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Tragverhalten von Kunststoffdübeln im ungerissenen und gerissenen Beton
(2003) Pregartner, Thilo; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)
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.