Tragverhalten von randnahen zugbeanspruchten Befestigungen bei der Versagensart „Spalten des Betons“

Abstract

In der Befestigungstechnik werden mit Hilfe von Befestigungssystemen Lasten zwischen Bauteilen übertragen. Die Befestigungssysteme bestehen aus Befestigungsmitteln, deren Wirkprinzip auf Stoff-, Form- oder Reibschluss beruhen kann. In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten zugbeanspruchter Befestigungen mit einem geringen Abstand zu einem Bauteilrand untersucht. Dazu wurden sowohl experimentelle Untersuchungen als auch numerische Studien durchgeführt, wobei sich die Untersuchungen auf Versagen des Ankergrundes Beton beschränken. Dieses kann prinzipiell durch einen Betonausbruch oder durch die Bildung von Spaltrissen eintreten. Für experimentelle Untersuchungen mit zugbelasteten Befestigungen haben sich zwei unterschiedliche Versuchsmethoden etabliert: Enge und weite Abstützung. Bei einer weiten Abstützung findet die Abstützung der Zugkraft in einem Abstand von (mindestens) der zweifachen Verankerungstiefe zum Befestigungselement statt. Dies gewährleistet, dass sich ein vollständiger Ausbruchkegel ausbilden kann. Bei einer engen Abstützung werden dagegen die Reaktionskräfte aus der in das Befestigungsmittel eingeleiteten Zugkraft in unmittelbarer Nähe des Befestigungsmittels in eine Abstützplatte geleitet. Ein Versagen durch Betonausbruch kann nicht auftreten, sondern das Versagen tritt zwangsweise durch Spalten des Ankergrundes ein. In dieser Arbeit werden Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen und numerischen Simulationen mit form-, reib- und stoffschlüssigen Befestigungsmitteln vorgestellt, die mit enger Abstützung durchgeführt wurden. Dadurch wurde gezielt Versagen durch Spalten des Betons hervorgerufen. Anhand der Untersuchungsergebnisse wird ein Berechnungsmodell für die Höchstlast von Befestigungen bei Spaltversagen abgeleitet. Da im Zulassungsverfahren der EOTA gemäß der Richtlinie ETAG 001-1 die Versuche zum Spaltversagen eines Befestigungsmittels mit weiter Abstützung durchgeführt werden, wird auch das Tragverhalten randnaher Befestigungen bei weiter Abstützung untersucht. Dies geschieht wiederum mittels experimenteller Untersuchungen und numerischer Simulationen. Anhand der Untersuchungsergebnisse wird ein weiteres Berechnungsmodell abgeleitet. Ein Vergleich der bei enger und bei weiter Abstützung erzielten Untersuchungsergebnisse zeigt, dass die Höchstlast bei enger Abstützung und Spaltversagen in aller Regel größer ist als bei weiter Abstützung. Dennoch wird bei weiter Abstützung, insbesondere bei geringen Bauteildicken, die rechnerische Betonausbruchlast nicht erreicht. Untersuchungen zur Klärung dieses Umstandes kommen zu dem Schluss, dass die bei weiter Abstützung auftretenden Biegespannungen eine Rissbildung verursachen, welche zu Spannungsumlagerungen im Bauteil und in deren Folge zu einer Verringerung der Betonausbruchlast führt. Dies bedeutet, dass die Höchstlast der Befestigung durch ein Bauteilversagen begrenzt wird. Weiterhin wird gezeigt, dass im Ankergrund vorhandene Zugspannungen generell die Tragfähigkeit zugbeanspruchter Befestigungen negativ beeinflussen. Abschließend werden Schlussfolgerungen im Hinblick der Auswirkungen der Untersuchungsergebnisse auf das Zulassungsverfahren von Befestigungsmitteln und auf die Anwendung zugbeanspruchter randnaher Befestigungen in der Baupraxis gezogen. Dabei werden auch Vorschläge zur Umsetzung der Untersuchungsergebnisse für die Anwendung von Befestigungen in der Baupraxis unterbreitet.

Anchorages are used to transfer loads between elements in construction practice. The tension load transfer mechanisms for these systems are based on mechanical interlock, friction or bond. This dissertation investigates the performance of anchors loaded in tension, which are installed near to an edge of a concrete member. Both experimental and numerical studies were performed. Focus was placed on failure of the concrete member that serves as the anchorage material. This failure mode may occur by the formation of a cone-shaped breakout of the concrete or by the formation of splitting cracks in the concrete member. For experimental investigations of anchors loaded in tension, two testing methods are established: confined and unconfined tests. For unconfined tests, the reaction support of the test rig is located at a distance of at least two times the effective embedment depth away from the anchor. This ensures that an unrestricted concrete cone breakout is possible. For confined tests, concrete cone failure is suppressed by transferring the reaction forces into the concrete close to the anchor. In this case, the failure occurs inevitably by the formation of splitting cracks in the concrete. In this dissertation results of experimental and numerical investigations with anchors that transfer tension load by mechanical interlock, friction and bond are presented, that were performed with a confined test setup. This setup promotes splitting failure of the concrete member. On the basis of the results a model for calculating the ultimate load of anchorages at splitting failure is derived. Because the tests related to splitting failure of the approval procedure of ETAG 001-1 are unconfined tests, the load-carrying behaviour of anchors located near to an edge tested using unconfined tests is investigated. Again, experimental and numerical investigations were performed and a further calculation model is derived. A comparison of the results obtained with the confined and unconfined test setups shows that the maximum load obtained from the confined test setup and is corresponding to splitting failure is usually larger than for the unconfined test setup. Nevertheless, in many cases the ultimate load of a concrete cone breakout is not attained when using an unconfined test setup; particularly when the concrete member thickness is small. Investigations to explain this behaviour indicate that the bending stresses, that occur as a result of the unconfined test setup, cause bending cracks and subsequently a rearrangement of the stresses in the concrete member. As a consequence the capacity of the concrete cone breakout decreases. This means the ultimate load of the anchorage is limited by the failure of the concrete member. Furthermore, it is shown that, in general, tension stresses in the base material affect the ultimate load capacity of anchors loaded in tension negatively. Finally, conclusions with regard to the influence of the results of the investigations on the approval procedure and on the application of anchors loaded in tension and installed near to an edge in construction practice are drawn. Moreover, a proposal for a transformation of the results of the investigations in construction practice is submitted.