Tragverhalten und Bemessung von Injektionsdübeln unter Quer- und Schrägzugbelastung im Mauerwerk

Abstract

In der vorliegenden Arbeit konnten wesentliche Fragestellungen zum Tragverhalten von Injektionsdübeln in Mauerwerk aus Voll- und Lochsteinen unter Quer- und Schrägzuglasten geklärt werden. Sie ergänzt die für zentrische Zuglasten entwickelte Bemessung nach Meyer (2006), so dass nunmehr ein geschlossener Ansatz für beliebige Lastrichtung vorliegt. Zum Tragverhalten von Befestigungen in Mauerwerk unter Querlast lagen bisher nur wenige Versuchsserien vor, die zudem ausschließlich in Einzelsteinen gesetzt waren. Vorhandene Ergebnisse mit Verbunddübeln in Beton lassen sich aufgrund der Unterschiede zu Steinen sowie dem Aufbau des Mauerwerks nur sehr bedingt übertragen. In dieser Abhandlung wird das Tragverhalten unter Querlast ausführlich beschrieben und analysiert. Anhand experimenteller Ergebnisse an Mauerwerkswänden und großformatigen Steinen sowie theoretischer Untersuchungen werden verschiedene mauerwerksspezifische Versagensarten unterschieden und die wesentlichen Einflussparameter ermittelt. Dabei wurden verschiedene Steine und Dübeltypen mit und ohne Hülse in unterschiedlichen Längen und an verschiedenen Setzpositionen als Einzeldübel oder Zweiergruppe eingesetzt und die Belastungsrichtung variiert. Für einzelne, querbelastete Injektionsdübel Einzeldübel ohne Randeinfluss lassen sich vier Versagensarten in Abhängigkeit der Anbauteilgeometrie sowie der Festigkeiten und der Geometrien der Steine und des Dübels unterscheiden. Das Tragverhalten zeichnet sich allgemein durch geringere Steifigkeiten und mehrfach höhere Verschiebungen bei Höchstlast im Vergleich zu Dübeln unter zentrischem Zug aus. Bei geringer Verankerungstiefe kann es in Abhängigkeit des Steines und der Anbauteilgeometrie zu einem vorzeitigen Versagen durch die sich entwickelnden Zugkräfte kommen oder der Dübel aus dem Untergrund herausgehebelt werden, ohne das die Normalkräfte im Dübel wesentlich ansteigen. Der am häufigste beobachtete Mechanismus war das lokale Materialversagen. Dabei wird der Untergrund so stark beansprucht, dass er plastifiziert oder auch oberflächennahe Bereiche muschelförmig abscheren und der Dübel bis zu zwei plastische Gelenke ausbilden kann. Die höchsten Traglasten einer Dübelverbindung unter Querlast werden durch Stahlbruch des Ankerstangenstahls erreicht. Der Vergleich mit der Bemessung nach ETAG 029 ergibt, dass der dort angegebene Vorfaktor α die Traglast in Mauerwerk überschätzt. An freien Steinrändern und unvermörtelten Stoßfugen kommt es zu einem Kantenbruch oder einem Durchspalten des Steines. Die Bruchlast ist abhängig von der Belastungsrichtung, der Steinart und ggf. der Lochung. Das Verhalten in Fugen innerhalb des Mauerwerks ist abhängig von deren Ausführung. Die Regelungen nach ETAG 029 für Befestigungen am Rand erfassen die Einflüsse nur ungenau und können bei kleinformatigen Steinen zu Ergebnissen auf der unsicheren Seite führen. Das Tragverhalten von Zweifachbefestigungen ähnelt dem der Einzeldübel. Bei den untersuchten Konstellationen trat meist lokales Materialversagen auf. Die Tragfähigkeit steigt mit dem Achsabstand der Dübel an und erreicht für Werte über ca. 125 mm i.d.R. die doppelte Einzeltraglast. Bei Zweifachbefestigungen am freien Rand wird nicht doppelte die Tragfähigkeit eines Einzeldübels erreicht, wenn sich die Ausbruchkörper überschneiden oder der Stein vorzeitig durchspaltet. Spezielle Untersuchungen zu Materialparametern, die zur Entwicklung eines Bemessungsmodells notwendig sind, werden beschrieben. Es zeigt sich, dass die Biegetragfähigkeit einer Ankerstange von der Stahlzugfestigkeit abhängig ist. Das gesamte Dübelsystem (Ankerstange, Siebhülse und Injektionsmörtel) weist demgegenüber einen Erhöhungsfaktor auf. Es kann als gerissener Verbundquerschnitt berechnet werden. Aus Versuchen werden Erhöhungsfaktoren für die ertragbaren lokalen Pressungen verschiedener Steine ermittelt. Untersuchungen zum Tragverhalten von Injektionsdübeln unter Schrägzuglast werden vorgestellt. Dazu wurden neben reinen Schrägzugversuchen auch Versuche unter zentrischer Zuglast durchgeführt, um die realen Verhältnisse abzubilden. Ausgehend von den Schädigungsmechanismen und den Traglasten wird für eine Schrägzuglast bei Lochsteinen eine geänderte Interaktionsbedingung vorgeschlagen. Aus den experimentellen und theoretischen Erkenntnissen wird ein neuartiges Bemessungsmodell für Injektionsdübeln in Mauerwerk entwickelt, das einem semiprobabilistischen Sicherheitskonzept gemäß aktueller Normung mit charakteristischen Werten und Teilsicherheitsbeiwerten zur Bestimmung eines Bauteilwiderstandes folgt. Dabei wird nach den verschiedenen Versagensarten unterschieden und die Berechnung auf der sicheren Seite liegend vereinfacht. Es umfasst Einzel- und Gruppenbefestigungen unter Querlast in der Fläche und am Rand von Voll- und Lochsteinen aus den gängigen Materialien. Weiterhin wurde die überarbeitete Interaktionsbedingung für Schrägzugbelastung aufgenommen, die zwischen Voll- und Lochsteinen unterscheidet. Das Bemessungskonzept ist anwenderfreundlich, wirtschaftlich und sicher. Durch eine Aufnahme in die Anwendungs- und Zulassungsrichtlinien, z.B. ETAG 029, kann das Potential von Injektionsdübeln für Befestigungen in Mauerwerk ausgenutzt werden.

In the present dissertation essential questions concerning the load bearing behavior of injection anchors in masonry made of solid or perforated bricks under shear and oblique loading have been answered. The research supplements the design concept for tension loading in masonry worked out by Meyer (2006), so that from now a complete approach for any load direction is available. Up to now, only few investigations have been undertaken of metal injection anchors under shear loading in masonry, almost all were performed in single bricks. A transfer of existing results for anchorages with bonded anchors in concrete to masonry is limited due to different material and structural properties of the bricks and the assembly of masonry walls. In this work, the load bearing behavior has been extensively described and analyzed. Based on experimental results in masonry walls and large-sized bricks, and theoretical investigations, several failure modes have been differentiated and the main influencing parameters have been identified. In the process several brick and anchor types - with or without mesh sleeves - in different lengths and setting positions were used, and the shear loading direction was varied. For single anchors without edge effects four failure modes depending on the fixture, the material characteristics and the dimensions of the anchor and the bricks, especially in respect to the formation of voids, are differentiated. In general, load bearing behavior under shear loading features lesser stiffness and larger displacement at peak load but also higher peak loads when compared to axial tension loading. For small embedment depths, a premature failure may occur due to the development of tension forces in the anchor or the anchor may rotate within the borehole and produce a pryout failure without significant increase of the axial forces in the anchor rod. The most commonly observed failure mode was a local failure of the brick. At this, the base ground in front of the anchor is stressed sufficiently high that it plasticizes or develops shell-shaped outbreak cones on the surface. Along the anchor’s axis, up to two plastic hinges may form. The highest loads under shear loading are reached if a shear failure of the metal anchor rod is achieved. A comparison with the design used in the ETAG 029 found that the factor α used therein overpredicts the load bearing capacity of shear failure in masonry. Anchors set nearby free edges or joints not filled with mortar generate an edge failure of the brick or a splitting of the whole brick. The failure load is dependent on the loading direction, the type of brick and, where applicable, the perforation. The bearing behavior in respect to joints within the brickwork depends on their layout. The regulations in ETAG 029 concerning anchoring towards edges do not cover the influences precisely and may lead to an unsafe design in case of small-sized bricks. Load bearing behavior of double anchor groups resembles that of single anchors. For the investigated constellations, local brick failure was also the dominating failure. Bearing capacity increases with increasing axis-center distance, and generally reaches twice the single anchor capacity for a value of around 125 mm. For double anchor groups set at free edges, doesn’t reach twice the single capacity if the outbreak cones overlap or the bricks split prematurely. Additional investigations of material properties are described that are essential for development of a design model for local brick failure. The results showed that the bending capacity of the anchor rod is dependent on the ultimate steel strength. In contrast, the overall bending capacity of the anchor system (threaded rod, injection mortar and sleeve mesh) is increased by a factor. It may be calculated as a cracked composite section. Increasing factors for the local compression strength compared to the brick compression strenght of different brick types are determined. Investigations of the bearing behavior of injection anchors exposed to oblique loading are presented. In addition to oblique loading tests, testing with axially loaded anchors was undertaken. Based on the failure modes and the load bearing capacity, an amended interaction equation for perforated bricks is proposed. Based on the experimental and theoretical findings, a new design concept for metal injection anchors is proposed. It follows a semiprobabilistic design concept according to current coding, with characteristic values and partial safety factors for the designation of the material resistance. It differentiates the different failure modes, with the calculations being simplified towards the safe side The design concept comprises single and group anchorages exposed to shear loading, with and without edge effects, in masonry made of solid and perforated bricks out of well-established materials. The design concept is user-friendly, economic and safe. An incorporation of the findings in approval guidelines, like ETAG 029, capitalizes the potential of anchorages with metal injection anchors in masonry.