Ermüdung von Beton bei mehrachsiger und mehrstufiger Beanspruchung

Betonstrukturen wie Verkehrsflächen oder Industrieböden sind zyklischen Beanspruchungen aus Verkehr oder Maschinenvibrationen ausgesetzt. Zur Abschätzung der Ermüdungslebensdauer dienen Wöhlerlinien, die in der Regel experimentell an Referenzprobekörpern bei einachsiger Beanspruchung konstanter Frequenz, Amplitude und Oberspannung validiert werden. Unter realen Betriebsbedingungen treten Einwirkungen jedoch häufig mehrachsig und mit variabler Lasthöhe auf, sodass die im Zeitverlauf progressiv zunehmende Materialschädigung rechnerisch zu akkumulieren ist. In der Praxis hat sich dazu die lineare Akkumulationsregel nach Palmgren-Miner etabliert, obwohl diese bekannte Effekte aus der Belastungsreihenfolge vernachlässigt. Im Beitrag wird zunächst das Wöhlerkonzept durch Einführung einer Vergleichsspannung auf mehrachsige Spannungszustände erweitert und anschließend ein modifizierter Schädigungsakkumulationsansatz entwickelt, welcher die Auswirkungen von Be- und Entlastungen mehrstufiger Lastprozesse auf verbleibende Bruchlastspielzahlen berücksichtigt. Der Ansatz wird anhand von Literaturdaten verifiziert und in Form eines Bemessungshilfsmittels zur praktischen Nutzung aufbereitet. Die Anwendung ist am Beispiel demonstriert.

Fatigue of concrete under multiaxial and multistage loads
Concrete structures like traffic areas or industrial floors are subjected to cyclic loads induced by traffic or machine vibrations. To assess fatigue lifes, Wöhler-curves serve, which are usuallay validated by experiments. During testing the reference specimens are exposed to uniaxial and constant amplitude fatigue although in practice cyclic loads often occur multiaxial and with alternating frequency and magnitude. As a consequence the material's progressively increasing degradation has to be mathematically captured for design purposes until failure. In this regard, the linear accumulation hypothesis of Palmgren-Miner is well established although it neglects distinct sequence effects. In the paper, Wöhler's concept is generalized to multiaxial stress states by introducing an equivalent stress. Additionally, a modified damage accumulation procedure is derived to gather the impact of increasing or decreasing loads on residual numbers of cycles to failure in case of variable amplitude fatigue. The approach is verified to experimental data taken from the literature and elaborated to a design chart. Its practical application is demonstrated exemplarily.