Unter Ermüdungsbelastung können sich die maßgeblichen Versagensarten von Befestigungsmittel in Abhängigkeit von der Anzahl der Lastwechsel ändern. Der Nachweis des Widerstandes gegen Versagen, der ausreichenden Duktilität und der Gebrauchstauglichkeit eines Befestigungssystems ist zwar grundlegend und allgemein bekannt, hat aber nichts mit dem Nachweis gegen Ermüdungseinwirkung zu tun. Ein Dübel/Befestigungssystem kann alle oben genannten Nachweise erfüllen und dennoch unter Ermüdungsbelastung versagen. Es liegt auf der Hand, dass Bauingenieure bei der Bemessung von Dübeln, von denen eine Lebensdauer von 50 Jahren (manchmal sogar über 100 Jahre) erwartet wird, eine Ermüdungsanalyse in ihre Bemessungsmethodik einbeziehen sollten. 
 
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Anwendungen
Häufig wechselnde Einwirkungen (Ermüdungsbeanspruchungen) können anhand ihrer Häufigkeit und Amplitude unterschieden werden. Wechselbelastungen mit hoher Wiederholung und geringer Amplitude können als Schwingungsbelastung angesehen werden. Schwingungsbelastungen können bei der Befestigung von Ventilatoren, Produktionsmaschinen, Kraftwerksausrüstungen, Rohrbefestigungen mit häufigen Wasserschlägen auftreten.
Dies vorgenannten Anwendungen werden in der Regel als "ermüdungsrelevant" für das verwendete Befestigungssystem erkannt und nach Möglichkeit entsprechend ausgelegt. Weitere typische Beispiel von Anwendungen mit "wiederholter Be- und Entlastung" sind: Kräne (Turmdrehkräne, Werkstattkräne, Kranschienen), Aufzüge (Führungsschienen, Lastaufnahmemittel), Hebezeuge (Hebezeuge, Befestigungen von Hebeböcken), Roboter und andere rotierende Lastaufnahmemittel, Brückenkomponenten und Verladesysteme (Rutschen für Schüttgut, Förderanlagen).
In der Regel legen jedoch die nationalen und internationalen Normen fest, ob eine wechselnde Einwirkung als statische Einwirkung oder als Ermüdungslast zu betrachten ist. Zum Beispiel ändert eine Windlast häufig ihre Größe und Richtung, wird aber zu Bemessungszwecken oft als statische Last angesehen.
 
Was ist Ermüdung?
Wird ein Werkstoff einer dauerhaften, zeitlich veränderlichen Belastung ausgesetzt, kann er nach einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln versagen, obwohl die Obergrenze der bis zu diesem Zeitpunkt ausgehaltenen Belastung deutlich unter der Zugfestigkeit bei statischer Belastung liegt. Dieser Festigkeitsverlust wird als Materialermüdung bezeichnet.
 
Warum ist für Befestigungssysteme/Dübel eine ETA auf Basis von EAD 330250-00-0601 erforderlich?
Befestigungselemente/Dübel übertragen die aufgebrachten Lasten im Beton auf verschiedene Weise durch mechanische Verzahnung, Reibung und Adhäsion oder durch Kombinationen dieser Mechanismen. Allein diese 3 Wirkprinzipien können sich unter einer Ermüdungsbelastung völlig unterschiedlich Verhalten. Unabhängig von den Wirkprinzipien versagt das Befestigungsmittel bzw. der Untergrund, weil die Tragfähigkeit des Betons, die Tragfähigkeit des Stahls oder die Tragfähigkeit der Verbindung zwischen dem Verankerungselement und dem Mörtel oder dem Mörtel und dem umgebenden Beton überschritten wird. Folglich ist es notwendig zu verstehen, wie sich die verschiedenen Wirkprinzipien als auch Versagensarten unter Ermüdungsbelastung verhalten bzw. entwickeln, siehe Abbildung 1.
 

Abbildung 1: Bei Dübeln interagieren verschiedene Materialien, das Tragverhalten ist rein theoretisch schwer zu beurteilen

 
Aufgrund des unterschiedlichen Ermüdungsverhaltens der begleitenden Werkstoffe (Beton, Stahl und eventuell Mörtel) kann sich die maßgebliche Versagensart für einen ermüdungsbeanspruchten Dübel in Abhängigkeit von der Anzahl der Lastwechsel ändern. Darüber hinaus können die Form und Größe der Verankerungselemente, die Herstellungsverfahren, aber auch die Ankersteifigkeit einen wesentlichen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten und das Auftreten der einzelnen Versagensarten haben und können daher kaum theoretisch abgeschätzt werden, sondern müssen in Europa durch ein europäisches Bewertungsverfahren (EAD 330250-00-0601 „Post-installed fasteners in concrete under fatigue cyclic loading“ [1]) bestimmt werden.
 
Wie können Regelwerke Orientierung bieten?
Der EOTA Technical Report TR 061 [2] behandelt die Bemessung von Befestigungsmitteln unter Ermüdungseinwirkung in Kombination mit oder ohne statischer oder quasi-statischer Belastung. Ermüdungsnachweise sollten durchgeführt werden, wenn Verbindungselemente regelmäßigen Lastwechseln ausgesetzt sind (z. B. Befestigungen von Kränen, Maschinen, Führungsschienen, Aufzügen usw.). Ermüdungslastwechsel können auch bei Einspannungen von temperaturbeanspruchten Bauteilen (z.B. Fassaden) auftreten. Nach EOTA TR 061 ist ein Ermüdungsnachweis in den folgenden Fällen erforderlich:
 
(a) Wenn mehr als oder gleich 1000 Lastwechsel als pulsierende Zugbelastungen im Befestigungsmittel zu erwarten sind
 
(b) Wenn mehr als oder gleich 100 Lastwechsel mit wechselnder oder pulsierender Querbelastungen auf das Verbindungselement zu erwarten sind
 
(c) Wenn die Lastwechsel durch klimatische Schwankungen verursacht werden und der durch die Zwangskräfte verursachte Spannungsbereich im am geringsten beanspruchten Befestigungsmittel unter Zug größer ist als oder unter Querbelastung, das am geringsten beanspruchte Verbindungselement größer als ist.
Die Bemessungsregeln der EOTA TR 061 gelten nur für Verbindungselemente mit einer Europäischen Technischen Bewertung (ETA) mit charakteristischem Widerstand unter zyklischer Ermüdungsbelastung auf der Grundlage der EAD 330250-00-0601.
Im Vergleich zur EOTA TR061 wird in EC2-4 nicht im Detail beschrieben, unter welchen Bedingungen ein Ermüdungsnachweis erforderlich ist. Nach Eurocode 2 Teil 4 sollte ein Ermüdungsnachweis durchgeführt werden, wenn Verbindungselemente häufig wiederholten Lastzyklen ausgesetzt sind (z.B. Befestigung von Kränen, sich hin- und herbewegenden Maschinen, Führungsschienen von Aufzügen)[3]. Zusätzlich begrenzt EC2-4 die Gültigkeit des Bemessungsnachweises „indirekt“ auf 2∙10^6 Lastwechsel (2 Millionen Lastwechsel). Es ist die Meinung der Autoren, dass es in EC2 Teil 4 keinen klaren Ansatz gibt, wie die Bemessung unter einer Kombination unter statischer Einwirkung und Ermüdungseinwirkung durchgeführt werden sollte. Der EOTA TR 061 ist auch in diesem Fall weitaus differenzierter. 
 
Der EOTA TR061 unterscheidet zwischen zwei Bemessungsmethoden, Bemessungsmethode I (vollständige Methode) und Bemessungsmethode II (vereinfachte Methode).
 
Die Bemessungsmethode I (vollständige Methode) ist anwendbar, wenn entweder eine oder beide der folgenden Bedingungen erfüllt sind.
Bedingung A: Eine genaue Zuordnung der statischen Einwirkung und der ermüdungsrelevanten Einwirkung ist möglich
Bedingung B: Eine obere Grenze der Lastwechselzahl n während der Lebensdauer der Anwendung ist bekannt
 
Ist nur die Bedingung A erfüllt, bei der zwar der ermüdungsrelevante Lastbereich genau bekannt ist, nicht aber die Anzahl der auftretenden Lastspiele, so wird der Ermüdungswiderstand auf den Wert für eine unendliche Lastspielzahl begrenzt ().
Wenn nur die Bedingung B erfüllt ist, ist ausschließlich die Gesamtbelastung des Dübels bekannt (statisch und Ermüdung), es ist aber nicht möglich zwischen dem prozentualen Anteil der statischen Einwirkung und dem prozentualen Anteil der Ermüdungseinwirkung zu unterscheiden. In diesem Fall wird auf der sicheren Seite liegend angenommen dass alle einwirkenden Lasten ermüdungsrelevant sind. Dies führt unter Umständen zu sehr konservativen Ergebnissen, im speziellen dann, wenn der Prozentsatz der statischen Belastung im Vergleich zum Prozentsatz der ermüdungsrelevanten Belastung sehr hoch ist, sprich eine vorwiegende rein statische Belastung vorliegt.
Wenn beide Bedingungen (a) und (b) erfüllt sind, liegen genaue Kenntnisse über die statisch relevante und ermüdungsrelevante Einwirkungsbelastung vor, außerdem kann die Anzahl der Lastspiele abgeschätzt werden. In einem solchen Fall wird der Ermüdungswiderstand auf den Wert begrenzt, der sich aus der S-N-Kurve unter Berücksichtigung der Lastspielzahl ergibt (), wenn eine vollständige Wöhlerkurve vorliegt. Denn nur ein solches Diagramm erlaubt die Bestimmung des charakteristischen Ermüdungswiderstandes eines Verankerungssystems in Abhängigkeit von den Anzahl der Lastspielen n. Das Ermüdungswiderstandsdiagramm (Wöhlerkurve) des Verankerungsprodukts kann während des Qualifizierungs-/Bewertungsprozesses auf Basis von EAD 330250-00-0601 eines Verankerungssystems experimentell ermittelt werden.
 
Das Bemessungsverfahren II, das vereinfachte Verfahren, ist anwendbar, wenn nur die Gesamtbelastung aber nicht die eine genaue Zuordnung der statischen Einwirkung und der ermüdungsrelevanten Einwirkung möglich ist und auch die die Anzahl der Lastzyklen über die Nutzungsdauer nicht bekannt ist. In einem solchen Fall wird die Ermüdungsfestigkeit des Dübels auf die Ermüdungsgrenze/Dauergrenze begrenzt (), bei der ein Dübel (aufgrund der fehlenden Anzahl von Lastzyklen) keine Schädigung erleidet, und die gesamte Bemessungseinwirkung wird als ermüdungsrelevant angenommen. In der Bemessungsmethode II wird somit immer von einer unendlichen Schwingspielzahl Ausgegangen und statsiche und ermüdungsrelevante Einwirkung superpositioniert.
 
Hilti Portfolio für ermüdungsrelevante Befestigungen
Folgende Befestigungssysteme wurden nach EAD 330250-00-0601 geprüft und können mit Hilfe von PROFIS Engineering unter Ermüdungseinwirkung bemessen werden:

Abbildung 2: Übersicht über Hilti Dübelsysteme für ermüdungsrelevante Belastungen

 
ANKERSTANGE HAS-D
ANKERSTANGE HAS-TZ
ANKERSTANGE HIT-Z-D TP
HINTERSCHNITTANKER HDA
SCHWERLASTANKER HSL4-G
 
Schlussfolgerung
Das Ermüdungsverhalten von Werkstoffen wird in der Regel durch eine S-N-Kurve, auch bekannt als Wöhlerkurve, charakterisiert. Im Falle von Dübeln sind 3 Werkstoffe/Versagensarten an der gesamten Ermüdungsfestigkeit beteiligt, so dass die Festigkeit nicht rein theoretisch bewertet werden kann. Daher sollte ein Dübel mit Ermüdungszulassung verwendet werden. Es gibt derzeit nur in Europa ein detailliertes Qualifikations- (EAD 330250-00-0601) und Bemessungsverfahren (EOTA TR 061, EN 1992-4). Im Vergleich zu EOTA TR061 wird in EN 1992-4 nicht im Detail beschrieben, unter welchen Bedingungen ein Ermüdungsnachweis erforderlich ist. In beiden Bemessungsansätzen sind jedoch Ringspalte nicht zulässig und ein Lösen der Mutter oder Schraube muss vermieden werden. Das Hilti Dynamic Set bietet eine effektive Möglichkeit zum Füllen der Ringspalte. Die Scherkraft muss ohne Hebelarm aufgebracht werden. Eine Abstandsmontage ist noch nicht abgedeckt.
 
 
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[1] EOTA EUROPEAN ASSESSMENT DOCUMENT 330250-00-0601 - „Post-installed fasteners in concrete under fatigue cyclic loading“; (not published yet)
[2] EOTA Technical Report TR 061 - Design method for fasteners in concrete under fatigue cyclic loading; 2020
[3] Eurocode 2 - Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 4: Bemessung der Verankerung von Befestigungen in Beton; Deutsche Fassung EN 1992-4:2018