Erstellung von Verankerungen und geeignete Bohrmethoden in UHFB / UHPC

Neuartige Betonmischungen mit Faserbestandteilen sogenannte zementgebundene Ultra-Hochleistungs-Faservebund Baustoffe (UHFB gemäss SIA Merkblatt 2052) eröffnen Bauingenieuren und Planern neue Möglichkeiten in der Bemessung und dem Design von hochbeanspruchten Bauteilen. Daraus ergeben sich aber auf der Baustelle oftmals neue Herausforderungen bei der Weiterverarbeitung und Montage wie z.B. beim Erstellen von Bohrlöchern oder dem Installieren von Befestigungselementen.
In diesem Artikel werden verschiedene Bohrmethoden in UHFB geprüft und eine Entscheidungsgrundlage für die Bemessung von Verankerungen erläutert. (Lesedauer ca. 30min)

Für die Versuche in UHFB wurde ein Betonblock in den Dimensionen 100 x100 x 30 cm mit UHFB erstellt.

Bild 1: Prüfkörper aus UHFB für die Erstellung der Bohrlöcher

Erstellen von 81 Bohrlöchern mit Diamantbohrgerät DD30 und Bohrständer in Verbindung mit Wasseraufbereitungsgerät WMS 100. Zu Testzwecken werden einige Bohrlöcher auch traditionell mittels Hammerbohrer und z.B. TE-30 Hammerbohrer ausgeführt. Abstand der Bohrungen beträgt je 100 mm zu einander.
Die nötige Zeit für die Erstellung eines Bohrloches wird mittels Stoppuhr gemessen und protokolliert. Die Abnutzung wird in gleichmässigen Abständen visuell überprüft. Es ist davon auszugehen, dass über die Anzahl Bohrlöcher eine progressive Abnahme der Bohrgeschwindigkeit festzustellen ist oder gar einzelne Schneidzähne abbrechen könnten.

Überlegungen zur Wahl des Befestigungsmittels:
Da UHFB eine wesentlich grösser Druckspannung bzw. für die Dübelbemessung wichtige Zugspannung aufweist als normaler Beton, wird es möglich sein, mit einer kleineren Einbindetiefe als üblich höhere Lastwerte zu erreichen. Ein mechanischer Spreizanker ist für die Anwendung nicht optimal, da sich in Verbindung mit der hohen Druckfestigkeit des Untergrundes Probleme mit dem Spreizmechanismus ergeben könnten und die Anker einfach aus dem Bohrloch gezogen werden könnten.
Ein Ankersystem, welches auf Basis des grauen HIT-HY-200-A in Verbindung mit HIT-Z-(R) besteht, scheint vielversprechend, da dieses System auf eine Kombination der Wirkprinzipien einer Verankerung in Beton setzt. Zum einen werden die Kräfte über chemischen Verbund über Schubkräfte in den Untergrund geleitet und zum anderen wirken im Bruchzustand Spreizkräfte in Richtung der Bohrlochwandung. Damit liesse sich die erhöte Druck- und Zugfestigkeit des Untergrundes wahrscheinlich am besten ausnutzen. Zur Verifizierung dieser Hyppothese werden auch 20 Stück HAS-U A4 (Gewindestangen) verbaut und getestet.

Evaluation der geeigneten Bohrmethode in UHFB
Entgegen aller Erwartungen hat sich die klassische Variante mit Hammerbohrer TE-30 und einem Vierschneiden-Premium-Bohrer TE-CX gegenüber dem Diamantbohren durchgesetzt. Das Bohren in UHFB machte keinerlei Schwierigkeiten und die Bohrzeiten sind identisch zum Bohren in normalen unbewehrten Beton. Im Durchschnitt brauchte es zur Erstellung eines 70 mm tiefen Loches nur 18 Sekunden. Die Stahlfasern im Innern des Bohrloches wurden dabei sauber getrennt und verfingen sich nicht am Bohrer. Die Bohrlochreinigung (Ausblasen und Ausbürsten) konnte ebenfalls gut durchgeführt werden.

Bild 2: Detail Bohrloch mit abgetrennten Stahlfasern

Beim Diamantbohrgerät DD-30 ergaben sich allerdings einige Schwierigkeiten, weswegen wir von dieser Bohrmethode in UHFB abraten. Hauptproblem war das Entfernen des Bohrkörpers. Ein übliches Abbrechen des Bohrkörpers war unmöglich und die Stahlfasern am Bohrlochgrund machten ein Entfernen unmöglich. Zudem war die Bohrlochreinigung durch das einfallende Kühlwasser des DD-30 in Verbindung mit den Stahlfasern schwierig. Eine korrekte Bohrlochreinigung kann kaum sichergestellt werden.
Aus diesem Grund wurden nur 9 Bohrlöcher mit dem Diamantbohrgerät erstellt und die restlichen 72 mit dem Bohrhammer TE-30.

Bohrgeschwindigkeit und Abnutzung
Die Messungen ergaben ein eindeutiges Resultat zugunsten des Hammerbohrers TE-30 und CX-Bohrer.

Eine übermässige Abnutzung des Bohrers konnte nicht festgestellt werden. Auch nach 72 Bohrungen à 70 mm Tiefe waren beide Garantiekerben noch gut sichtbar. Auch die Hitzeentwicklung infolge Friktion an den Stahlfasern war von normalem Beton nicht zu unterscheiden.

Bild 3: Abnutzung der CX Bohrer nach 72 Bohrlöchern

Die Diamantbohrkrone SPX-T zeigte nach 9 Bohrungen ebenfalls keine Abnutzung an den Schneidezähnen.
Bei der Bohrlocherstellung hat sich der Einsatz eines Staubsaugers und die Verwendung von Handschuhen & Schutzbrille gelohnt. Das feine Bohrmehl mit Stahlfaserresten verursacht beim Verwischen viel Staub und die Stahlfasern dringen bei unvorsichtigen Bewegungen schnell in die Haut ein.
Zur Bohrlochreinigung wurde das Loch zuerst ausgeblasen, um das lose Bohrmehl zu entfernen und dann wurde eine Stahlbürste D=14mm mit der Maschinenkopplung an die TE-30 montiert, um das Loch von losen Faser- und Betonresten zu befreien. Anschliessend wurde das Loch nochmals mithilfe eines Blasbalgs ausgeblasen.

Auswertung der Belastungs- und Zugversuche
Der Probekörper wurde in 3 Sektoren aufgeteilt und die insgesamt 40 Ankerstangen (je 20 x HAS-U A4 und 20 x HIT-Z-R) wie folgt verteilt:

Bild 4: Einteilung und Erstellung der Verankerungen in UHFB

Jede Ankerstange wurde mit dem HAT 180 bis zum Versagen geprüft. Die Verschiebung wurde mit einem Wegmesser aufgezeichnet.

Bild 4: Prüfanordnung mit HAT 180 (hydraulische Presse bis 180 kN Zugkraft)

Resultate
Die Testresultate zeigen ein durchweg positives Bild. Wie erwartet kam es bei den HIT-Z-R Ankerstangen bereits bei einer Einbindetiefe von nur 70 mm immer zum Stahlbruch in einem hammergebohrten Bohrloch. Einzig bei den 4 diamantgebohrten Löchern kam es bei 2 Ankern zum Herausziehen des Dübels. Dies ist auf die schlechte Reinigungsmöglichkeit und die glatte Oberfläche des diamantgebohrten Loches zurückzuführen. Ebenfalls eine weitere Begründung bei UHFB besser auf diamantgebohrte Löcher zu verzichten. Bei den HAS-U A4 Ankerstangen waren die Resultate durchzogen. Bei über der Hälfte der Ankerstangen konnten diese aus dem Bohrloch gezogen werden. Erfreulich war allerdings die Tatsache, dass bei allen Versagensarten entweder der Stahl nachgegeben hat oder der Mörtel versagt hat – aber bei keiner Prüfung ist es zu einem Betonausbruch gekommen. Lediglich ein kleiner Bereich im Umkreis der Ankerstange hat beim Herausziehen versagt.

Diskussion der Ergebnisse und Vorschlag für die Bemessung der Befestigungen in UHFB
Wenn man die Ergebnisse aus den Auswertungen mit einem zusätzlichen Sicherheitsfaktor mit 𝛾𝑀=1.5 mit einer üblichen Ankerbemessung mit z.B. Hilti Profis Engineering nach EN-1992-4 bzw. ETAG TR029 mit ungerissenem Beton C50/60 als Untergrund gegenüberstellt, ergeben sich folgende Resultate:

Tabelle 1: Gegenüberstellung der Versuchsergebnisse und Bemessungswerte auf charakteristischem Niveau

Bild 5: Stahlversagen bei HIT-Z-R M12 HIT HY-200A Befestigungen

Die Bemessungswerte sind vor allem im Hinblick auf die HIT-Z-R Ankerstangen deutlich konservativer als die im Versuch erhaltenen Werte. Da aber die Bemessungsgrundlage für Verankerungen von Stahl in Beton nach EN-1992-4 oder nach ETAG TR029 keine Bemessung von Stahlteilen in UHFB vorsieht und die Betondruckfestigkeiten bei 60 N/mm2 deckelt, gibt es zurzeit kein adäquateres Bemessungsverfahren.
Grundsätzlich kann aber der Bemessungsvorschlag mit C50/60 und ungerissenem Beton durch die Versuche verifiziert werden bzw. die Konservativität der Bemessung bestätigt werden. Ob man grundsätzlich bei UHFB von ungerissenem Beton ausgehen kann, scheint plausibel, ist aber im Einzelfall zu überprüfen und benötigt weiterführende Grundlagenforschung im Bereich der Befestigungstheorie. Eine allgemeine Aussage kann durch diese Versuche nicht getroffen werden, sondern muss im Einzelfall vom Ingenieur im Sinne einer ingenieurmässigen Einschätzung gemacht werden.

Weiterführende Links:

Ankerstangen HIT-Z-R
Injektionsmörtel HIT-HY-200-A
PROFIS ENGINEERING Bemessungssoftware
Ultimate CX-Hammerbohrer