Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-520
Authors: Rybinski, Markus
Title: Komponentenmethode für Ankerplatten mit Kopfbolzen unter einachsiger Beanspruchung
Other Titles: Component method for anchor plates with headed studs under uniaxial loading
Issue Date: 2014
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Mitteilungen / Institut für Konstruktion und Entwurf;2014,1
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-90932
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/537
http://dx.doi.org/10.18419/opus-520
Abstract: Im Stahl- und Verbundbau hat sich das Komponentenverfahren zur Berechnung des Trag- und Verformungsverhaltens von Stahl- und Verbundanschlüssen durchgesetzt. Durch den modularen Aufbau erlaubt das Komponentenmodell eine einfache Anpassung oder Ergänzung einzelner Komponenten. Durch die Berechnung der Tragfähigkeit und der Steifigkeit des Anschlusses ist es auch möglich, den Anschluss als eigenes Bauteil in der Tragwerksberechnung zu berücksichtigen. Das Verfahren nutzt das plastische Tragverhalten und entsprechende Umlagerungsmöglichkeiten aus. Der Anwendungsbereich des Komponentenverfahrens ist aber bei Ankerplattenanschlüssen zwischen Stahl- und Massivbauteilen in der bisherigen Normung stark beschränkt, da vorausgesetzt wird, dass für das Befestigungsmittel Stahlversagen maßgebend wird. Die Bemessung von Ankerplatten erfolgt in der Befestigungstechnik meist mit elastischen Berechnungsverfahren, bei denen die Tragfähigkeit der Befestigungsmittel mit dem Concrete-Capacity-Verfahren ermittelt wird. Das für Verankerungen im unbewehrten Beton hergeleitete Bemessungsverfahren berücksichtigt Rückhängebewehrung nur unzureichend und weist besonders bei randnahen Verankerungen hohe Tragreserven auf. Es beinhaltet auch keine Anwendungsregeln zur Bestimmung der Steifigkeit und Verformung eines Anschlusses. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und numerische Untersuchungen an steifen und nachgiebigen Ankerplatten mit und ohne Rückhängebewehrung in randferner und randnaher Lage vorgestellt. Als Beanspruchung wurden sowohl Zug- wie Schubkräfte mit entsprechenden Exzentrizitäten untersucht. Ziel der Arbeit war es auch, das Komponentenmodell über die bisherigen Regelungen nach DIN EN 1993-1-8 um die „Betonkomponenten“ gemäß dem in der Befestigungstechnik verankerten CC-Verfahren zu erweitern. Auf Grundlage der Untersuchungen, den Bemessungsregeln des CC-Verfahrens und den aus der Literatur entnommenen Ansätze für die Tragfähigkeit der Rückhängebewehrung bei einem Betonausbruch wurde ein erstes Komponentenmodell für steife Ankerplatten entwickelt. Das Komponentenmodell wurde an verschiedenen Versuchsreihen verifiziert und liefert insgesamt eher konservative Werte. In der Arbeit wird u.a. auch eine Versuchsreihe an steifen und nachgiebigen Ankerplatten mit angeschweißten Kopfbolzen vorgestellt, die im Rahmen eines DFG-Forschungsprojekts mit dem Institut für Werkstoffe im Bauwesen gemeinsam durchgeführt wurde. Durch die Variation der maßgebenden Parameter wie Ankerplattendicke, Lastexzentrizität und Kopfbolzentyp wurden die Versagensarten Stahlversagen auf Schub/Querzug oder Zug, Fließen der Ankerplatte, rückwärtiger und kegelförmiger Betonausbruch erfasst. Bei dünnen Ankerplatten traten Fließgelenkzonen an den Plattenüberständen auf, die zwar die Beanspruchbarkeit des Anschlusses gegenüber steifen Ankerplatten deutlich begrenzten, jedoch auch zu einer Steigerung der Duktilität des Anschlusses führten. Durch die Implementierung des T-Stummel-Modells gemäß DIN EN 1993-1-8 und der Berücksichtigung der Komponentensteifigkeiten wurde das Komponentenmodell für steife und nachgiebige Ankerplatten erweitert. Dadurch kann nun die Anschlusssteifigkeit berechnet und die Duktilität des Anschlusses abgeschätzt werden. Während für die Zug- und Druckkomponenten einer randfernen Ankerplatte ohne Rückhängebewehrung in der Literatur geeignete Modelle zur Beschreibung des Tragverhaltens von Einzelkomponenten zur Verfügung standen, fehlten bei der Komponente des Kopfbolzens unter Schub/Querzug ein geeigneter Ansatz unter Berücksichtigung einer gleichzeitig wirkenden Bolzennormalkraft. Hier wurde aus der Literatur ein Modell für Ankerschrauben mit einer Mörtelschicht für einen ersten Ansatz genutzt, das eine Abschätzung der Schubsteifigkeit im untersuchten Parameterbereich erlaubte. Der in der Arbeit entwickelte Berechnungsablauf, basierend auf zwei unabhängigen Federsystemen für die Vertikalkomponenten aus Normalkraft und Moment und für die Horizontalkomponenten aus der Schubkraft und die jeweils zugehörigen Gleichgewichtsbedingungen, erlaubt die Berechnung von Moment-Rotations-Kurven und Lastverschiebungskurven von Ankerplatten mit angeschweißten Kopfbolzen, so dass die vollständige Anschlusscharakteristik nun darstellbar ist. Durch die im Rahmen dieser Arbeit erfolgte Weiterentwickelung des Komponentenmodells wird die Möglichkeit der Anwendung des Komponentenverfahrens nach DIN EN 1993-1-8 auf Ankerplatten mit Kopfbolzen, bei denen ein Betonversagen maßgebend werden kann, ausgeweitet. Durch den elementaren Aufbau des Komponentenmodells steht außerdem ein einfach anpassbares und zukünftig erweiterbares Verfahren zur Verfügung.
For the design of steel joints in steel and composite constructions the component method has been widely accepted. Due to its modular structure the component model easily allows to adjust present components or to consider new components. So the developed component model has been used for the investigations here included. By the calculation of the load-carrying capacity and the stiffness of the joint it is possible to consider the joint as an own element in the analysis. The method is based on plastic design and corresponding load transfer. However, for anchor plates the application of the component method according to the current code rules is strongly limited to fasteners where steel failure is decisive. The design of anchor plates is mostly done by elastic analysis, where the load-carrying capacity is determined by the Concrete-Capacity-Method developed for fasteners in pure concrete. However, the advantages of supplementary reinforcement is considered not satisfactorily, therefore large load-carrying reserves exist especially for anchor plates close to the edges. Also there are no design rules to determine the stiffness and the deformation of the joint. In the presented thesis experimental tests and numerical investigations on anchor plates with and without supplementary reinforcement, far and close to edges are presented. Loading of tension and shear including eccentricities is covered. One of the objectives of the presented thesis was to extend the application of the component model according to EN 1993-1-8 by the implementation of “con-crete components” according to the Concrete-Capacity-Method allowing also for concrete failure. The investigations were limited to anchor plates with headed studs as fasteners and uni-directional loading. To consider the influence of the reinforcement on the load-carrying and deformation ca-pacity of the anchorage with anchor plates first steps were realized to consider supplementary rein-forcement as an own component. A first component model for stiff anchor plates was developed, based on the results of the conduc-ted tests and numerical investigations, the design rules of the Concrete-Capacity-Method and vari-ous approaches for concrete failure considering the load carrying capacity of supplementary rein-forcement taken from literature. The component model was verified on different test series and tends to be conservative related to the load capacity of anchor plates. In this thesis among others also a test series on flexible and stiff anchor plates with headed studs is presented. The investigations were performed in collaboration with the Institute of Construction Materials within the frame of a DFG research project. By variation of decisive parameters like thickness of the anchor plate, load eccentricity and type of headed studs different failure modes like steel failure of the studs, plastic deformation of the anchor plate, pry-out or concrete cone failure were covered. Due to plastic zones at the plate edges the load-carrying capacity of flexible anchor plates was limited compared to stiff anchor plates, however the ductility of the joint could be en-larged. The results of the test series, the measured moment-rotation and load-displacement curves were used for verification and further development of the component model. By implementation of the T-stub model according to EN 1993-1-8 and consideration of the compo-nent stiffness the component model was enhanced for stiff and flexible anchor plates. Thus the joint stiffness may now be calculated and the ductility of the joint estimated. Whereas appropriate ap-proaches to describe the behaviour of components under compression or tension of anchor plates existed, for headed studs under shear a design model considering the interaction with a tension load was missing. Based on literature a model for anchor bolts and mortal layer was used as a first approach to appraise the stiffness under combined shear and tension load. The calculation process, based on two independent spring models, one for vertical forces due to normal force and bending and one for horizontal forces due to shear and the corresponding equilib-rium conditions, allows determining the moment-rotation and load-displacement curves of anchor plates with headed studs in order to characterize the whole joint behaviour. The results of the pre-sented component model show good accordance to the test results regarding the load-carrying ca-pacity and the stiffness of the anchor plates. With the presented development of the component model the application of the component method has been extended to anchor plates with headed studs and a decisive concrete failure mode. The modular assembling of the components allows an adjustable and expandable design model.
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