DE102011105061B4

DE102011105061B4 - Einbetonierbare, verschieblich ausgebildete Kopfkonstuktion zur Verankerung von Zugelementen an zyklisch beanspruchten Bauteilen

Info

Publication number: DE102011105061B4
Application number: DE102011105061.6A
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: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: DE102011105061A1; DE202010010749U1

Abstract

Einbetonierbare und verschieblich ausgebildete Kopfkonstruktion zur Verankerung von Zugelementen an zyklisch beanspruchten Bauteilen, mindestens umfassend ein im Boden mit einem Verpresskörper verankertes Zugelement (1) mit Gewinde, eine Mutter (9), eine Unterlegplatte (6) und eine Lasteinleitungsplatte (2), dadurch gekennzeichnet, dass im Gebrauchszustand der Kopfkonstruktion mit der Mutter (9) und dem Gewinde auf dem Zugelement (1) eine einstellbare Bewegungsfuge (F) mit einer vorbestimmbaren Bewegungsfugenbreite (a) zwischen der Lasteinleitungsplatte (2) und der Unterlegplatte (6) vorhanden ist, und dass das Zugelement (1) erst im Grenzzustand der Tragfähigkeit und entsprechend großer Bauteilverformung über die Kopfkonstruktion aktiviert wird, so dass durch die Reduzierung der zyklischen Beanspruchung ermüdungsrelevante Anteile der Beanspruchung aus einer zyklischen Verformung des Bauteils nicht auf das Zugelement (1) übertragen werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine einbetonierbare und verschieblich ausgebildete Kopfkonstruktion zur Verankerung von Zugelementen an zyklisch beanspruchten Bauteilen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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 1054:2010-12 Verpressanker oder Zugpfähle zur Anwendung.
Verpressanker erfordern eine Mindestvorspannung und tragen damit Zusatzlasten in das zu sichernde Bauteil 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 spielen bei Verpressankern aufgrund der hohen Vorspannung des Verankerungssystems und der Steifigkeitsverteilungen am System meistens eine untergeordnete Rolle. Solche Verpressanker sind beispielsweise aus der gattungsgemäßen DE 2 003 855 A sowie den DE 20 2008 001 248 U1 , DE 10 2006 003 216 A1 , EP 0 606 820 A1 , JP 2003-184 081 A oder JP 2006-112 064 A bekannt.
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 1054:2010-12 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 genannten 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.
Die JP 2001-115 449 A beschreibt einen Anker, der zur Sicherung eines Hangs mithilfe einer Betonarmierung eingesetzt wird. Der Anker sieht eine Verschieblichkeit der Stützplatten mittels dazwischengeschalteter Konstruktionselemente in Form von Federn vor. Die DE 197 20 638 A1 , EP 1 933 005 B1 und JP 2003-041 582 A zeigen ebenfalls Anker, die eine Verschieblichkeit der Stützplatten mittels zusätzlicher konstruktiver Elemente gewährleisten. Die konstruktiven Elemente sind dabei ebenfalls vorgespannt.
Problemlösung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kopfkonstruktion nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines lediglich bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur näher erläutert. Eine bestehende Schleusenkammerwand 12, die durch den wechselnden Wasserstand in der Schleusenkammer zyklisch beansprucht und verformt wird, muss im Grenzzustand für extrem hohe Grundwasserstände hinter der Schleusenkammerwand 12 gegen Kippen nachträglich gesichert werden. Die nachträgliche Bauwerkssicherung erfolgt durch ein Zugelement 1, das im Boden mit einem Verpresskörper verankert ist. Die Verankerung des Zugelements 1 im Bereich der Schleusenkammer erfolgt mit der neu entwickelten Kopfkonstruktion. Als Zugelement 1 kommt ein Stabstahl mit Gewinderippen, vorzugsweise aus Betonstahl, zur Anwendung. Neben der erforderlichen Bauwerkssicherung erhält die Schleusenkammerwand 12 eine Betonvorsatzschale 13, um die Dauerhaftigkeit der Schleusenkammerwand 12 zu erhöhen.
Bei der Montage der Kopfkonstruktion wird eine Lasteinleitungsplatte 2 in einem Mörtelbett 4 planparallel zu einer Unterlegplatte 6 eingebaut und durch eine Dübelkonstruktion mit der Schleusenkammerwand 12 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 Schleusenkammerwand 12 bei horizontalen Kammerwandverformungen durch Schleusungsvorgänge frei über das im Boden verankerte Zugelement 1 hin und her gleiten. Das Gleitlager besteht aus einer äußeren Gleitlagerhülse 3 und einer inneren Gleitlagerhülse B. 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 ein 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 Gleitlagerhfüse 8 durch die äußere Gleitlagerhülse 3 geführt wird. Der Zwischenraum zwischen Rohr 7 und Zugelement 1 wird mit einer 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 1 infolge der zyklischen Wandverformung ausgeschlossen.
Mit einer Mutter 9 wird eine nach Statik erforderliche Bewegungsfugenbreite a einer Bewegungsfuge F eingestellt. Damit wird festgelegt, ab welchem Grundwasserstand hinter der Schleusenkammerwand 12 und damit verbundenen Wandverformung ein Kraftschluss zwischen Lasteinleitungsplatte 2 und Unterlegplatte 6 erfolgt und die Schleusenkammerwand 12 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. Eine 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.
Eine äußere Stahlkappe 11 dient als verlorene Schalung bei der Herstellung der Vorsatzschale 13 und stellt mit dem Abstand a + b zur inneren Stahlkappe 10 den erforderlichen freien Verformungsweg der Schleusenkammerwand 12 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 1 und der ermüdungsfreien Kopfkonstruktion kann die Schleusenkammerwand 12 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 1 in Abhängigkeit der Bauteilverformung kann durch den Abstand zwischen Unterlegplatte 6 und Lasteinleitungsplatte 2 und der dadurch entstehenden Bewegungsfuge F 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 1 über die Kopfkonstruktion aktiviert. Dadurch wird eine zyklische Beanspruchung der Kopfkonstruktion, des Zugelementes 1 und der Verbundfuge zwischen Verpresskörper und Boden im Gebrauchszustand deutlich reduziert bzw. vermieden.
Die volle Tragfähigkeit der Kopfkonstruktion und des Zugelements 1 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 1 und zu verankernden Bauteil kann die Qualität der Verankerung an der vom Bauteil abgewandten Seite des Zugelementes 1 durch übliche Abnahmeprüfungen kontrolliert werden.
Wird die Kopfkonstruktion einbetoniert, bleibt die volle Funktion der Verschiebbarkeit zwischen Zugelement 1 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.
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
12: Schleusenkammerwand
13: Vorsatzschale
F: Bewegungsfug

Claims

Einbetonierbare und verschieblich ausgebildete Kopfkonstruktion zur Verankerung von Zugelementen an zyklisch beanspruchten Bauteilen, mindestens umfassend ein im Boden mit einem Verpresskörper verankertes Zugelement (1) mit Gewinde, eine Mutter (9), eine Unterlegplatte (6) und eine Lasteinleitungsplatte (2), dadurch gekennzeichnet, dass i m Gebrauchszustand der Kopfkonstruktion mit der Mutter (9) und dem Gewinde auf dem Zugelement (1) eine einstellbare Bewegungsfuge (F) mit einer vorbestimmbaren Bewegungsfugenbreite (a) zwischen der Lasteinleitungsplatte (2) und der Unterlegplatte (6) vorhanden ist, und dass das Zugelement (1) erst im Grenzzustand der Tragfähigkeit und entsprechend großer Bauteilverformung über die Kopfkonstruktion aktiviert wird, so dass durch die Reduzierung der zyklischen Beanspruchung ermüdungsrelevante Anteile der Beanspruchung aus einer zyklischen Verformung des Bauteils nicht auf das Zugelement (1) übertragen werden.
Kopfkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlegplatte (6) fest mit der Mutter (9) verbunden ist.
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasteinleitungsplatte (2) auf einem Mörtelbett (4) aufgelegt und über mindestens eine eingebohrte Dübelkonstruktion fest mit dem zu verankernden Bauteil verbunden ist.
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lasteinleitungsplatte (2) rechteckig ausgeführt ist und in einer runden Öffnung im Zentrum der rechteckigen Lasteinleitungsplatte (2) eine äußere Gleitlagerhülse (3) eingeschoben und fest mit der Lasteinleitungsplatte (2) verbunden ist.
Kopfkonstruktion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der äußeren Gleitlagerhülse (3) und einer inneren Gleitlagerhülse (8) ein Ringspalt besteht.
Kopfkonstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Gleitlagerhülse (8) über ein Rohr (7) geschoben und fest mit diesem verbunden ist
Kopfkonstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfkonstruktion eine äußere Stahlkappe (11) und eine innere Stahlkappe (10) umfasst und ein Abstand (a + b) zwischen äußerer Stahlkappe (11) und innerer Stahlkappe (10) vorhanden ist.
Kopfkonstruktion nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Stahlkappe (11) quaderförmig ausgebildet ist und durch die Baubreite der äußeren Stahlkappe (11) ein Verdrehen der rechteckigen Unterlegplatte (6) verhindert ist.