Tragverhalten und Bemessung von Ankerschienen unter Querbelastung

Abstract

Ankerschienen sind U-förmig Stahlprofile an denen Ankerbolzen angeschweißt oder angestaucht sind. In das Schienenprofil werden Haken- bzw. Hammerkopfschrauben eingesetzt und mit dem anzuschließenden Anbauteil verbunden. Je nach Herstellart und Größe, können kaltgewalzte und warm umgeformte Schienen, die sich in ihren Lastabtragungseigenschaften unterscheiden, verwendet werden. Ankerschienen sind Bauprodukte, die in zahlreichen Anwendungen im modernen Hoch- und Tiefbau zum Einsatz kommen. Sie finden Anwendung im Industrie- und Wohnungsbau z. B. zur Abfangung von Verblendmauerwerk, bei Bodenverankerungen von Maschinen, im Aufzug- und auch Tunnelbau.

Es ist das Ziel dieser Arbeit, das Wissen über das Tragverhalten von Ankerschienen unter Querbelastung zu erweitern. In diesem Vorhaben enthalten ist die Entwicklung eines Bemessungsverfahrens zur Berechnung der Betonkantebruchlast und der Versagenslast auf der lastabgewandten Seite, das die beliebige Lasteinleitungsposition berücksichtigt. Hierzu werden zahlreiche Finite Element Berechnungen durchgeführt und experimentelle Untersuchungen ausgewertet.

Das Bemessungsverfahren beruht auf einer dreiecksförmigen Verteilung der Lasten auf die Anker. Es hat sich herausgestellt, dass die Verteilung der Lasten auf die Anker den besten Kompromiss herstellt zwischen der tatsächlichen Lastabtragung und der Berechnung der Interaktion über den zentrischen Lastangriff. Auf der Widerstandsseite beeinflussen sich die Widerstände der Anker gegenseitig, woraus sich eine Abminderung der aufnehmbaren Ankerkräfte ergibt. Durch die Kombination der Einwirkungs- und Widerstandsseite ergibt sich eine maßgebende Belastung für den höchstbelasteten Anker. Durch Einflussfaktoren wird der geometrischen Einbausituation Rechnung getragen. Dies wird anhand von nicht-linearen dreidimensionalen Finite Elementberechnungen bestätigt.

In Abschnitt 6 ist das Tragverhalten von Ankerschienen beschrieben, die zum rückwärtigen Rand belastet werden. Es hat sich gezeigt, dass die Versagenslast über den zentrischen Zug berechnet werden kann. Die Versagenslast für Querlasten zum rückwärtigen Rand beträgt den zweifachen Wert wie für zentrischen Zug. Dies wurde mit zahlreichen Versuchen bestätigt.

In einem weiteren Abschnitt wird das Tragverhalten von Ankerschienen mit der Versagensart Stahlversagen untersucht. Dazu werden Ankerschienen mit großem Randabstand in Plattenmitte eingebaut. Hierfür wird ein Bemessungsmodell vorgeschlagen, welches auf die Fleißgelenktheorie zurückgeht.

Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, dass eine CEN erarbeitet werden konnte, die 2007 verabschiedet wird.

In engineering practice channel bars are very often used to transfer loads to structural concrete elements such as foundations, beams etc. Channel bars are placed into the framework at the needed position. Loads are transferred with special screws into the channel bar and further into the concrete.

Channel bars may be loaded by tension, shear or combined tension and shear loads. Channel bars loaded in shear may fail by three different failure modes: Steel failure, concrete edge failure and concrete pry-out failure. Channel bars at the edge loaded in shear towards the edge will fail by concrete edge failure. It is the aim of this work to extend the knowledge of channel bars loaded in shear concerning the load transfer mechanism and the design model.

Developing a design model for channel bars under shear load is a main part of this work. In the investigations the load was directed towards the edge and away from the edge which causes concrete edge failure and pry-out failure. The variability of the load position was one of the most important requirement for the numerous finite element calculations and experimental test series.

The design model is based on the load distribution by a triangle, which is placed on the load. On the resistance side the anchor loads influence and attenuate each other if the anchor spacing is smaller than a critical distance. This critical anchor distance is described by the edge distance and the width of the channel bar. Out of the combination of load and resistance it results a most loaded anchor. This anchor is decisive for the load of the channel bar in dependence of the edge distance and member thickness.

Concrete pry out failure occurs when the load is inserted away from the edge. In several numerical investigations and numerous experimental tests it is shown that the load can be calculated by the design model of tension load.

Furthermore steel failure is investigated in this work. The results showed that is it possible to calculate the failure load by the theory of plastic hinge.

The results of this work are accounted for the work of a CEN.