DE102009029892A1

DE102009029892A1 - Vorrichtung zur Einleitung von Zugkräften in den Untergrund beispielsweise für Abspannseile von Fangnetzen für die Steinschlag- und Lawinensicherung sowie Verfahren zur Herstellung und Dimensionierung dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE102009029892A1
Application number: DE102009029892A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-01
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Zur Verankerung insbesondere von dynamischen Zugkräften im Untergrund, wie von Abspannungen von Steinschlag- und Lawinenverbauen im Lockergestein wird statt eines einzelnen Stab- oder Seilankers pro Verankerungspunkt ein gedrungener, monolithischer, Verankerungskörper in Form eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes vorgeschlagen, im Untergrund gebildet und umschlossen durch mindestens drei solcher nach außen geneigter Ankerstäbe. Die Ankerstäbe sind in einer Ankerkopfplatte zusammengefasst, an der das oder die Zugseile angreifen. Der Verankerungskörper bildet zusammen mit unmittelbar angrenzenden Untergrundbereichen einen Ausbruchkegel, der unter dynamischen Lasten zusammen mit dem Verankerungskörper physikalisch als träge Masse wirkt.

Description

Die nachstehend beschriebene Erfindung entspricht dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und bezieht sich auf die Verbesserung der Tragfähigkeit der Verankerung im Untergrund beispielsweise von Abspannseilen für die Netzelemente in gebirgigen Regionen, die zum Schutz von unterhalb liegenden Verkehrswegen und/oder Bebauungen gegen zu Tal stürzende oder schiebende Felsblöcke oder Schneemassen eingesetzt werden.
Zur Verankerung der Abspannseile solcher Verbauungen im Untergrund werden heute zumeist sogenannte Bodennägel oder Spiralseilanker eingesetzt, gern auch die bekannten Hohlstab-Injektionsbohranker, für höhere Lasten auch hydraulisch vorgespannte Verpressanker. Allen diesen Ankern gemeinsam ist ein Stahlzugglied, das in einem Bohrloch entsprechender Tiefe mittels druckloser Verfüllung respektive Verpressung mit einer später aushärtenden Zement-Wasser-Suspension oder einem Kunststoffmörtel fixiert wird, ggf. ergänzt durch Nachverpressung nach dem Ansteifen der Primärverpressung. An solchen Ankern werden nach heutigem Stand der Technik die Abspannseile der Verbauungen auf axialen Zug angeschlossen. Entsprechend der technischen Fortentwicklung der im Steinschlag- und Lawinenverbau verwendeten Abfangelemente, insbesondere Stahlnetze mit hoher Tragfähigkeit, ausgespannt zwischen senkrecht zur Hangneigung installierten Stahlstützen mit allseits beweglichem Fußgelenk, wird eine Verankerung der Abspannseile im Untergrund benötigt, die den hohen Reaktionskräften standhalten muss, um nicht das schwächste und unsicherste Glied im System zu sein.
Seit Februar 2008 gilt europaweit die Richtlinie ETAG 027 "Falling Rock Protection Kits" der EOTA (European Organisation for Technical Approvals, siehe www.eota.eu, dort "endorsed etags"). Die Steinschlagnetze werden dort in neun Energieklassen eingeteilt, siehe Kapitel 2.4.3 "Classification of the AssembledSystem", nach Maßgabe der von der Installation zu absorbierenden Energie in Kilo-Joule (kJ). Im Anhang A, (Seite 33 ff), "Impact Test Method", ist ein polyederförmiger Testblock aus Beton dargestellt sowie eine geeignete Versuchsanordnung an einem Gebirgshang mit definiertem Gefälle und Auslauf. Die Anordnung umfasst die Fangnetze sowie die Stützen und deren Abspannseile inklusive der Bremselemente zur Abminderung des Impulses auf die Verankerungen der Netze im Untergrund. Bereits in der Einleitung der Richtlinie, siehe Tabelle Seite 5 unten, ist jedoch festgelegt, dass die Gründungselemente einschließlich der Verankerungen der Abspannseile im Untergrund nicht im Geltungsbereich der Richtlinie liegen.
Detailliertere Angaben und zugleich einen umfassenden Einblick in den derzeitigen Stand der Technik auf dem Gebiet der Steinschlag-Schutzverbauungen in der Schweiz – die Schweizer Technologie auf diesem Gebiet ist als weltweit führend anzusehen – findet man in der Homepage des Schweizerischen Bundesamtes für Umwelt BAFU, siehe dort "Richtlinie über die Typenprüfung von Schutznetzen gegen Steinschlag", herausgegeben vom Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft)BUWAL) und der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL, Bern 2001. (www.bafu.admin.ch, dort: Naturgefahren, dann: Weitere Themen: Bergsturz, Felssturz, Steinschlag... dort: Weitere Publikationen a) Technische Maßnahmen Typenprüfung und b) Richtlinie über die Typenprüfung von Schutznetzen gegen Steinschlag).
Die genannte Richtlinie des BAFU stellt für die Schweiz eine amtliche Vorschrift hinsichtlich der Typenprüfung der von den verschiedenen Lieferanten angebotenen zertifizierten Netz-Konzepte dar und entspricht im Rang etwa den Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassungen des Deutschen Instituts für Bautechnik. Hier zwei Zitate aus der Richtlinie Seite 9 (Einleitung, erster Absatz):
”Die Bedeutung des Steinschlagschutzes nimmt in der Schweiz momentan stark zu. In den letzten Jahren sind vermehrt Schutznetze entlang von Verkehrsachsen und zum Schutze von Siedlungen errichtet worden. Gleichzeitig fand bei diesen Schutzmassnahmen eine markante technische Entwicklung statt. Das Vermögen, Energie abzubauen, konnte in den vergangenen Jahren um mehr als das Zehnfache gesteigert werden ...” sowie Absatz 2: ”Die vorliegende Richtlinie definiert einen standardisierten Prüfungsablauf. Sie setzt auch Grenzwerte fest, die von den geprüften Produkten erfüllt werden müssen”.
Aus der genannten Richtlinie gehen neben dem Gesamtkonzept der derzeit üblichen Steinschlagverbauungen – dort wie in der ETAG 27 unterteilt in neun Energieklassen – und den eingesetzten Prüfverfahren etc. folgende Detailpunkte hervor:

• Für die Verankerung der Abspannseile der beschriebenen Steinschlagnetze im Untergrund werden heute zumeist ”lineare” Stab- oder Spiralseilanker eingesetzt, die aber teils erheblichen Querzug- und Biegebeanspruchungen aufgrund von Richtungsabweichungen zwischen Zugseil und Anker ausgesetzt sind (Kap. 7 Fundationen, 7.2.2, Seite 32)
• Die Bremszeiten zwischen dem Auftreffen eins Wurfkörpers auf das Netz und dessen Stillstand im Netz sind aufgrund der zwischengeschalteten Bremselemente mit Werten zwischen 0,3 und 0,9 Sekunden anzusetzen (Kap. 7.3, Seite 33)
• Während die Trag- und Rückhalteseile der Netze als solche im Schweizer Normenwerk spezifiziert und zertifiziert sind, ist auch in der genannten Richtlinie deren Verankerung im Untergrund nicht Gegenstand der Zertifizierung der eingesetzten Netzkonstruktionen.

Im Juni 2008 ist, als Ergänzung zu der genannten Schweizer Richtlinie1

1: Richtlinie über die Typenprüfung von Schutznetzen gegen Steinschlag, Ergänzung zu Kapitel 7 "Fundation": Verankerung und Fundation von Schutznetzen gegen Steinschlag, Entwurf Juni 2008, Eidgenössische Forschungsanstalt WSL, Zürcher Strasse 111, CH-8903 Birmensdorf

Zusätzliche Einblicke in die heute verfügbare Technik auf dem Gebiet der Steinschlagverbauung sind aus den Homepages der Systemanbieter wie der österreichischen Firma Trumer Schutzbauten, A-Kuchl siehe www.trumerschutzbauten.com oder der Schweizer Firma Schutzbauten Geobrugg, CH-Romanshorn zu entnehmen, siehe www.geobrugg.com
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, vor dem Hintergrund des beschriebenen Standes der technischen Entwicklung die Einleitung der Seilkräfte in den Untergrund, zumal in Kiesboden und Lockergestein, wie in den Hanglagen der zu sichernden Bergflanken zumeist anzutreffen, sowohl geotechnisch als auch wirtschaftlich vorteilhaft gegenüber der bisher üblichen Praxis zu gestalten.
Im Gegensatz zum Lastfall ”Lawine”, wo auf die eingesetzten Bodenanker überwiegend statische oder vergleichsweise langsam ansteigende Reaktionskräfte abgegeben werden, sind die Verankerungen im Lastfall ”Steinschlag” dynamischen, nur kurzzeitig einwirkenden Impulsen mit Kraftspitzen bis zu mehreren hundert kN ausgesetzt. Während für den statischen Belastungsfall die Verankerungen nach herkömmlichen Methoden, das heißt Traglastprüfung mit niedriger Belastungsgeschwindigkeit (Prüfdauer eines Ankers teils mehrere Stunden), geprüft und demgemäß dimensioniert werden können, wirkt unter dynamischer Belastung ein komplexer, sich im Untergrund bildender Verankerungskörper einschließlich umgebender Bodenbereiche im physikalischen Sinne als eine träge Masse, die jeweils nur kurzzeitig aktiviert wird. Wird dieser Verankerungskörper durch Schrägzug belastet, so übernimmt der in Zugrichtung anstehende Bereich des Untergrundes zusätzlich eine Stützfunktion, die in der Bodenmechanik als ”passiver Erddruck” bekannt ist. Ein genaueres Studium dieses Problemkomplexes, gegebenenfalls auch unter Einsatz von Rechenverfahren mit Finiten Elementen (FE), lässt erwarten, dass im Rahmen eines neuen, wirklichkeitsnahen Bemessungsverfahrens deutliche wirtschaftliche Einsparungen erzielt werden können, jedoch ohne Einbußen in der Systemsicherheit.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine konstruktiv neuartige Gestaltung der Verankerungspunkte für Steinschlag- und Lawinenzäune, zumal in Lockergestein: Mindestens drei Injektionsanker werden gegeneinander räumlich verspreizt eingebaut und in Geländehöhe in einer gemeinsamen Ankerkopfplatte zusammengefasst, an der das oder die Zugseile angreifen. Auf diese Weise entsteht, im Verbund mit dem durch Verpressung und nötigenfalls Nachverpressung mittels Wasser-Zement-Suspension verfestigten, von den Injektionsankern umschlossenen und ggf. durchsetzten Untergrundbereich ein monolithischer Verankerungskörper, der ein massives räumliches Tragwerk in der Gestalt eines Pyramiden- bzw. Kegelstumpfes, genauer: eines Polyeders mit teils gewölbten Außenseiten, darstellt. Ein zusätzlicher Ankerstab in der Längsachse des Verankerungskörpers stellt sicher, dass auch der zentrale Bereich des Verankerungskörpers unter der Zugkraft aktiviert wird und erlaubt somit einen vergrößerten Spreizwinkel der außen liegenden Ankerstäbe. Unter der angreifenden äußeren Kraft bildet sich um diesen Kegel- oder Pyramidenstumpf herum eine Art Ausbruchkegel, der dann mit diesem zusammen unter statischer Last als ”schwere Masse” (Gewicht), im dynamischen Lastfall als ”träge Masse” wirkt.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird ein Verfahren für eine wirklichkeitsnahe rechnerische Erfassung und Dimensionierung solcher hoch belasteter Verankerungspunkte sowie eine Methode zur Überprüfung der Güte der erfolgten Zementinjektionen der Verpressanker und zur Bildung eines monolithisch wirkenden Verankerungskörpers vorgeschlagen (siehe Abschnitt 20 dieser Beschreibung).
Zur Abgrenzung gegen den Stand der Technik wird zunächst auf die Ergänzung zur Schweizer Richtlinie (siehe Fußnote zum Abschnitt 07 dieser Beschreibung) eingegangen.
a) Textzitat
Kapitel 3.6 Einfluss des Umlenkwinkels: In den vorangehenden Kapiteln ist der Umlenkwinkel ω (zwischen der Richtung des Bohrankers und der Zugrichtung der Beanspruchung) mehrfach angesprochen worden, und in diesem Kapitel soll näher auf ihn eingegangen werden. Werden die Anker (Spiralseil- oder Stabanker) nicht in Zugrichtung der Beanspruchung eingebaut, sondern mit einem Umlenkwinkel ω, so sind die entstehenden Kräfte bei der Bemessung der Anker zu berücksichtigen. ...Je nach Umlenkwinkel können diese Kräfte V relativ hohe Werte annehmen...
Nur im Fels und in sehr hartem Untergrund können solche Kräfte ohne Verformungen übertragen werden. In weichem Gestein oder in Lockermaterial müssen zusätzliche Maßnahmen zur Aufnahme der Querdruckkräfte getroffen werden. Mögliche Maßnahmen sind:

• Keine Maßnahmen erforderlich (0)
• Verstärkungsrohr im Kopfbereich des Ankers (R)
• Betonfundament mit Druckfläche erforderlich (B)
• Betonfundament mit Druckanker erforderlich (D)

Bild:	Bild:	Bild:
”Verstärkungsrohr R” Geringe Umlenkung Kein Betonfundament	”Betonfundament B” Stärkere Umlenkung Leichtes Betonfundament mit Zugankern	”Druckanker D” Starke Umlenkung Schweres Betonfundament mit Zug- und Druckankern

Die Wahl der Maßnahme ist abhängig vom Untergrund und Umlenkwinkel. Tabelle 1 zeigt ein grobe Zusammenfassung der möglichen Maßnahmen. Umlenkwinkel von mehr als 40° sind nicht empfehlenswert (N). Tabelle 1

Art des Untergrundes	Umlenkwinkel ω
Art des Untergrundes	0°	10°	20°	30°	40°
Fels, hartes Gestein, kompakt	0	0	0	0	0
Fels geklüftet, Sedimentgestein hart, Moräne hart	0	0	R	B	D
Sediment verwittert, Moräne verwittert, Kiese dicht	0	R	B	B/D	D
Hangschutt locker, Kiese locker	0	B	B/D	D	N

b) Hinweise zum Sachverhalt

• In 8 Feldern von 16 der Tabelle 1 wird – als Stand der einschlägigen Technik – die Maßnahme B oder D empfohlen, also jeweils die Errichtung eines Betonfundaments. In lockerem Hangschutt und Kies wird dies bereits ab einem Umlenkwinkel von 10° vorgegeben, in geklüftetem Fels ab 30°.
• Betonfundamente sind in schwer zugänglichem Gelände oftmals nur unter Einsatz des Helikopters für Material- und Aushubtransport herzustellen, d. h. mit hohen zusätzlichen Kosten (Ein besonders aufwändiges Betonfundament ist in des Dokuments gezeigt).
• Folgender Anwendungsfall ist zudem von Interesse: Die Verankerungspunkte für die bergseitigen Rückhalteseile der Netzstützen liegen in der Regel in der Mitte der jeweils benachbarten Felder, an ihnen sind die zugehörigen Rückhalteseile der Stützen befestigt. Die Seile verlaufen also im Grundriss in einem Winkel von etwa 45° zur Hangneigung und können mithilfe der vorliegenden Erfindung so verankert werden, dass nur sehr geringe Umlenkwinkel zwischen Seil und Anker entstehen.

c) Beurteilung
Die vorliegende Erfindung, d. h. eine mit Bodennägeln kombinierte Ankerkopfplatte, bevorzugt gefertigt aus Stahlguss, Durchmesser ca. 150 mm bis ca. 300 mm, erlaubt gegenüber den Lösungen mit voluminösen Fundamenten aus Stahlbeton, die ihrerseits zusätzlich durch Bodennägel und ggf. Druckanker gesichert werden müssen, eine deutliche Einsparung von Kosten, insbesondere solche für Lufttransporte in schwer zugänglichen Gebirgsregionen, und führt somit trotz vermehrter Bohrarbeiten im gegebenen Fall zu einem erheblichen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber dem in der Richtlinie dokumentierten Stand der Technik.
Ein selbstverständlicher, historischer Stand der Technik ist die im Hafen- und Wasserbau seit jeher bekannte Gruppierung von mindestens drei zumeist schrägen, im Kopfbereich miteinander schubfest verbundenen Rammpfählen als ”Dalben” für Schiffsanleger und gegen Schiffsstoß zu sehen.
Ein dem erfindungsgemäßen Verankerungssystem zunächst sehr ähnlich erscheinender, neuartiger Stand der Technik ist in dem ”Spinnanker” zu sehen, beschrieben im EP 1 750 020 A1 , Anmeldetag 13.05.2006, wo wiederum als dort zugehöriger Stand der Technik die Patentschriften US 6 871 455 B1 (2005), DE 12 71 045 B (1968), FR 867 153 A (1941) und EP 1 122 372 A (2001) berücksichtigt wurden. Beim dem erwähnten Spinnanker wird ein mit einem groben Außengewinde versehener Einstabanker als Haupttragelement durch axiale Rotation in den Untergrund eingebracht (eingeschraubt) und, mithilfe einer auf diesen wiederum aufgeschraubten ”Gewindemuffenplatte”, auf Geländehöhe durch schräg in den umgebenden Untergrund ebenfalls eingeschraubte Gewindestäbe in seiner aufnehmbaren Kraft, zumal bei seitlichem Zug, unterstützt. Dabei ist, als conditio sine qua non, die Ausstattung aller Löcher der „Gewindemuffenplatte” mit auf die Gewindestäbe abgestimmten Innengewinden notwendige Voraussetzung für das Funktionieren der Erfindung, und ist somit als deren wichtigstes technisches Merkmal anzusehen. Eine Verfestigung des Untergrundes mittels Zementinjektion zur Erhöhung der Tragfähigkeit ist in dem Verfahren weder vorgesehen noch möglich. Zudem kann der Spinnanker nur bei einem ausreichend homogenen Untergrund ohne größere Steine oder andere Hindernisse eingesetzt werden. Der Spinnanker ist, wie im EP-Text beschrieben, von seinem Konzept her bevorzugt für zeitweilige Anwendungen geeignet (mit geschätzten Lastabgaben im Bereich einiger kN), wie für Einsätze auf Baustellen, zur Verankerung von Schildern, bei denen dann auf Abspannungen verzichtet werden kann, zur Sicherung von Schnee- und Windzäunen, auch für Einsätze in Sumpfböden und Wüstensand, Firnschnee etc. Unter der Veröffentlichung Nr. US 1550276 , „Anchoring Appliance”, Patent erteilt am 18.08.1925, ist ein weiteres, sehr altes Schutzrecht zu finden, allerdings in einem nahezu identisch anmutenden Anwendungsbereich wie der obige Spinnanker EP 1750020 A1 . Für die Abgrenzung des vorliegenden Schutzrechtes gegen diesen Stand der Technik liegt das EP 1750020 A1 eindeutig näher als US 1550276 .
In der Schweizer Patentschrift Nr. 298431 ”Bodenanker für waagerechte und lotrechte Zugbeanspruchung”, eingetragen am 15. Mai 1954, wird eine weitere Erfindung äußerlich ähnlichen Aufbaus wie die vorliegende Erfindung beschrieben. Hier sorgen eine Anzahl schräg nach außen verlaufender, mit dem Vorschlaghammer eingeschlagener Ankerelemente für die Einleitung einer aus beliebiger Richtung angreifenden Zugkraft in den Untergrund. Dieser ”Bodenanker” kann aber beispielsweise nur bei ausreichend homogenem Untergrund ohne größeren Steine eingesetzt werden. Der wesentliche Unterschied der vorliegenden Erfindung zu der genannten Patentschrift besteht darin, dass die Ankerstäbe der vorliegenden Erfindung in innigem Verbund zum Untergrund in umgebende Verpresskörper aus Zementmörtel in konzentrischer Position eingebettet und darüber hinaus wahlweise von weiteren derartigen Verpresskörpern ohne Ankerstäbe eng umgeben sind (siehe Abschnitt 23 dieser Beschreibung). Auf diese Weise entsteht in dem von den Ankern und zusätzlichen Verpresskörpern eingeschlossenen und durchsetzten Untergrundbereich der erfindungsgemäße, kompakte und monolithisch tragende Verankerungskörper.
Beim hier vorgeschlagenen Verankerungskörper wird die zu verankernde dynamische Zugkraft nicht, wie in der Praxis des Steinschlagschutzes bisher üblich, von einem einzigen, in etwa axial zur Kraftrichtung eingebauten Bodennagel als Einstabanker aufgenommen, dessen erforderliche Länge ”L” rechnerisch aufgrund vorliegender Erfahrungswerte oder im (axialen) Belastungstest zu ermitteln ist. Vielmehr wird hier die zu verankernde Kraft von einer Gruppe aus mehreren, im Beispiel drei Ankerstäben von etwa einem Drittel der Vergleichslänge ”L” aufgenommen; diese sind räumlich gegeneinander nach außen verspreizt und luftseitig in einer gemeinsamen Ankerkopfplatte zusammengefasst und befestigt, an der dann das oder die Zugkräfte angreifen.
Ein Einstab-Verankerungskörper der Länge L bildet im Boden eine quasi eindimensionale zylindrische Säule mit relativ geringer Masse, deren Tragfähigkeit sich durch die Mantelreibung zwischen dem Injektionsmörtel und dem Untergrund ergibt (Die Traglast wird bestimmt von einem Scherbruch entlang der Mantelfläche des Verpresskörpers und ist bei langen Verpresskörpern zudem von progressiver, den Endwert vermindernder Natur). Bei der erfindungsgemäßen Anordnung von im Beispiel drei Ankerstäben stellt sich dagegen ein völlig anderer Bruchmechanismus ein: Unter Last werden, bei geeigneter Wahl der Neigung der Ankerbohrungen, nicht drei einzelne zylindrische Verankerungskörper der Länge L/3 herausgezogen, sondern ein kompakter, nach unten breiter werdender Pyramiden- oder Kegelstumpf (bzw. ein Polyeder der sich im Untergrund zwischen den Ankerstäben bildet und zusätzlich noch Bereiche des umgebenden Erdreichs in der Form eines Ausbruchskegels aktiviert und mitnimmt. Dieser gesamte Ausbruchkörper, also der Verankerungskörper mitsamt dem Ausbruchkegel, wirkt beim Angriff einer dynamischer Belastung als träge Masse.
Der beschriebene Ausbruchkegel, unten begrenzt durch die Grundfläche des durch die Ankerstäbe eingeschlossenen und durchsetzten Verankerungskörpers, verbreitert sich nach oben bis zur Geländeoberfläche entlang einer Scherfläche, deren Neigungswinkel vom angetroffenen Untergrund abhängt, in Analogie zum ”Winkel der inneren Reibung φ (phi)”, einem in der Bodenmechanik benutzten Materialkennwert für die verschiedenen Lockergesteinsarten. Aus der Baustatik ist andererseits ein dem hier beschriebenen Bruchvorgang vergleichbares mechanisches Bruchmodell bekannt, nämlich der Durchstanzkegel einer Stütze durch eine Betonplatte.
Das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Modell erlaubt, im Gegensatz zur heute allgemein üblichen Umwandlung der dynamischen Reaktionen aus Steinschlagereignissen in statische Ersatzlasten, eine neuartige und wirklichkeitsnahe Bemessung für dynamische Beanspruchungen unter Zugrundelegung des Gesetzes von der Impulsänderung, bewirkt durch die über die Einwirkungszeit Δt angreifende Kraft F: ΔP = m × Δv = F × Δt, darin bedeuten:
ΔP die Impulsänderung, F die angreifende Kraft, Δt die Einwirkungszeit, m die beteiligte träge Masse und Δv die Geschwindigkeitsänderung der trägen Masse.
Ein vergleichsweise gedrungener, pyramiden-, kegel- oder polyederförmiger Verankerungskörper, hier im Beispiel gebildet aus drei räumlich verspreizten Ankerstäben und dem von ihnen umschlossenen Untergrundbereich, kann eine mehrfach höhere Belastung aufnehmen als ein eindimensional zylindrisch geformter Einstab-Ankerkörper der dreifachen Länge. Hinzu kommt: Weicht die Richtung des angeschlossenen Zugseils nicht unerheblich von der Achse eines Einstabankers stark ab, was öfter der Fall ist, könnte es nach Eintritt eines größeren Belastungsereignisses im Gebirge notwendig werden, den durch Schrägzug verformten und überbeanspruchten Einstabanker aus Sicherheitsgründen zu erneuern (vgl. Stand der Technik, Abschnitt 12). Dagegen ist ein erfindungsgemäßer Verankerungskörper unempfindlich gegen Schrägzug, da dort die Ankerstäbe fast ausschließlich axial belastet und so Querkräfte und Biegeeinflüsse von ihnen ferngehalten werden. Dies bedeutet einen Zuwachs an Systemsicherheit und erlaubt weitere Einsparungen.
Die benötigte Ankerkopfplatte, zweckmäßigerweise gefertigt aus duktilem Gussstahl, bevorzugt ausgestattet mit einer Mittelbohrung zur Aufnahme auch eines axial angeordneten Ankerstabes, weist mindestens zwei in der Gussform der Platte integrierte Augen (Ösen) zur Befestigung des oder der Zugseile mit handelsüblichen Mitteln auf und ist in ihrem äußeren Bereich mit einer Anzahl von Löchern versehen, die zur Befestigung der mit Zement verpressten Ankerstäbe dienen. Die äußeren Löcher zur Aufnahme der Ankerstäbe sind bevorzugt in radialer Richtung verlaufende Langlöcher oder zum Rand der Platte hin offene Schlitzlöcher, an den Oberkanten jeweils mit einer Fase versehen. Vorteilhaft ist eine Aufwölbung der Oberseite der Platte zum Rand hin, zur Verminderung von Winkeldifferenzen beim Anschluss der Ankerstäbe. Die Augen zum Anschließen des oder der Zugseile werden am Rand der Platte, wahlweise in Form eines Querriegels am äußeren Rand der Langlöcher oder jeweils zwischen benachbarten Schlitzlöchern angebracht, vorteilhafterweise integriert in der Gussform der Platte.
Günstig wirkt sich im vorliegenden Fall aus, dass es von den Bohrarbeiten her nur einen geringen Mehraufwand bedeutet, nach dem Aufstellen und Ausrichten der Bohrmaschine im Gelände aus der bezogenen Position nacheinander mehrere, also im zuerst dargelegten Beispiel drei kürzere Ankerlöcher zu bohren, anstatt eines einzigen mit dreifacher Bohrtiefe. Zweckmäßigerweise können, bei entsprechenden Untergrundverhältnissen, aus derselben Bohrposition heraus weitere, die Ankerbohrungen eng umgebende reine Injizierbohrungen zur Konsolidierung und zur Erhöhung der Tragfähigkeit des Verankerungskörpers abgeteuft werden.
Dieser letztgenannte Verfahrensschritt erlaubt eine Tragkrafterhöhung der vorliegenden Erfindung, nämlich pro Anker zusätzlich eine oder mehrere reine Injektionsbohrungen mit nur geringer Winkelabweichung gegenüber der Stabachse abzuteufen, jeweils vor dem Setzen der schräg nach außen verlaufenden Ankerstäbe, und zwar von den selben Bohrpunkten aus in seitlicher und/oder radialer Abspreizung gegenüber dem jeweiligen Ankerstab. Je nach Beschaffenheit des Untergrundes und der Größe der angreifenden Lasten können durch diese Maßnahme bei vergleichsweise geringem zusätzlichen Bohraufwand einerseits um jeden Ankerstab herum schlanke ”sekundäre Verankerungskegel” erzeugt und so die Einzel-Ausziehwiderstände deutlich erhöht werden; andererseits wird erreicht, dass der Verankerungskörper zuverlässig seine angestrebte kegel- oder pyramidenförmige Gestalt erhält und zugleich konsolidiert und stabilisiert wird.
Ein weitere wichtiger Verfahrensschritt zur Erhöhung der Tragfähigkeit des Verankerungskörpers besteht darin, dass bei den Bohrarbeiten – für die Ankerstäbe wie für die reinen Injizierbohrungen – das aus der Technik der Verpressanker bekannte Nachverpressverfahren zum Einsatz kommt. Dieses erlaubt, mittels in die Bohrlöcher eingeführter Nachverpresslanzen, die im unteren Drittel ihrer Länge mit mindestens einem Nachverpressventil ausgestattet sind, einige Stunden nach dem Setzen der Ankerstäbe (”Ansteifen” der Primärinjektion) in den tiefer gelegenen Bodenschichten Nachinjektionen mit höheren Drücken vorzunehmen. Die Traglast der Anker wird hiermit in aller Regel erheblich gesteigert.
Das vorgeschlagenen Konzept erlaubt auch, zu einem späteren Zeitpunkt zusätzliche Injektionsbohrungen vorzunehmen oder zusätzliche Ankerstäbe zu setzen und an der Ankerkopfplatte anzuschließen, um den Verankerungskörper und damit die Tragfähigkeit der Verankerung zu vergrößern, beispielsweise beim Aufrüsten eines bestehenden Schutzsystems auf eine höhere Energieklasse, oder um nachzubessern bei ungenügender Tragfähigkeit, festgestellt anlässlich einer Belastungsprobe.
Zur Überprüfung und Sicherstellung der Qualität der Zementinjektion im Verankerungskörper kann es zweckmäßig sein, ein zentrales und/oder mehrere außen liegende Leerrohre abzuteufen, für Dichtemessungen mittels bekannter geophysikalischer Messverfahren wie z. B. Bohrlochradar. Wahlweise kann zu diesem Zweck dem verwendeten Injektionsgut auch eine für radioaktive Messungen eingesetzte ”Tracer-Substanz”, beispielsweise Eisenpulver, beigemengt werden.
Bei weichem Untergrund und/oder sofern zu erwarten ist, dass Ankerstäbe bei starkem Schrägzug Druckkräfte statt Zugkräfte erhalten, ist es zweckmäßig, auf dem betreffenden Stab vor der Montage der Ankerkopfplatte unterhalb eine Gegenmutter anzubringen.
Wahlweise kann auch ein Bohrverfahren zur Herstellung von Bodenankern mit einer planmäßigen Krümmung eingesetzt werden.
Zeichnungen
In den Zeichnungen ist ein erfindungsgemäßer Verankerungskörper mit drei unter dem Winkel α gegen die Vertikale geneigten Ankerstäben 3 gezeigt, in 1 in einem senkrechten Schnitt längs der Linie I-I, in 2 in einer Draufsicht längs der Linie II-II, etwas unterhalb der Geländeoberfläche.
3 und 4 zeigen beispielhaft zwei mögliche Formgebungen der Ankerkopfplatte, mit im Winkel β aufgewölbter Oberseite und, in der linken Hälfte, den Langlöchern zur Aufnahme der Ankerstäbe, mit den integrierten Augen zur Befestigung eines oder mehrerer Zugseile, sowie, in der rechten Hälfte, den Schlitzlöchern mit in den Zwischenräumen angeordneten Augen zur Befestigung der Zugseile.
5 und 6 zeigen im jeweils senkrechten und waagerechten Schnitt V-V und VI-VI eine alternative Ausformung des Verankerungskörpers mit jeweils im Winkel γ um die Ankerstäbe herum angeordneten reinen Injizierbohrungen ohne Ankerstäbe.
In 7 ist eine ideelle Gesamtansicht des Verankerungskörpers gezeigt, mit den Durchmesservergrößerungen der Verpresskörper infolge Nachverpressung („Nachverpressknollen”), mit zusätzlichen Leerbohrungen für spätere Dichtemessungen sowie der unter Zugbelastung entstehende Ausbruchkegel, dessen Bruchlinie gegen das stehen bleibende Erdreich unter dem Winkel φ geneigt ist. Dieser Ausbruchkegel bildet unter dynamischer Last zusammenwirkend mit dem der Verankerungskörper die träge Masse des Systems.
8 bis 10 sind in Kopie der erwähnten Richtlinie und ihrer Ergänzung (siehe Seite 2 + 3) entnommen und belegen den derzeitigen Stand der Technik. Mit dem Sternzeichen *) sind die Einbauorte der Verankerungskörper markiert.
In 1 bis 4 ist ein erfindungsgemäßer Verankerungskörper 1 dargestellt – sowie, in 3 und 4 schematisch angedeutet, der umgebende Ausbruchkegel 1a –, belastet durch die schräg angreifende Zugkraft 2, mit drei Ankerstäben 3, jeweils umhüllt von den Verpresskörpern 4 und umgeben von den zusätzlichen Verpresskörpern 4a. Die Ankerstäbe 3 sind luftseitig verbunden durch die gemeinsame Ankerkopfplatte 5, mit dem Zentrumsloch 6 und, wahlweise, den Langlöchern 7 oder den Schlitzlöchern 8 zur Befestigung der Ankerstäbe 3. Die Oberseite 9 der Ankerkopfplatte 5 ist im Bereich der Löcher 7 bzw. 8 aufgewölbt, um eine achsgerechte Einleitung der Kräfte aus den Ankerstäben in die Platte zu gewährleisten. Die Ösen 10 bzw. 11 dienen zum Anschließen der Zugseile. In 7 sind die Ankerelemente 3, die Verpresskörper 4 und 4a mit den Nachverpressknollen 4b sowie der Ausbruchkegel 1a dargestellt. Ziffer 12 bezeichnet die für geophysikalische Messverfahren abgeteuften Leerrohre.
Bezugszeichenliste

1: Verankerungskörper
1a: Ausbruchkegel
2: Zugkraft, schräg
2a: Zugkraft, axial
3: Ankerelemente
4: Zylindrische Verpresskörper der Ankerelemente
4a: Zylindrische Verpresskörper ohne Ankerelement
4b: Durchmesser-Vergrößerungen (Nachverpressknollen) an den Verpresskörpern
5: Ankerkopfplatte
6: Zentrumsloch
7: Langlöcher
8: Schlitzlöcher
9: Randaufwölbung
10: Befestigungsöse, zwischen den Schlitzlöchern angeordnet
11: Befestigungsöse, in den Langlöchern integriert
12: Leerrohre für Dichtemessung
*): Standorte der Verankerungskörper (8 und 9)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1750020 A1 [0018, 0018, 0018]
US 6871455 B1 [0018]
DE 1271045 B [0018]
FR 867153 A [0018]
EP 1122372 A [0018]
US 1550276 [0018, 0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Richtlinie ETAG 027 ”Falling Rock Protection Kits” der EOTA (European Organisation for Technical Approvals, siehe www.eota.eu, dort ”endorsed etags”) [0003]
Kapitel 2.4.3 ”Classification of the AssembledSystem”, nach Maßgabe der von der Installation zu absorbierenden Energie in Kilo-Joule (kJ). Im Anhang A, (Seite 33 ff), ”Impact Test Method” [0003]
Homepage des Schweizerischen Bundesamtes für Umwelt BAFU, siehe dort ”Richtlinie über die Typenprüfung von Schutznetzen gegen Steinschlag”, herausgegeben vom Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft)BUWAL) und der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL, Bern 2001. (www.bafu.admin.ch, dort: Naturgefahren, dann: Weitere Themen: Bergsturz, Felssturz, Steinschlag... dort: Weitere Publikationen a) Technische Maßnahmen Typenprüfung und b) Richtlinie über die Typenprüfung von Schutznetzen gegen Steinschlag) [0004]
Richtlinie über die Typenprüfung von Schutznetzen gegen Steinschlag, Ergänzung zu Kapitel 7 ”Fundation”: Verankerung und Fundation von Schutznetzen gegen Steinschlag, Entwurf Juni 2008, Eidgenössische Forschungsanstalt WSL, Zürcher Strasse 111, CH-8903 Birmensdorf [0007]
www.trumerschutzbauten.com [0008]
www.geobrugg.com [0008]

Claims

Vorrichtung in der Form eines Verankerungskörpers (1) für die Einleitung von Zugkräften (2) in den Untergrund mittels Ankerelementen (3), die jeweils in einem Bohrloch angeordnet sind, wobei durch Verpressen des Bohrloches mit einer erhärtbaren Masse ein zylindrischer, das Ankerelement (3) konzentrisch umschließender Verpresskörper (4) gebildet wird, der eine an dem Ankerelement (3) angreifende Kraft in den das Bohrloch umgebenden Untergrund überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bevorzugt drei oder mehr Ankerelemente (3) in einer räumlichen Anordnung derart im Untergrund angeordnet sind, dass deren gegenseitigen Abstände am luftseitigen Ende kleiner sind als im Bereich der gegenüberliegenden Enden, und dass die luftseitigen Enden der Ankerelemente (3) nahe der Geländeoberfläche einen gemeinsamen Verankerungspunkt für die Zugkräfte (2) bilden, wobei die Ankerelemente (3) etwa in Geländehöhe in einer gemeinsamen Ankerkopfplatte (5) zusammengefasst und wahlweise auf Zug oder auf Zug und Druck befestigt sind, und wobei die Verpresskörper (4) im Bereich nahe der Ankerkopfplatte (5) ineinander übergehen und sich und gegenseitig durchdringen können, insgesamt mit dem Ergebnis, dass im Zusammenwirken der Ankerelemente (3) und der Verpresskörper (4) mit dem von diesen umschlossenen und/oder durchsetzten Untergrundbereich der unter den Zugkräften (2) monolithisch wirkende räumliche Verankerungskörper (1) etwa in der Gestalt eines Kegel- oder Pyramidenstumpfes erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerelemente (3) gegenüber der Längsachse des Verankerungskörpers (1) in einem Winkel α von 5° bis 45°, vorzugsweise von etwa 25° nach außen geneigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerelemente (3) gegenüber der Längsachse des Verankerungskörpers (1) in einem Winkel α von 5° bis 45°, vorzugsweise von etwa 25° nach innen zur Längsachse hin geneigt und kreuzend aneinander vorbeigeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerkopfplatte (5) Öffnungen zur Durchführung und Befestigung der Ankerelemente (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen zum Durchführen und Befestigen der Ankerelemente (3) in der Ankerkopfplatte (5) aus einem Rundloch im Zentrum (6) sowie aus einem Kranz, wahlweise, von Rundlöchern oder bevorzugt von Langlöchern (7) oder von zum Rand der Ankerkopfplatte (5) hin offenen Schlitzlöchern (8) bestehen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Ankerkopfplatte (5) im Bereich der Öffnungen (7), (8) zur Oberseite bzw. Unterseite hin in einem Winkel β von 10° bis 30°, vorzugsweise etwa 20° aufgebogen (9) bzw. abgebogen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ankerkopfplatte (5), bevorzugt in Höhe ihrer Oberseite, mindestens ein Kraftübertragungselement zur Einleitung der Zugkräfte (2) angeordnet ist, vorzugsweise am Rand der Ankerkopfplatte (5) als in der Form der Ankerkopfplatte (5) integriertes Auge.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ankerkopfplatte (5) ein oder mehrere Augen (10) jeweils in den Zwischenräumen benachbarter Schlitzlöcher (8) angebracht sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ankerkopfplatte (5) ein oder mehrere Augen jeweils durch Querriegel (11) als äußere Begrenzung der Langlöcher (7) angebracht sind.
Verfahren zur Herstellung eines Verankerungskörpers für eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um einen Verankerungspunkt herum im Untergrund bevorzugt drei Bohrlöcher derart gesetzt werden, dass deren im Boden liegende Enden einen größeren radialen Abstand zum Verankerungspunkt haben als deren luftseitigen Enden, wobei die Bohrlöcher nach Einbringen eines Ankerelements (3) mit einer erhärtbaren Masse verpresst werden, wobei sich um jedes Ankerelement (3) ein Verpresskörper (4) bildet, und wobei die Ankerelemente (3) etwa in Höhe der Geländeoberfläche in einer gemeinsamen Ankerkopfplatte (5) zusammengefasst und zugfest oder zug- und druckfest verankert werden, insgesamt mit dem Ergebnis, dass im Zusammenwirken der Ankerelemente (3) und der Verpresskörper (4) mit dem von diesen umschlossenen und/oder durchsetzten Untergrundbereich der unter den Zugkräften (2) monolithisch wirkende räumliche Verankerungskörper (1) etwa in der Gestalt eines Kegel- oder Pyramidenstumpfes erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Ankerelementen (3) – bevorzugt von der selben Arbeitsposition der Bohrmaschine ausgehend und somit ebenfalls durch den Verankerungspunkt verlaufend –, mindestens jeweils eine reine Injizierbohrung ohne ein Ankerelement (3) abgeteuft und mit erhärtbarer Masse verpresst wird, wodurch in diesen Injizierbohrungen die Verpresskörper (4a) entstehen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpresskörper (4a) das zugehörige Ankerelement (3) bei einer gegenseitigen Winkeldifferenz der Bohrachsen γ von 3° bis 15° räumlich umschließen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpresskörper (4) und/oder (4a) bevorzugt mit einer bekannten Nachverpresslanze mit Nachverpressventilen derart ausgestattet werden, dass, bevorzugt in der unteren Hälfte der Länge der Verpresskörper (4) und/oder (4a), jeweils eine oder mehrere Durchmesservergrößerungen (”Nachverpressknollen”) (4b) infolge des Nachverpressens mit erhärtbarer Masse unter erhöhtem Druck erzeugt werden.
Verfahren zur Verstärkung eines Verankerungskörpers (1) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, nötigenfalls auch zu einem späteren Zeitpunkt, weitere reine Injizierbohrungen (4a), wahlweise versehen mit Nachverpresslanzen, in dem von den Ankerelementen (3) umschlossenen und/oder durchsetzten Bereich oder außerhalb dieses Bereichs gesetzt werden, die zur Ergänzung, Verfestigung oder Verdichtung des Verankerungskörpers (1) mit einer erhärtbaren Masse verpresst und, falls erforderlich, nachverpresst werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verankerungskörper (1) oder um diesen herum Leerrohre (12) für vergleichende Dichtemessungen abgeteuft werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erhärtbaren Masse zum Injizieren oder Nachverpressen der Bohrlöcher eine Tracer-Substanz beigemengt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerelemente (3) sowie die Verpresskörper (4) und (4a) eine unterschiedliche Länge haben und gerade oder wahlweise planmäßig gekrümmt verlaufen können.
Verfahren zur Dimensionierung eines Verankerungskörpers (1) innerhalb einer Anordnung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Traglast des Verankerungskörpers (1) unter Zugrundelegung der Impulsänderung der trägen Masse aus dem Gesamtvolumen des Verankerungskörpers (1) und des von diesem unter der axialen Zugkraft (2a) aktivierten Ausbruchkegels (1a) errechnet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem statischen Belastungsversuch unter der axialen Zugkraft (2a) der Neigungswinkel φ der Grenzlinie (Scherfläche) des Ausbruchkegels (1a) gegen die Vertikale als Materialkennwert für die Art des Untergrunds ermittelt wird.
Verfahren zur experimentellen Ermittlung der trägen Masse eines Verankerungskörpers (1) innerhalb einer Anordnung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – innerhalb eines noch festzulegenden Versuchsprogramms – zur Bestimmung einer dynamischen Traglast des Verankerungskörpers (1) und des von diesem unter der axialen Zugkraft (2a) aktivierten Ausbruchkegels (1a) ein axialer Zugversuch unter Aufbringung der – im Versuch schrittweise gesteigerten – Prüflast bis zur Traglast (Grenzlast) innerhalb einer Belastungszeit von 0,5 bis 2,0 Sekunden durchgeführt wird.