DIN EN 1992-4: Neue Regelung für die Bemessung von Verankerungsmitteln in Beton

Titelbild DIN EN 1992-4: Neue Regelung für die Bemessung von Verankerungsmitteln in Beton

Die neue DIN EN 1992-4

In diesem Beitrag erfahren Sie, wie die Bemessung von Befestigungsmitteln im Beton geregelt ist und worauf Sie künftig achten sollten. Mehr Informationen rund um Planung finden Sie auf unserem Portal für Ingenieure, Architekten und Planer.

Im April 2019 wurde die DIN EN 1992-4 „Bemessung der Verankerung von Befestigungen im Beton“ veröffentlicht. Mit dieser Norm ist die Bemessung von Befestigungsmitteln im Beton nun normativ geregelt. Innerhalb der DIN EN 1992-4 werden jetzt mechanische und chemische Dübel aber auch Kopfbolzen und Ankerschienen behandelt. Durch die Norm werden die bisherigen Regelungen zur Bemessung ersetzt. Für Metallanker ist das die ETAG 001, Annex C - für chemische Anker der Technical Report TR 029. Ergänzt durch die Technischen Reports TR 020 für die Bemessung im Brandfall und dem TR 045 für den Lastfall Erdbeben.

Was legt die DIN EN 1992-4 fest?

Der Inhalt der DIN EN 1992-4 ähnelt stark den Regelungen der vorher genannten Dokumente. Mit dem Erscheinen der ETAG 001, Annex C im Jahr 1997 wurde die Bemessung von Metallankern enorm verändert. Es wurden detailliert die einzelnen Versagensfälle diskutiert und das Arbeiten mit Teilsicherheitsbeiwerten wurde eingeführt. In den Jahren wurde das Bemessen von Dübel durch drei Änderungen der ETAG 001, Annex C optimiert und mit Veröffentlichung der Technischen Reports auf weitere Produkt- und Anwendungsfelder erweitert. Die DIN EN 1992-4 führt diese Entwicklung fort. Im Folgenden werden die wichtigsten Änderungen erläutert.

Betonausbruch

Zylinderdruckfestigkeit statt Würfeldruckfestigkeit

Eine der wesentlichen Änderungen durch die DIN EN 1992-4 ist die Verwendung der Zylinderdruckfestigkeit statt der Würfeldruckfestigkeit des Betons. Dies hat beispielhaft Auswirkung auf die Ermittlung des Widerstands bei Betonausbruch auf Zug und Querkraft oder beim Betonkantenbruch. Diese Versagensfälle sind regelmäßig die Maßgebenden. Entsprechend bedeutend ist eine Diskussion dieser Änderung auf die Dübelbemessung.

Im Folgenden wird der charakteristische Widerstand für die Versagensart kegelförmiger Betonausbruch diskutiert. Der charakteristische Widerstand eines im Beton montierten einzelnen Befestigungselementes, ohne Einfluss benachbarter Befestigungselemente oder Betonbauteilränder, errechnet sich nach DIN EN 1992-4, Kapitel 7.2.1.4 bzw. nach ETAG 001, Annex C; Kapitel 5.2.2.4 wie folgt:

Formel_Widerstand_Beton_Befestigungselement

Durch die Verwendung der geringeren Zylinderdruckfestigkeit ist ein entsprechend geringerer rechnerischer Bauteilwiderstand zu erwarten. Gleichzeit schlägt DIN EN 1992-4 die Erhöhung des Faktors k1 auf 7,7 statt der vormals gegebenen 7,2 vor. Bei einer wirksamen Verankerungstiefe hef von 100mm ergeben sich die charakteristischen Bauteilwiederstände über die Betonfestigkeit wie folgt:

Tabelle_Bauteilwiderstände_Betonfestigkeit

Der charakteristische Widerstand für den Versagensfall Betonausbruch bei Zuglast reduziert sich entsprechend um bis zu 5,7% bei der Betongüte C35/45.

Versagensarten von Verbunddübeln unter Zuglast

Dauerlast an Verbundankern

Bei Verbundankern stellt sich im Lastfall Zug ein kombiniertes Versagen aus Herausziehen und Betonbruch ein. Der charakteristische Widerstand eines Einzeldübels ohne Einfluss von Rändern oder benachbarten Dübeln kann nach DIN EN 1992-4, Kapitel 7.2.1.6 nachfolgender Formel gerechnet werden:

Formel_Widerstand_Einzeldübel

Hierbei berücksichtigt der Faktor ψsus den Einfluss einer Dauerlast auf Verbundanker. Der Technical Report TR029 hat diesen Faktor bisher nicht gekannt. Ist der Anteil einer Dauerlast an der Gesamtlast an einem Verbundanker hoch, wird mit dem Faktor ψsus der charakteristische Widerstand reduziert. Es gelten folgende Bedingungen:

Bedingungen_charakteristischer_Widerstand
Würth technical software II

In den europäisch technischen Bewertungen der Würth Verbundanker sind derzeit noch keine Werte für ψ0sus angegeben. Die DIN EN 1992-4 empfiehlt für solche Fälle den Wert ψ0sus = 0,6 anzusetzen. Die Randbedingungen für diesen Wert sind in der Norm mit einer Betriebsdauer von 50 Jahren und einer mindestens für 10 Jahren anliegenden Dauerlast bei 43°C Betontemperatur beschrieben. Wird in der Bemessung der Anteil der dauerhaften Lasten nicht berücksichtigt, muss asus mit 1 angesetzt werden. ψsus ist dann ψ0sus bzw. Stand heute 0,6 – der charakteristische Widerstand in der Versagensart kombiniertes Versagen auf Herausziehen und Betonbruch muss um 40% reduziert werden. Beträgt der Anteil der Dauerlast in diesem Beispiel hingegen weniger als 60%, kann auf eine Reduktion verzichtet werden. Für eine effiziente Bemessung von Verbundankern wird das Verhältnis der Dauerlast zur Gesamtlast lohnend. In der Würth Technical Software II kann der Anteil der Dauerlast wie gezeigt eingegeben werden. Relevant sind hierbei nur Kraftkomponenten, die am Verbundanker Zug erzeugen.

Zeichnung Zug Druck

Überdrückter Ausbruchkegel

Mit der DIN EN 1992-4 wird der Faktor ψM,N neu eingeführt. Er berücksichtigt die Auswirkung von Druckkräften zwischen dem Anbauteil und dem Beton im Fall von Biegemomenten in der Versagensart Betonausbruch auf Zug. Ein Biegemoment an der Ankerplatte erzeugt ein Kräftepaar aus Zug im Anker und einer Druckkraft auf den Beton. Liegt diese Druckkraft innerhalb des Ausbruchkegels wirkt sie sich positiv auf das Tragverhalten aus. Unter bestimmten Voraussetzung kann das in der Bemessung berücksichtigt werden.

ψM,N errechnet sich nach DIN EN 1992-4, Kapitel 7.2.1.4 wie folgt:

Berechnung_Faktor

Mit z als dem inneren Hebelarm des Kräftepaares und hef der wirksamen Verankerungstiefe.

Um die Erhöhung durch den Faktor ψM,N anwenden zu können, muss die Druckkraft innerhalb des Betonausbruchkegels liegen, der Betonausbruchskegel nicht durch einen Randeinfluss gestört werden und der Anteil einer äußeren Zugkraft nicht zu groß sein. Sobald Betonausbruch maßgebend ist, kann mit dem Faktor ψM,N durchaus eine Laststeigerung um 20% realisiert werden. Dies jedoch nur unter dafür günstigen Bedingungen wie einer „kleinen“ Ankerplatte, einer dazu im Vergleich großen effektiven Einbindetiefe des Dübels oder einer äußeren Druckkraft.

Würth Dübelmessung

Trennung Interaktion Betonversagen/Stahlversagen

Nachdem die Widerstände in den Versagensarten ermittelt wurden, kann die Ausnutzung bestimmt werden. Hierbei ist eine Interaktion zwischen Zug- und Querkräften zu berücksichtigen. DIN EN 1992-4 unterscheidet in Kapitel 7.2.3.1 in Stahlbruch und anderen Versagensarten. Die Würth Dübelbemessungssoftware weist entsprechend die Ausnutzung beider Interaktionsbedingungen aus. In der ETAG 001, Annex C wurde nur ein Interaktionsnachweis geführt. Auch hier konnte für Stahlversagen eine günstigere Bedingung angesetzt werden, sobald Stahlversagen auf Zug und Querkraft maßgebend wurde. Diese Überprüfung entfällt mit der DIN EN 1992-4. Das Regelwerk ist an dieser Stelle ansonsten identisch mit der ETAG 001. Stahlversagen wird in aller Regel nur dann maßgebend, wenn eine Biegung in der Ankerstange nachzuweisen ist.

Umsetzung in Software und Verwendbarkeitsnachweisen

In den europäisch technischen Bewertungen (ETA) der entsprechenden Dübelprodukte wird definiert, auf welcher Basis die Bemessung erfolgen kann. In absehbarer Zeit werden die ETAs von Metallankern und Verbundankern geändert werden und hier auf die DIN EN 1992-4 als Bemessungsgrundlage verweisen. Im Würth Produktsortiment haben diesen Schritt die Bolzanker W-FAZ (ETA 99/0011), das Injektionssystem WIT-UH 300 (ETA-17/0127) und die Betonschrauben (ETA 16/0043) schon vollzogen – weitere Produkte werden in Kürze folgen. In der Würth Dübelbemessungssoftware ist die DIN EN 1992-4 schon enthalten. Der Anwender muss sich jedoch zunächst keine Gedanken machen welche Bemessungsregel er wählen sollte. Die Auswahl des passenden Bemessungskonzepts hängt am Produkt bzw. der damit verknüpften ETA. Entsprechend wird die Software über die Produktauswahl die richtige Wahl treffen.

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