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Untersuchungen zum Tragverhalten von Gruppenbefestigungen unter Berücksichtigung der Ankerplattendicke und einer Mörtelschicht
(2011) Fichtner, Stefan; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
Ankerplatten sind wesentliche Bestandteile eines Knotenpunktes, in dem Stahl- und Betonbauteile kraftschlüssig miteinander verbunden werden. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen und Finite-Element-Simulationen zu diesem Thema vorgestellt. Bei den Untersuchungen war die derzeitige Praxis der Ankerplattenbemessung bezüglich ihrer Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu überprüfen und ein verbesserter Bemessungsansatz zu ermitteln. Nach der Einleitung wird in Abschnitt 2 ein Überblick über die Bemessungsansätze von Befestigungen in verschiedenen Normen und in der Literatur gegeben. Abschnitt 3 erläutert die Veränderungen und Verbesserungen am Programm MASA als Voraussetzung für ausführliche numerische Parameterstudien. Neben der Parallelisierung des Frontsolvers und anderer Bereiche wurde ein Bandbreitenoptimierer entwickelt. Beide Maßnahmen bedeuten eine signifikante Steigerung der Rechengeschwindigkeit. In den Simulationen stellte sich heraus, dass in MASA insbesondere bei großen Kontaktflächen zwischen Stahl und Beton ein funktionierendes System fehlt. Da genau diese Eigenschaft bei den durchgeführten Versuchen zwingend erforderlich war, wurde in den Quellcode von MASA ein Materialmodell für eine Kontaktschicht implementiert, die sowohl das Kontaktproblem numerisch erfasst als auch die Simulation von Reibung und Vorspannung bzw. Lochspiel ermöglicht. In Abschnitt 4 wird die erforderliche Ankerplattensteifigkeit bei Gruppenbefestigungen untersucht. Bei der Dimensionierung des Knotenpunktes spielt die Dicke der Ankerplatte eine maßgebliche Rolle für die Trag- und Rotationsfähigkeit des Anschlusses. Die Untersuchungen zeigen, inwiefern mit den vorliegenden Bemessungskonzepten aus dem Massivbau, der Befestigungstechnik und dem Stahlbau die erforderlichen Dicken der Ankerplatten wirtschaftlich und sicher bemessen werden. Die Vergleiche zwischen den Methoden lassen Unterschiede erkennen, die zu einer Über- oder Unterdimensionierungen führen. Auf Grundlage der experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden zwei Bemessungsansätze entwickelt, die sich im Wesentlichen in ihrem Aufwand bezüglich der zu erhebenden bzw. einzugebenden Daten unterscheiden. Hierbei wird entweder davon ausgegangen, dass die Steifigkeit des Befestigungsmittels bekannt ist, oder aber auf der sicheren Seite liegend angenommen. Abschnitt 5 behandelt den Einfluss einer Biegedruckkraft unter der Ankerplatte auf das Ausbruchverhalten der gezogenen Befestigungsmittel. Untersucht wurde der Einfluss der unter der Ankerplatte bei Biegebeanspruchung entstehenden Druckkraft auf den normalen Betonausbruchkegel der Dübel bzw. Kopfbolzen. Eine Behinderung des Kegels durch Überdrücken führt in der Regel zu einer Steigerung der Höchstlast. Der entwickelte Bemessungsansatz macht die Größe des Einflusses der Biegedruck-kraft von der effektiven Verankerungstiefe und dem inneren Hebelarm der Schnittkräfte (Ermittlung nach der Elastizitätstheorie) abhängig. Im letzten Abschnitt 6 wird auf Grundlage von experimentellen und numerischen Un-tersuchungen ein Ansatz für die Bemessungen von Ankerplatten mit einer Mörtelausgleichsschicht unter Querlast entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Versagensfälle Stahlbruch und Betonversagen unterschiedlich zu behandeln sind und dass die Verschiebungen in Belastungsrichtung begrenzt werden sollten. Das vorhandene gesamte Tragsystem könnte eine große Deformation innerhalb eines Knotenpunktes eventuell nicht kompensieren. Die vorgeschlagene Bemessung gilt nur für statische Beanspruchungen. Für dynamische Belastungen sind weitere Untersuchungen erforderlich. Die Kombination dieser drei Bemessungsansätze mit den Bemessungsmodellen der EOTA (1997) und des Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-8 (2005)) ermöglicht eine sichere und wirtschaftliche Methode für die Dimensionierung von Ankerplatten und den angeschlossenen Bauteilen und Befestigungsmitteln. Insbesondere im Hinblick auf andere Einwirkungen (Torsion) oder Ankerplattengeo-metrien (dreieckige Ankerplatte) sind weitere Untersuchungen erforderlich. Zudem ist eine Verallgemeinerung des Bemessungsansatzes in Abschnitt 6 für andere Arten von Befestigungsmitteln und die Erweiterung der Plastizitätstheorie des CEB Design Guide zu prüfen. Zudem sind weitere Untersuchungen erforderlich, um zu klären, unter welchen Bedingungen der vorgeschlagene Bemessungsansatz auch für Einzelbefestigungen eingesetzt werden kann. In Bezug auf die Ankerplattensteifigkeit ist die Umsetzung des Steifigkeitskriteriums in der prCEN/TS 1992-4 und im Anschluss daran in die heute üblichen kleinen FE-Programme der Firmen anzustreben.