Untersuchungen zum Tragverhalten von Ankerplatten mit Kopfbolzen zur Abtragung von Zug- und Querkräften

Abstract

Tragkonstruktionen in der Stahl- und Verbundbauweise müssen in der Regel an Massivbauteile angeschlossen werden. Praktische Anwendungsbeispiele sind z.B. Stützenfuß- oder Trägeranschlüsse. Der Entwurf und Nachweis des Schnittstellenbereichs zwischen Stahl und Beton stellt eine Herausforderung dar, da das Tragverhalten sowie die unterschiedlichen Materialeigenschaften der Werkstoffe berücksichtigt werden müssen. Anschlüsse zwischen Stahl und Beton können wirtschaftlich und mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden, indem für die Verankerung im Beton Befestigungsmittel wie Kopfbolzen verwendet werden. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass ein ganzheitlicher Nachweis der Anschlüsse zwischen Stahl und Beton möglich ist, wenn die Versagensmechanismen auf der Seite des Betons in das Konzept der Komponentenmethode des Stahl- und Verbundbaus integriert werden. Dadurch ist ein wirtschaftlicher und zur reinen Massivbaulösung konkurrenzfähiger Nachweis möglich, da das Tragverhalten im Beton mit den Betonkomponenten erfasst wird und die Stahlkomponenten des Anschlusses zur Vermeidung eines Versagens im Beton beispielsweise mit Hilfe von langen Ankerschrauben nicht überdimensioniert werden müssen. Die Tragfähigkeit des Anschlusses zwischen Stahl und Beton kann zudem wirksam gesteigert werden, indem das Tragverhalten der Bewehrung im Bereich des Massivbauteils berücksichtigt wird und dadurch die Widerstände der Betonkomponenten deutlich erhöht werden können. Mit der Anordnung der Bewehrung im Bereich der Befestigungsmittel sind so Traglaststeigerungen möglich und es kann ferner bei einer geeigneten Auslegung der Bewehrung ein duktiles Tragverhalten der Anschlüsse erzielt werden. Für die Einzelkomponenten im Bereich des Betons wurden in jüngerer Vergangenheit neuere, verformungsbasierte Ansätze entwickelt, mit denen das Tragverhalten der Befestigungsmittel wie Kopfbolzen in Kombination mit einer Rückhängebewehrung in Zusammenwirken mit dem Beton erfasst wird. Die Kombination dieser neueren Ansätze für die Betonkomponenten mit den Stahlkomponenten und die Validierung an praktischen Anschlusslösungen des Stahl- und Verbundbaus wurde bisher nur anhand einer geringen Anzahl an Untersuchungen gezeigt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte anhand von 45 eigenen Versuchen für unterschiedliche, praxisnahe Anschlusssituationen die Anwendung der neueren Modelle bestätigt werden. Neben den Untersuchungen zum Einfluss der Bewehrung werden zudem Fragestellungen untersucht, die sich aus der praktischen Anwendung der Anschlüsse zwischen Stahl und Beton ergeben. Die derzeitige Begrenzung auf eine 3-reihige Anordnung der Befestigungsmittel auf einer Ankerplatte ist bei der Übertragung von großen Kräften im Anschluss nicht mehr ausreichend, so dass Versuche an großen Ankerplatten unter Querlast mit einer mehrreihigen Kopfbolzenanordnung durchgeführt wurden. Anhand der Versuche zu den großen Ankerplatten und darauf aufbauenden numerischen Untersuchungen können offene Fragestellungen zur Lastverteilung beantwortet werden. Überdies wird der Einfluss der Steifigkeit der Ankerplatte auf das Tragverhalten des Anschlusses untersucht. Mit der Anordnung einer Rückhängebewehrung im Bereich der Kopfbolzen kann die Tragfähigkeit der Betonkomponenten erhöht werden und gezielt ein duktiles Tragverhalten der Ankerplatte erreicht werden. Im Stahl- und Verbundbau müssen die Kräfte zudem häufig konzentriert in Massivbauteile eingeleitet werden. Anwendungsbeispiele sind Brückenlager und randnahe Stützenfußanschlüsse. In diesen Anwendungsbeispielen kann die bereits im Bauteil liegende Bewehrung wirksam zur Traglaststeigerung herangezogen werden, allerdings ergeben sich insbesondere bei einer Querbelastung zum Bauteilrand offene Fragestellungen, da im Anschluss Lastumlagerungen auf Grund des Betonversagens durch Betonkantenbruch möglich sind. Mit den in der Arbeit beschriebenen experimentellen und numerischen Untersuchungen kann die Lastverteilung dieser Anschlüsse erfasst werden. Für die oben genannten Fragestellungen werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit analytische Nachweismodelle auf Grundlage der Komponentenmethode entwickelt. Neben den Untersuchungen zu den großen Ankerplatten und der konzentrierten Lasteinleitung im Bereich von Anschlüssen zwischen Stahl und Beton wird an Untersuchungen zu randnahen, liegenden Kopfbolzen unter Zug gezeigt, dass mit den neueren Modellen für die Rückhängebewehrung geeignete mechanische Modelle vorhanden sind, mit denen ein Versagen wie das Herausziehen der Kopfbolzen nachgewiesen wird und die z.B. eine geeignete Alternative zu vorhandenen geometrischen Randbedingungen darstellen. Ferner wird gezeigt, dass unter Berücksichtigung des vorhandenen Sicherheitskonzepts des Stahlbaus und der Befestigungstechnik die Anforderungen an das Bemessungsmodell nach DIN EN 1990 erfüllt werden. Während eine normative Umsetzung der neuen Ansätze für die Betonkomponenten auch in Kombination mit der Rückhängebewehrung im Rahmen einer Öffnungsklausel in prEN 1993-1-8 erfolgt ist, werden zudem weitere mögliche normative Vereinfachungen und Erweiterungen vorgeschlagen.