Die für die Untersuchung des Ermüdungswiderstandes von Elastomerbauteilen verwendeten Formulierungen basieren häufig auf Modellen, die für Anwendungen in der Metalltechnik entwickelt wurden. Die damit verbundenen Eigenschaften wie Isotropie oder Elastizität stehen hingegen im Konflikt mit den Anforderungen, die zu der Wahl eines gefüllten Polymers als Werkstoff geführt haben. Gleichzeitig weisen technische Gummiwerkstoffe ein hochgradig nichtlineares Materialverhalten auf und zeigen vom Polymer und Füllstoffgrad abhängig eine unterschiedlich ausgeprägte belastungsinduzierte Anisotropie. Diese Umstände führen zu dem Bedarf, das Ermüdungsverhalten technischer Gummiwerkstoffe in Abhängigkeit der für Gummi typischen Eigenschaften intensiver zu untersuchen und neue Ansätze für die Auslegung der Lebensdauer von elastomeren Werkstoffen bereitzustellen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Auswahl an unterschiedlichen Modellwerkstoffen auf polymerer Basis auf ihre Lebensdauereigenschaften hin analysiert. Den Schwerpunkt bilden hierbei modulierte Belastungsrichtungen, die über eine einfache Scherung mit rotierenden Achsen versuchstechnisch abgebildet werden. Anhand der Versuchsergebnisse werden neue Ansätze zur Vorhersage der Lebensdauer technischer Gummiwerkstoffe formuliert und mit bisherigen Ansätzen verglichen. Neben der Formulierung neuer Berechnungsvorschriften zur Bestimmung des Ermüdungswiderstandes polymerer Werkstoffe werden zudem die einfache Scherung mit rotierenden Achsen sowie das Versuchsprinzip zu deren Umsetzung eingehend untersucht. Dies umfasst auch eine Analyse einer mechanischen Charakterisierung technischer Gummiwerkstoffe anhand einer einfachen Scherung mit rotierenden Achsen.

Im Rahmen des Projektes DRESDYN wird einem mit Fluid gefülltem rotierenden Behälter eine Präzession aufgezwungen. Durch Fertigungsungenauigkeiten und andere Einflusse weicht die Position des Masseschwerpunktes des Behälters von den Rotationsachsen ab, was zu harmonischen Kräften in der Behälterlagerung führt. Die Eigenfrequenzen der Unterkonstruktion liegen relativ niedrig, was eine zeitdiskrete quasistatische Betrachtung nicht mehr erlaubt. Eine transiente Analyse würde dagegen bei der Anzahl an Lastfällen einen viel zu großen Rechenaufwand verursachen. Da die Kräfte in einen statischen und harmonischen Anteil zerlegt werden können, kann die Frequenzganganalyse alternativ zur Lösung des Problems verwendet werden. Die Expansion der harmonischen Lösung liefert die diskreten Zeitschritte der Reaktionskraft- und Spannungsamplituden, welche für einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis verwertet werden können.

The thesis deals with quasi-static and fatigue simulations of thick composite lugs subjected to three-dimensional stress states. This includes damage prediction of hybrid laminates made of GRFP and CRFP containing unidirectional and woven fabric plies.Focus lies on the development of a progressive damage model in fatigue which accounts for sti˙ness and strength degra-dations. Two methods based on Puck’s failure criterion are proposed to predict failure of unidirectional plies: one for plane stress analysis and and the other which takes out-of-plane damage into account.Virtual testing in FEM is conducted in quasi-static and fatigue analysis on thick composite lugs subjected to uni-axial loading. Damage, strength and life predictions are then compared with experimental results to validate the numerical models under investigations. / In der vorliegenden Arbeit wird die Berechnung der Festig-keit von dickwandigen Lochleibungslaminaten im Faserver-bundwerksto˙en unter dreidimensionalen Spannungszustän-den untersucht. Nichtlineare Materialverhalten von Hybrid-laminaten in CFK und GFK werden für Unidirektionalfa-serlagen und Gewebelagen berücksichtigt.Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von progressi-ven Versagensmodellen unter der Berüsichtigung von Rest-festigkeit und Reststeifigkeit des Materials. Zwei Modelli-erungsmethoden nach Puck-Kriterium zur Vorhersage des Versagens in UD-Lagen werden vorgeschlagen: eine Degra-dierungstechnik für ebene Spannungszustände und ein me-hrachsiges Modell.Numerische Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode werden in Statik- und Ermüdungsanalyse an dickwandigen Lochleibungslaminaten unter einachsiger Belastung durch-geführt. Beschädigungen, Festigkeiten und Ermüdungsle-bensdauer werden dann mit experimentiellen Daten ver-glichen, um die numerischen Methoden zu validieren.

In der vorliegenden Untersuchung wurden Messungen der Veränderungen der Ultraschallgeschwindigkeit in Betonproben verwendet, um die Entwicklung der Schädigung in Betonen der Festigkeitsklassen C80/C95 und C120/135 während Ermüdungsversuchen unter verschiedenen Beanspruchungsniveaus zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigten die Abhängigkeit der Entwicklung von Ermüdungsschäden von den Belastungsbedingungen und den Betoneigenschaften. Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen aus den hier vorgestellten Forschungsergebnissen ist, dass die Druckfestigkeit des Betons allein keinen Hinweis darauf gibt, ob ein Beton unter Ermüdungsbeanspruchung ein abruptes Versagen oder ein progressives und angekündigtes Versagensverhalten zeigt.

Die vorliegende Arbeit untersucht mit elektromyographischen und biomechanischen Methoden lokale muskuläre Ermüdung und die damit verbundenen Veränderungen in der Kinematik und Kinetik eines ausbelastenden Hebetests. Hierzu wurde der PILE-Test (Mayer et al., 1988) verwendet, der als Diagnostikverfahren in der Rehabilitation von Personen mit Rückenbeschwerden eingesetzt wird. In den letzten Jahren sind mathematische Verfahren entwickelt worden, um spektralanalytische Untersuchungen dynamischer Muskelkontraktionen durchführen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurde einer dieser Ansätze im Rahmen eines Softwarepakets umgesetzt. Er beruht auf der Verwendung der ''Smooth-Pseudo-Wigner-Ville-Verteilung'', einer biquadratischen Transformation der Cohen-Klasse. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Zeit- und Frequenzauflösung aus. Die spektralanalytische Untersuchung von sechs bewegungsrelevanten Muskeln während des Hebetests zeigte für die 22 männlichen Sportstudierenden signifikante Verringerungen der Medianfrequenz lediglich für die Signale der Rumpfstrecker (M. erector spinae, M. gluteus maximus). Dies konnte für die Signale des Kniestreckers (M. vastus lateralis) nicht beobachtet werden. Diese Ergebnisse korrespondieren mit den kinematischen Änderungen im Verlauf der Testdurchführung. Zwischen der Frequenzänderung des M. erector spinae vom Startintervall (geringe Last) zum Schlussintervall (hohe Last) und der Verringerung der Bewegungsamplitude der Rumpfextension wurde eine signifikante Korrelation festgestellt. Aufgrund der daraus ableitbaren Insuffizienz des M. erector spinae kommt es in der Initialphase der Hebung, in der die maximalen Bodenreaktionskräfte auftreten, für nahezu die Hälfte der Probanden zu einem Absenken des Rumpfes. Da dieses Verhalten mit einer erhöhten Belastung im Bereich der lumbalen Wirbelsäule assoziiert wird, sollte die Bewegungsausführung während des PILE-Tests kontrolliert werden, um Gesundheitsrisiken zu vermeiden. / Electromyographic and biomechanical methods were used to investigate localized muscle fatigue and changes in the kinematics during an exhausting lifting test. For this purpose the ''Progressive Isoinertial Lifting Evaluation'' (PILE) was utilized, which was published by Mayer (1988) as a method to quantify the lifting capacity of people with spinal disorders. Fatigue-related changes in the electromyographic signals of trunk and limb muscles were evaluated and compared to kinematic measures in order to determine whether fatigue influences motor behavior during the lifting test. Recent advances in the methodology of time-frequency analysis for electro- myographic signal processing provide a new way of studying localized muscle fatigue during dynamic contractions. One of these approaches was used to develop an algorithm for the analysis of highly dynamic muscle contractions. It is based on the ''smooth-pseudo-Wigner-Ville-distribution'', a biquadratic transformation of the Cohen class. The method is characterized by a high time and frequency resolution. Twenty-two male physical education students performed the lumbar PILE-test. During the lifting task, the median frequency significantly decreased over time in the trunk extensor muscles (erector spinae, gluteus maximus) but not in the limb muscles (vastus lateralis, gastrocnemius). This corresponds to changes in the kinematic. In the initial lifting phase, the range of motion of the knee joint increased from low to high loads, while the range of motion of the trunk decreased. Half of the subjects reached almost complete knee extension while the trunk was still in maximum flexion when lifting heavy loads. The change of median frequency of the erector spinae is significantly correlated with the reduction of trunk extension. These biomechanical changes are associated with increased peak torque at the lumbar spine. Therefore it is recommended to monitor the lifting technique during the PILE-Test to avoid health risks.

Monitoring exhaustion using near-infrared spectroscopy (NIRS) wearable biosensors seems promising in sports climbing. However, there is a lack of research regarding climbing specific muscular exhaustion and muscle oxidative metabolism. The current study analyses how exhaustion affects muscle oxidative metabolism and deduces to what extent measurements using NIRS are suitable for an objective monitoring as well as feedback of exhaustion. / Die Überwachung der Erschöpfung mit Hilfe von Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) und tragbaren Biosensoren scheint beim Sportklettern vielversprechend. Allerdings fehlt es an Untersuchungen zur kletterspezifischen muskulären Erschöpfung und zum oxidativen Muskelstoffwechsel. Die vorliegende Studie analysiert, wie sich die Erschöpfung auf den oxidativen Stoffwechsel der Muskeln auswirkt, und leitet ab, inwieweit Messungen mit NIRS für eine objektive Überwachung sowie für ein Feedback der Erschöpfung geeignet sind.

Bike fitting can have a major impact on the performance of cyclists and can reduce the risk of non-traumatic injuries. This study shows significant changes in lower body biomechanics of road cyclists during and after fatigue and therefore expands the research from a more practical view. These findings support the expansion of future research using sensor-based analyses of road cycling (e.g., IMUs, oxygen saturation). / Die Einstellung des Fahrrads kann einen großen Einfluss auf die Leistung von Radfahrern haben und das Risiko nichttraumatischer Verletzungen verringern. Diese Studie zeigt signifikante Veränderungen in der Biomechanik des Unterkörpers von Rennradfahrern während und nach der Ermüdung und erweitert damit die Forschung aus einer eher praktischen Sicht. Diese Ergebnisse unterstützen die Ausweitung zukünftiger Forschung unter Verwendung sensorbasierter Analysen des Straßenradsports (z. B. IMUs, Sauerstoffsättigung).

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Initiierungs- und Ausbreitungsverhalten kurzer Ermüdungsrisse in einem austenitischen sowie einem austenitisch-ferritischen Edelstahl durchgeführt. Dazu erfolgten zyklische Verformungsexperimente sowohl ex situ als auch in situ im Rasterelektronenmikroskop. Die Auswertung der Experimente erfolgte im Rasterelektronenmikroskop sowohl abbildend in verschiedenen Modi als auch über Rückstreuelektronenbeugungsmessungen. Bezüglich der Rissinitiierung wurde eine Häufigkeitsverteilung der Rissinitiierungsorte für beide Stähle erstellt. Die dabei ermittelte stark unterschiedliche Häufigkeit für die transkristalline Rissinitiierung in der austenitischen Phase konnte mit der unterschiedlichen Textur und Mikrostruktur der beiden Stähle in Zusammenwirken mit den elastischen Eigenschaften der beiden Phasen erklärt werden. Für die Rissausbreitung wurde gezeigt, dass eine Korrelation zwischen der Risslänge und der Rissausbreitungsrate besteht, aus der hervorgeht, dass die Übergangsrisslänge zwischen den Bereichen der mikrostrukturell und mechanisch kurzen Risse etwa einen Korndurchmesser beträgt. Anhand der in situ Messung der (plastischen) Rissöffnung und -scherung wurden die Unterschiede im Rissausbreitungsverhalten in den verschiedenen Phasen herausgearbeitet. Für die austenitische Phase ergibt sich dabei ein öffnungsdominierter und für die ferritische Phase ein scherungsdominierter Mechanismus. Die im Ferrit auftretenden zwei unterschiedlichen Ausprägungen der Oberflächenrisspfade („rau“ und „glatt“) konnten mit der Orientierung der jeweils risstragenden Körner korreliert werden. In Zusammenwirken mit der beobachteten Systematik der Anordnung der Gleitspuren um kurze Risse im Ferrit sowie einer Analyse der Spannungsverteilung um die Rissspitze wurde ein Modell des Rissausbreitungsmechanismus\' erstellt sowie die bisher in der Literatur vorherrschende These des Einfachgleitens widerlegt. Schließlich konnte die Barrierenwirkung von Korn- und Phasengrenzen sowohl anhand der Messung der Rissausbreitungsrate als auch der plastischen Rissöffnung bzw. -scherung gezeigt und daraus Rückschlüsse auf die Ausdehnung der plastischen Zone vor der Rissspitze gezogen werden. Gleichzeitig wurde dabei die Korrelation zwischen Rissausbreitungsrate und plastischer Rissöffnung bzw. -scherung nachgewiesen.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die gezielte Analyse des Verbundverhaltens zwischen Bewehrungsstahl und Beton unter kombinierter Beanspruchung aus Ermüdung und Querzug. Den Hintergrund bilden Stahlbetonbauteile, wie z. B. Fahrbahnplatten von Verbundbrücken, welche einen zweiaxialen Lastabtrag unter nicht vorwiegend ruhenden Belastungen aufweisen. Die Untersuchungen für normal- und hochfesten Beton erfolgten an Ausziehkörpern mit einem durch Querzugspannungen hervorgerufenen Längsriss entlang des Bewehrungsstabes. Das Versuchsprogramm beinhaltete hochzyklische Schwellversuche mit unterschiedlichen Schwingspielen und variierenden Längsrissbreiten bis zu einer Million Lastwechseln. Anhand der Entwicklung des Schlupfes zwischen Bewehrungsstab und Beton konnte eine deutliche Abhängigkeit des Verbundwiderstandes vom Querzug beobachtet werden. Aufbauend auf der Schlupfentwicklung erfolgt die Ableitung von normierten Wöhlerlinien der Verbundermüdung. Diese Wöhlerlinien können direkt in Beziehung zu den Wöhlerlinien der Betonstahlermüdung gesetzt werden und vereinfachen die Erstellung von Dauerfestigkeitsdiagrammen für Bemessungszwecke. Es wird deutlich, dass die Ermüdungsfestigkeit des Verbundes durch das Vorhandensein eines Längsrisses gegenüber der Betonstahlermüdung verstärkt an Bedeutung gewinnt. / The main focus of the present work is the specific analysis of the bond behaviour between reinforcement and concrete under combined loading due to fatigue and transverse tension. The background is formed by reinforced concrete elements such as bridge decks of steel-concrete composite bridges, which show a biaxial load bearing behaviour under not predominantly monotonic loading. The investigations for both normal strength and high performance concrete were conducted on pull-out specimens with a longitudinal crack along the reinforcing bar caused by transverse tensile stresses. The experimental program included high cyclic tests with different stress ranges and varying longitudinal crack widths up to one million load cycles. By means of the slip development, a definite dependency of the bond strength on the transverse tension could be observed. Based on the slip development, normalised S-N curves for bond fatigue have been deduced. These S-N curves can be set in direct relation to the S-N curves for steel fatigue and simplify creating constant life diagrams for design purposes. It becomes clear that the bond fatigue strength, due to an existing longitudinal crack, gains in importance in comparison to the fatigue strength of the reinforcing steel.

Durch erstmalige Anwendung des η-Umlaufverfahrens auf mechanisch ermüdete Ni-Polykristalle konnten – aufgrund konstanter Meßbedingungen und konstanter Eindringtiefe der Röntgenstrahlung – genauere Eigenspannungsmessungen durchgeführt werden als bisher. Ein speziell entwickeltes Auswertungsverfahren, das auf die Eigenspannungsanalyse von η-Umlaufmessungen abgestimmt ist, wird als „sin2η-Methode“ detailliert vorgestellt. Die experimentellen Resultate unterstreichen die Vorteile, die sich – besonders im Falle sehr geringer Eigenspannungen und wenn auch der dehnungsfreie Ausgangszustand (d0 -Wert) gemessen werden konnte – aus der Nutzung dieser Methode ergeben. Mit Hilfe des magnetischen Barkhausen-Rauschens durchgeführte Vergleichsuntersuchungen stehen im Einklang mit den röntgenographischen Messungen. / When applying the η-rotation-method to mechanically fatigued Ni polycrystals the first time, stress measurements with higher accuracy could be realized due to the constant penetration depth of the X-rays and because of constant measuring conditions. A specifically developed procedure, tuned to analyze residual stresses from η-rotation measurements, will be presented in detail as „sin2η-method“. The experimental results emphasize the benefits of using this method – especially in the case of very low residual stresses and if the initial strain-free state (d0 -value) was obtained from reference measurements. Comparative investigations by means of the magnetic Barkhausen noise agree with the X-ray measurements.