Based on such assessment, a cost-effective and efficient retrofit solution can be designed and developed. Often, the retrofitting of such structures revolves around retrofitting of the beam-column joints. Thus, a need of practically viable retrofit solution for joints cannot be denied. This work is aimed at providing the practical solutions to the above-mentioned problems, through experimental and numerical modeling approach. Experiments have been performed first at the joint sub-assembly level to understand the behavior of poorly detailed joints with different anchorage details. To study the interaction of the various failure modes likely to occur in a non-seismically designed structure, experiment on a full-scale structure has been performed under pushover loads. Further, shake table tests were carried out on a 2D structure to verify the performance of joints at structural level under real life type seismic loads. These tests provided large database and helped in improving the overall understanding of the joint behavior under seismic loads. Fully fastened haunch retrofit solution (FFHRS) have been investigated as a viable retrofit option for poorly detailed joints. The solution has been tested through tests at sub-assembly level under cyclic loads as well as at structural level under dynamic loads. The results clearly displayed the efficacy of the FFHRS in safeguarding the joints thereby improving the global seismic behavior of structures. However, it is very important to confirm that the structural members shall not become shear critical due to the retrofit. It is also essential that the anchorage system used for fastening the haunch elements to frame members serve their purpose well. It was observed that the performance of the FFHRS in experiment on structure under dynamic loads is better than that in experiment on beam-column joints under cyclic loads. This is attributed partially to the phase difference between the force in anchor and crack opening and partially to instantaneous loading. To assess the seismic performance of structures giving due consideration to joint distortion, a new joint model has been presented. The model is based on realistic deformation of the joint sub-assembly and excellent agreement with the experimental results at sub-assembly as well as structural proves the efficacy and suitability of the model. To model the hysteretic behavior of the structure, an extension to pivot hysteretic model is presented. The model parameters are derived in a more rational way and can be applied at a wide range of structures. Further, a model is presented to simulate seismic behavior of joints retrofitted with FFHRS considering inelastic behavior of anchorage. The models were implemented in commercial software SAP2000. All the models have been vastly validated against experiments conducted by author as well as those available in the literature. In the end, the application of the models to assess and retrofit structures has been demonstrated by a real life case study.
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Seismic bond model for concrete reinforcement and the application to column-to-foundation connections
(2012) Mahrenholtz, Christoph; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
During an earthquake, the bond of anchorages is at risk for two reasons: The seismic excitation of the reinforced concrete structure loads the reinforcement cyclically and, at the same time, generates cracks which open and close cyclically. In joints, the cracks may run parallel along reinforcing bars anchoring adjoining members. The combination of cyclic loads and cyclic cracks leads to a more pronounced bond damage. The damage is secondary for large anchorage lengths with hooks detailed according to conventional design provisions. Large anchorage lengths with hooks are obstructive during construction and preclude post-installation of reinforcing bars. In order to develop an advanced design concept which allows the reduction of the anchorage length for column-to-foundation connections, two core topics were investigated in the course of the doctoral research which are discussed following the introduction (Chapter 1), the presentation of the state of the art (Chapter 2), as well as the explanation of the research approach and background (Chapter 3). First, the bond behaviour under simultaneous load and crack cycling was studied at micro level as existing bond models do not consider the effect of crack cycling. This study allowed extending the applicability of a hysteretic energy model for reinforcing bars subjected to simultaneous load and crack cycling (Chapter 4). In addition, the possibility to simulate the bond damage by means of the finite element method was shown (Chapter 5). Second, column-to-foundation connections were studied at macro level. An anchorage detailing without hooks is advantageous for construction and allows the post-installation of column starter bars in the foundation. Post-installed columns are in particular suitable for the seismic retrofit of soft ground floor stories which failure is one of the most common reasons for total structural collapses during earthquakes. Large scale experimental tests were conducted (Chapter 6) and supplemented by a large number of numerical tests (Chapter 7). The gained knowledge enabled the enhancements of the bonded anchor design provisions (Chapter 8). Based on the enhanced design provisions, a design concept for column to foundation connections is proposed which allows the post-installation of columns (Chapter 9). The design concept was developed in particular for seismic load cases. The thesis concludes in summarising the most significant results and pointing out which open questions in the field of post-installed reinforcing bars should be answered in future (Chapter 10).
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Trag- und Verschiebungsverhalten sowie Bemessung von Kopfbolzenverankerungen mit und ohne Rückhängebewehrung unter Zuglast
(2015) Berger, Walter; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Anschlüsse zwischen Stahl- und Stahlbetonbauteilen werden hauptsächlich mittels Ankerplatten mit angeschweißten Kopfbolzendübeln realisiert. Häufig befindet sich in der Nähe der Kopfbolzen eine Bügelbewehrung, die aus statischen Gründen in dem Bauteil eingeplant wurde (z. B. bei Stahlbetonstützen). Diese Bewehrung führt zu einer erheblichen Laststeigerung, kann aber auch unter bestimmten Bedingungen zu einem duktileren Verhalten des Anschlusses führen. Aus dem Zusammenwirken der Rückhängebewehrung mit dem Beton und auf der Grundlage der Untersuchung des Bruchverhaltens, wurden zwei Versagensarten einer Verankerung mit Rückhängebewehrung definiert und untersucht – das Fließen der Rückhängebewehrung und das Betonversagen / der Druckstrebenbruch. Die Versagenslast beim Fließen der Bewehrung ergab sich aus der beschriebenen Umlagerung der Komponenten am Fließpunkt der Rückhängebewehrung. Um einen Ansatz für die Bestimmung der Höchstlasten beim Betonversagen zu entwickeln, wurden sowohl Versuche an Verankerungen mit Rückhängebewehrung als auch äquivalente Versuche durchgeführt, bei denen die Entfernung der Abstützung vom Kopfbolzen variiert wurde. Nach dem die Versagensarten beschrieben wurden, konnte das Last-Verschiebungsverhalten von bewehrten Verankerungen beschrieben werden. Danach setzt sich die komplette Last-Verschiebungskurve aus allen beschriebenen Verschiebungsanteilen zusammen und ist abhängig von der Versagensart. Anhand der statistischen Betrachtung der Versuchsergebnisse wurden anschließend die charakteristischen Werte des Widerstandes für Verankerungen mit Rückhängebewehrung unter Zuglast ermittelt. So kann das neue Modell unter Verwendung der Teilsicherheitsbeiwerte für die Bemessung verwendet werden.
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Tragverhalten und Bemessung von Ankerschienen unter Querbelastung
(2008) Potthoff, Michael; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Ankerschienen sind U-förmig Stahlprofile an denen Ankerbolzen angeschweißt oder angestaucht sind. In das Schienenprofil werden Haken- bzw. Hammerkopfschrauben eingesetzt und mit dem anzuschließenden Anbauteil verbunden. Je nach Herstellart und Größe, können kaltgewalzte und warm umgeformte Schienen, die sich in ihren Lastabtragungseigenschaften unterscheiden, verwendet werden. Ankerschienen sind Bauprodukte, die in zahlreichen Anwendungen im modernen Hoch- und Tiefbau zum Einsatz kommen. Sie finden Anwendung im Industrie- und Wohnungsbau z. B. zur Abfangung von Verblendmauerwerk, bei Bodenverankerungen von Maschinen, im Aufzug- und auch Tunnelbau. Es ist das Ziel dieser Arbeit, das Wissen über das Tragverhalten von Ankerschienen unter Querbelastung zu erweitern. In diesem Vorhaben enthalten ist die Entwicklung eines Bemessungsverfahrens zur Berechnung der Betonkantebruchlast und der Versagenslast auf der lastabgewandten Seite, das die beliebige Lasteinleitungsposition berücksichtigt. Hierzu werden zahlreiche Finite Element Berechnungen durchgeführt und experimentelle Untersuchungen ausgewertet. Das Bemessungsverfahren beruht auf einer dreiecksförmigen Verteilung der Lasten auf die Anker. Es hat sich herausgestellt, dass die Verteilung der Lasten auf die Anker den besten Kompromiss herstellt zwischen der tatsächlichen Lastabtragung und der Berechnung der Interaktion über den zentrischen Lastangriff. Auf der Widerstandsseite beeinflussen sich die Widerstände der Anker gegenseitig, woraus sich eine Abminderung der aufnehmbaren Ankerkräfte ergibt. Durch die Kombination der Einwirkungs- und Widerstandsseite ergibt sich eine maßgebende Belastung für den höchstbelasteten Anker. Durch Einflussfaktoren wird der geometrischen Einbausituation Rechnung getragen. Dies wird anhand von nicht-linearen dreidimensionalen Finite Elementberechnungen bestätigt. In Abschnitt 6 ist das Tragverhalten von Ankerschienen beschrieben, die zum rückwärtigen Rand belastet werden. Es hat sich gezeigt, dass die Versagenslast über den zentrischen Zug berechnet werden kann. Die Versagenslast für Querlasten zum rückwärtigen Rand beträgt den zweifachen Wert wie für zentrischen Zug. Dies wurde mit zahlreichen Versuchen bestätigt. In einem weiteren Abschnitt wird das Tragverhalten von Ankerschienen mit der Versagensart Stahlversagen untersucht. Dazu werden Ankerschienen mit großem Randabstand in Plattenmitte eingebaut. Hierfür wird ein Bemessungsmodell vorgeschlagen, welches auf die Fleißgelenktheorie zurückgeht. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, dass eine CEN erarbeitet werden konnte, die 2007 verabschiedet wird.
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Tragverhalten und Bemessung von Befestigungen am Bauteilrand mit Rückhängebewehrung unter Querlasten rechtwinklig zum Rand
(2010) Schmid, Klaus; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Befestigungsmittel werden in einem Bauteil durch unterschiedliche Belastungsarten beansprucht. Dazu zählen Zug- und Querzugbelastungen sowie eine Kombination aus diesen beiden Belastungen, den Schrägzugbelastungen. Je nach Belastungsart können unterschiedliche Versagensarten auftreten. Bei der Bemessung von Befestigungsmitteln werden die Belastungen den Widerständen für die unterschiedlichen Versagensarten gegenübergestellt. In unbewehrtem Beton gibt es für die verschiedenen Versagensarten hinreichend genaue Modelle, mit denen die Widerstände berechnet werden können. Durch das gezielte Einlegen einer Bewehrung kann allerdings der Widerstand des unbewehrten Betons deutlich erhöht werden. Besonders effizient ist eine Bewehrung für Befestigungsmittel am Rand, die durch eine Querlast senkrecht zum Rand beansprucht werden. Allerdings gibt es dafür keine Modelle, mit denen die erhöhte Tragfähigkeit hinreichend genau abgeschätzt werden kann. Deshalb ist Ziel dieser Arbeit, das Tragverhalten von Befestigungen in bewehrtem Beton genauer zu untersuchen.
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Tragverhalten und Bemessung von Befestigungen unter beliebiger Querbelastung in ungerissenem Beton
(2005) Hofmann, Jan E.; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wurde das Tragverhalten von Verbunddübeln unter beliebiger Querbelastung anhand theoretischer, numerischer und experimenteller Untersuchungen untersucht. Die Ergebnisse beschränken sich dabei auf Verankerungen ohne Rückhängebewehrung im ungerissenen Beton. In Abschnitt 2 wurden zunächst die bisherigen Untersuchungen verschiedener Autoren zusammengefasst und das CC-Verfahren für die Bemessung querbelasteter Verankerungen vorgestellt. Ergänzend hierzu wurden Versuche am Bauteilrand und in der Bauteilecke durchgeführt, bei denen ein Versagen infolge Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite auftrat. Die Ergebnisse zeigen, dass das CC Verfahren auch für diese Fälle angewandt werden kann, wenn die zentrische Zugtragfähigkeit am Bauteilrand und in der Bauteilecke entsprechend abgemindert wird. Die bisherigen Versuche wurden anschließend in Abschnitt 3 in einer Datenbank zusammengefasst und ausgewertet und den vorhandenen Forschungsbedarf abzugrenzen. In Abschnitt 4 wurde ein auf der linear elastischen Bruchmechanik, der elastischen Bettung und der Theorie der Querpressung basierendes Berechnungsmodell für Befestigungen unter Querlast entwickelt. Mit diesem Modell ist es möglich die Bruchlast, die theoretische Erstrisslast, den Rissverlauf sowie eine idealisierte Last-Verschiebungskurve für die Versagensart Betonkantenbruch zu bestimmen. Hierfür sind jedoch unterschiedliche ebene Rissprobleme zu lösen für die in der Literatur nur bedingt Lösungen angegeben sind. Um die zugehörigen Spannungsintensitätsfaktoren dieser ebenen Rissprobleme zu ermitteln wurden diese mit Hilfe numerischer Berechnungen und der COD-Methode bestimmt. Für eine ausführliche Parameterstudie wurde das entwickelte bruchmechanische Modell in einem Programm umgesetzt, so dass für die Berechnung einer Verankerung nur die Eingabe der wichtigsten Randbedingungen erforderlich ist. Um das in Abschnitt 4 entwickelte bruchmechanische Modell für beliebige Anwendungsfälle zu verifizieren wurden numerische (Abschnitt 5) und experimentelle (Abschnitt 6) Untersuchungen mit Einzel- und Gruppenverankerung am Bauteilrand und in der Bauteilecke durchgeführt. In der Regel wurden sowohl die Rissbilder als auch die Bruchlasten brauchbar durch das bruchmechanische Modell erfasst, wenn die Verankerungen infolge Betonkantenbruch versagten. Die wichtigsten Ergebnisse der bruchmechanischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen sind im folgenden zusammengefasst: - Der Einfluss des Durchmessers und der Verankerungstiefe nimmt mit zunehmendem Randabstand ab. - Die Bruchlasten steigen an, wenn der Lasteinleitungsbereich eingespannt ausgebildet wird. Dieser Einfluss ist von der Dübelsteifigkeit abhängig und für größer werdende Verhältnisse hef / dnom geringer. - Der Einfluss der Bauteilecke und des Achsabstandes s2 wird durch das CC Verfahren brauchbar erfasst. - Wird für die Tragfähigkeit einer Dübelgruppe die doppelte Betonkantenbruchlast der vorderen Dübelreihe angenommen, muss diese für Verhältnisse s1/c1 < 0,75 abgemindert werden, da die Last hauptsächlich über die hinteren Dübel abgetragen wird. In den numerischen Berechnungen ist für Verankerungen mit s1/c1 < 0,7 daher am vorderen Dübel kein Riss sichtbar. - Bei Verankerungen mit hintereinander liegenden Dübeln und Lochspiel wird die Bruchlast des hinteren durch die Rissbildung des vorderen Dübels beeinflusst. Für Verhältnisse s1/c1 > 2,0 entspricht die Gruppentragfähigkeit der Betonkantenbruchlast der hinteren Dübelreihe. Für Verhältnisse s1/c1 < 2,0 muss die Tragfähigkeit der hinteren Dübel linear abgemindert werden, bis die Bruchlast der vorderen Dübel erreicht wird. - Der Einfluss der Bauteildicke wird durch das CC-Verfahren leicht überschätzt. - Für parallel zum Rand belastete Verankerungen hängt die Bruchlast stark von der zu erwartenden Pressung vor den Bolzen und dem Verhältnis von Spaltkraft zu Zugkraft ab. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zeigen, dass diese hauptsächlich vom Durchmesser, dem Randabstand und der Betondruckfestigkeit abhängt. - Versuche mit Verbunddübeln, die entgegen den Rand belastet werden zeigen, dass diese stets infolge Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite versagen. - Die Ergebnisse zu Verankerungen unter Torsionsbelastung zeigen, dass die Bruchlast des senkrecht zum Rand belastet Ankers nicht durch den entgegen den Rand belasteten Anker beeinflusst wird, auch wenn dieser deutlich höher Lasten aufnimmt. - Der Bruchrisswinkel einer Verankerung ist vom Randabstand, dem Dübeldurchmesser sowie den Achs- und Eckabständen abhängig. Für große Durchmesser und kleine Randabstände wird dieser flacher ebenso wie für kleine Achs- und Eckabstände. - Bei Verankerungen mit hintereinander angeordneten Dübeln ist für kleine Verhältnisse s1 /c1 der Rissverlauf am vorderen Dübel steiler (40° bis 60°) als der einer entsprechenden Einzelverankerung (30° bis 40°).
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Tragverhalten und Bemessung von eingemörtelten Bewehrungsstäben
(2002) Spieth, Hannes A.; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Bewehrungsanschlüsse werden in der Praxis immer häufiger mit eingemörtelten Bewehrungsstäben ausgeführt. Die Bemessung und konstruktive Durchbildung dieser Anschlüsse erfolgt im Allgemeinen auf der Basis von Herstellerangaben. Die so ermittelten Verankerungs- und Übergreifungslängen unterschreiten sich zum Teil deutlich von den nach den gängigen Stahlbetonnormen geforderten Werte für einbetonierte Bewehrungsstäbe. Zur Klärung des Tragverhaltens von eingemörtelten gerippten Bewehrungsstäben wurden eine große Anzahl von Auszugsversuchen an Einzelstäben und Versuche mit Übergreifungsstößen in Balken und Platten unter Momentenbelastung sowie Versuche an Übergreifungsstößen in Körpern unter Zugbelastung durchgeführt. Variiert wurden dabei die geometrischen und klimatischen Randbedingungen, die Art der Installation sowie der verwendete Verbundmörtel. Zum Vergleich wurde das Tragverhalten von einbetonierten gerippten Bewehrungsstäben untersucht. Zudem wurden numerische Simulationen von Verankerungen und Übergreifungsstößen von eingemörtelten und einbetonierten Stäben mit unterschiedlichen Verbundeigenschaften durchgeführt. Die Versuche zeigen, dass eine Vielzahl von Faktoren das Tragverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben beeinflussen. Der Einfluss dieser Faktoren auf das Tragverhalten ist abhängig von der Art des Systems. Je nach verwendetem Verbundmörtelprodukt und Anwendungsbedingungen können mit den eingemörtelten Bewehrungsstäben höhere, aber auch niedrigere Verbundfestigkeiten übertragen werden als mit einbetonierten Bewehrungsstäben. Dies gilt im Fall von hochfesten Systemen aber nur für Verankerungen mit großer Betondeckung und bei der Versagensart Herausziehen. Bei Verankerungen und Übergreifungsstößen mit kleiner Betondeckung ist die Zugfestigkeit der Betondeckung maßgeblich und die Versagensart Spalten tritt auf. Mögliche höhere übertragbare Verbundfestigkeiten der eingemörtelten Stäbe können in diesem Fall nicht genutzt werden. Gewährleistet das verwendete Verbundmörtelsystem ein etwa gleiches oder höherfestes Verbundverhalten wie ein einbetonierter Stab, so verhalten sich die nachträglich eingemörtelten Bewehrungsstäbe mit kleiner Betondeckung vergleichbar wie einbetonierte Bewehrungsstäbe. Weist demgegenüber der eingemörtelte Stab ein weicheres Verhalten auf bzw. löst sich der Verbund zwischen Mörtel und Beton schon bei niedriger Belastung, kann auch das Spaltversagen bei Anschlüssen mit kleiner Betondeckung bei niedriger Belastung auftreten wie bei einbetonierten Stäben, obwohl die Verbundfestigkeit des Systems noch nicht erreicht sein muss. Die numerischen Simulationen zeigen, dass die Duktilität des Verbundes maßgeblich das Tragverhalten von Verankerungen und Übergreifungsstößen mit großen Verbundlängen beeinflusst. Je nach Sprödigkeit des Verbundes kann nur ein bestimmter Anteil der Verbundfläche zu einem Zeitpunkt aktiviert werden. Dies führt je nach Verbundeigenschaften zu einer unterschiedlichen Abminderung der mittleren Verbundfestigkeit bei Stäben mit großer Verankerungslänge im Vergleich zu den bei kurzer Verankerungslänge erzielten Werten. Auf der Grundlage der durchgeführten Untersuchungen wurden ein Bemessungskonzept und ein vereinfachtes Bemessungskonzept für eingemörtelte Bewehrungsstäbe entwickelt. Vorausgesetzt für die Bemessungskonzepte ist, dass die Verbundspannungs-Verschiebungskurve von den eingemörtelten Stäben mit großer Betondeckung und der Versagensart Herausziehen gleichartig oder oberhalb derer von einbetonierten Bewehrungsstäben verlaufen, wobei die Streuung, gerissener Beton, klimatische Einflussfaktoren sowie der Einfluss der Installation berücksichtigt werden müssen. Zudem ist die Dauerhaftigkeit des Systems sowie der Korrosionsschutz der eingemörtelten Bewehrungsstäbe zu gewährleisten. Bei beiden Bemessungsverfahren sind aus bohrtechnischen Gründen (keine Schädigung des Betons beim Bohren) Mindestwerte für die Betondeckung bzw. den Achsabstand der eingemörtelten Bewehrungsstäbe einzuhalten. Das allgemeine Bemessungskonzept unterscheidet zwischen der Versagensart Spalten und der Versagensart Herausziehen. Maßgeblich ist die Versagensart, die den kleinsten Bemessungswiderstand bzw. die größte Übergreifungslänge ergibt. Berücksichtigt werden dabei die tatsächlichen geometrischen Randbedingungen sowie die tatsächliche Verbundfestigkeit des verwendeten Verbundmörtelsystems. Das vereinfachte Bemessungskonzept sieht vor, dass die eingemörtelten Bewehrungsstäbe entsprechend der Regeln der jeweils gültigen Stahlbetonnorm für gerade einbetonierte Bewehrungsstäbe konstruktiv ausgeführt und bemessen werden sollen. Kriterien zur Bewertung der Eignung und Leistungsfähigkeit von Verbundmörtelsystemen sowie Anforderungen an die Anwendungstechnik und Schulung der Monteure wurden erarbeitet und sind in der Arbeit aufgeführt.
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Tragverhalten von Einzelverbunddübeln unter zentrischer Kurzzeitbelastung
(2002) Meszaros, Juraj; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wurde das Tragverhalten von randfernen Einzel Patronen- und Injektionsdübeln unter zentrischer Zugbelastung untersucht und die wichtigsten Einflußfaktoren auf das Tragverhalten beschrieben. Für die Herleitung eines allgemein gültigen Bemessungs- und Prüfverfahrens für Verbunddübel sind detaillierte Erkenntnisse zum Trag- und Versagensmechanismus notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst die bisherigen Erkenntnisse zum Tragverhalten von Verbund- und Injektionsdübeln übersichtlich zusammengestellt. Dabei wurde zwischen dem Tragverhalten in ungerissenem und gerissenem Beton unterschieden. Zum besseren Verständnis der Bindungskräfte in der Klebung wurden die chemischen und physikalischen Aspekte ausgewertet. Weiterhin wurde der Tragmechanismus theoretisch mittels eines FE-Programms analysiert. Mit Hilfe von Schallemissionsanalysen, Messungen mit Dehnmessstreifen und zweiaxialer Belastung des Ankergrundes wurde das Tragverhalten und der Bruchmechanismus experimentell untersucht. Experimentell wurde weiterhin der Einfluß von Geometrie- und Montageparametern, Beton- und Mörtelparametern sowie des Versuchsaufbaus einer engen und weiten Versuchsabstützung auf das Last-Verschiebungsverhalten untersucht. Anhand der theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurde für eine praktische Bemessung ein Rechenverfahren mit einer gleichmäßig verteilten Verbundspannung entlang des Dübelmantels vorgeschlagen.
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Tragverhalten von Kunststoffdübeln im ungerissenen und gerissenen Beton
(2003) Pregartner, Thilo; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Kunststoffdübel bestehen aus einer Spreizhülse aus Kunststoff und einem Spreizelement, das in der Regel aus Stahl hergestellt wird. Bei der Montage wird das Spreizelement in die Kunststoffhülse eingetrieben, so dass der Kunststoff gegen die Bohrlochwand gepresst wird. Das Eintreiben des Spreizelementes kann drehend (Schraubdübel) oder schlagend (Nageldübel) erfolgen. Kunststoffdübel versagen in Beton in der Regel durch Herausziehen der Dübelhülse aus dem Bohrloch. Daher bestimmt die Reibkraft zwischen Dübelhülse und Beton maßgeblich das Tragverhalten. Die Reibkraft eines Kunststoffdübels ergibt sich aus der Spreizkraft und dem Reibkoeffizienten zwischen Dübelhülse und Beton. In theoretischen Untersuchungen wird das Tragverhalten von Kunststoffdübeln unter zentrischer Zugbelastung auf der Basis des Coulomb’schen Reibgesetzes getrennt nach den beiden Hauptkomponenten Spreizkraft und Reibkoeffizient untersucht. Beim rotierenden Eintreiben des Spreizelementes in die Dübelhülse bei Schraubdübeln wird der Kunststoff durch die Reibung zwischen Schraube und Kunststoff stark erwärmt. Dagegen rotiert das Spreizelement bei Nageldübeln beim Eintreiben nicht. Die Temperaturerhöhung der Dübelhülse bei der Montage ist daher wesentlich geringer. Anhand von nichtlinearen 3-dimensionalen Finite-Element-Studien an Dübelabschnitten werden unterschiedliche Einflüsse auf den Spreizkraftverlauf im ungerissenen und gerissenen Beton bewertet. Nach dem Eintreiben des Spreizelementes in die Dübelhülse nimmt die Spreizkraft im ungerissenen Beton infolge der Relaxation des Kunststoffes innerhalb der ersten Minuten nach der Montage stark ab. Durch die Rissöffnung wird die Spreizkraft eines Kunststoffdübels weiter reduziert. Nach der Rissöffnung steigt die Spreizkraft bei konstanter Rissbreite deutlich an, was mit dem Boltzmann’schen Superpositionsprinzip erklärt werden kann und auf dem viskoelastischen Verformungsverhalten des Kunststoffes basiert. Weiterhin wird eine Prüfeinrichtung vorgestellt, mit der die Spaltkraftverteilung eines Dübels entlang der Dübelachse bestimmt werden kann. Zusätzlich wurden Spaltkraftmessungen durchgeführt, bei denen zusätzlich ein Ausziehversuch durchgeführt wurde. Dadurch kann der Reibkoeffizient zwischen Dübelhülse und Beton berechnet werden. Die aus der Literatur bekannten Streudiagramme zum Einfluss von Bohrereckmaß, Konditionierung, zum Belastungszeitpunkt und Temperatur in ungerissenem Beton werden durch Versuchsergebnisse aus Forschungs- und Zulassungsverfahren erweitert und mit den Ergebnissen der numerischen Studien verglichen. Versuche mit Dübelgruppen im ungerissenen Beton und Querlastversuche am Rand zeigen, dass Kunststoffdübel einen Betonausbruch erzeugen können. Es wird ein modifiziertes Bemessungsverfahren vorgestellt, das auf dem CC-Verfahren für Kopfbolzen basiert. Durch Dauerstandversuche mit Kunststoffdübeln, bei denen durch hohe Dauerlasten ein Versagen der Dübel hervorgerufen wurde, wird ein Versagenskriterium für Kunststoffdübel in Kriechversuchen abgeleitet und verifiziert. In weiteren Ausführungen wird das Tragverhalten von Kunststoffdübeln in gerissenem Beton anhand von zentrischen Ausziehversuchen und Spaltkraftmessungen erklärt. Mit Hilfe von Spaltkraftmessungen in einer servo-hydraulischen Prüfmaschine, in der eine Rissöffnung im Beton simuliert wird, wird der Spaltkraftverlauf und der Reibkoeffizient im gerissenen Beton untersucht. Mit zunehmender Rissbreite nimmt der Reibkoeffizient zwischen Hülse und Bohrloch ab, da durch die Rissöffnung der Mikroformschluss senkrecht zur Rissrichtung gestört wird. In zentrischen Ausziehversuchen im gerissenen Beton wird gezeigt, dass die Herausziehlasten mit zunehmender Rissbreite stark abnehmen. In weiteren Versuchen wird in diesem Abschnitt der Einfluss der Zeitdifferenz zwischen Rissöffnung und Ausziehversuch untersucht. Die Herausziehlasten von Schraubdübeln steigen mit zunehmender Zeitdifferenz stark an, während bei Nageldübeln bis 72 h kein Anstieg zu erkennen ist. Weiterhin werden Auswertungen von Ausziehversuchen nach dem bisherigen Konzept mit globalen Sicherheitsfaktoren und dem neuen Konzept mit Teilsicherheitsbeiwerten nach ETAG (2000/1) durchgeführt. Die Auswertung zeigt, dass die bisher gebräuchlichen zulässigen Lasten von Kunststoffdübeln in Beton nach dem alten Sicherheitskonzept nachgewiesen werden können, während Auswertungen nach den neuen Vorschlägen der ETAG (2000/1) zu einem deutlich geringeren Lastniveau führen. Durch Überlegungen zur Überlagerung der Abminderungsfaktoren bei der Bestimmung des charakteristischen Widerstandes wird gezeigt, wie der Unterschied in den Lastniveaus verringert werden kann.
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Tragverhalten von Verbunddübeln unter Zugbelastung
(2009) Appl, Jörg-Jochen; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Im Bauwesen werden in zunehmendem Maße Dübel zur Einleitung von Lasten in den erhärteten Beton eingesetzt. Vor allem Befestigungssysteme auf der Grundlage chemischer Mörtel werden vermehrt verwendet. Allerdings fehlte bisher ein genügend genaues Berechnungsmodell zur Bemessung von beliebigen Befestigungen mit Verbunddübeln für unterschiedliche Verankerungstiefen und für verschiedene Verbundfestigkeiten. In der vorliegenden Arbeit wurde das Tragverhalten von Verbundübeln unter Zugbelastung im ungerissenen und gerissenen Beton unter Berücksichtigung verschiedener Versagensarten untersucht. Zur Klärung des Tragverhaltens wurden umfangreiche numerische Untersuchungen an Einzelverbunddübeln und Gruppenbefestigungen unter Zugbelastung durchgeführt. Variiert wurden dabei die geometrischen und materialspezifischen Randbedingungen. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Vielzahl von Faktoren das Tragverhalten von Verbunddübeln beeinflusst. Auf Basis der numerischen und experimentellen Ergebnisse wurde ein Bemessungsmodell abgeleitet, dass auf dem CC-Verfahren beruht. Dieses berücksichtigt die wesentlichen Einflussparameter auf die Höchstlast. Der Vergleich der rechnerischen Höchstlasten mit den experimentell ermittelten Werten, bestehend aus 439 Gruppenbefestigungen mit Verbunddübeln und 133 Einzelverbunddübeln am Rand zeigt, dass das Bemessungskonzept den Einfluss von geometrischen und Materialspezifischen Parametern auf die Höchstlast realitätsnah erfasst.
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Untersuchungen zum Tragverhalten von Gruppenbefestigungen unter Berücksichtigung der Ankerplattendicke und einer Mörtelschicht
(2011) Fichtner, Stefan; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Ankerplatten sind wesentliche Bestandteile eines Knotenpunktes, in dem Stahl- und Betonbauteile kraftschlüssig miteinander verbunden werden. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen und Finite-Element-Simulationen zu diesem Thema vorgestellt. Bei den Untersuchungen war die derzeitige Praxis der Ankerplattenbemessung bezüglich ihrer Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu überprüfen und ein verbesserter Bemessungsansatz zu ermitteln. Nach der Einleitung wird in Abschnitt 2 ein Überblick über die Bemessungsansätze von Befestigungen in verschiedenen Normen und in der Literatur gegeben. Abschnitt 3 erläutert die Veränderungen und Verbesserungen am Programm MASA als Voraussetzung für ausführliche numerische Parameterstudien. Neben der Parallelisierung des Frontsolvers und anderer Bereiche wurde ein Bandbreitenoptimierer entwickelt. Beide Maßnahmen bedeuten eine signifikante Steigerung der Rechengeschwindigkeit. In den Simulationen stellte sich heraus, dass in MASA insbesondere bei großen Kontaktflächen zwischen Stahl und Beton ein funktionierendes System fehlt. Da genau diese Eigenschaft bei den durchgeführten Versuchen zwingend erforderlich war, wurde in den Quellcode von MASA ein Materialmodell für eine Kontaktschicht implementiert, die sowohl das Kontaktproblem numerisch erfasst als auch die Simulation von Reibung und Vorspannung bzw. Lochspiel ermöglicht. In Abschnitt 4 wird die erforderliche Ankerplattensteifigkeit bei Gruppenbefestigungen untersucht. Bei der Dimensionierung des Knotenpunktes spielt die Dicke der Ankerplatte eine maßgebliche Rolle für die Trag- und Rotationsfähigkeit des Anschlusses. Die Untersuchungen zeigen, inwiefern mit den vorliegenden Bemessungskonzepten aus dem Massivbau, der Befestigungstechnik und dem Stahlbau die erforderlichen Dicken der Ankerplatten wirtschaftlich und sicher bemessen werden. Die Vergleiche zwischen den Methoden lassen Unterschiede erkennen, die zu einer Über- oder Unterdimensionierungen führen. Auf Grundlage der experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden zwei Bemessungsansätze entwickelt, die sich im Wesentlichen in ihrem Aufwand bezüglich der zu erhebenden bzw. einzugebenden Daten unterscheiden. Hierbei wird entweder davon ausgegangen, dass die Steifigkeit des Befestigungsmittels bekannt ist, oder aber auf der sicheren Seite liegend angenommen. Abschnitt 5 behandelt den Einfluss einer Biegedruckkraft unter der Ankerplatte auf das Ausbruchverhalten der gezogenen Befestigungsmittel. Untersucht wurde der Einfluss der unter der Ankerplatte bei Biegebeanspruchung entstehenden Druckkraft auf den normalen Betonausbruchkegel der Dübel bzw. Kopfbolzen. Eine Behinderung des Kegels durch Überdrücken führt in der Regel zu einer Steigerung der Höchstlast. Der entwickelte Bemessungsansatz macht die Größe des Einflusses der Biegedruck-kraft von der effektiven Verankerungstiefe und dem inneren Hebelarm der Schnittkräfte (Ermittlung nach der Elastizitätstheorie) abhängig. Im letzten Abschnitt 6 wird auf Grundlage von experimentellen und numerischen Un-tersuchungen ein Ansatz für die Bemessungen von Ankerplatten mit einer Mörtelausgleichsschicht unter Querlast entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Versagensfälle Stahlbruch und Betonversagen unterschiedlich zu behandeln sind und dass die Verschiebungen in Belastungsrichtung begrenzt werden sollten. Das vorhandene gesamte Tragsystem könnte eine große Deformation innerhalb eines Knotenpunktes eventuell nicht kompensieren. Die vorgeschlagene Bemessung gilt nur für statische Beanspruchungen. Für dynamische Belastungen sind weitere Untersuchungen erforderlich. Die Kombination dieser drei Bemessungsansätze mit den Bemessungsmodellen der EOTA (1997) und des Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-8 (2005)) ermöglicht eine sichere und wirtschaftliche Methode für die Dimensionierung von Ankerplatten und den angeschlossenen Bauteilen und Befestigungsmitteln. Insbesondere im Hinblick auf andere Einwirkungen (Torsion) oder Ankerplattengeo-metrien (dreieckige Ankerplatte) sind weitere Untersuchungen erforderlich. Zudem ist eine Verallgemeinerung des Bemessungsansatzes in Abschnitt 6 für andere Arten von Befestigungsmitteln und die Erweiterung der Plastizitätstheorie des CEB Design Guide zu prüfen. Zudem sind weitere Untersuchungen erforderlich, um zu klären, unter welchen Bedingungen der vorgeschlagene Bemessungsansatz auch für Einzelbefestigungen eingesetzt werden kann. In Bezug auf die Ankerplattensteifigkeit ist die Umsetzung des Steifigkeitskriteriums in der prCEN/TS 1992-4 und im Anschluss daran in die heute üblichen kleinen FE-Programme der Firmen anzustreben.
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Verbundverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter zyklischer Beanspruchung
(2007) Simons, Isabelle Nadine; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wurde das Tragverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter zyklischer Beanspruchung im ungerissenen und gerissenen Beton bei den Versagensarten Herausziehen des Bewehrungsstabes und Spalten des Betons für unterschiedliche Mörtelsysteme experimentell und numerisch untersucht. Zum Vergleich wurden einbetonierte Bewehrungsstäbe geprüft. Anhand der Ergebnisse wurden die Einflussfaktoren auf das Verbundspannungs-Verschiebungsverhalten von eingemörtelten und einbetonierten Bewehrungsstäben aufgezeigt und bewertet. Darüber hinaus wurde ein Vorschlag zur Bemessung von nachträglich eingemörtelten Bewehrungsstäben unter zyklischer Beanspruchung hergeleitet. Das Tragverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter monotoner Belastung im ungerissenen Beton hängt wesentlich vom verwendeten Mörtelsystem ab. Es kann etwa ähnlich, günstiger jedoch auch ungünstiger sein als das von einbetonierten Bewehrungsstäben. Bei zyklischer Belastung zwischen vorgegebenen Verschiebungen kommt es zu Verbundschädigungen. Zur Bewertung der Verbundschädigung wurden die Abnahme der Verbundspannung bei der maximalen Verschiebung unter zyklischer Belastung und die Resttragfähigkeit nach zyklischer Belastung herangezogen. Die Verbundschädigung nimmt mit zunehmendem Verschiebungswert während der zyklischen Belastung zu und ist bei einseitiger zyklischer Belastung deutlich geringer als bei wechselnder Belastung. Dies gilt für einbetonierte und eingemörtelte Bewehrungsstäbe. Das Verbundverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter monotoner Belastung wird durch Risse im Beton wesentlich beeinflusst. Mit zunehmender Rissbreite nimmt die Verbundfestigkeit wesentlich ab. Dabei kann die Abnahme der Verbundfestigkeit stärker oder vergleichbar zum Verhalten von einbetonierten Rippenstäben sein. Dieses Ergebnis steht teilweise im Widerspruch zu Angaben in der Literatur, wonach die Verbundfestigkeit von eingemörtelten Bewehrungsstäben durch Risse im Beton deutlich stärker beeinflusst wird als bei einbetonierten Bewehrungsstäben. Unter sonst gleichen Versuchsbedingungen ist im gerissenen Beton die Schädigung des Verbundes durch zyklische Belastungen größer als im ungerissenen Beton. Dabei verhalten sich Bewehrungsstäbe, die mit geeigneten Injektionsmörtelsystemen eingemörtelt werden ähnlich oder günstiger als einbetonierte Bewehrungsstäbe. Als geeignet werden Injektionssysteme eingestuft, die unter monotoner Belastung im ungerissenen und gerissenen Beton ein vergleichbares oder günstigeres Verbundspannungs-Schlupf-Verhalten aufweisen als einbetonierte Rippenstäbe. Geeignete Injektionsmörtelsysteme weisen auch im gerissenen Beton unter zyklischer Belastung eine geringere Verbundschädigung auf als einbetonierte Bewehrungsstäbe. Das Tragverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben mit großer Verankerungslänge unter zyklischer Belastung wurde numerisch untersucht. Dazu wurde das nichtlineare FE-Programm MASA verwendet, das auf dem Microplane-Materialmodell für Beton und einer verschmierten Rissmodellierung (Rissbandmethode) basiert. Der Verbund zwischen Bewehrungsstahl und Beton wurde durch ein diskretes Verbundmodell (Lettow (2006)) modelliert. Bei diesem Verbundmodell wird die Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung bei monotoner Belastung eingegeben. Der Einfluss weiterer Parameter wird automatisch erfasst. Die durchgeführten Rechnungen gelten für die Versagensart Herausziehen. Die Nachrechnung der Versuche mit kurzer Verankerungslänge zeigte, dass das verwendete Verbundmodell prinzipiell in der Lage ist, das Verbundverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben unter zyklischer Belastung mit ausreichender Genauigkeit zu beschreiben. Allerdings muss der Schädigungsparameter für Verankerungen im gerissenen Beton modifiziert werden, weil die Verbundschädigung im gerissenen Beton stärker ist als im ungerissenen Beton. Die Eignung des Mörtelsystems ist durch Ausziehversuche mit eingemörtelten Bewehrungsstäben unter monotoner und zyklischer Beanspruchung nachzuweisen. Die Versuche unter monotoner Beanspruchung sollten nach dem Technical Report (EOTA (2006)) durchgeführt werden. Die Versuchsergebnisse müssen alle in EOTA (2006) angegebenen Bedingungen erfüllen. Für den zyklischen Eignungsnachweis ist ein Vorschlag in der Arbeit gegeben. Nach EOTA (2006) sind nur Versuche im ungerissenen Beton erforderlich. In den durchgeführten zyklischen Versuchen war das Verbundverhalten von eingemörtelten Bewehrungsstäben im gerissenen Beton demjenigen von einbetonierten Bewehrungsstäben vergleichbar, wenn das Verbundverhalten der eingemörtelten Bewehrungsstäbe unter monotoner Belastung im gerissenen Beton gleich oder günstiger war als das von einbetonierten Rippenstäben, ansonsten nicht. Dieses Ergebnis gilt jedoch streng nur für die untersuchten Injektionsmörtelsysteme. Daher wird empfohlen, zusätzlich Vergleichsversuche mit eingemörtelten Bewehrungsstäben unter Verwendung der zu beurteilenden Injektionsmörtel im gerissenen Beton durchzuführen. Dies gilt insbesondere auch für die Überprüfung des Verbundverhaltens unter zyklischer Belastung.