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Hybridanker – eine flexible Lasteinleitungslösung - ResearchGate

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Hybridanker – eine flexible Lasteinleitungslösung für nachträglich angebrachte Spannglieder
Hermann Weiher, Sebastian Hock
matrics engineering GmbH, München, Deutschland
Zusammenfassung
Hybridanker sind vorgefertigte Lasteinleitungselemente für Zugglieder aus ultrahochfestem Beton. Bei nachträglicher
Anordnung von Spanngliedern (z.B. bei Ertüchtigungsmaßnahmen) zeichnen sie sich durch geometrische Flexibilität,
geringes Gewicht und sehr hohe Dauerhaftigkeit aus. Sie eignen sich damit insbesondere für Verstärkungsmaßnahmen
bei denen herkömmliche Verankerungslösungen sehr aufwendig/nachteilig sind, u.a. bei neu anbetonierten Ankerzonen
aus Ortbeton, sehr massiven Stahlplatten auf Altbeton und geneigten Auflagerflächen. Hybridankerplatten wurden in den
vergangenen Jahren intensiv geprüft und es liegen Zulassung, Zulassungsversuche und Anwendungserfahrungen vor, die
hier kurz zusammengefasst werden.
1. Einleitung
Spannbetonbrücken lassen sich mithilfe von nachträglich angebrachten extern geführten Längsspanngliedern
(Draht- oder Litzenbündel) sehr effizient und umfassend ertüchtigen. Bei der Umsetzung der Ertüchtigungsmaßnahmen wird nur in geringem Umfang in das
Bestandsbauwerk eingegriffen, nämlich an/mit:
- Verankerungen
- Umlenkstellen
- Durchführungen
Bei den Verankerungen werden konzentriert sehr hohe
Kräfte in das Tragwerk eingeleitet, für die das Bestandsbauwerk nicht ausgelegt ist. Insbesondere sind
die Druckspannungen unter der Lasteinleitungsplatte
unzulässig hoch. Auch kann aufgrund des Spanngliedkanals keine mehraxiale Druckfestigkeit angesetzt
werden.
Folgende Lösungen bieten sich an:
- Rechnerische Bemessung der Lasteinleitungsplatte zur direkten Auflagerung auf den Altbeton nach aktuellen Normen (Eurocode, DIN
Fachbericht)
- Ausbildung eines neuen Lasteinleitungsbereichs nach Spannverfahrenszulassung
Die erste Lösung bietet sich besonders dann an, wenn
die Verankerung an einem vorhandenen Querträger
erfolgen kann, der die Vorspannkräfte in den Überbauquerschnitt überträgt. Hierbei werden oftmals massive
Stahlplatten verwendet.
Die zweite Lösung ist für den Anschluss der Verankerung an Überbaustege geeignet. Dieser Anschluss kann
erforderlich werden, wenn kein Querträger vorhanden
ist oder die Verankerung dort aus Platzgründen (z.B.
nicht begehbares Widerlager, zu kleiner Kontrollgang)
oder Konfliktpunkten der Spanngliedkanäle mit Querspanngliedern nicht erfolgen kann.
Hybridankerplatten eignen sich besonders für die Verankerung an Querträgern. Im Vergleich zu massiven
Stahlplatten sind sie dauerhafter, deutlich leichter und
frei formbar.
Diese Eigenschaften sind vorteilhaft bei
- beengten Platzverhältnissen (z.B. Hohlkasten,
Widerlager)
- eingeschränkte Verwendbarkeit von Hebegeräten
- geneigtem Untergrund
- exponierten Lagen (unter Üko, Außenbauteil)
Hybridankerplatten können rechnerisch bemessene
Stahlplatten flächengleich ersetzen oder sie können auf
Basis von Zulassungen oder Zulassungsversuchen dimensioniert werden.
Stabspannglieder können bei Ertüchtigungsmaßnahmen
ebenfalls zum Einsatz kommen. Bei extrem kurzen
Spanngliedern empfiehlt sich der Einsatz von Stäben
mit schlupfärmerem Feingewinde statt gewalztem Gewinde. Ihre Verwendung bietet sich bei Verstärkungen
in Querrichtung an (z.B. Anschluss Neubeton an Bestandsbauwerk, Quervorspannung).
Bei Verwendung von Zulassungslösungen ist zu beachten, dass die zulässigen Spanngliedkanalabmessungen
eingehalten werden und ein zulässiger Kernbohrungsdurchmesser gewählt wird.
Lastverteilung aufnimmt. Bild 2 zeigt dabei die direkte
Aufnahme einer Lochscheibe im Querschnitt und in der
Draufsicht.
Bild 2: Kraftfluss in Hybridankerplatte (Schnitt und
Draufsicht)
Bild 1: Prinzip und Beispiele Hybridankerplatte
(Schnitt und Ansichten)
2. Technologie Hybridanker
2.1 Funktionsweise
Hybridankerplatten sind hybride Fertigbauteile mit
einer Füllung aus ultrahochfestem Beton und einer
Umschnürung aus einem zugfesten Material. Als vorgefertigte externe Ankerzone ersetzen sie in hochbelasteten Lasteinleitungsbereichen bisher verwendete Stahlplatten oder ganze Ankerbereiche inkl. Stahlgussankerkörper und Umschnürungsbewehrung, siehe Bild 1.
Je nach Anwendung können zahlreiche Vorteile wie
Gewichtsersparnis, erhöhter Korrosionsschutz, kostenneutrale Zusatzleistungen sowie reduzierte Auflagerfläche, Achs- und Randabstände realisiert werden.
Durch die Entwicklungsarbeit im Bereich der hochfesten Betone in den letzten Jahren ist es mit geeigneter
Nachbehandlung technisch und wirtschaftlich möglich
Betondruckfestigkeiten über 200 N/mm² zuverlässig zu
erlangen. Mit dieser dem Baustahl schon sehr ähnlichen
Druckfestigkeit eignet sich UHPC besonders zur Verwendung hoch beanspruchter Druckbauteile und zeichnet sich dabei durch ein vergleichsweise geringes spezifisches Gewicht, flexible Formbarkeit und hervorragende Langzeiteigenschaften hinsichtlich Korrosion
aus.
In Spannverfahren und Geotechnik leiten hochfeste
Stahlzugglieder in Form von Drähten, Litzen und Stäben hohe Lasten in das Bauwerk bzw. den Untergrund
ein. Die Wirkungsweise des Hybridankers nutzt die
hohe Druckfestigkeit des UHPC in Verbindung mit der
Zugfestigkeit des umschnürenden Ringmaterials optimal aus. Hybridankerplatten bilden einen eigenen
Lasteinleitungsbereich aus, der die Verankerungskomponente (Mutter, Lochscheibe, Grundkörper) direkt
oder über zwischengeschaltete Unterlegscheiben zur
Das Wirkprinzip ist dabei für alle Varianten gleich.
Über das Verankerungselement wird die Kraft auf den
UHPC übertragen, der über Druck die Last nach außen
ausbreitet. Die dabei entstehenden Spaltzugkräfte werden durch elastische Dehnung, gegebenenfalls Mikrorissbildung im UHPC und der damit verbundenen Ausdehnung in tangentialer Richtung auf den umschnürenden Ring übertragen. In vertikaler Richtung erfolgt der
Lastabtrag über UHPC in den Untergrund (Beton,
Stahl).
Durch den mehraxialen Spannungszustand aus der
Lasteinleitung und den umschnürenden Ring kann die
Festigkeit des UHPC noch einmal deutlich im Vergleich zur einaxialen Druckfestigkeit erhöht werden.
Der umschnürende Ring und der im Vergleich zu konventionellen Stahlplatten erhöhte Aufbau bedingen eine
höhere Steifigkeit und ermöglichen so geringe Auflagerflächen der Hybridankerplatte.
Alternativ können durch die große Steifigkeit bei flächengleicher Auflagerung kleinere Achs- und Randabstände als bei der Verwendung einer Stahlplatte erzielt
werden, z.B. für den Einsatz bei Verstärkungsmaßnahmen im Brückenbau.
2.2 Varianten
Im Wesentlichen gibt es auf den Untergrund gesetzte
Hybridplatten und einbetonierte Hybridankerkörper.
Bei den Hybridplatten wird noch unterschieden in diejenigen mit flacher Ankerkopfauflagerung (Typ „CoP“)
und diejenigen mit balliger Auflagerung (Typ „HA“),
z.B. für Stäbe, siehe Bild 1 und Bild 2.
Bei den Ankerkörpern (Typ „CAB“) ist zusätzliche
Umschnürungsbewehrung im Beton erforderlich, ihre
Wirkungsweise entspricht eher Stahlgussankerkörpern
(siehe Bild 3).
Für nationale und europäische Zulassungen von Spannverfahren werden experimentelle Prüfungen nach der
europäischen Prüfrichtlinie für die Zulassung von
Spannverfahren ETAG 013 zugrunde gelegt. Die darin
enthaltenen Kriterien sollen auch für Spannverfahren
mit Verankerungen aus ultrahochfestem Beton angewendet werden.
Bild 3: Hybridankerkörper Typ „CAB“
2.3 Mechanische Eigenschaften
Die Belastung der Hybridankerplatten ist vorwiegend
statisch. Selbst bei dynamischer Beanspruchung der
Zugglieder (z.B. mit Schwingbreite 80 MPa) sind die
Schwingbreiten im Beton und in der Umschnürung so
gering, dass man im Dauerschwingfestigkeitsbereich
liegt. So zeigt auch ein Bruchversuch nach Durchführung von 2 Mio Zyklen bei 80 MPa Schwingbreite im
Zugglied sogar eine etwas höhere Kapazität als bei
einer nicht vorbelasteten HA-Platte (siehe Bild 4).
Displacement gauges
Strain gauges
5 mm
Die wesentlichen Untersuchungen sind:
- Nachweis der Lastübertragung auf das Tragwerk durch Druckschwellversuch
- Nachweis der statischen Tragfähigkeit durch
statischen Zugversuch mit Standzeit
- Nachweis der Ermüdungstragfähigkeit durch
dynamischen Zugversuch mit zwei Millionen
Zyklen
Maßgebend für die Ermittlung der Kapazität der Hybridankerplatten ist der Lastübertragungsversuch, da
hierbei mindestens ein Wirkungsgrad von 1,1 Fpk (bzw.
1,3 Fpk bei gering bewehrtem Betonuntergrund > 50
kg/m³ ohne Zusatzbewehrung/Wendel) erreicht werden
muss. Bei einem statischen Zugversuch ist das Belastungsszenario ähnlich aber auf geringerem Niveau. Bei
dynamischen Zugversuchen wurden aufgrund des geringen Oberlastniveaus und der Ermüdungsresistenz
keine Schädigungen detektiert.
a
Im Gegensatz zu Stahl ist Beton ein Material mit zeitabhängigen mechanischen Eigenschaften. Zur Berücksichtigung dieser Tatsache werden die Prüfungen mit
einer im Vergleich zum späteren Einsatz reduzierten
Druckfestigkeit durchgeführt. Im Gegensatz zu Normalbeton ist die Abminderung der Druckfestigkeit bei
Dauerlast durch das dichte Gefüge und dem reduzierten
Kriechen geringer.
a
5 mm
4000
3500
3000
Last [kN]
2500
2000
1500
1000
Keine Vorbelastung
Vorbelastung 2 Mio. Zyklen
500
0
0
2
4
6
8
10
12
Maschinenweg [mm]
Bild 4: Ergebnis Bruchversuche an Hybridankern für
Stäbe mit Kugelbundmutter – Einfluss Vorbelastung
mit 2 Mio Zyklen und 80 MPa Schwingbreite
Die Dauerstandsfestigkeit der Hybridankerplatte ist
maßgebend durch die Umschnürung (Stahl) bestimmt
und damit nahe 100%. Experimentelle Forschungsergebnisse der TU München konnten dies bestätigen.
Die Dauerhaftigkeit von ultrahochfestem Beton ist
bedeutend höher als bei Normalbeton, so dass ein Vergleich mit Lasteinleitungsbereichen aus Normalbeton
bei der Wahl der Ziellastniveaus bei experimentellen
Prüfungen auf der sicheren Seite liegt.
Im Rahmen der für Spannverfahren üblichen Beanspruchungsdauer und Intensität ist bei Beachtung der Konstruktionsgrundsätze mit keiner Abnahme der Tragfähigkeit im Laufe der Nutzungsdauer zu rechnen. Es ist
durch die Nacherhärtung des ultrahochfesten Betons
eher mit einer höheren Kapazität zu rechnen.
2.4 Nachweiskonzept nach ETAG013
Für die in 2.2 genannten Hybridankervarianten wurden
basierend auf der Prüfrichtlinie für Spannverfahren
ETAG013 Zulassungsprüfungen durchgeführt. Das
Nachweiskonzept der Richtlinie sieht unter Einhaltung
von Mindestanforderungen die Prüfung von drei verschiedenen Verankerungsgrößen (Klein, Mittel, Maximal) vor. Zusätzlich erforderlich ist ein Bemessungsmodell für das Bauprodukt, mit Hilfe dessen man mit
konservativen Annahmen die Abmessungen von ähnlichen Zwischen- und Randgrößen ermittelt.
Die damit abgedeckten Lastbereiche sind nachstehend
für alle Hybridankervarianten angegeben:
Typ HA:
Die Zulassungsprüfungen wurden vollständig und erfolgreich für die Spannstahlgüte St950/1050 und die
Betonstahlgüte S670/800 bis zu einer Nennbruchlast
von Fpk = 2,53 MN durchgeführt.
Typ CoP:
Die Zulassungsprüfungen wurden vollständig und erfolgreich für Bündelspannglieder (Litze/Draht) bis zu
einer Nennbruchlast von Fpk = 6,14 MN (Pm0,max, DIN
FB102 = 4,49 MN) durchgeführt.
Typ CAB:
Die Zulassungsprüfungen wurden vollständig und erfolgreich für Bündelspannglieder (Litze/Draht) bis zu
einer Nennbruchlast von Fpk = 7,53 MN (Pm0,max, DIN
FB102 = 5,51 MN) durchgeführt.
2.5 Europäische Zulassung ETA-13/0463
Für die Verankerung von Spannstahlstäben der Festigkeit St950/1050 mit Kugelbundmuttern liegt bereits
eine europäische technische Zulassung der Hybridanker
vor.
An der Zulassungserarbeitung beteiligt waren:
Zulassungsstelle:
- OIB (Österreichisches Institut für Bautechnik,
Wien)
Zulassungsversuche nach ETAG013:
- MPA BAU der TU München
- MPA Karlsruhe
Zertifizierung(CE-Kennzeichnung):
- MPA Karlsruhe
Der Zulassungsumfang umfasst Stabgrößen bis 47 mm
Durchmesser (Fpk = 1,82 MN) inklusive zweier Größen
mit Feingewinde (32 WS und 36 WS).
3. Eignung für Verstärkungsmaßnahmen
Hybridankerplatten können direkt auf den Altbeton
aufgesetzt werden.
Sofern eine mehraxiale Tragwirkung des umgebenden
Betons herangezogen wird (mit entsprechend kleineren
Plattenabmessungen mit geringerem Gewicht) sind die
Mindestachs- und randabstände sowie die maximalen
Öffnungsdurchmesser (z.B. durch Kernbohrungen) zu
berücksichtigen.
Diese wurden im Rahmen von ETAG013 Versuchsserien ermittelt und sind in Zulassungen und Datenblättern zu finden, z.B. Kapitel 4. Die örtlich im Vergleich
zur Bemessungsbetondruckfestigkeit deutlich größeren
Druckspannungen werden im Altbeton (Mindestbewehrung 50 kg/m³ bis Tiefe = Achsabstand) bei einer Lastausbreitung von z.B. 1:1 sehr schnell sehr viel kleiner,
z.B. in einer Tiefe von 10 cm bereits unter 50%.
Sofern die angegebene Mindestbewehrung vorhanden
ist, ist der Bereich hoher Druckspannungen bei den
üblicherweise massiven Querträgern (Dicke oft zwischen 1,50 und 2,50 m) recht klein.
Grundsätzlich ist auch der theoretische Nachweis mit
Einhaltung der einaxialen Bemessungsdruckfestigkeit
des Betons unter der Hybridankerplatte möglich, führt
jedoch zu größeren Bauteilabmessungen – trotzdem ist
insbesondere der Gewichtsvorteil (ca. 60% weniger)
gegenüber massiven Stahlplatten offensichtlich. Für
übliche 3 MN Spannglieder kann eine Stahlplatte mehrere hundert kg wiegen und entsprechend schwer einbaubar sein.
Bei direktem Aufsetzen von Ankerplatten auf den Altbeton können oftmals Neigungen auftreten. Bei Verwendung von Stahlplatten aus Standardblechdicken
kann dem durch sehr aufwändiges mechanisches Bearbeiten oder durch Ausbildung einer Mörtelschicht begegnet werden. Letztere Maßnahme ist aber nur für den
Ausgleich sehr kleiner Neigungen geeignet. Hybridankerplatten können dagegen durch den Gussvorgang bei
der Betonage sehr einfach geneigt hergestellt werden.
Bild 5: Geneigte Ausführung von Hybridankerplatten
4. Hybridankergrößen für Spannverfahren
Im Folgenden werden exemplarisch für aktuell in
Deutschland sehr häufig eingesetzte externe Spannverfahren die Standardhybridankergrößen zum nachträglichen Aufsetzen aufgeführt (Typen „HA“ und „CoP“).
4.1 Stabspannverfahren St950/1050
Für die Verankerung von Spannstahlstäben der Festigkeit St950/1050 liegt eine europäische technische Zulassung der Hybridanker vor. Sie können für Vorspannung mit nachträglichem Verbund oder verbundlos/extern eingesetzt werden. Die Randbedingungen
sind Bild 6 zu entnehmen (Auszug aus Zulassung ETA13/0463). Mit enthalten sind die schlupfarmen Größen
32 WS und 36 WS. Die Öffnungen im Untergrund sind
groß genug für Kernbohrungen gewählt.
von 1770 MPa zugelassen. Nachstehend sind die hierfür konfigurierten Hybridankerplatten Typ „CoP“ dargestellt. Für die Spanngliedgrößen ab EX-48 steht nur
eine Mindestbetonfestigkeit zur Verfügung, wobei eine
mittlere Zylinderdruckfestigkeit von 38 MPa bei Brücken im Bestand nahezu immer erreicht wird (entspricht C30/37 nach 28 Tagen).
Die tatsächliche mittlere Betonfestigkeit des Untergrunds bestimmt im Wesentlichen die minimalen Achsund Randabstände. Die Hybridankerplatten bleiben
jedoch immer gleich groß für jede Spanngliedgröße.
Bild 7: Hybridankerplatten Typ „CoP“ für Draht-EX
4.3 Litzenbündelspannverfahren Typ BBV E/EW
Hybridankerplatten Typ „CoP“ für das System BBV E
der Fa. BBV Systems GmbH sind bis zu einer Litzenzahl von 22 vollumfänglich geprüft.
Bild 6: Auszug aus ETA-13/0463 (Typ „HA“)
4.2 Drahtspannverfahren Typ SUSPA Draht-Ex
Das System SUSPA Draht-Ex der Fa. DYWIDAGSystems International GmbH ist mittlerweile bis zu
einer Drahtzahl von 84 Drähten und einer Zugfestigkeit
Bild 7: Hybridankerplatten Typ „CoP“ für BBV E
5. Anwendungen
5.1 Dauerlitzenanker für Schleuse Iffezheim
Das Drempelbauwerk der Schleuse Iffezheim bei Baden-Baden wies im Revisionszustand (leere Schleuse)
eine stark wasserführenden Fuge mit teils abgerissenen
Bewehrungsstäben auf und das Wasser- und Schifffahrtsamt Freiburg plante gemeinsam mit der Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe (Prüfingenieur Dr. I.
Retzepis, Krebs und Kiefer, Karlsruhe) eine Verstärkung zur Sicherstellung der Tragsicherheit mit insgesamt 14 Dauerlitzenankern des Typs SUSPAKompaktanker mit 6 Litzen (0,62‘‘, St1660/1860), vgl.
Bild 8.
das Bohrloch. Die Untersuchungen wurden am MPA
BAU der TU München durchgeführt.
Bild 9: Modell Ankerkopf, eingebauter Ankerkopf
ohne Haube und Spannvorgang (von links)
5.2 Stabspannglied für Spannbetonbrücke
Beim Neubau einer Spannbetonbrücke in Polen sind
einige Spanngliedhüllrohre in der Bodenplatte eines
Kastenquerschnitts beim Betonieren aufgeschwommen.
Diese Hüllrohre wurden ohne Spannglieder verpresst.
Die notwendige Vorspannkraft wurde über extern unter
der Bodenplatte geführte Spannglieder aufgebracht.
Die geometrischen Randbedingungen erforderten das
Anbringen etlicher Umlenkstellen. Die auftretenden
Umlenkkräfte wurden über Druckverbindungen in die
Bodenplatte geleitet. Die Formteile wurden daher mit
Spannstahlstäben mit der Bodenplatte zusammengespannt. Hierfür wurde Spannstahl St930/1030 mit einem Durchmesser von 75 mm verwendet (Fpk = 4,31
MN).
Die Lasteinleitung erfolgte in den Beton der Bodenplatte, der planmäßig keine Spaltzugbewehrung (z.B. Wendel) aufwies.
Bild 8: Querschnitt Schleusendrempel mit Litzenanker
und Schleuse Iffezheim (von oben)
Aufgrund der beengten Verhältnisse im Kontrollgang
wurde auf die im Vergleich zur herkömmlichen Stahllösung leichte und kompakte Hybridankerlösung zurückgegriffen, die zudem wesentliche Vorteile im Korrosionsschutz aufweist, siehe Bild 9. Die Auflagerung
erfolgte durch vollflächige Auflagerung auf unbewehrtem Altbeton mit einem maximalen Lochdurchmesser
von 150 mm.
Der Anschluss des Dauerankers an den Ankerkopf
erfolgt mit einem PE-Rohr statt wie bei Stahlplatten
üblich mit einem Stahlrohr. Lediglich der Stahlring ist
durch Feuerverzinken und Beschichtung vor Korrosion
zu schützen. Für die aufgesetzten Verankerungskomponenten bzw. sofern vorgesehen für installierte Kraftmessdosen wurden passgenaue Zentriernuten geschalt.
Der Nachweis der Eignung erfolgte im Einzelfall experimentell für den Hybridanker selbst und für das darunterliegende Bauwerk nach der europäischen Prüfrichtlinie für die Zulassung von Spannverfahren ETAG 013
auf einem Betonprisma mit passender Aussparung für
Bild 10: Erstentwurf Detail Anschluss Umlenkstelle an
Bodenplatte mit Stahlplatte
Hierfür wurde eine Hybridankerplatte konzipiert mit
innenliegender Umschnürung sowohl für die Spannverankerung als auch für die Festverankerung. Die örtlichen Gegebenheiten erforderten die geneigte Ausführung der Spannankerplatte bzw. es konnte damit auf die
aufwendige Ausführung einer Ausgleichsebene mit
hochfestem Mörtel verzichtet werden (vgl. Bild 10 und
Bild 11).
Die Hybridplatten wogen ca. 40% der ursprünglichen
Stahllösung, konnten gemäß den geometrischen Anforderungen leicht angepasst werden und mussten nicht
aufwendig vor Korrosion geschützt werden.
Bild 11: Fertiggestellte Hybridankerplatten für 75 mm
Spannstahlstab
6. Fazit
Hybridankerplatten bieten zahlreiche Vorzüge insbesondere bei Ertüchtigungen von Spannbetonbrücken als
nachträglich angebrachte, vorgefertigte dauerhafte
Ankerzone:
- Leicht
- Dauerhaft
- Geometrisch Flexibel.
Ihre technische Eignung wurde bereits umfangreich
experimentell geprüft, durch Zulassung und Überwachung zertifiziert und in ersten Anwendungen bestätigt.
Hybridankerplatten sind flexibel auf die bestehenden
Spannsysteme anpassbar. Vergleichbare Einsatzmöglichkeiten bieten sich bei Verpressankern.
Sie gelten als Beispiel für eine innovative Produktentwicklung aus der Forschung.
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