DE102011105061A1

DE102011105061A1 - Einbetonierbare,verschieblich ausgebildete und ermüdungsfreie Kopfkonstuktion zur Verankerung von Zugelementen an zyklischen Bauteilen

Info

Publication number: DE102011105061A1
Application number: DE102011105061A
Authority: DE
Inventors: Martin Deutscher; Thomas Mösle; Helmut Fleischer
Original assignee: BUNDESANSTALT fur WASSERBAU
Current assignee: Bundesanstalt fur Wasserbau
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: DE202010010749U1; DE102011105061B4

Abstract

Bei nicht vorgespannten Zugelementen an Beiteilen unter Wechseleinwirkung wird die für die Verankerung erforderliche Kopfkonstruktion dauerhaft durch zyklische Lastenanteile beansprucht. Eine Vorspannung der Zugelemente reduziert einerseits die Ermüdungsbeanspruchung, führt aber andererseits zu einer schädlichen Zusatzbeanspruchung des zu sichernden Bauteils. Mit der neuen Kopfkonstruktion können Zugelemente ohne Vorspannung ausgebildet werden, ohne dass ermüdungsrelevante Anteile der Beanspruchung auf die Verankerungskonstruktion übertragen werden. Durch die Ausbildung einer Bewegungsfuge mit der Fugenbreite a zwischen der Lasteneinleitungsplatte (2) und der Unterlegplatte (6) sowie der Anordnung der äußeren (3) und inneren Gleitiagerhülse (8) kann sich das zyklisch beanspruchte Bauteil frei über dem Zugelement (1) verschieben. Erst im Grenzzustand der Tragfähigkeit mit entsprechend großer Beiteilverformung wird die Fugenbreite a abgebaut und das Zugelement über die Kopfkonstruktion aktiviert. Durch die neue Kopfkonstruktion besteht die Möglichkeit, bestehende zyklisch beanspruchte Bauteile, wie zum Beispiel Schleusenkammerwände mit nicht vorgespannten Zugelementen, zu sichern, ohne dass Ermüdungsbeanspruchungen im Zugelement und Ankergrund auftreten.

Description

Technisches Gebiet
Die erfundene Kopfkonstruktion gehört zum technischen Gebiet des Bauwesens. Mit der neuen Kopfkonstruktion können Zugelemente zur Sicherung von vorzugsweise zyklisch beanspruchten Bauteilen verankert werden.
Stand der Technik und technisches Problem
Verankerungen zur Sicherung von Bauteilen bestehen prinzipiell aus einer Kopfkonstruktion, einem Zugelement und einem Krafteinleitungselement außerhalb des Bauteils. Erfolgt die Sicherung unmittelbar im Boden, kommen nach geltender DIN 1054 Verpressanker oder Zugpfähle zur Anwendung.
Verpressanker erfordern eine Mindestvorspannung und tragen damit Zusatzlasten in das zu sichernde Bauten ein, die dessen Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit negativ beeinflussen können. Bei einer nachträglichen Sicherung entstehen Zusatzlasten, für die das Bauwerk ursprünglich nicht konzipiert wurde. Aufgrund dieser Zusatzlasten können Verformungen erzeugt werden oder zusätzliche Beanspruchungen etc. im Bauwerk entstehen, die nicht schadensfrei aufgenommen werden können. Dies hat dann zur Folge, dass vorgespannte Anker nicht verwendet werden können. Zyklische Anteile in der Gesamtbelastung spielt bei Verpressankern aufgrund der hohen Vorspannung des Verankerungssystems und der Steifigkeitsverteilungen am System meistens eine untergeordnete Rolle.
Bei Zugpfählen im Boden können sich bereits bei zyklischen Lastanteilen von 20% des charakteristischen Pfahlwiderstandes deutliche Verschlechterungen des Tragverhaltens einstellen. Pfahltragfähigkeiten unter zyklischer Belastung unterhalb des Grundwasserspiegels sind außerdem bis heute ohne Probebelastungen nicht eindeutig zu bewerten. Die vergleichbar hohen Lastzyklen für eine notwendige Probebelastung sind jedoch auf der Baustelle schwer zu realisieren. Im Hinblick auf mögliche Lageveränderungen von Pfählen werden nach geltender DIN 1054 regelmäßige Überwachungen von zyklisch beanspruchten Pfählen empfohlen. Der Vorteil von Pfahlkonstruktionen im Vergleich zu den vorgespannten Verpressankern besteht jedoch darin, dass keine zusätzlichen Lasten in die vorhandene Baukonstruktion eingeleitet werden.
Beide oben genanten Verankerungsverfahren haben klare Einsatzgrenzen, die eine Anwendung zur Verankerung von Zugelementen an zyklisch beanspruchten Bauteilen, besonders bei nachträglichen Ertüchtigungsmaßnahmen, z. B. bei Schifffahrtschleusen oder zu sichernden Bauteilen im Tidegebiet, aber auch in anderen Bereichen, deutlich reduzieren.
Prablemlösung
Die Problemlösung besteht in der Entwicklung und Gestaltung des Kopfdetails zur Verankerung eines Zugelements zur Sicherung von zyklisch beanspruchten Bauteilen mit dem Ergebnis, dass ermüdungsrelevante Anteile der Beanspruchungen aus einer zyklischen Verformung nicht auf das Zugelement Übertragen werden. Das erfolgt durch die Anordnung einer Bewegungsfuge mit einstellbarem Abstand an der Übertragungsstelle zwischen dem Zugelementkopf und dem zu sichernden Bauteil. Das Zugelement nimmt dadurch nur die statische Gesamtlast im Bruchzustand einschließlich aller Sicherheiten bei den dann auftretenden großen Verschiebungen auf. Voraussetzung dabei ist, dass das Bauteil die wesentlich kleineren zyklischen Lastanteile im Gebrauchszustand ohne Mitwirkung der Ankerelemente aufnehmen kann, oder aber dass nur ein solcher Bruchteil der zyklischen Beanspruchung Übertragen wird, der von der Verankerungskonstruktion sicher aufgenommen werden kann.
Beispiel
Eine bestehende Schleusenkammerwand, die durch den wechselnden Wasserstand in der Schleusenkammer zyklisch beansprucht und verformt wird, muss im Grenzzustand für extrem hohe Grundwasserstände hinter der Schleusenkammerwand gegen Kippen nachträglich gesichert werden (siehe Zeichnung). Die nachträgliche Bauwerkssicherung erfolgt durch ein Zugelement, das im Boden mit einem Verpresskörper verankert ist. Die Verankerung des Zugelements im Bereich der Schleusenkammer erfolgt mit der neu entwickelten Kopfkonstruktion. Als Zugelement kommt ein Stabstahl mit Gewinderippen, vorzugsweise aus Betonstahl, zur Anwendung. Neben der erforderlichen Bauwerkssicherung erhält die Kammerwand eine Betonvorsatzschale, um die Dauerhaftigkeit der Schleusenkammerwand zu erhöhen. Zur beispielhaften Beschreibung der Kopfkonstruktion werden die auf der Zeichnung dargestellten Bauteile wie folgt benannt:
Bezugszeichenliste

1: Zugelement mit Gewinderippen
2: Lasteinleitungsplatte
3: Äußere Gleitlagerhülse
4: Mörtelbett
5: Korrosionsschutzmasse
6: Unterlegplatte
7: Rohr
8: Innere Gleitlagerhülse
9: Mutter
10: Innere Stahlkappe
11: Äußere Stahlkappe

Bei der Montage der Kopfkonstruktion wird die Lasteinleitungsplatte (2) in einem Mörtelbett (4) planparallel zur Unterlegplatte (6) eingebaut und durch eine Dübelkonstruktion mit der Schleusenkammerwand verbunden. Die Größe der Lastverteilungsplatte (2) wird in Abhängigkeit der vorhandenen Altbetonqualität gewählt.
Um die zyklische Beanspruchung durch die Schleusungsvorgänge nicht auf die Verankerungskonstruktion zu übertragen, enthält die neue Kopfkonstruktion ein Gleitlager. Durch die Anordnung des Gleitlagers kann die Kammerwand bei horizontalen Kammerwandverformungen durch Schleusungsvorgänge frei über das im Boden verankerte Zugelement (1) hin und her gleiten. Das Gleitlager besteht aus der äußeren Gleitlagerhülse (3) und der inneren Gleitlagerhülse (8). Vorzugsweise bestehen die Gleitlagerhülsen aus Kunststoff und weisen einen runden Querschnitt auf. Die äußere Gleitlagerhülse (3) ist fest mit der Lasteinleitungsplatte (2) verbunden. Die innere Gleitlagerhülse (8) wird über das Rohr (7) geschoben und fest mit ihm verbunden. Das Rohr (7) ist an die Unterlegplatte (6) angeschweißt und wird bei der Montage über das im Boden verankerte Zugelement (1) geschoben, sodass die innere Gleitlagerhülse (8) durch die äußere Gleitlagerhülse (3) geführt wird. Der Zwischenraum zwischen Rohr (7) und Zugelement (1) wird mit Korrosionsschutzmasse (5) ausgefüllt.
Durch die Wandbewegung aufgrund der Wasserstandswechsel in der Schleusenkammer entstehen neben den Lagerverschiebungen auch geringe Lagerverdrehungen. Daher werden die Gleitlagerhülsen mit einem Mindestspiel eingebaut. Im genannten Beispiel werden die Gleitlagerhülsen (3) und (8) mit einem Ringspalt von 2,5 mm ausgebildet. Dadurch wird eine Biegebeanspruchung des Zugelementes infolge der zyklischen Wandverformung ausgeschlossen.
Mit der Mutter (9) wird die nach Statik erforderliche Bewegungsfugenbreite (a) eingestellt. Damit wird festgelegt, ab welchem Grundwasserstand hinter der Schleusenkammerwand und damit verbundenen Wandverformung ein Kraftschluss zwischen Lasteinleitungsplatte (2) und Unterlegplatte (6) erfolgt und die Wand durch das Zugelement (1) gehalten wird.
Die Mutter (9) wird nach Einstellung der Bewegungsfugenbreite (a) vorzugsweise mit einer Schweißnaht fest mit der Unterlegplatte (6) verbunden. Die innere Stahlkappe (10) wird zum Schutz des Zugelementes (1) und der Mutter (9) dicht an die Unterlegplatte (6) geschraubt. Der durch die innere Stahlkappe (10) und Unterlegplatte (6) gebildete Hohlraum wird mit Korrosionsschutzmasse (5) ausgefüllt.
Die äußere Stahlkappe (11) dient als verlorene Schalung bei der Herstellung der Vorsatzschale und stellt mit dem Abstand (a + b) zur inneren Stahlkappe (10) den erforderlichen freien Verformungsweg der Wand sicher. Weiter verhindert die äußere Stahlkappe (11) die Drehbewegung der Unterlegplatte (6) und somit ein unplanmäßiges losdrehen der Mutter (9).
Durch die einfache Nachrüstung mit dem Zugelement und der ermüdungsfreien Kopfkonstruktion kann die Schleusenkammerwand auch bei hohen Grundwasserständen im Grenzzustand gegen Kippen gesichert und ein kostenintensiver Neubau vermieden werden.
Vorteile
Durch die neue Kopfkonstruktion besteht die Möglichkeit zyklisch beanspruchte Bauteile mit nicht vorgespannten Zugelementen zu sichern.
Die Aktivierung des Zugelementes in Abhängigkeit der Bauteilverformung kann durch den Abstand zwischen Unterlegplatte (6) und Lasteinleitungsplatte (2) und der dadurch entstehenden Bewegungsfuge individuell und einfach mit der Mutter (9) und dem Gewinde auf dem Zugelement (1) eingestellt werden.
Erst im Grenzzustand der Tragfähigkeit und entsprechend großer Bauteilverformung wird das Zugelement über die Kopfkonstruktion aktiviert. Dadurch wird eine zyklische Beanspruchung der Kopfkonstruktion, des Zugelementes und der Verbundfuge zwischen Verpresskörper und Boden im Gebrauchszustand deutlich reduziert bzw. vermieden.
Die volle Tragfähigkeit der Kopfkonstruktion und des Zugelements kann ohne Abminderung der zulässigen Spannungen aufgrund von zyklischen Beanspruchungen und daraus resultierender Materialermüdung genutzt werden.
Im Gebrauchszustand werden die zu verankernden Bauteile nicht wie z. B. bei vorgespannten Injektionsankern durch Vorspannkräfte zusätzlich belastet.
Durch die freie Verschiebungsmöglichkeit zwischen Zugelement und zu verankernden Bauteil kann die Qualität der Verankerung an der vom Bauteil abgewandten Seite des Zugelementes durch übliche Abnahmeprüfungen kontrolliert werden.
Wird die Kopfkonstruktion einbetoniert, bleibt die volle Funktion der Verschiebbarkeit zwischen Zugelement und dem zu verankernden Bauteil erhalten.
Alle Bauteile der neuen Kopfkonstruktion sind handelsüblich, robust und dauerhaft und können mit üblichen Geräten des Baugewerbes eingebaut werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 1054 [0002]
DIN 1054 [0004]

Claims

Einbetonierbare, verschieblich ausgebildete und ermüdungsfreie Kopfkonstruktion zur Verankerung von Zugelementen an zyklisch beanspruchten Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Mutter (9) und dem Gewinde auf dem Zugelement (1) eine einstellbare Bewegungsfuge (a) zwischen Lasteinleitungsplatte (2) und der Unterlegplatte (6) vorhanden ist.
Kopfkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlegplatte (6) fest mit Mutter (9) verbunden ist.
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasteinleitungsplatte (2) auf einem Mörtelbett (4) aufgelegt und über eingebohrte Dübelkonstruktion fest mit dem zu verankernden Bauteil verbunden ist.
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer runden Öffnung im Zentrum der rechteckigen Lasteinleitungsplatte (2) die äußere Gleitlagerhülse (3) eingeschoben und fest mit der Lasteinleitungsplatte (2) verbunden ist.
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der äußeren Gleitlagerhülse (3) und der inneren Gleitlagerhülse (8) ein Ringspalt besteht.
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Gleitlagerhülse (8) über das Rohr (7) geschoben und fest mit diesem verbunden ist
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a + b) zwischen äußerer Stahlkappe (11) und innerer Stahlkappe (10) vorhanden ist.
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Baubreite der äußeren rechteckigen Stahlkappe (11) ein Verdrehen der rechteckigen Unterlegplatte (6) verhindert ist.