Experimentelle Untersuchungen zum Kraft-Verformungsverhalten von Litzenstufenankern mittels Distributed Strain Sensing

Abstract

Elemente des Spezialtiefbaus zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Abmessungen und Eigenschaften in der Regel nicht durch direkte Prüfverfahren geprüft werden können. Darunter zählt auch der Verpressanker, der zur Abtragung von auf ihn wirkenden Zugkräften im Baugrund verankert wird. Ein Verpressanker besteht stets aus drei Elementen – dem Ankerkopf, an dem häufig über eine Spannpresse eine Vorspannung aufgebracht wird, einem Zugglied und einem Verpresskörper. Während das Zugglied die axial wirkende Zugkraft über die freie Länge in den Bereich der Verankerungslänge des Verpresskörpers überführt, sichert der Verpresskörper die Abtragung der Last in den Baugrund. Untersuchungen zeigen, dass Verpressanker einen Lasteinleitungsschwerpunkt im vorderen Verpresskörperteil besitzen, der sich mit ansteigender Belastung progressiv zum Verpresskörperende verschiebt. Zudem ist bekannt, dass das Verpresskörperende im Gebrauchlastbereich kaum beansprucht wird. Ein längerer Verpresskörper steht nicht in linearem Zusammenhang mit einer höheren Tragfähigkeit. Um dennoch die volle Verankerungslänge auszuschöpfen, wurden Stufenanker entwickelt. Zugglieder, die in verschiedenen Tiefen des Verpresskörpers einbinden, übertragen die Last stufenweise in mehrere Bereiche des Verpresskörpers. Zur Verifizierung der Widerstandsfähigkeit herkömmlicher Verpressanker sieht die ÖNORM EN ISO 22477-5 lediglich Kraft- und Verschiebungsmessungen am Ankerkopf vor. Durch die besondere Konstruktion der Stufenanker wird es erforderlich, spezielle Verfahren zur Prüfung dieser Anker anzuwenden, eine geregelte Vorgehensweise existiert bisher nicht. Mangels normativer Festlegungen wird im Rahmen dieser Arbeit an drei Litzenstufenankern und fünf herkömmlichen Litzenankern als Vergleichsanker untersucht, wie sich das Kraft- Verformungsverhalten und der Versagenszustand von Litzenstufenankern bestimmen lassen. Dies geschieht neben der Aufzeichnung von Kraft und Ankerkopfverschiebung durch die Messung mit dem Distributed Strain Sensing in einem Lichtwellenleiter. Die Dehnungsmessung erfolgt dabei über die Analyse der Rayleigh-Streuung. Das ist das Rückstreumuster, das sich an den finiten Fluktuationen des amorphen Lichtwellenleiters – in dem Fall einer Glasfaser – einstellt. Die Rayleigh-Streuung stellt verglichen mit anderen Messverfahren in der Glasfasersensorik mit wenigen Millimetern Ortsauflösung die genaueste Messmethode dar. Das Messkabel wird gemeinsam mit dem Zugglied in das Bohrloch eingebracht und befindet sich innerhalb der Verankerungslänge direkt im Verpresskörper. Auf der freien Länge ist es durch ein Hüllrohr geschützt. Mit der Distributed Strain Sensing (DSS)-Messung ist es möglich, die Dehnungsverteilung innerhalb der Verankerungslänge darzustellen. Jüngste Versuche des deutschen Normenausschusses für Verpressanker zeigen, dass sich aus der mittleren sowie maximalen Dehnung Rückschlüsse auf den Herausziehwiderstand und zur Versagensankündigung ziehen ließen. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die Rückschlüsse nicht überprüft werden, da alle Litzenstufenanker bis an die Bruchkraft der Litzen beansprucht werden konnten, ohne dass sich ein Versagen der Verpresskörper andeutete. Gleichwohl konnte festgestellt werden, dass sich die Ankerstufen im Sand abweichend von der theoretischen Vorstellung unterschiedlich verhalten und gegenseitig beeinflussen. Während die vorderste Stufe einer höheren Dehnung unterliegt, bildet sich zwischen jeder Stufe ein überdrückter Bereich aus und die letzte Stufe zeigt die geringste Verformung trotz größtem Lasteintrag. Der Umfang dieser Arbeit umfasst weiterhin die bodenphysikalischen Untersuchungen des Projektgebiets und eine Bewertung der Praxistauglichkeit des Prüfverfahrens.

Foundation elements in civil engineering are characterized by the fact that their dimensions and properties usually cannot be verified using direct testing methods. This also includes grouted anchors, which are embedded to transmit axial tensile forces into the ground. A grouted anchor always consists of three elements – the anchor head, where prestressing is often applied via a hydraulic stressing jack, the tendon, and the grout body. While the tendon transfers the tensile force along the free length into the area of the fixed length, the grout ensures the load transfer into the soil or rock. Studies on the load-bearing behavior of grouted anchors have shown that the load transfer predominantly concentrates in a peak near the front section of the grout, which shifts progressively towards the end of the fixed length as the load increases. Furthermore, it is known that the end of the grout is barely mobilized under service load conditions. An increase in bond length is not linearly related to the anchor’s load-bearing capacity. To fully exploit the bond length, multi-stage anchors were developed. Tendons engage at different depths within the grout to transfer loads incrementally into multiple sections of the fixed length. To verify the resistance of a conventional grout body, the testing methods defined in ÖNORM EN ISO 22477-5 use measurements of the applied force and the displacement at the anchor head. Due to the unique configuration of multi-stage anchors, special testing procedures are required. However, a standardized approach does not yet exist. Given the absence of normative regulations, this thesis investigates three multi-stage strand anchors and five conventional strand anchors for comparison. The aim is to determine how the load-deformation behaviour and failure mechanisms of multi-stage strand anchor systems can be assessed beyond the conventional measurement of applied force and anchor head displacement. This is achieved by combining these measurements with distributed strain sensing using optical fibre technology. The strain measurement is based on the analysis of Rayleigh backscattering. The backscattering pattern occurs due to reflections at the finite fluctuations in the amorphous structure of the optical fibre – in this case a glass fibre. Among various fibre optic sensing techniques, Rayleigh scattering offers the highest spatial resolution with precision in the millimeter range. The sensing cable is inserted into the borehole together with the tendon and lies in the fixed length of the grouted anchor. It is protected by a sleeve tube along the free length. This method enables the visualization of the strain distribution within the fixed length. Recent tests by the German standards committee for grouted anchors indicate that both the average and maximum measured strain may enable the prediction of an grouted anchor’s pull-out resistance and the onset of failure. Within the scope of this thesis, it was not possible to verify the conclusions by the committee, as all multi-stage strand anchors could be loaded up to the ultimate tensile strength of the strands without any indication of grout body failure. Nevertheless, it was observed that the anchor stages in sand behaved differently from theoretical expectations and exhibited mutual interaction. While the foremost stage experienced higher strain levels, an overcompressed zone formed between each stage, and the final stage exhibited the least deformation despite bearing the highest load. This work furthermore includes the geotechnical characterization of the project site and evaluates the practical applicability of the proposed testing approach.