The actual service loading histories of most engineering components are characterized by variable amplitudes and are sometimes rather complicated. The goal of this study was to estimate the fatigue life of nickel-chromium-molybdenum 30CrNiMo8HH steel alloy under axial and pure torsion variable amplitude loading (VAL) conditions. The investigation was directed at two primary factors that are believed to have an influence on fatigue life under such loading conditions: load sequence and mean stress. The experimental work for this research included two-step loading, non-zero mean strain loading, and VAL tests, the results of which were added to previously determined fully reversed strain-controlled fatigue data. The effect of load sequence on fatigue life was examined through the application of the commonly used linear damage accumulation rule along with the Manson and Marco–Starkey damage accumulation methods, the latter of which takes load sequence into account. Based on the two-step experimental results, both the Manson and Marco–Starkey methods were modified in order to eliminate the empirically determined constants normally required for these two methods. The effect of mean stress on fatigue life was investigated with the use of three life prediction models: Smith–Watson–Topper (SWT), Fatemi–Socie (FS), and Jahed–Varvani (JV). The cycles from the VAL histories were counted using a rainflow counting procedure that maintains the applied strain sequence, and a novel method was developed for the estimation of the total energy density required for the JV model. For two-step loading and for all three fatigue models employed, the modified damage accumulation methods provided superior fatigue life predictions. However, regardless of the damage accumulation method applied, the most satisfactory fatigue life correlation for VAL was obtained using the energy-based JV model.

The actual service loading histories of most engineering components are characterized by variable amplitudes and are sometimes rather complicated. The goal of this study was to estimate the fatigue life of nickel-chromium-molybdenum 30CrNiMo8HH steel alloy under axial and pure torsion variable amplitude loading (VAL) conditions. The investigation was directed at two primary factors that are believed to have an influence on fatigue life under such loading conditions: load sequence and mean stress. The experimental work for this research included two-step loading, non-zero mean strain loading, and VAL tests, the results of which were added to previously determined fully reversed strain-controlled fatigue data. The effect of load sequence on fatigue life was examined through the application of the commonly used linear damage accumulation rule along with the Manson and Marco–Starkey damage accumulation methods, the latter of which takes load sequence into account. Based on the two-step experimental results, both the Manson and Marco–Starkey methods were modified in order to eliminate the empirically determined constants normally required for these two methods. The effect of mean stress on fatigue life was investigated with the use of three life prediction models: Smith–Watson–Topper (SWT), Fatemi–Socie (FS), and Jahed–Varvani (JV). The cycles from the VAL histories were counted using a rainflow counting procedure that maintains the applied strain sequence, and a novel method was developed for the estimation of the total energy density required for the JV model. For two-step loading and for all three fatigue models employed, the modified damage accumulation methods provided superior fatigue life predictions. However, regardless of the damage accumulation method applied, the most satisfactory fatigue life correlation for VAL was obtained using the energy-based JV model.

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The use of continuously welded rails (CWR) governs the longitudinal stress caused by seasonal temperature changes, bending of supporting structure and braking/accelerating due to passing trains. Those three loads have been regulated in Eurocode1 and accomplished by the national codes like DIN Fb-101 in Germany. An additional loading case identified and treated in this thesis is the load due to a change of the coupling stiffness in longitudinal direction between the track and bridge. This additional load occurs as a consequence of the employment of a nonlinear stiffness law which increases the restoring force by a factor of 3 when the situation of the track changes from ‘unloaded’ to ‘loaded’ due to a passing train. This particular phenomenon has not been mentioned in the codes so far though it is a natural consequence of fundamental conditions in those codes. For CWR the longitudinal coupling between the rail and bridge plays an important role. This coupling interface is created either by a ballast, for a ballasted track, or by a fastening system in the case of slab track. The deformation state of the coupling interface characterizes the behaviour of the system, whether elastic or plastic. Therefore, the nonlinear behaviour is valid for the system. To accommodate the nonlinear nature, a sequential loading analysis is used, taking into account the loading history. As the change situation due to a passing train happens in a short time, the influence of the mass acceleration should be taken into account in the system’s equilibrium. This aspect is investigated by treating the dynamic load as an impulse-like load. However, a realistic load needs some time to affect the whole bridge, thus the continuous change of stiffness is used to simulate the dynamic analysis. There is a lack of information on determining the value of coupling stiffness in longitudinal direction caused by a passing train. Therefore, it is important to evaluate the coupling stiffness from field measurements in order to find reliable values. The implementation of the load onto several typical bridges shows that the change of the coupling stiffness increases the stresses and it should not be neglected. The evaluation of the load due to a change of the coupling stiffness accompanied by bending of the supporting structure gives satisfactory results by using the static analysis only. Thus, a dynamic analysis can be avoided. Multiple cycles of passing trains occurring after seasonal temperature change indicate a significant increase of elastic parts along the track-bridge coupling interface and a decrease in stresses in the rails. Thus the danger of deterioration is reduced significantly. / Die Verwendung von durchgehend geschweißten Schienen auf Brücken führt zu zusätzlichen Längsspannungen infolge der Lastfälle jahreszeitliche Temperaturänderung, Brückendurchbiegung und Bremsen/Anfahren. Diese drei Lasten sind durch den Eurocode 1 vorgegeben und in die nationale deutsche Norm DIN Fb-101 integriert. In dieser Arbeit wird erstmals ein weiterer Lastfall identifiziert und behandelt, der durch den Wechsel der Koppelsteifigkeit in Längsrichtung zwischen Gleis und Tragwerk bei der Zugüberfahrt begründet wird. Dieser Lastfall wird hier mit „Ruck“ bezeichnet und ist eine zwangsläufige Konsequenz des nichtlinearen Längsverschiebewiderstandes, wie er im EC 1 und im DIN Fb-101 vorgegeben ist. Dennoch wurden die Auswirkungen auf das Systemverhalten bisher nicht untersucht. Bei einem Wechsel vom unbelasteten Gleis zum belasteten Gleis während einer Zugüberfahrt erhöht sich zum Beispiel der Längsverschiebewiderstand für ein Schottergleis um den Faktor 3! Die dadurch bedingte Veränderung des Zusammenwirkens zwischen Gleis und Tragwerk führt zu einer Veränderung des Systemzustandes und damit zu veränderten Schienenspannungen. Für durchgehend geschweißte Schienen spielt die Längskopplung zwischen Schiene und Brücke eine wesentliche Rolle. Beim Schottergleis wird sie dargestellt durch die Einbettung des Gleisrostes im Schotterbett im Zusammenwirken mit der Schienenbefestigung. Bei der festen Fahrbahn durch das Befestigungssystem. Für kleine Deformationen ist die Koppelsteifigkeit proportional zur Relativverschiebung zwischen Gleis und Brücke. Darüberhinaus geht das linear elastische Verhalten in ein quasi plastisches Verhalten mit konstanter Koppelkraft über. Folgerichtig ist die Behandlung einer Lastenfolge nur in inkrementeller Weise unter Einbeziehung der Verformungsgeschichte mechanisch korrekt. Die Lastfälle Bremsen/Anfahren, Brückendurchbiegung und Ruck ereignen sich nur während der Zugüberfahrt; also in relativ kurzer Zeit, dann allerdings mit einem erheblichen Lastgradienten. Somit stellt sich die Frage nach dem Einfluss der Massenbeschleunigungen, die in dieser Arbeit geklärt wird. Die im Fachbericht genanntenWerte für den Längsverschiebewiderstand des belasteten Gleises basieren auf einer relativ geringen Datenmenge. Aus diesem Grund werden die Messdaten einer umfangreichen Feldmessung mit Zugüberfahrten zu Aussagen über den Längsverschiebewiederstand herangezogen und die Problematik derartiger Messungen beleuchtet. Die unterschiedlichen Modellierungen des Lastfalls „Ruck“, einmal rein statisch und zum anderen dynamisch, ergeben übereinstimmende Schienenlängsspannungen für die statische und die kontinuierliche dynamische Variante. Somit kann auf die aufwändige dynamische Analyse verzichtet werden. Mehrere Zyklen von Zugüberfahrten im Anschluss an eine jahreszeitliche Temperaturänderung bewirken einen signifikanten Abbau der Durchrutschbereiche, also eine Erhöhung der elastischen Abschnitte in der Koppelfuge zwischen Bauwerk und Gleis verbunden mit einer Abnahme der Schienendruckspannungen. Somit hilft dieser Effekt dem System, der jahreszeitlichen Temperaturänderung zu widerstehen.

The use of continuously welded rails (CWR) governs the longitudinal stress caused by seasonal temperature changes, bending of supporting structure and braking/accelerating due to passing trains. Those three loads have been regulated in Eurocode1 and accomplished by the national codes like DIN Fb-101 in Germany. An additional loading case identified and treated in this thesis is the load due to a change of the coupling stiffness in longitudinal direction between the track and bridge. This additional load occurs as a consequence of the employment of a nonlinear stiffness law which increases the restoring force by a factor of 3 when the situation of the track changes from ‘unloaded’ to ‘loaded’ due to a passing train. This particular phenomenon has not been mentioned in the codes so far though it is a natural consequence of fundamental conditions in those codes. For CWR the longitudinal coupling between the rail and bridge plays an important role. This coupling interface is created either by a ballast, for a ballasted track, or by a fastening system in the case of slab track. The deformation state of the coupling interface characterizes the behaviour of the system, whether elastic or plastic. Therefore, the nonlinear behaviour is valid for the system. To accommodate the nonlinear nature, a sequential loading analysis is used, taking into account the loading history. As the change situation due to a passing train happens in a short time, the influence of the mass acceleration should be taken into account in the system’s equilibrium. This aspect is investigated by treating the dynamic load as an impulse-like load. However, a realistic load needs some time to affect the whole bridge, thus the continuous change of stiffness is used to simulate the dynamic analysis. There is a lack of information on determining the value of coupling stiffness in longitudinal direction caused by a passing train. Therefore, it is important to evaluate the coupling stiffness from field measurements in order to find reliable values. The implementation of the load onto several typical bridges shows that the change of the coupling stiffness increases the stresses and it should not be neglected. The evaluation of the load due to a change of the coupling stiffness accompanied by bending of the supporting structure gives satisfactory results by using the static analysis only. Thus, a dynamic analysis can be avoided. Multiple cycles of passing trains occurring after seasonal temperature change indicate a significant increase of elastic parts along the track-bridge coupling interface and a decrease in stresses in the rails. Thus the danger of deterioration is reduced significantly. / Die Verwendung von durchgehend geschweißten Schienen auf Brücken führt zu zusätzlichen Längsspannungen infolge der Lastfälle jahreszeitliche Temperaturänderung, Brückendurchbiegung und Bremsen/Anfahren. Diese drei Lasten sind durch den Eurocode 1 vorgegeben und in die nationale deutsche Norm DIN Fb-101 integriert. In dieser Arbeit wird erstmals ein weiterer Lastfall identifiziert und behandelt, der durch den Wechsel der Koppelsteifigkeit in Längsrichtung zwischen Gleis und Tragwerk bei der Zugüberfahrt begründet wird. Dieser Lastfall wird hier mit „Ruck“ bezeichnet und ist eine zwangsläufige Konsequenz des nichtlinearen Längsverschiebewiderstandes, wie er im EC 1 und im DIN Fb-101 vorgegeben ist. Dennoch wurden die Auswirkungen auf das Systemverhalten bisher nicht untersucht. Bei einem Wechsel vom unbelasteten Gleis zum belasteten Gleis während einer Zugüberfahrt erhöht sich zum Beispiel der Längsverschiebewiderstand für ein Schottergleis um den Faktor 3! Die dadurch bedingte Veränderung des Zusammenwirkens zwischen Gleis und Tragwerk führt zu einer Veränderung des Systemzustandes und damit zu veränderten Schienenspannungen. Für durchgehend geschweißte Schienen spielt die Längskopplung zwischen Schiene und Brücke eine wesentliche Rolle. Beim Schottergleis wird sie dargestellt durch die Einbettung des Gleisrostes im Schotterbett im Zusammenwirken mit der Schienenbefestigung. Bei der festen Fahrbahn durch das Befestigungssystem. Für kleine Deformationen ist die Koppelsteifigkeit proportional zur Relativverschiebung zwischen Gleis und Brücke. Darüberhinaus geht das linear elastische Verhalten in ein quasi plastisches Verhalten mit konstanter Koppelkraft über. Folgerichtig ist die Behandlung einer Lastenfolge nur in inkrementeller Weise unter Einbeziehung der Verformungsgeschichte mechanisch korrekt. Die Lastfälle Bremsen/Anfahren, Brückendurchbiegung und Ruck ereignen sich nur während der Zugüberfahrt; also in relativ kurzer Zeit, dann allerdings mit einem erheblichen Lastgradienten. Somit stellt sich die Frage nach dem Einfluss der Massenbeschleunigungen, die in dieser Arbeit geklärt wird. Die im Fachbericht genanntenWerte für den Längsverschiebewiderstand des belasteten Gleises basieren auf einer relativ geringen Datenmenge. Aus diesem Grund werden die Messdaten einer umfangreichen Feldmessung mit Zugüberfahrten zu Aussagen über den Längsverschiebewiederstand herangezogen und die Problematik derartiger Messungen beleuchtet. Die unterschiedlichen Modellierungen des Lastfalls „Ruck“, einmal rein statisch und zum anderen dynamisch, ergeben übereinstimmende Schienenlängsspannungen für die statische und die kontinuierliche dynamische Variante. Somit kann auf die aufwändige dynamische Analyse verzichtet werden. Mehrere Zyklen von Zugüberfahrten im Anschluss an eine jahreszeitliche Temperaturänderung bewirken einen signifikanten Abbau der Durchrutschbereiche, also eine Erhöhung der elastischen Abschnitte in der Koppelfuge zwischen Bauwerk und Gleis verbunden mit einer Abnahme der Schienendruckspannungen. Somit hilft dieser Effekt dem System, der jahreszeitlichen Temperaturänderung zu widerstehen.

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