Tragverhalten und Bemessung von Befestigungen unter beliebiger Querbelastung in ungerissenem Beton

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde das Tragverhalten von Verbunddübeln unter beliebiger Querbelastung anhand theoretischer, numerischer und experimenteller Untersuchungen untersucht. Die Ergebnisse beschränken sich dabei auf Verankerungen ohne Rückhängebewehrung im ungerissenen Beton. In Abschnitt 2 wurden zunächst die bisherigen Untersuchungen verschiedener Autoren zusammengefasst und das CC-Verfahren für die Bemessung querbelasteter Verankerungen vorgestellt. Ergänzend hierzu wurden Versuche am Bauteilrand und in der Bauteilecke durchgeführt, bei denen ein Versagen infolge Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite auftrat. Die Ergebnisse zeigen, dass das CC Verfahren auch für diese Fälle angewandt werden kann, wenn die zentrische Zugtragfähigkeit am Bauteilrand und in der Bauteilecke entsprechend abgemindert wird. Die bisherigen Versuche wurden anschließend in Abschnitt 3 in einer Datenbank zusammengefasst und ausgewertet und den vorhandenen Forschungsbedarf abzugrenzen. In Abschnitt 4 wurde ein auf der linear elastischen Bruchmechanik, der elastischen Bettung und der Theorie der Querpressung basierendes Berechnungsmodell für Befestigungen unter Querlast entwickelt. Mit diesem Modell ist es möglich die Bruchlast, die theoretische Erstrisslast, den Rissverlauf sowie eine idealisierte Last-Verschiebungskurve für die Versagensart Betonkantenbruch zu bestimmen. Hierfür sind jedoch unterschiedliche ebene Rissprobleme zu lösen für die in der Literatur nur bedingt Lösungen angegeben sind. Um die zugehörigen Spannungsintensitätsfaktoren dieser ebenen Rissprobleme zu ermitteln wurden diese mit Hilfe numerischer Berechnungen und der COD-Methode bestimmt. Für eine ausführliche Parameterstudie wurde das entwickelte bruchmechanische Modell in einem Programm umgesetzt, so dass für die Berechnung einer Verankerung nur die Eingabe der wichtigsten Randbedingungen erforderlich ist. Um das in Abschnitt 4 entwickelte bruchmechanische Modell für beliebige Anwendungsfälle zu verifizieren wurden numerische (Abschnitt 5) und experimentelle (Abschnitt 6) Untersuchungen mit Einzel- und Gruppenverankerung am Bauteilrand und in der Bauteilecke durchgeführt. In der Regel wurden sowohl die Rissbilder als auch die Bruchlasten brauchbar durch das bruchmechanische Modell erfasst, wenn die Verankerungen infolge Betonkantenbruch versagten. Die wichtigsten Ergebnisse der bruchmechanischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen sind im folgenden zusammengefasst:

- Der Einfluss des Durchmessers und der Verankerungstiefe nimmt mit zunehmendem Randabstand ab. - Die Bruchlasten steigen an, wenn der Lasteinleitungsbereich eingespannt ausgebildet wird. Dieser Einfluss ist von der Dübelsteifigkeit abhängig und für größer werdende Verhältnisse hef / dnom geringer. - Der Einfluss der Bauteilecke und des Achsabstandes s2 wird durch das CC Verfahren brauchbar erfasst. - Wird für die Tragfähigkeit einer Dübelgruppe die doppelte Betonkantenbruchlast der vorderen Dübelreihe angenommen, muss diese für Verhältnisse s1/c1 < 0,75 abgemindert werden, da die Last hauptsächlich über die hinteren Dübel abgetragen wird. In den numerischen Berechnungen ist für Verankerungen mit s1/c1 < 0,7 daher am vorderen Dübel kein Riss sichtbar. - Bei Verankerungen mit hintereinander liegenden Dübeln und Lochspiel wird die Bruchlast des hinteren durch die Rissbildung des vorderen Dübels beeinflusst. Für Verhältnisse s1/c1 > 2,0 entspricht die Gruppentragfähigkeit der Betonkantenbruchlast der hinteren Dübelreihe. Für Verhältnisse s1/c1 < 2,0 muss die Tragfähigkeit der hinteren Dübel linear abgemindert werden, bis die Bruchlast der vorderen Dübel erreicht wird. - Der Einfluss der Bauteildicke wird durch das CC-Verfahren leicht überschätzt. - Für parallel zum Rand belastete Verankerungen hängt die Bruchlast stark von der zu erwartenden Pressung vor den Bolzen und dem Verhältnis von Spaltkraft zu Zugkraft ab. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zeigen, dass diese hauptsächlich vom Durchmesser, dem Randabstand und der Betondruckfestigkeit abhängt. - Versuche mit Verbunddübeln, die entgegen den Rand belastet werden zeigen, dass diese stets infolge Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite versagen. - Die Ergebnisse zu Verankerungen unter Torsionsbelastung zeigen, dass die Bruchlast des senkrecht zum Rand belastet Ankers nicht durch den entgegen den Rand belasteten Anker beeinflusst wird, auch wenn dieser deutlich höher Lasten aufnimmt. - Der Bruchrisswinkel einer Verankerung ist vom Randabstand, dem Dübeldurchmesser sowie den Achs- und Eckabständen abhängig. Für große Durchmesser und kleine Randabstände wird dieser flacher ebenso wie für kleine Achs- und Eckabstände. - Bei Verankerungen mit hintereinander angeordneten Dübeln ist für kleine Verhältnisse s1 /c1 der Rissverlauf am vorderen Dübel steiler (40° bis 60°) als der einer entsprechenden Einzelverankerung (30° bis 40°).

The theoretical, numerical and experimental investigations for an arbitrary loading direction of bonded anchors are restricted to the use in non-cracked and non-reinforced concrete. In chapter 2 the investigation of several authors are summarised und the CC-method for the design of shear loaded anchors is explained. Additional to this tests for the &#8220;Pryout&#8221;- failure at the edge or in the corner of a concrete member are carried out. The results show that the CC-method can also be used for such cases if the concrete breakout capacity is reduced corresponding to the CC-method. The existing tests are summarized in a data bank. In chapter 4 a model based on linear elastic fracture mechanics, linear elastic beam theory and the theory of lateral forces is developed. The results of the model are restricted to anchorages in not cracked und not reinforced concrete. With the model it is possible to calculate the ultimate load, the load at first cracking, the crack pattern and the load displacement curve. The model is put into a visual basic program, so that only the important parameters must be known for the calculation. To check if the model based on fracture mechanics can be used for arbitrary applications, especially loading directions in chapter 5 numerical and chapter 6 experimental investigations are performed. The results show that for concrete edge failure the model compares quite well with the numerical and experimental investigations. The most important results of all investigations are briefly summarised as follows: - The influence of the bolt diameter and the embedment depth depends on the edge distance an decreases with increasing the edge distance. - The failure load will increase with restraining the anchor at the fixing plate. This effect depends on the anchor stiffness. For small ratios hef / d this effect stronger than for big ratios. - The CC-method considers the influence of a corner and the influence of the anchor spacing s2 usable. - If the failure load of anchor groups without clearance hole is calculated twice the failure load of the front anchors the failure load of the group must be reduced if the ratio s1 / c1 is smaller than 0.75. In this case the back anchors transfer the load. Therefore in the numerical investigations no cracking occurs at the front anchors if the ratio is smaller than 0.7. - If the failure load for anchor groups with clearance hole is calculated once the failure load of the back anchors the failure load of the group must be reduced if the ratio s1 / c1 is smaller than 2.0. - The CC-method considers the influence of the thickness of the concrete member conservative. - The failure load for anchors loaded parallel to the edge depends mainly on the pressure in front of the anchor, the ratio between splitting force and tension force. The theoretical and experimental investigations show that the ratio between splitting force and tension force mainly depends on the bolt diameter, the edge distance and the concrete compression strength. - Tests with bonded anchors loaded back to the edge show that in all cases concrete pryout failure occurs. - The numerical investigations show that the concrete breakout capacity of the anchor loaded towards the edge is not influenced by the anchors loaded back to the edge. This is valid for small anchor spacing as well as for cases where the anchor loaded back to the edge transfers higher load than the anchor loaded towards the edge. - The crack angle of the concrete cone depends mainly on the edge distance and the bolt diameter and decreases with increasing the bolt diameter and smaller edge distances. - For grouped anchors perpendicular to the edge and small ratios s1 /c1 the cracking angle of the front anchor (40° to 60°) is larger than the crack angle of a corresponding single anchor (30° to 40°).