Browsing by Author "Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)"

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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.
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Fatigue behaviour of fasteners : numerical and experimental investigations on the concrete cone failure mode
(2020) Tóth, Máté; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
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Influences on the bond behaviour of anchorages under short-term and long-term loading
(2023) Maçi, Nilde; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
This thesis focuses on the load-bearing behaviour of adhesive anchors. The influences on the bond strength of the anchors under short-term and long-term loading are investigated. The first part describes the current state of the art of bonded anchors under tensile loading and the influences on the load bearing capacity under short-term loading. In the second part, the factors influencing the long-term loading of adhesive anchors are presented. This section is a summary of various external and internal research. The influence of different parameters on the bond behaviour under long-term loading is then discussed. The third part focuses on the influence of incremental loading on the bond behaviour of adhesive anchors. The tests were part of a research project at the Institute of Construction Materials of the University of Stuttgart. As reference tests served short-term tests where the maximum load was reached within 3 minutes. To achieve incremental loading, the anchors were loaded at five percent steps. After loading, the anchors were unloaded and then reloaded within five minutes. Different parameters are varied throughout the test program: the embedment depth, the support width, concrete condition, drilling diameter, hole cleaning and the temperature while testing. Lastly, the short-term influence on the bond behaviour is investigated. High-strength concrete is used as anchorage base material to test epoxy adhesive anchors. This section describes this behaviour concerning the embedment depth, the bond length of the anchor, the type of steel component and the support width. A comparison between the failure load and the predicted load using the design models from the literature is carried out. Based on the results of the previous parts, the most critical influences on the bond behaviour of adhesive anchors are presented in the last section.
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Nonlinear spring modelling approach for the evaluation of anchor groups
(2021) Bokor, Boglárka; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
This thesis presents a nonlinear spring model based approach for the realistic assessment of anchorages loaded in tension, shear or combined tension-shear in the case of concrete breakout failure modes. First, the nonlinear spring model was conceptualised for anchor groups subjected to (1) tension loads, (2) shear loads, (3) combined tension-shear. The concept of the spring model for tension is based on the assumption that within an anchor group, anchors resist the tension forces, while the compression forces are transferred directly by the base plate to the concrete. Nonlinear tension-only springs are used for modelling the anchor behaviour in order to account for the distribution of forces among the anchors of the group. While defining the characteristics of the nonlinear anchor springs, due consideration is given to the vicinity of the edge and the neighbouring anchors through a tributary area approach. The contact between the base plate and concrete is modelled using compression-only springs, while the base plate is modelled using finite shell or solid elements to realistically consider the base plate stiffness. An analogous model was conceptualised for shear loaded anchorages. However, the tributary area approach was replaced by a tributary volume approach to enable the consideration of different edge distances within an anchor group. The model for interaction is a superposition of the nonlinear spring model for tension and shear. A comprehensive experimental program was designed and performed to verify the postulates made during the conceptualisation of the nonlinear spring model. The aim of this experimental program was to investigate the behaviour of tension and shear loaded anchor groups of various configurations undergoing concrete cone and concrete edge breakout failure, and to understand the load-displacement behaviour of single anchors and anchors as a part of an anchor group. The tension tests on anchor groups were aimed to investigate the following influences: (i) different geometric configurations, (ii) varying stiffness of the base plate, (iii) loading eccentricity, (iv) vicinity of con-crete edge and (v) crack pattern. The shear tests were carried out on single anchors and anchor groups of different configurations to obtain information on (i) the group behav-iour, (ii) the crack initiation and propagation, (iii) the influence of the displacement behaviour of single anchors on the behaviour of anchor groups (iv) the influence of hole clearance pattern and (v) the influence of crack pattern. The nonlinear spring models for tension, shear and interaction were verified against a vast number of experimental results on diverse anchor groups performed within the framework of this thesis and those available from the literature. The results of the experiments and the spring model display excellent agreement in terms of ultimate loads as well as load-displacement behaviour due to considering the change in stiffness and the corresponding redistribution of forces among the anchors of a group. Recommendations for the calculation of resistances of anchorages are given for using the nonlinear spring modelling approach including the field of application, the safety concept, the modelling rules and the verification of the results for Ultimate Limit State (ULS) and Serviceability Limit State (SLS).
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Tragfähigkeit von Hinterschnittverankerungen in Natursteinplatten in Abhängigkeit der Materialeigenschaften
(2015) Tevesz, Judit; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
Heutzutage finden Natursteine zunehmend Verwendung in Fassaden. Aus Gründen der sicheren und wirtschaftlicheren Befestigung dieser Verkleidungselemente, ist die Kenntnis der Dübeltragfähigkeit unerlässlich. Zur Abschätzung der charakteristischen Ankertragfähigkeit nach den gültigen Richtlinien - europäische Zulassung ETA-05/0266 und ETA-06/0253 - sind allerdings aufwendige Auszugsversuche notwendig, da die Berechnungsgleichungen hauptsächlich geometrische Parameter berücksichtigen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, auf Grundlage von einfach zu bestimmenden werkstoffspezifischen Materialeigenschaften, ein Vorhersagemodell für die Dübeltragfähigkeit herzuleiten. Vor dem Hintergrund einer möglichst allgemeingültigen Formulierung, welche für ein großes Spektrum heute eingesetzter Natursteine Gültigkeit besitzt, deckt das Versuchsprogramm eine geologische, sowie geographische Vielfalt ab. Das Untersuchungsprogramm stellte eine umfassende Materialcharakterisierung sicher. Um den Einfluss des Feuchtegehaltes auf die jeweilige Materialeigenschaft quantifizieren zu können, wurden die Gesteinsproben unter drei verschiedenen Lagerungsbedingungen konditioniert. Zusätzlich zur Augenscheinprüfung wurde die Ultraschallgeschwindigkeit während der Arbeit zur Beurteilung der Schichtung der Gesteine ermittelt. Der Einfluss der Genese wurde durch die petrographische Analyse, die Phasenanalyse und die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung berücksichtigt. Im Rahmen der Beschreibung der physikalischen Eigenschaften wurden Rein- und Rohdichte, offene Porosität, Gesamtporosität, Wasseraufnahme und Ultraschallgeschwindigkeit gemessen. Zur Beschreibung des Porensystems wurde die Quecksilberporosimetrie herangezogen. Die Druckfestigkeit wurde indirekt durch Bestimmung des Punktlastindexes und direkt durch den einachsigen Druckversuch ermittelt. Eine Umrechnung zwischen der Druckfestigkeit von zylinder- und würfelförmigen Proben wurde diskutiert. Im Weiteren wurde die Möglichkeit eines Zusammenhangs zwischen der Druckfestigkeit und der Scher-, Biege-, Spalt- und Oberflächenzugfestigkeit untersucht. Die für die Modellbildung relevanten weiteren mechanischen Werkstoffparameter, wie E-modul, Querdehnung, spezifische Bruchenergie und Bruchzähigkeit, wurden bei einem, bzw. zwei Feuchtegehalten bestimmt. Die Querdehnungs- und E-Modul-Messungen erfolgten mittels Dehnmesstreifen, wodurch sich die Querdehnungsänderung parallel zum Spannungsniveau darstellen ließ. Das Versuchsprogramm zur Bestimmung der Ankertragfähigkeit basiert auf Literaturangaben sowie auf Vorgaben zu Messungen der Tragfähigkeit von Hinterschnittdübeln in Beton. Die Messung der Ankertragfähigkeit wurde an bei drei Klimaten bis zum Erreichen der Massenkonstanz gelagerten Probekörpern durchgeführt. Die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit erfolgte an jeder Probe vor den zerstörenden Versuchen, wodurch eine Betrachtung des Zusammenhangs zwischen Ultraschallgeschwindigkeit und Ankertragfähigkeit des Hinterschnittdübels ermöglicht wurde. Die Bestimmung der zentrischen Zugtragfähigkeit erfolgte bei drei unterschiedlichen Verankerungstiefen von 10, 15 und 20 mm. Die größte Anzahl der Versuche wurde mit einer Verankerungstiefe von 15 mm durchgeführt. Beim Querlastversuch wurde das Hauptaugenmerk auf die Vergleichbarkeit mit der Zugtragfähigkeit des Dübels gelegt, dafür wurde durch die Wahl des Versuchsaufbaus sichergestellt, dass die Versagensart Steinausbruch auf der lastabgewandten Seite auftrat. Die Versuche wurden an Probekörpern mit allen drei Feuchtegehalten bei einer Verankerungstiefe von 15 mm durchgeführt. Es wurden zusätzlich Querlastversuche mit Hebelarm durchgeführt, um den Einfluss des Hebelarms untersuchen zu können. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurde eine Datenbank erstellt, die die Herleitung möglicher Umrechnungen zwischen den Materialeigenschaften der Natursteine, sowie der Ankertragfähigkeit erlaubte. Die Ergebnisse deuten auf eine signifikante Korrelation zwischen den Festigkeitskennwerten, der Ultraschallgeschwindigkeit, sowie der Rohdichte auf der einen und der Dübeltragfähigkeit auf der anderen Seite hin. Die Anwendbarkeit der darauf basierenden empirischen Berechnungsgleichungen an weiteren Steinsorten wurde abschließend durch von externer Stelle geprüfte Ankertragfähigkeiten, bzw. Festigkeitskennwerte und intern ermittelte Ultraschallgeschwindigkeiten und Rohdichten validiert. Die für die Modellbildung relevanten Eigenschaften konnten dadurch definiert werden.
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Tragverhalten von Ankerschienen unter Querlast in Schienenlängsrichtung
(2017) Schmidt, Tobias; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
Ankerschienen können Zugbeanspruchungen sowie Querbeanspruchungen senkrecht zu Schienenachse und in Schienenlängsrichtung über die am Schienenkörper unverschieblich befestigten Anker in den Beton einleiten. Für die Lastrichtungen Zug und Querlast senkrecht zur Schienenlängsachse stehen bereits Lastverteilungsansätze zur Verfügung. Für Ankerschienen unter Querlast in Schienenlängsrichtung wird in der vorliegenden Arbeit das Lastabtragsverhalten bzw. die Verteilung auf die an der Lastabtragung beteiligten Anker geklärt und ein Ingenieurmodell zur Ermittlung der auftretenden Lastanteile vorgestellt.
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Verbunddübelsysteme unter dauerhafter Lasteinwirkung
(2019) Blochwitz, Ronald; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit ist das Ergebnis eines Forschungsvorhabens zur Bestimmung des Tragverhaltens von Verbunddübelsystemen unter dauerhafter Lasteinwirkung am Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) der Universität Stuttgart. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in zwei aufeinanderfolgende Teile. Das Ziel des ersten Teils bestand darin, ein Prüfverfahren zu entwickeln und zu validieren, das innerhalb praxistauglicher Prüfzeiten eine sichere Einschätzung der Dauerhaftigkeit von Verbunddübelsystemen unter dauerhafter Lasteinwirkung ermöglichen kann. Zu diesem Zweck wurde ein Verfahren gewählt, das u.a. im Rahmen der Dauerhaftigkeitsuntersuchung von mit Innendruck beaufschlagten Kunststoffrohren nach DIN EN ISO 1167 in Kombination mit DIN EN ISO 9080 Anwendung findet. Diesem Ansatz folgend wurden handelsübliche Verbunddübelsysteme untersucht. Hierzu wurden die Dübel mit unterschiedlich hohen zentrischen Zuglasten belastet, ausgehend von Lastniveaus nahe der jeweiligen Kurzzeitfestigkeit, und die Dübelverschiebungen sowie die Zeitdauern bis zum Versagen aufgezeichnet. Im Anschluss wurde überprüft, ob das so ermittelte Standzeitverhalten mittels eines geeigneten Extrapolationsansatzes bis zur geforderten Lebensdauer der Systeme vorhergesagt, und damit eine Aussage zur Dauerhaftigkeit der Systeme unter dauerhafter Lasteinwirkung getroffen werden kann. Die wichtigste Erkenntnis dieser Untersuchungen ist, dass das Standzeitverhalten sämtlicher untersuchter Dübelsysteme, innerhalb des betrachteten Lastbereichs zwischen 0 kN und der individuellen Kurzzeitfestigkeit, auf mindestens einem Lastniveau unstetig ist. Dies hat zur Folge, dass bei keinem dieser Systeme eine sinnvolle Extrapolation des Standzeitverhaltens durchgeführt werden kann. Zudem müssen sämtliche Systeme bereits ab ca. 50% ihrer Kurzzeitfestigkeit, unter dem Aspekt der Dauerhaftigkeit unter dauerhafter Lasteinwirkung, als versagt gelten. Zur Überprüfung dieses Sachverhaltes wurden im zweiten Teil des Forschungsvorhabens Dauerlastuntersuchungen mit einem epoxidharzbasierten Verbunddübelsystem unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigen die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Untersuchungen. Sie zeigen zudem auf, dass im Rahmen von Zulassungsprüfungen für die Dauerhaftigkeitsbeurteilung von Verbunddübelsystemen unter dauerhafter Lasteinwirkung künftig zusätzliche Prüfmethoden und Prüfparameter zu berücksichtigen sind.
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Zum Tragverhalten von Injektionsdübeln in ungerissenem und gerissenem Mauerwerk
(2017) Stipetić, Marina; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)
Verankerungen mit Injektionsdübeln stellen eine universell anwendbare Befestigung im Mauerwerk dar. Die wichtigsten Vorteile des Injektionssystems sind die Möglichkeit der Befestigung mit Einzeldübel, Installation mit geringeren Rand- und Achsabständen, relativ hohe Tragfähigkeit und vielfältige Anwendung. Ein Bemessungskonzept für die Tragfähigkeit derartiger Befestigungssysteme ist grundsätzlich für Vollsteine vorhanden. Allerdings werden aus den bauphysikalischen Gründen heutzutage meistens Lochsteine im Mauerwerksbau eingesetzt. Die Tragfähigkeit des Injektionsdübels in Lochsteinen hängt wesentlich von der Steinsorte und der Steingeometrie ab. Für eine wirtschaftliche und sichere Bemessung dieser Verankerungen in Lochsteinen sind das Tragverhalten und die Einflussparameter auf die Tragfähigkeit bisher nicht ausreichend untersucht. Aus diesem Grund wird die Traglast heutzutage durch zahlreiche Labor- und Baustellenversuche (falls nicht in ETA vorhanden) ermittelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, um das Tragverhalten von Injektionsdübeln in Lochsteinen unter Zug- und Querbelastung zu beschreiben. Zuerst wurde eine Versuchseinrichtung für die Untersuchungen von Verankerungen in Einzelsteinen entwickelt, die die zeitaufwendigen Versuche im Mauerwerk ersetzt. Anhand von Vergleichsversuchen im Mauerwerk wurde gezeigt, dass die entwickelte Prüfeinrichtung für Verankerungen in Einzelsteinen vergleichbare Bedingungen wie die direkte Prüfung im Mauerwerk liefert. Weiterhin wurde ein numerisches Modell anhand der Versuche validiert, um detaillierten Einblick in das Tragverhalten des Injektionsdübels in Lochsteinen zu bekommen. Es wurde eine ausführliche Parameterstudie zum Einfluss der Steingeometrie auf die Dübeltragfähigkeit vorgenommen. Darüber hinaus wurde die Verankerung am freien Rand und Einfluss einer Gruppenbefestigung untersucht. Anhand der gewonnen Erkenntnisse wurde ein Bemessungskonzept in Abhängigkeit der Steingeometrie für Injektionsdübel in Lochsteinen (Hochlochziegel und Kalksandlochsteine) vorgeschlagen. Das vorgestellte Bemessungskonzept wurde mithilfe der eigenen Versuche validiert. Es wurde gezeigt, dass die Bemessungsgleichungen für Zug- und Querbelastung gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Die vorliegende Arbeit stellt zusätzlich noch einige wichtige Einflüsse auf die Tragfähigkeit eines Injektionsdübels im Mauerwerk dar. Es handelte sich um Druckbelastung auf Dübel, Dübeltragverhalten bei Abstandsmontage durch eine Wärmedämmung und Verankerung in gerissenen Steinen und Mauerwerksfugen.