Tragverhalten von Kunststoffdübeln im ungerissenen und gerissenen Beton

Abstract

Kunststoffdübel bestehen aus einer Spreizhülse aus Kunststoff und einem Spreizelement, das in der Regel aus Stahl hergestellt wird. Bei der Montage wird das Spreizelement in die Kunststoffhülse eingetrieben, so dass der Kunststoff gegen die Bohrlochwand gepresst wird. Das Eintreiben des Spreizelementes kann drehend (Schraubdübel) oder schlagend (Nageldübel) erfolgen. Kunststoffdübel versagen in Beton in der Regel durch Herausziehen der Dübelhülse aus dem Bohrloch. Daher bestimmt die Reibkraft zwischen Dübelhülse und Beton maßgeblich das Tragverhalten. Die Reibkraft eines Kunststoffdübels ergibt sich aus der Spreizkraft und dem Reibkoeffizienten zwischen Dübelhülse und Beton. In theoretischen Untersuchungen wird das Tragverhalten von Kunststoffdübeln unter zentrischer Zugbelastung auf der Basis des Coulomb’schen Reibgesetzes getrennt nach den beiden Hauptkomponenten Spreizkraft und Reibkoeffizient untersucht. Beim rotierenden Eintreiben des Spreizelementes in die Dübelhülse bei Schraubdübeln wird der Kunststoff durch die Reibung zwischen Schraube und Kunststoff stark erwärmt. Dagegen rotiert das Spreizelement bei Nageldübeln beim Eintreiben nicht. Die Temperaturerhöhung der Dübelhülse bei der Montage ist daher wesentlich geringer. Anhand von nichtlinearen 3-dimensionalen Finite-Element-Studien an Dübelabschnitten werden unterschiedliche Einflüsse auf den Spreizkraftverlauf im ungerissenen und gerissenen Beton bewertet. Nach dem Eintreiben des Spreizelementes in die Dübelhülse nimmt die Spreizkraft im ungerissenen Beton infolge der Relaxation des Kunststoffes innerhalb der ersten Minuten nach der Montage stark ab. Durch die Rissöffnung wird die Spreizkraft eines Kunststoffdübels weiter reduziert. Nach der Rissöffnung steigt die Spreizkraft bei konstanter Rissbreite deutlich an, was mit dem Boltzmann’schen Superpositionsprinzip erklärt werden kann und auf dem viskoelastischen Verformungsverhalten des Kunststoffes basiert. Weiterhin wird eine Prüfeinrichtung vorgestellt, mit der die Spaltkraftverteilung eines Dübels entlang der Dübelachse bestimmt werden kann. Zusätzlich wurden Spaltkraftmessungen durchgeführt, bei denen zusätzlich ein Ausziehversuch durchgeführt wurde. Dadurch kann der Reibkoeffizient zwischen Dübelhülse und Beton berechnet werden. Die aus der Literatur bekannten Streudiagramme zum Einfluss von Bohrereckmaß, Konditionierung, zum Belastungszeitpunkt und Temperatur in ungerissenem Beton werden durch Versuchsergebnisse aus Forschungs- und Zulassungsverfahren erweitert und mit den Ergebnissen der numerischen Studien verglichen. Versuche mit Dübelgruppen im ungerissenen Beton und Querlastversuche am Rand zeigen, dass Kunststoffdübel einen Betonausbruch erzeugen können. Es wird ein modifiziertes Bemessungsverfahren vorgestellt, das auf dem CC-Verfahren für Kopfbolzen basiert. Durch Dauerstandversuche mit Kunststoffdübeln, bei denen durch hohe Dauerlasten ein Versagen der Dübel hervorgerufen wurde, wird ein Versagenskriterium für Kunststoffdübel in Kriechversuchen abgeleitet und verifiziert. In weiteren Ausführungen wird das Tragverhalten von Kunststoffdübeln in gerissenem Beton anhand von zentrischen Ausziehversuchen und Spaltkraftmessungen erklärt. Mit Hilfe von Spaltkraftmessungen in einer servo-hydraulischen Prüfmaschine, in der eine Rissöffnung im Beton simuliert wird, wird der Spaltkraftverlauf und der Reibkoeffizient im gerissenen Beton untersucht. Mit zunehmender Rissbreite nimmt der Reibkoeffizient zwischen Hülse und Bohrloch ab, da durch die Rissöffnung der Mikroformschluss senkrecht zur Rissrichtung gestört wird. In zentrischen Ausziehversuchen im gerissenen Beton wird gezeigt, dass die Herausziehlasten mit zunehmender Rissbreite stark abnehmen. In weiteren Versuchen wird in diesem Abschnitt der Einfluss der Zeitdifferenz zwischen Rissöffnung und Ausziehversuch untersucht. Die Herausziehlasten von Schraubdübeln steigen mit zunehmender Zeitdifferenz stark an, während bei Nageldübeln bis 72 h kein Anstieg zu erkennen ist. Weiterhin werden Auswertungen von Ausziehversuchen nach dem bisherigen Konzept mit globalen Sicherheitsfaktoren und dem neuen Konzept mit Teilsicherheitsbeiwerten nach ETAG (2000/1) durchgeführt. Die Auswertung zeigt, dass die bisher gebräuchlichen zulässigen Lasten von Kunststoffdübeln in Beton nach dem alten Sicherheitskonzept nachgewiesen werden können, während Auswertungen nach den neuen Vorschlägen der ETAG (2000/1) zu einem deutlich geringeren Lastniveau führen. Durch Überlegungen zur Überlagerung der Abminderungsfaktoren bei der Bestimmung des charakteristischen Widerstandes wird gezeigt, wie der Unterschied in den Lastniveaus verringert werden kann.

Plastic anchors consist of a spreading sleeve made of plastic and a spreading element, which is usually made of steel. During installation the spreading element is driven into the plastic sleeve so that the plastic is pressed against the wall of the drilled hole. The installation of the spreading element can be realised by turning (screw-in anchor) or striking (nail-in anchor) motion. Plastic anchors usually fail in concrete by pulling the sleeve out of the drill hole. Therefore the frictional force between anchor sleeve and concrete considerably affects the anchor behavior. The frictional force of a plastic anchor results from the spreading force and the coefficient of friction between plastic sleeve and concrete. In theoretical investigations, the behavior of plastic anchors under centric tensile load is examined on the basis of the friction law (Coulomb) according to the two main influence factors: spreading force and coefficient of friction. When the spreading element is screwed into the sleeve, the plastic is significantly warmed up by the friction between the screw and the plastic. On the other hand the spreading element does not rotate with nail-in anchors during installation and consequently the rise in temperature of the plastic sleeve during installation is substantially smaller. On the basis of nonlinear three-dimensional finite element studies of small sections of the sleeve, different influences on the time-dependant development of the spreading force in uncracked and cracked concrete are evaluated. Within the first minutes after installation of the spreading element, the spreading force in uncracked concrete decreases strongly due to the relaxation of the plastic. The spreading force of a plastic anchor is further reduced by crack opening. After the crack opening the spreading force increases over time with constant crack width. This can be explained with the superposition principle of Boltzmann, which is based on the viscoelastic deformation behavior of the plastic. Besides a testing device is presented, with which the distribution of splitting force of a plastic anchor along the anchor axis can be determined. In further tests measurements of the splittting force during pullout tests are performed. The coefficient of friction between the plastic sleeve and the concrete was calculated. Existing diagrams from the literature for to the influence of the diameter of the drill hole, conditioning, time difference between installation and loading and temperature in uncracked concrete are extended by new test results and are compared with the results of the numeric studies. Tests with anchor groups in uncracked concrete and tests with transverse loading at the edge of members show, that plastic anchors can produce a concrete cone failure. A modified design model is presented, which is based on the CC-method for headed studs. In creep tests with plastic anchors, in which a failure of the anchors was caused by large sustained loads, a criteria of failure for plastic anchors in creep tests is derived and verified. By further tests the behavior of plastic anchors in cracked concrete is explained on the basis of centric pullout tests and measurements of the splitting force. By measurements of the splitting force in a servo-hydraulic jack, which can simulate a crack opening in the concrete, the time-dependant splitting force and the coefficient of friction in cracked concrete are examined. The splitting force drops strongly due to the crack opening and rises again with constant crack width over time. The coefficient of friction between the sleeve and the drill hole decreases with increasing crack width, because the micro form fit is disturbed perpendicular to the crack direction. In centric pullout tests in cracked concrete it is shown, that the pullout loads decrease strongly with increasing crack width. In further tests in this section the influence of the time difference between crack opening and loading is examined. The pullout loads of screw-in anchors rise strongly with increasing time difference, while with nail-in anchors no increase was observed. The increase of the pullout loads results in the case of screw-in anchors from the rise of the spreading force after the crack opening and in the case of long time differences from a increase of the coefficient of friction. In evaluations with the existing design concept of global safety factors and the new concept of partial safety factors after ETAG (2000/1) are compared. The evaluation shows, that the admissible loads used to date can be achieved by plastic anchors in concrete after the old safety concept. Evaluation using the new suggestions of the ETAG (2000/1) leads to distinctly lower allowable loading levels.