Einbetonierte Ankerbolzen Peikko HPM-L unter Ermüdungsbeanspruchungen (Teil 2)

5 Versuche und Auswertungen

5.1 Allgemeines

Zur Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Peikko-Ankerbolzen HPM-L wurden die in Tabelle 5.1 zusammengestellten Versuche durchgeführt. Es wurden Ankerbolzen aus B500B in der Größe 16 mm verwendet. Als Verankerungskörper dienten Prüfkörper aus niederfestem Beton der Festigkeitsklasse C20/25 im ungerissenen und gerissenen Zustand (∆w = 0,3 mm). Der Einbau der Anker erfolgte rechtwinklig zur Betonoberfläche. Alle Ermüdungsversuche wurden als einstufige Dauerschwingversuche gefahren. Die Versuche unter Zugschwell- und unter schwellender Querbelastung erfolgten mit einer geringen Unterlast (F_u = 1 kN) und variierenden Oberlasten. Die Versuche unter wechselnder Querbelastung wurden mit einer konstanten Mittellast von F_m = 0 kN gefahren. Die Durchführung der Versuche unter schwellender und wechselnder Querbelastung mit Ankerbolzen HPM-L im ungerissenen und gerissenen Beton erfolgten abhängig von der Versuchsserie mit unterschiedlichen Verfüllungen des Ringspaltes zwischen Durchgangsloch im Anbauteil und Ankerbolzen (vgl. Tabelle 5.1).

5.2 Einfluss der unterschiedlichen Versuchspara-

meter

5.2.1 Zugbelastung

In den folgenden Abbildungen ist das Ermüdungsverhalten unter Zug für HPM-L dargestellt. Die Anzahl der in den Tests angewandten Zyklen lag zwischen 10⁴ und etwa 6 × 10⁶. Die Ergebnisse zeigen einen sehr klaren linearen Trend innerhalb des getesteten Bereichs. In der folgenden Abbildung werden die Prüfergebnisse in Bezug auf die Betonbedingungen (gerissener und ungerissener Beton) unterschieden. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Ergebnisse gleichwertig sind und das Ermüdungsverhalten nicht wesentlich davon beeinflusst wird, ob der Beton gerissen ist oder nicht. Diese Aussage gilt bis zu einer Rissbreite von 0,3 mm.

 In den Versuchen wurde im Allgemeinen Stahlversagen im Gewinde des Ankerbolzens nahe der Betonoberfläche oder im Bereich des ersten Gewindeganges der Mutter beobachtet. In einem Versuch trat bis zum Erreichen der Grenzlastspielzahl überhaupt kein Versagen auf. In Abb. 5.2 ist zu erkennen, dass die Bruchlastspielzahlen in einem Streubereich liegen und sich nicht signifikant voneinander unterscheiden.

5.2.2 Querbelastung

Bei Querbelastung war die Hauptkonfiguration ein HPM-L-Bolzen in gerissenem Beton (0,3 mm). Zusätzlich wurden Versuche mit einer Verfüllscheibe durchgeführt, um zu zeigen, dass das Verhalten wesentlich günstiger ist. Weiterhin wurden Versuche in ungerissenem Beton durchgeführt, um die Gleichwertigkeit von gerissenem und ungerissenem Beton zu zeigen.

 In den folgenden Abbildungen ist das Ermüdungsverhalten unter Querbelastung für HPM-L aufgetragen. Die Anzahl der bei den Tests angewandten Zyklen lag zwischen 5 × 10³ und etwa 6 × 10⁶. Die Ergebnisse zeigen einen klaren linearen Trend innerhalb des geprüften Bereichs. Die Streuung ist etwas größer als bei den Zugversuchen. Die Versuche mit und ohne Verfüllscheibe zeigen, dass es keinen Unterschied gibt und die Ergebnisse mit Verfüllscheibe vergleichbar sind. Daher wurde die Gleichwertigkeit nachgewiesen.

Darüber hinaus wurden einige Versuche mit verschiedenen Belastungsarten durchgeführt. Die meisten Versuche wurden mit einer schwellenden Belastung durchgeführt. Die Versuche mit Wechselbelastung zeigen eine geringere Ermüdungsfestigkeit und eine größere Streuung im Vergleich zu den Versuchsergebnissen mit nicht wechselnder Belastung. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass die Versuche ohne Füllscheibe durchgeführt wurden und die Bedingungen daher sehr ungünstig sind. Die Ergebnisse mit Wechsellasten können im Bereich der Schwellbelastungen liegen, wenn eine Füllscheibe verwendet wird.

 Auf der sicheren Seite wird der Widerstand für Wechsellasten wie folgt abgeleitet: Der Ermüdungswiderstand wird für die schwellenden Lasten in Abhängigkeit von den Lastspielen abgeleitet und dann durch den Faktor 2 geteilt, um die Wechselbeanspruchung zu berücksichtigen. Dies entspricht einer Lastverteilung, bei der für jede Lastrichtung nur ein Verankerungselement verwendet wird. Die Versuchsergebnisse in gerissenem Beton liegen geringfügig unter den Versuchsergebnissen in ungerissenem Beton (mit Ausnahme der Versuche mit Wechsellast). Daher wurden die meisten Versuche in gerissenem Beton durchgeführt. Weitere Auswertungen [17] ergaben, dass sich die unterschiedlichen Versagensorte bei allen Stahlversagensarten ebenfalls nicht wesentlich voneinander unterscheiden. 

5.3 Linearisierte Wöhlerkurven

Die Versuchsergebnisse unter Zug- und Querbelastung wurden nach dem in Abschnitt 4.1.4 bzw. in der EAD [10] beschriebenen Vorgehen ausgewertet. Die nachfolgenden Bilder zeigen getrennt nach Belastungsrichtung:

a) die Versuchsergebnisse im doppelt-logarithmischen Maßstab

b) die mittlere Trendlinie mit Streuband (90 % Vertrauensniveau)

c) die ermittelte 5%-Quantillinie mit den relevanten Stützpunkten für Stahlversagen.

In Tabelle 5.2 und Tabelle 5.3 sind die sich ergebenden Parameter für die linearisierten Ermüdungskurven und unterschiedliche Versagensarten zusammengestellt. Diese sind so in der ETA enthalten und können für die Bemessung nach TR 061 [7] verwendet werden.

6 Zusammenfassung

Dübel und Einlegeteile wie Ankerschienen und Kopfbolzen stellen im Bauwesen häufig angewandte Verankerungssysteme zur Einleitung von Kräften in Betonbauteile dar. Diese Befestigungen werden im klassischen Stahlbetonbau vorwiegend statisch bzw. quasi-statisch belastet. Durch immer filigranere Baustrukturen und moderne Maschinen und Anlagensysteme gewinnen jedoch zunehmend Anwendungen an Bedeutung, bei denen zyklische Beanspruchungen berücksichtigt werden müssen. Als typische Einsatzgebiete sind in EN 1992-4 [1] hierzu Befestigungen von Aufzügen, Kranen, Kranbahnen und Maschinen mit sich bewegenden Teilen angegeben. In solchen Fällen muss ein Ermüdungsnachweis geführt werden, um ein Versagen der Verankerung und der verbundenen Bauteile infolge Materialermüdung zu verhindern.

 Die Bemessung von Befestigungselementen in Betonbauteilen ist in EN 1992-4 [1] geregelt. Für Befestigungen, die häufig wiederholten Belastungszyklen ausgesetzt sind, fordert die Norm einen Nachweis der Ermüdungstragfähigkeit. Der Nachweis unter Ermüdungsbelastung basiert auf dem Teilsicherheitskonzept nach den Bemessungsregeln der Eurocodes [15]. Demzufolge ist nachzuweisen, dass die Bemessungseinwirkungen kleiner oder gleich dem Bemessungswiderstand sind. Aufgrund der verschiedenen Versagensmechanismen wird der Nachweis separat für jede Lastrichtung und mögliche Versagensart geführt. Aufgrund unterschiedlicher Bauteile, Geometrien, Werkstoffe und Herstellungsverfahren ist die Ermüdungstragfähigkeit von Befestigungsmitteln produktabhängig. Die Eignung der Produkte, die unter Ermüdungsbeanspruchung verwendet werden sollen, muss daher durch entsprechende Prüf- und Bewertungsmethoden nachgewiesen werden.

 Die Prüf- und Bewertungsmethoden für nachträgliche Befestigungen wurden auf Ankerbolzen übertragen [10]. Parallel zur Richtlinienentwicklung wurden die entsprechenden Versuche mit Peikko-Ankerbolzen HPM16 L durchgeführt [11]. Die Versuche zeigten erwartungsgemäß ein positives Ergebnis. Die Europäische Technische Bewertung ETA 02/0006 [3] wurde mittlerweile um die Kennwerte für Seismik- bzw. Ermüdungsbelastung ergänzt und veröffentlicht [5].