Tragfähigkeit von Hinterschnittverankerungen in Natursteinplatten in Abhängigkeit der Materialeigenschaften

Abstract

Heutzutage finden Natursteine zunehmend Verwendung in Fassaden. Aus Gründen der sicheren und wirtschaftlicheren Befestigung dieser Verkleidungselemente, ist die Kenntnis der Dübeltragfähigkeit unerlässlich. Zur Abschätzung der charakteristischen Ankertragfähigkeit nach den gültigen Richtlinien - europäische Zulassung ETA-05/0266 und ETA-06/0253 - sind allerdings aufwendige Auszugsversuche notwendig, da die Berechnungsgleichungen hauptsächlich geometrische Parameter berücksichtigen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, auf Grundlage von einfach zu bestimmenden werkstoffspezifischen Materialeigenschaften, ein Vorhersagemodell für die Dübeltragfähigkeit herzuleiten.

Vor dem Hintergrund einer möglichst allgemeingültigen Formulierung, welche für ein großes Spektrum heute eingesetzter Natursteine Gültigkeit besitzt, deckt das Versuchsprogramm eine geologische, sowie geographische Vielfalt ab. Das Untersuchungsprogramm stellte eine umfassende Materialcharakterisierung sicher. Um den Einfluss des Feuchtegehaltes auf die jeweilige Materialeigenschaft quantifizieren zu können, wurden die Gesteinsproben unter drei verschiedenen Lagerungsbedingungen konditioniert. Zusätzlich zur Augenscheinprüfung wurde die Ultraschallgeschwindigkeit während der Arbeit zur Beurteilung der Schichtung der Gesteine ermittelt. Der Einfluss der Genese wurde durch die petrographische Analyse, die Phasenanalyse und die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung berücksichtigt. Im Rahmen der Beschreibung der physikalischen Eigenschaften wurden Rein- und Rohdichte, offene Porosität, Gesamtporosität, Wasseraufnahme und Ultraschallgeschwindigkeit gemessen. Zur Beschreibung des Porensystems wurde die Quecksilberporosimetrie herangezogen. Die Druckfestigkeit wurde indirekt durch Bestimmung des Punktlastindexes und direkt durch den einachsigen Druckversuch ermittelt. Eine Umrechnung zwischen der Druckfestigkeit von zylinder- und würfelförmigen Proben wurde diskutiert. Im Weiteren wurde die Möglichkeit eines Zusammenhangs zwischen der Druckfestigkeit und der Scher-, Biege-, Spalt- und Oberflächenzugfestigkeit untersucht. Die für die Modellbildung relevanten weiteren mechanischen Werkstoffparameter, wie E-modul, Querdehnung, spezifische Bruchenergie und Bruchzähigkeit, wurden bei einem, bzw. zwei Feuchtegehalten bestimmt. Die Querdehnungs- und E-Modul-Messungen erfolgten mittels Dehnmesstreifen, wodurch sich die Querdehnungsänderung parallel zum Spannungsniveau darstellen ließ. Das Versuchsprogramm zur Bestimmung der Ankertragfähigkeit basiert auf Literaturangaben sowie auf Vorgaben zu Messungen der Tragfähigkeit von Hinterschnittdübeln in Beton. Die Messung der Ankertragfähigkeit wurde an bei drei Klimaten bis zum Erreichen der Massenkonstanz gelagerten Probekörpern durchgeführt. Die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit erfolgte an jeder Probe vor den zerstörenden Versuchen, wodurch eine Betrachtung des Zusammenhangs zwischen Ultraschallgeschwindigkeit und Ankertragfähigkeit des Hinterschnittdübels ermöglicht wurde. Die Bestimmung der zentrischen Zugtragfähigkeit erfolgte bei drei unterschiedlichen Verankerungstiefen von 10, 15 und 20 mm. Die größte Anzahl der Versuche wurde mit einer Verankerungstiefe von 15 mm durchgeführt. Beim Querlastversuch wurde das Hauptaugenmerk auf die Vergleichbarkeit mit der Zugtragfähigkeit des Dübels gelegt, dafür wurde durch die Wahl des Versuchsaufbaus sichergestellt, dass die Versagensart Steinausbruch auf der lastabgewandten Seite auftrat. Die Versuche wurden an Probekörpern mit allen drei Feuchtegehalten bei einer Verankerungstiefe von 15 mm durchgeführt. Es wurden zusätzlich Querlastversuche mit Hebelarm durchgeführt, um den Einfluss des Hebelarms untersuchen zu können. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurde eine Datenbank erstellt, die die Herleitung möglicher Umrechnungen zwischen den Materialeigenschaften der Natursteine, sowie der Ankertragfähigkeit erlaubte. Die Ergebnisse deuten auf eine signifikante Korrelation zwischen den Festigkeitskennwerten, der Ultraschallgeschwindigkeit, sowie der Rohdichte auf der einen und der Dübeltragfähigkeit auf der anderen Seite hin. Die Anwendbarkeit der darauf basierenden empirischen Berechnungsgleichungen an weiteren Steinsorten wurde abschließend durch von externer Stelle geprüfte Ankertragfähigkeiten, bzw. Festigkeitskennwerte und intern ermittelte Ultraschallgeschwindigkeiten und Rohdichten validiert. Die für die Modellbildung relevanten Eigenschaften konnten dadurch definiert werden.

The use of natural stone in facades has been increasing. To ensure safe and economical anchorage, knowledge of the anchor capacity is essential. In order to estimate the characteristical anchor capacity according to the current guidelines - European technical approval ETA-05/0266 and ETA-06/0253 - several complex pull-out tests have to be conducted, since the calculation equations consider almost only geometrical parameters. The aim of the thesis was to create a model that predicts the anchor capacity as a function of easily measured material properties.

Considering the need for a general formulation that applies for a variety of natural stones used today, the experimental program covered a wide range, geologically and geographically as well. The research program ensured a broad characterisation of the material. In order to quantify the influence of the moisture content on the respective material property, stone samples were stored under three different moisture conditions. In addition to the visual examination, the speed of the ultrasonic wave was measured as a means to judge the bedding of the samples. The influence of the difference in rock types, igneous, sedimentary and metamorphic, was investigated by petrographical analysis, phase analysis and the determination of the chemical composition. Within the scope of describing the physical properties, bulk and pure density were measured, as well as open and closed porosity, water absorption capacity and ultrasonic wave speed. The pore system was investigated by mercury intrusion porosimetry. The compressive strength was measured by determining the point load strength index and by the uniaxial compression test. A translation of the compressive strength of cylindrical and cubical-shaped samples was discussed. In Addition the possibility of a correlation between the compressive strength on one side and the shear, bending, splitting tensile and surface tensile strength on the other, was analyzed. The mechanical material properties relevant for the modeling, such as the Young's modulus, the lateral extension, the specific fracture energy and the fracture toughness were determined at two moisture content levels. The lateral extension and the Young's modulus were measured with strain gauges, allowing to describe the change of lateral extension parallel to the stress level. The test program for determining the anchor capacity was based upon bibliographical reference as well as requirements of the measurement of the capacity of undercut anchors in concrete. The anchor capacity was measured at samples that have been stored at three different humidity conditions until constant mass was reached. The ultrasonic wave speed was measured at each sample before destructive tests were conducted, allowing the examination of the correlation between the ultrasonic wave speed and the capacity of the undercut anchors. The axial tensile capacity was measured at three different embedment depths of 10, 15 and 20 mm. The majority of the tests were conducted at an embedment depth of 15 mm. The comparability to the tensile capacity was vital for the shear load test, thus the experimental setup was configured such that a pry-out failure would occur. The shear load tests were conducted on samples at all three moisture content levels at an embedment depth of 15 mm. Furthermore shear load tests were conducted to analyze the influence of the lever arm. The database that was created in the course of the experiments made it possible to determine the correlation between material properties and the anchor capacity. The results suggest a strong dependence of anchor capacity on the strength parameters, the ultrasonic wave speed and the bulk density. The applicability of the empirical equations, derived from those correlations, was validated by ultrasonic wave speed and bulk density measurements as well as anchor capacity and strength parametres measured by an external partner. With the new model, the anchor capacity can be estimated from basic material properties.