Seite 1 Inhaltsverzeichnis und Vorwort Befestigungstechnik im Beton- und Mauerwerksbau ISBN 3-433-01134-6 Verlag Ernst & Sohn Berlin Inhalt Vorwort 1. Einleitung... 1 1.1 Historischer Rückblick... 1 1.2 Anforderungen an Befestigungen... 5 1.3 Art und Richtung der Einwirkungen... 5 Teil A Befestigungen in Beton 2. Befestigungssysteme... 11 2.1 Allgemeines... 11 2.2 Einlegemontage... 11 2.2.1 Transportanker... 12 2.2.2 Ankerschienen... 14 2.2.3 Kopfbolzen... 15 2.2.4 Gewindehülsen... 16 2.3 Bohrmontage... 16 2.3.1 Bohrverfahren... 16 2.3.2 Montagearten... 17 2.3.3 Befestigungselemente... 18 2.3.3.1 Metallspreizdübel... 18 2.3.3.2 Hinterschnittdübel... 21 2.3.3.3 Verbunddübel... 25 2.3.3.4 Betonschrauben... 30 2.3.3.5 Deckenabhänger... 31 2.3.3. Kunststoffdübel... 32 2.4 Direktmontage... 35 3. Grundlagen... 37 3.1 Allgemeines... 37 3.2 Verhalten von zugbeanspruchtem Beton... 37 3.3 Bruchmechanismus von Befestigungen... 41 3.3.1 Numerische Untersuchungen... 41 3.3.2 Experimentelle Untersuchungen... 49 3.3.3 Folgerungen aus den numerischen und experimentellen Untersuchungen... 54 3.4 Gerissener Beton... 55 3.5 Ausnutzung der Betonzugtragfähigkeit durch Befestigungen... 57
Seite 2 3.6 Vorspannung... 58 3.7 Beanspruchung der Befestigungsmittel... 61 3.7.1 Berechnung nach der Elastizitätstheorie... 61 3.7.2 Berechnung nach nichtlinearen Verfahren... 63 4. Tragverhalten von Kopfbolzen, Hinterschnitt- und Metallspreizdübeln im ungerissenen und gerissenen Beton... 65 4.1 Ungerissener Beton... 65 4.1.1 Zuglast... 65 4.1.1.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 65 4.1.1.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 68 4.1.1.3 Bruchlast bei kegelförmigem Betonausbruch... 69 4.1.1.4 Bruchlast bei lokalem Betonausbruch... 92 4.1.1.5 Bruchlast bei Herausziehen/Durchziehen... 94 4.1.1.6 Bruchlast bei Spalten des Betons... 97 4.1.2 Querlast... 100 4.1.2.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 100 4.1.2.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 102 4.1.2.3 Bruchlast bei Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite... 106 4.1.2.4 Betonkantenbruchlast bei Querlast senkrecht zum Rand... 109 4.1.2.5 Betonkantenbruchlast bei Querlast parallel oder schräg zum Rand... 122 4.1.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 124 4.1.3.1 Versagensarten und Last-Verschiebungsverhalten... 124 4.1.3.2 Bruchlast... 128 4.1.4 Biegung der Ankerplatte... 133 4.1.5 Dauerlast... 134 4.1.6 Nicht vorwiegend ruhende Lasten... 135 4.2 Gerissener Beton... 138 4.2.1 Zuglast... 138 4.2.1.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 138 4.2.1.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 141 4.2.1.3 Bruchlast bei kegelförmigem Betonausbruch... 141 4.2.1.4 Bruchlast bei lokalem Betonausbruch... 149 4.2.1.5 Bruchlast bei Herausziehen/Durchziehen... 149 4.2.1.6 Bruchlast bei Spalten des Betons... 151 4.2.2 Querlast... 151 4.2.2.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 151 4.2.2.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 152 4.2.2.3 Bruchlast bei Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite... 152 4.2.2.4 Bruchlast bei Betonkantenbruch... 152 4.2.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 153 4.2.3.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 153 4.2.3.2 Bruchlast... 153 4.2.4 Dauerlast... 154 4.2.5 Nicht vorwiegend ruhende Lasten... 156 5. Tragverhalten von Ankerschienen im ungerissenen und gerissenen Beton... 157 5.1 Ungerissener Beton... 157 5.1.1 Zuglast... 157 5.1.1.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 157 5.1.1.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 158 5.1.1.3 Bruchlast bei kegelförmigem Betonausbruch... 159 5.1.1.4 Bruchlast bei lokalem Betonausbruch... 160 5.1.1.5 Bruchlast bei Herausziehen... 160
Seite 3 5.1.1.6 Bruchlast bei Spalten des Betons... 160 5.1.2 Querlast... 161 5.1.2.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 161 5.1.2.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 161 5.1.2.3 Bruchlast bei Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite... 161 5.1.2.4 Bruchlast bei Betonkantenbruch... 161 5.1.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 164 5.1.4 Dauer- und nicht vorwiegend ruhende Lasten... 165 5.2 Gerissener Beton... 165 6. Tragverhalten von Verbunddübeln im ungerissenen und gerissenen Beton... 167 6.1 Ungerissener Beton... 167 6.1.1 Zuglast... 167 6.1.1.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 167 6.1.1.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 170 6.1.1.3 Bruchlast bei Herausziehen... 170 6.1.1.4 Bruchlast bei Betonausbruch... 179 6.1.1.5 Bruchlast bei Spalten des Betons... 179 6.1.2 Querlast... 179 6.1.2.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 179 6.1.2.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 179 6.1.2.3 Bruchlast bei Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite... 179 6.1.2.4 Bruchlast bei Betonkantenbruch... 180 6.1.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 180 6.1.4 Dauer- und nicht vorwiegend ruhende Lasten... 180 6.1.5 Umwelteinflüsse... 181 6.2 Gerissener Beton... 182 6.2.1 Zuglast... 182 6.2.1.1 Last-Verschiebungsverhalten und Versagensarten... 182 6.2.1.2 Bruchlast bei Stahlversagen... 184 6.2.1.3 Bruchlast bei Herausziehen... 184 6.2.1.4 Bruchlast bei Betonausbruch und Spalten des Betons... 185 6.2.2 Querlast... 186 6.2.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 186 6.2.4 Dauer- und nicht vorwiegend ruhende Lasten... 186 6.2.5 Umwelteinflüsse... 187 6.3 Verbund-Hinterschnittdübel und Verbund-Spreizdübel... 187 6.3.1 Ungerissener Beton... 187 6.3.2 Gerissener Beton... 187 6.3.2.1 Zuglast... 187 6.3.2.2 Querlast sowie kombinierte Zug- und Querlast... 188 7. Tragverhalten von Kunststoffdübeln im ungerissenen und gerissenen Beton... 189 7.1 Ungerissener Beton... 189 7.1.1 Zuglast... 189 7.1.2 Querlast und kombinierte Zug- und Querlast... 193 7.1.3 Langzeitverhalten... 193 7.2 Gerissener Beton... 197 7.2.1 Zuglast... 197 7.2.2 Querlast und kombinierte Zug- und Querlast... 198 7.2.3 Langzeitverhalten... 198
Seite 4 8. Tragverhalten von Setzbolzen im ungerissenen und gerissenen Beton... 199 8.1 Ungerissener Beton... 199 8.1.1 Zuglast... 199 8.1.2 Querlast und kombinierte Zug- und Querlast... 200 8.1.3 Dauerlast und nicht vorwiegend ruhende Belastung... 200 8.2 Gerissener Beton... 201 8.2.1 Zuglast... 201 8.2.2 Querlast und kombinierte Zug- und Querlast... 202 9. Einfluß von Befestigungen auf die Tragfähigkeit des als Ankergrund dienenden Bauteils... 203 10. Korrosion... 209 11. Brandverhalten... 213 12. Bemessung von Befestigungen... 215 12.1 Allgemeines... 215 12.2 Sicherheitsanforderungen... 216 12.2.1 Allgemeines... 216 12.2.2 Bisheriges Bemessungskonzept... 216 12.2.3 Neues Bemessungskonzept... 217 12.2.3.1 Nachweise für den Grenzzustand der Tragfähigkeit... 218 12.2.3.2 Nachweise für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit sowie für den Grenzzustand der Ermüdung... 220 12.3 Nachweis der Eignung eines Befestigungssystems... 220 12.4 Bemessung von Metallspreiz- und Hinterschnittdübeln sowie Verbund-Spreizdübeln und Verbund-Hinterschnittdübeln nach der Bemessungsrichtlinie des DIBt (CC-Verfahren)... 222 12.4.1 Geltungsbereich... 223 12.4.2 Sicherheitskonzept... 225 12.4.3 Dübelschnittkräfte... 225 12.4.4 Verschiebungen der Dübel... 226 12.4.5 Charakteristische Widerstände im Bemessungsverfahren A... 227 12.4.5.1 Zuglast... 228 12.4.5.2 Querlast... 230 12.4.5.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 234 12.4.5.4 Biegebeanspruchung eines Dübels ohne oder mit Zuglast... 234 12.4.6 Charakteristische Widerstände im Bemessungsverfahren B... 234 12.4.7 Charakteristische Widerstände im Bemessungsverfahren C... 235 12.4.8 Zusätzliche Nachweise zur Gewährleistung der Bauteiltrag- Fähigkeit... 235 12.4.8.1 Allgemeines... 235 12.4.8.2 Schubbeanspruchung des Bauteils... 236 12.4.8.3 Aufnahme der Spaltkräfte... 237 12.5 Bemessung von Kopfbolzen nach bauaufsichtlichen Zulassungen (CC-Verfahren)237 12.5.1 Geltungsbereich^... 237 12.5.2 Sicherheitskonzept... 239 12.5.3 Bolzenschnittkräfte... 239 12.5.4 Verschiebungen der Kopfbolzen... 239 12.5.5 Charakteristische Widerstände für an die Ankerplatte Angeschweißte Kopfbolzen ohne Rückhängebewehrung... 239 12.5.5.1 Zuglast... 239 12.5.5.2 Querlast... 241
Seite 5 12.5.5.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 242 12.5.6 Charakteristische Widerstände für an die Ankerplatte Angeschweißte Kopfbolzen mit Rückhängebewehrung... 242 12.5.6.1 Zuglast... 242 12.5.6.2 Querlast... 244 12.5.6.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 246 12.5.7 Befestigungen mit Kopfbolzen, die nicht an die Ankerplatte angeschweißt sind... 246 12.6 Bemessung von rißtauglichen Metallspreiz-, Hinterschnitt sowie Verbund- Spreiz- und Verbund-Hinterschnittdübeln nach Zulassungsbescheiden des DIBt (к-verfahren)... 247 12.7 Bemessung von Verbunddübeln nach bauaufsichtlichen Zulassungen des DIBt (x-verfahren)... 252 12.8 Bemessung von Ankerschienen nach bauaufsichtlichen Zulassungen des DIBt... 254 12.9 Bemessung von nicht rißtauglichen Metallspreizdübeln nach bauaufsichtlichen Zulassungen des DIBt... 255 12.10 Bemessung von Deckenabhängern nach bauaufsichtlichen... Zulassungen des DIBt... 255 12.11 Bemessung von Kunststoffdübeln nach bauaufsichtlichen Zulassungen des DIBt... 256 12.12 Bemessung von Setzbolzen nach bauaufsichtlichen Zulassungen des DIBt... 257 12.13 Bemessung von Befestigungen mit Dübeln nach Europäischen Technischen Zulassungen... 257 12.13.1 Geltungsbereich und Sicherheitsbeiwerte... 258 12.13.2 Dübelschnittkräfte... 258 12.13.3 Charakteristische Widerstände beim Bemessungsverfahren A... 260 12.13.3.1 Zuglast... 260 12.13.3.2 Querlast... 261 12.13.3.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 262 12.13.4 Charakteristische Widerstände bei den Bemessungsverfahren B und C... 263 12.13.5 Zusätzliche Nachweise zur Gewährleistung der Bauteil- Tragfähigkeit... 263 12.14 Bemessung nach den Regeln des Comitéd Euro-International du Béton (CEB)... 263 12.14.1 Verfahren 1 (elastischer Ansatz)... 264 12.14.2 Verfahren 2 (plastischer Ansatz)... 265 12.14.2.1 Zulässiger Anwendungsbereich... 265 12.14.2.2 Schnittkräfte der Befestigungsmittel... 266 12.14.2.3 Charakteristische Widerstände... 269 12.15 Bemessung nach der Schweizer Norm SIA 179... 270 12.15.1 Geltungsbereich... 270 12.15.2 Sicherheitskonzept... 271 12.15.3 Dübelschnittkräfte... 272 12.15.4 Charakteristische Widerstände... 272 12.15.4.1 Zuglast... 272 12.15.4.2 Querlast... 274 12.15.4.3 Kombinierte Zug- und Querlast... 275 13 Beispiele für die Bemessung von Befestigungen... 277 13.1 Bemessung von Dübeln nach der Bemessungsrichtlinie des DIBt (CC-Verfahren)... 277 13.1.1 Bemessung einer Gruppe mit vier Metallspreizdübeln unter Kombinierter Zug- und Querlast... 277
Seite 6 13.1.2 Bemessung einer Gruppe mit zwei Hinterschnittdübeln in einem schmalen Bauteil... 279 13.2 Bemessung mit sechs Kopfbolzen nach bauaufsichtlicher Zulassung des DIBt (CC-Verfahren)... 281 13.3 Bemessung einer Gruppe mit zwei Hinterschnittdübeln nach Bauaufsichtlicher Zulassung des DIBt (k-verfahren)... 284 13.4 Bemessung einer Gruppe mit vier Verbunddübeln nach Bauaufsichtlicher Zulassung des DIBt (k-verfahren)... 285 13.5 Bemessung einer Ankerschiene nach bauaufsichtlicher... Zulassung des DIBt... 286 13.6 Bemessung einer Gruppe mit zwei nicht rißtauglichen... Metallspreizdübeln nach bauaufsichtlicher Zulassung des DIBt... 286 13.7 Bemessung einer Gruppe mit vier Metallspreizdübeln nach Europäischer Technischer Zulassung... 287 Teil B Befestigungen in Mauerwerk 14. Befestigungssysteme... 293 15. Mauerwerksarten... 297 16. Tragverhalten von Kunststoffdübeln in Mauerwerk... 301 16.1 Vollsteine mit dichtem Gefüge... 301 16.2 Vollsteine mit porigem Gefüge... 301 16.3 Loch- und Hohlkammersteine... 302 16.3.1 Hochlochziegel nach DIN 105... 304 16.3.2 Kalksandlochsteine nach DIN 106... 308 16.3.3 Leichtbetonhohlblocksteine nach DIN 18151... 311 17. Tragverhalten von Injektionsdübeln in Mauerwerk... 313 17.1 Vollsteine mit dichtem Gefüge... 313 17.2 Loch- und Hohlkammersteine... 313 17.2.1 Hochlochziegel nach DIN 105... 314 17.2.2 Kalksandlochsteine nach DIN 106... 314 17.2.3 Leichtbetonhohlblocksteine nach DIN 18151... 318 18. Bemessung von Kunststoff- und Injektionsdübeln nach bauaufsichtlichen Zulassungen... 319 18.1 Allgemeines... 319 18.2 Sicherheitsanforderungen... 320 18.3 Kunststoffdübel... 321 18.4 Injektionsdübel... 327 19. Kriterien zur Auswahl von Befestigungsmitteln... 329 19.1 Allgemeines... 329 19.2 Befestigungen in Beton... 330 19.3 Befestigungen in Mauerwerk... 334 Literatur... 337 Liste der verwendeten Bezeichnungen und Einheiten... 355 Stichwortverzeichnis... 361
Seite 7 Vorwort Die moderne Befestigungstechnik gewinnt im Bauwesen immer mehr an Bedeutung. Verwendet werden Einlegeteile, die in die Schalung eingelegt und einbetoniert werden, sowie Systeme für nachträgliche Befestigungen, die in erhärtetem Beton oder in Mauerwerk montiert werden. Die angreifende Last wird über mechanische Verzahnung, Reibung, Verklebung oder eine Kombination dieser Wirkungsweisen in den Ankergrund eingeleitet. Unabhängig von der Art der Lasteinleitung nutzen Befestigungen die Zugtragfähigkeit des Ankergrundes Beton oder Mauerwerk. Jedes Befestigungsmittel hat optimale Einsatzgebiete, für bestimmte Anwendungsbereiche kann es dagegen wenig oder ungeeignet sein. Um für eine vorgegebene Aufgabe das richtige Befestigungsmittel auswählen und die Befestigung bemessen zu können, sind daher eingehende Kenntnisse über das Tragverhalten der verschiedenen Befestigungssysteme erforderlich. Dieses wird durch zahlreiche Parameter beeinflußt. Weiterhin können Umweltbedingungen sowie gegebenenfalls eine Brandbeanspruchung von Einfluß sein. Obwohl Jahr für Jahr Befestigungen millionenfach ausgeführt werden, sind die Kenntnisse über diese Technik in der Praxis oft nur gering. Dieses Buch soll deshalb den derzeitigen Stand der Befestigungstechnik darlegen. Es werden die auf dem Markt befindlichen Befestigungssysteme und deren Anwendungen beschrieben sowie die Kenntnisse über deren Tragverhalten unter Kurzzeit-, Dauer- und nichtruhender Belastung in Abhängigkeit von den Belastungsrichtungen und den Versagensarten zusammengefaßt. Außerdem wird ausführlich auf die Bemessung von Befestigungen eingegangen. Die Anwendung der beschriebenen Bemessungsverfahren erfolgt anhand von Beispielen. Das Tragverhalten von Befestigungen hängt wesentlich von der Art des Ankergrundes (Beton, Mauerwerk) ab. Deshalb werden Befestigungen in Beton und Mauerwerk in getrennten Hauptabschnitten (Teile A und B) behandelt. Bei Befestigungen in Beton wird zusätzlich zwischen ungerissenem und gerissenem Beton unterschieden. Teil C behandelt Kriterien zur Auswahl von Befestigungsmitteln. Dieses Buch baut auf dem Beitrag Eligehausen, Mallee, Rehm (1997) auf, er wurde jedoch deutlich erweitert. Es beruht wesent- lich auf Forschungsergebnissen, die im Rahmen des Forschungs schwerpunktes Befestigungstechnik an der Universität Stuttgart gewonnen wurden. Dieser Forschungsschwerpunkt wurde von Herrn Professor (em.) Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. (mult.) Gallus Rehm in den 70er Jahren initiiert und bis zu seiner Emeritierung 1989 wesentlich geprägt. Die Verfasser betrachten sich als seine Schüler und verdanken ihm viel. Ohne die Unterstützung von verschiedenen Seiten ist ein solches Buch nicht zu erstellen. Wir danken den Herren Dr.-Ing. W. Fuchs, Dipl.-Ing. B. Lehr, Dipl.-Ing. J. Meszaros, Dr.-Ing. habil. J. Ozbolt, Dipl.-Ing. T. Pregartner und Dipl.-Ing. M. Reick, die Ergebnisse aus ihren bisher unveröffentlichten Forschungsvorhaben zur Verfügung gestellt haben. Weiterhin danken wir den Herren Dr.-Ing. J. Asmus, Dr.-Ing. T. Sippel für die Bereitstellung mehrerer Bilder. Besonderer Dank gebührt Herrn Dipl.-Ing. S. Lettow, der eine große Anzahl von Bildern grafisch aufbereitet hat. Stuttgart und Waldachtal im März 2000 Rolf Eligehausen Rainer Mallée
Seite 8 Prof. Dr.-Ing. Rolf Eligehausen hat an der Technischen Universität Braunschweig Bauingenieurwesen studiert und 1979 an der Universität Stuttgart bei Professor Rehm promoviert. Nach einem zweijährigen Aufenthalt an der University of California in Berkley als Versuchsingenieur wurde er 1984 als Professor für Befestigungstechnik an die Universität Stuttgart berufen. Er ist Mitarbeiter in zahlreichen nationalen und internationalen Sachverständigenausschüssen auf dem Gebiet der Befestigungstechnik und des Stahlbetonbaus und ist Vorsitzender der Arbeitsgruppe Fastenings to Concrete and Masonry Structures im fib (Fédération Internationale du Béton). Er hat über 170 Fachaufsätze veröffentlicht. Dr.-Ing. Rainer Mallée studierte Bauingenieurwesen an der Technischen Universität Braunschweig und promovierte 1980 an der Universität Stuttgart bei Professor Rehm. Von 1980 bis 1987 leitete er das Ingenieurbüro Professor Rehm in München. Von 1988 bis 1995 war er Entwicklungsleiter Befestigungselemente bei den fischerwerken in Waldachtal und leitet seit 1996 die Forschung der Unternehmensgruppe fischer. Er ist Mitglied der Arbeitsgruppe Fastenings to Concrete and Masonry Structures" im fib (Fédération Internationale du Béton), des Sachverständigenausschusses Verankerungen und Befestigungen (A) des Deutschen Instituts für Bautechnik und arbeitet in der EOTA (European Organization for Technical Approvals) an Leitlinien für Europäische Technische Zulassungen mit. Außerdem ist er Lehrbeauftragter für Befestigungstechnik an der Universität für Bodenkultur Wien und an der Hochschule Technik + Architektur Luzern.