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Open Access
Ermüdungsverhalten von Befestigungen in Beton bei überlagerter statischer Beanspruchung
(2025) Fröhlich, Thilo; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
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.
Open Access
Experimental investigation on the fatigue design of anchor channels
(2022) Fröhlich, Thilo; Lotze, Dieter
Cast‐in anchor channels subjected to repeated cyclic actions need to be verified against fatigue failure. However, the fatigue behavior of these fasteners has rarely been investigated up to now. Consequently, the fatigue verification is not covered by the provisions of EN 1992‐4 and specific design rules apply for this product. This article gives a brief overview of the current design methods for anchor channels under fatigue loading and addresses its limitations. Results of experimental investigations within a recent research project are presented that focused on the fatigue resistance of fastenings under combined static and fatigue loading. Accompanying strain measurements provide insights about the distribution of cyclic tension loads through the channel profile to the anchors. In addition, tests under pulsating and alternating shear perpendicular to the channel axis were performed to outline the suitability under fatigue relevant shear loads. The test results obtained are discussed with respect to the existing state of knowledge. Finally, recommendations for the fatigue design of anchor channels are given.
Open Access
Testing and evaluation of anchor channels under fatigue loading
(2020) Fröhlich, Thilo; Lotze, Dieter
Cast-in anchor channels are used to connect steel components to concrete structures e.g., for elevators, cranes or machines, where repeated load cycles require verification against fatigue failure. The fatigue resistance of anchor channels may be determined by tests according to the interactive method, which provides a complete description of the S/N curve from one to infinite load cycles according to the current assessment document. This procedure differs from conventional fatigue concepts, which do not consider loads that are part of low cycle fatigue, but also question the general existence of an endurance limit. An alternative approach presented in this paper is based on the assumption that the S/N curve can be approximated by a bilinear function. The procedure for the evaluation of fatigue tests on anchor channels embedded in concrete is described. A comparison with the current qualification criteria is given by a test example to discuss the applicability of the proposed method.