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Authors: Fichtner, Stefan
Title: Untersuchungen zum Tragverhalten von Gruppenbefestigungen unter Berücksichtigung der Ankerplattendicke und einer Mörtelschicht
Other Titles: Investigations on the load behaviour of group fastenings considering the baseplate thickness and a grout layer
Issue Date: 2011
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-65960
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/385
http://dx.doi.org/10.18419/opus-368
Abstract: 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.
Base plates are an important component to tightly connect steel and concrete struc-tural members. This dissertation presents the results of experimental and numerical investigations focusing on this topic. These investigations screen the safety and economy of the design methods for baseplates in international guidelines and standards and yield new approaches. After an introduction Section 2 gives an overview on the current design approaches used for fastenings given in different guidelines, standards and literature. Section 3 describes the finite-element-program MASA. Through all the calculations several improvements and changes were implemented to the program to facilitate comprehensive parameter studies. Improvements are e.g. the parallelization of the frontal solver and a bandwidth optimizer, which increase the processing speed significantly. In the numerical simulations the large contact areas between base plate and concrete slab revealed a lack of functionality. The contact between base plate an concrete has to transmit pressure forces but no tension forces. With the implementation of a new material model into the source code of MASA the contact layer is able to fulfill the above requirements and furthermore allows the simulation of friction, prestress and hole clearance. In Section 4 the required base pate thickness of anchor groups is investigated. De-signing the joint connection the thickness of the base plate is governing the bearing and rotation capacity of the connection. The experimental and numerical investigations give information on the safety and economy of the outcome of the design methods for composite structures, steel structures and fastenings. The comparison among these design approaches indicates that the design might yield both, conservative and unconservative connections. On the base of all investigations two design approaches were developed, which are mainly differing in the input data. In the first model it is assumed that the stiffness of the fastener is known, in the simplified model the influence of the stiffness is neglected which yields more conservative results. Section 5 illustrates the influence of the pressure force between base plate and con-crete slab (due to a bending moment) on the ultimate load of a fastener. The numerical investigations and the literature review indicated that the pressure force has an influence on the development of the concrete cones which are formed by pulling on fasteners. This effect results in a higher ultimate resistance of the fasteners. In the proposed approach the influence on the ultimate resistance is depending on the effective embedment depth and the inner lever arm of internal forces. Mortar layers between a base plate and a concrete slab are used to level the under-ground and assure a force-fit connection. Section 6 presents experimental and numerical studies which result in an approach for the design of base plates with a mortar layer and loaded by a shear force. The results demonstrate a significant difference in case of the failure modes steel or concrete cone failure. It is also proposed to restrict the overall displacements because it might be possible that the structural system is not able to compensate such large deformations. The approach is limited to static loads; dynamic loads will need further investigations. The combination of those three design approaches together with the existing methods in the guideline and standard of EOTA (1997) and Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-8 (2005)), respectively allow a more safe and economic design of base plates and the connected components and fasteners. Furthermore investigations are necessary to verify if the new approach is applicable to single fastener connections. With regard to different loads (torsion) or base plate arrangements (e.g. triangular geometry) further investigations are necessary. Furthermore for a generalization of the design approach in Section 6 additional studies are essential with regard to other types of fasteners and the plasticity theory.
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