Innovative Hybridverankerungen von Zuggliedern aus ultra-hochfesten Betonen und faserverstärkten Kunststoffen

Hybridankerplatten sollen gegenüber den bisher üblicherweise verwendeten schweren Stahlplatten eine neuartige Lösung für die Lastweiterleitung und Lastverteilung von hochfesten Zuggliedern auf das darunter liegende Bauwerk darstellen. Die großen Kräfte aus den Zuggliedern sollen dabei durch einen Kern aus ultrahochfestem Beton, der eine optimale Aufnahme des Verankerungselements (Mutter, Lochscheibe, Ankerkopf) bewerkstelligt, und eine zugfeste Umschnürung aus Stahl oder Faserverbundwerkstoffen aufgenommen und in das Bauwerk weitergeleitet werden (vgl. Bild 1). Auf diese Weise soll eine neue, leichtere, ressourcenschonende und wirtschaftliche Alternative zu den Stahlplatten geschaffen werden.

Anhand eines Druckstrebenmodells für die Lastverteilung innerhalb der Hybridankerplatte und einer Analogie aus der Geotechnik für die Lastweiterleitung unterhalb der Ankerplatte, wurde eine Vordimensionierung der Hybridankerplatten für statische Einwirkungen gemäß der Europäischen Richtlinie zur Zulassung von Spannverfahren (ETAG 013, [1]) durchgeführt.

Der tatsächliche mechanische Bauteilwiderstand der ermittelten Hybridankergeometrien wurde durch ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm untersucht. Dies umfasste Druckversuche und Lastübertragungsversuche an Hybridankerplatten unter Variation der Parameter UHPC-Festigkeit, Umschnürungsart, Verankerungsart, Auflagersituation und Hybridankerabmessungen zur Ermittlung des mechanischen Kurzzeitverhaltens sowie Ermüdungsversuche und Dauerstandversuche zur Bestimmung der Einflüsse aus einer Langzeitbelastung. Neben Hybridankerplatten mit einem außenliegenden Zugring aus Stahl oder Faserverbundkunststoffen wurde hierbei auch eine Variante mit einer einbetonierten Wendelbewehrung als Umschnürung getestet. Die Druckversuche zeigten unter anderem, dass die Hybridankerplatten entlang der Verbindungslinie zwischen der Auflagerlinie des Verankerungselements und der Öffnung im Untergrund durch ein Durchstanzen des UHPC versagten. Die Lastübertragungsversuche nach ETAG 013 zeigten, dass die Traglasten abhängig von der Steifigkeit des Betonkörpers sind und bestätigten das zur Vordimensionierung herangezogene Modell aus der Geotechnik. In den Ermüdungsversuchen nach ETAG 013 konnte sowohl für eine Schwingbreite von 80 als auch von 100 MPa kein Versagen nach zwei Millionen Lastwechseln festgestellt werden. Die Dauerstandfestigkeit der Hybridankerplatten wurde mit den durchgeführten Dauerstandversuchen zu mindestens 90% der kurzzeitig ertragbaren Last ermittelt.

Zusätzlich zur experimentellen Bestimmung des mechanischen Verhaltens erfolgte für ausgewählte Druckversuche eine Überprüfung der Ergebnisse mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen mit dem Programm ANSYS 14.5.

Der zu erwartende Bauteilwiderstand der Hybridankerplatten gegen chemische und physikalische Einwirkungen, wie beispielsweise Salze, Säuren, Laugen, Temperatur, Feuchte oder Frost, wurde basierend auf einer umfangreichen Literaturrecherche zu den Dauerhaftigkeitseigenschaften der verwendeten Materialien UHPC, Stahl und Faserverbundkunststoff eingeschätzt und sinnvolle zusätzliche Schutzmaßnahmen wurden herausgearbeitet.

Auf Grundlage der experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurde ein Bemessungskonzept entwickelt, mit dem die erforderlichen Mindestabmessungen für den Außendurchmesser, die Höhe und die Ringdicke der Hybridankerplatte in Abhängigkeit von der geforderten Bemessungslast bestimmt werden können.

Schließlich werden die gemachten Erfahrungen bei der Fertigung der Hybridankerplatten zusammengefasst und daraus resultierende Vorschläge zur Realisierung einer Serienfertigung vorgestellt. Abschließend wurde eine Wirtschaftlichkeitsberechnung für die Herstellung einer Hybridankerplatte durchgeführt und das Ergebnis wurde mit den Kosten für eine herkömmliche Stahlplatte mit gleicher Bemessungslast verglichen.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass Hybridankerplatten Stahlplatten bei der Verankerung von Zuggliedern wirtschaftlich sinnvoll ersetzen können und dabei die Anforderungen hinsichtlich kurzzeitiger und dauerhafter mechanischer Belastung erfüllen sowie ausreichend Widerstand gegenüber den meisten chemischen und physikalischen Einwirkungen bieten.

Das entwickelte Bemessungsmodell ermöglicht die Ermittlung der erforderlichen Mindestabmessungen der Hybridankerplatten in Abhängigkeit von der geforderten Bemessungslast.

Hybridankerplatten mit einbetonierter Wendelbewehrung bieten insbesondere aufgrund des guten Korrosionsschutzes ein hohes Potential und sollten weiter untersucht werden.