Einzelprüfung: Verankerung

Einführung

In diesem Artikel stellen wir eine Einzelversuchsstudie vor, die darauf abzielt, das 3D-CSFM des Ausziehverhaltens von Betonankern durch einen direkten Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zu überprüfen^[1]. Der Schwerpunkt unserer Untersuchung liegt auf der Bewertung der Vorhersagefähigkeiten numerischer Modelle bei der Erfassung der Schlüsselaspekte des Ankerverhaltens, einschließlich der Versagensarten und der Tragfähigkeit. Unsere Studie umfasst ein breites Spektrum von Dübeldurchmessern, von 10 mm bis 32 mm, was die Variabilität in praktischen technischen Szenarien widerspiegelt. Dies ermöglicht es uns, durchmesserabhängige Trends zu erkennen und die Robustheit von 3D-CSFM in verschiedenen Größenordnungen zu bewerten. Es ist erwähnenswert, dass alle Simulationen mit 3D-CSFM durchgeführt wurden, einer Methode, die in IDEA StatiCa Detail implementiert ist, wobei Standardeinstellungen für alle Parameter verwendet wurden.

Definition der Versagensarten

Um die Leistung von 3D-CSFM bei der Modellierung von nachträglich eingeklebten Dübeln zu bewerten, müssen wir zwei Versagensarten berücksichtigen: das Herausziehen, bei dem die Verbundspannung (_τb) gleich der Bemessungsspannung (_τbd) ist, und das Nachgeben des Dübels selbst, d.h. das Erreichen der plastischen Grenzdehnung.

Aufbau des Einzelversuchs

In dieser Studie wurden Hilti HIT-RE500 - SD Injektionsmörtel mit Bewehrung (500B) Dübel in IDEA StatiCa Detail modelliert und die Ergebnisse mit den experimentellen Daten verglichen^[1].

Die Abmessungen der Betonblöcke und ihrer Bewehrung wurden sorgfältig berücksichtigt, um mögliche Auswirkungen auf das Ausziehverhalten zu minimieren und so die Gültigkeit der Versuchsergebnisse zu gewährleisten^[1]. Für alle Verankerungsversuche wurde eine Betonblockgröße verwendet (1,0x1,0x0,5 m; BxTxH). Der Block ist mit Stäben aus Stahl B 500B und einem Durchmesser von 8-14 mm bewehrt. 8 Lagen von Stäben um jede Oberfläche (außer der unteren Oberfläche, die Stäbe werden als durchgehend durch die untere Stütze modelliert) mit einer Abstandslage von 135,0 mm. Alle in den einschlägigen Bauvorschriften vorgeschriebenen Sicherheitsfaktoren wurden strikt eingehalten, wobei in allen Berechnungen ein Wert von 1,0 verwendet wurde. Die Größe des Ankerlochs im Vergleich zum Durchmesser des Dübels selbst wurde im Berechnungsmodell nicht explizit berücksichtigt.

\Abb. 1.1 Seitenansicht eines Stahlbetonblocks mit eingeklebtem Anker}}]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Abbildung 1.2 Ansicht eines Stahlbetonblocks mit eingeklebtem Anker. Der Durchmesser des Dübels beträgt 16 mm }}}]

Die Verbundfestigkeit des Dübels, ein kritischer Parameter bei der Bemessung der Verankerung, wurde anhand von Experimenten^[1] mit 15,4 MPa und für das zweite Prüfmodell mit 12,0 MPa ermittelt. Auch die Länge der Verankerung des Dübels im Betonblock wurde gemäß dem Versuch einheitlich bestimmt. Die zusätzlichen 50 mm Länge des Dübels oberhalb des Betonblocks, auf den die axiale Zugkraft aufgebracht wurde, wurden im Modell berücksichtigt. In diesem Versuch wurden Dübel mit einem Durchmesser von 10 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm, 25 mm und 32 mm mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Die Versuchsaufbauten sind in Tabelle 2.2 zusammengefasst.

Unter Verwendung eines 3D-CSFM Solid Block Modells umfasst die Analyse eine umfassende Untersuchung verschiedener Aspekte, einschließlich der Auszugscharakteristika der Anker, der Bestimmung kritischer Lastschwellen und einer differenzierten Vorhersage der Versagensarten.

Materialeigenschaften

Die in der CSFM-Analyse verwendeten Materialeigenschaften von Beton, Bewehrung und Anker sind in Tabelle 2.2 zusammengefasst. Die Fließspannung (\(f_{yk}\)) und die Bruchspannung (\(k \mal f_{yk}\)) der Bewehrung sowie die Druckfestigkeit (\(f_{ck}\)), die plastische Dehnung (\(\epsilon_{c2}\)) und die plastische Grenzdehnung (\(\epsilon_{cu2}\)) des Betons wurden auf der Grundlage der in den Versuchsanmerkungen genannten Bedingungen ausgewählt. Die Haftfestigkeit wird auch vom Hersteller in dem mitgelieferten Prospekt angegeben.

\Abb. 1.3 Spannungs-Dehnungs-Diagramme der Materialien: (a) Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Bewehrung B 500B, (b) Spannungs-Dehnungs-Diagramm des Betons C30/37 }}}]

Vergleich mit experimentellen Ergebnissen

In diesem Abschnitt werden die experimentellen Ergebnisse des Herstellers mit den durch das 3D-CSFM vorhergesagten Bruchlasten und Versagensarten verglichen. Sechs Fälle von Auszugslast, die verschiedenen Dübeldurchmessern entsprechen, wurden mit den Ergebnissen des 3D-CSFM abgeglichen. Zusätzlich wurde für jeden Dübeldurchmesser eine spezifische Versagensart bestimmt.

Versagensarten und Bruchlasten

Tabelle 2.4 enthält eine umfassende Zusammenfassung der in den experimentellen Versuchen ermittelten Tragfähigkeiten (_Pu,exp) und der mit dem 3D-CSFM vorhergesagten Tragfähigkeiten (_Pu,3D-CSFM) sowie der entsprechenden Versagensarten. Verhältnisse, die größer als eins sind, zeigen an, dass die Vorhersagen des Modells konservativ höher als die gemessenen Werte sind. Wie aus Tabelle 2.4 hervorgeht, stimmen die von allen 3D-CSFM-Analysen vorhergesagten primären Versagensarten mit den experimentellen Ergebnissen überein, obwohl bei größeren Durchmessern einige Diskrepanzen bei bestimmten Versagensunterarten zu verzeichnen sind. Die 3D-CSFM-Vorhersagen sind im Allgemeinen genau, mit leicht konservativen Tendenzen, die durch Verhältnisse größer als 100 % für die größeren Durchmesser angezeigt werden.

Zusätzlich wurden Werte für (\(P_{u,bar}\)) und (\(P_{u,bond}\)) berechnet und der Tabelle hinzugefügt.

\(P_{u,bar}=A_{bar}\cdot k \cdot f_{yk}\)

\(P_{u,bond}=C_{bar}\cdot l_{bar} \cdot \tau_{bd}\)

Dabei ist (\(A_{bar}\)) die Fläche des Dübels, (\(C_{bar}\)) ist der Umfang des Dübels und (\(l_{bar}\)) ist die Länge des Dübels im Beton.

Aus den oben dargestellten Werten ist ersichtlich, dass das Experiment den Nachweis erbringen soll, dass der Solver in der Lage ist, kombinierte Auszieh- und YA-Versagensmods korrekt zu berechnen.

Außerdem wurden die gleichen Modelle mit der Verbundfestigkeit von (\(\tau_{bd} = 12,0 MPa\)) berechnet und mit analytisch ermittelten Werten von (\(P_{u,bond})) verglichen.

Abbildung 1.4 bestätigt die in Tabelle 2.4 angegebenen Ergebnisse, indem sie zeigt, dass die volle Kapazität der Bondspannung sowie die Grenzdehnung erreicht wird, was folglich dazu führt, dass der Versagensmodus als Pull-out und YA identifiziert wird.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Abb. 1.4 Anker 16 mm: Dehnungsnachweiswert (links) und Verbundspannung (rechts) }}}]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Abb. 1.5 Anker 32 mm: Spannungsflussansicht }}}]

\[ \textsf{\textit}{\footnotesize{Bild 1.6 Anker 25 mm: Spannungen in der Bewehrung }}}]

\[ \textsf{\textit}{\footnotesize{Bild 1.7 Anker 20 mm: Dehnung in der Bewehrung }}}]

Schlussfolgerung

Der Vergleich zwischen experimentellen Daten^[1] und der Beta-Version des 3D-CSFM zeigt eine zufriedenstellende Korrelation. Zu den wichtigsten Erkenntnissen aus dieser vorläufigen Bewertung gehören:

• Für alle Dübel wurde eine starke Korrelation festgestellt, die sich in den in den Modellen beobachteten Versagensarten und den Werten der Bruchlasten zeigt.
• Obwohl sich das 3D-CSFM noch in der Betaphase befindet, unterstreicht die Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen seinen potenziellen Nutzen. Diese Übereinstimmung ist eine gewisse Bestätigung für die Wirksamkeit des Instruments, obwohl sie angesichts des Entwicklungsstadiums mit Vorsicht zu interpretieren ist.

Referenzen

[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - SD Injektionsmörtel mit Bewehrung (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [online]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Verfügbar unter: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf.