Load-bearing behavior and design of anchorages subjected to shear and torsion loading in uncracked concrete

Fastening Technology with cast-in and post-installed anchors has found widespread use in concrete construction due to their numerous fields of applications. Since the 1970’s research has been conducted in this area to learn more about the load-bearing behavior of anchorages installed in hardened concrete and to develop design recommendations. For design, it has to be distinguished if the anchorage is loaded in tension, shear or a combined tension and shear loading. This dissertation concentrates on the load-bearing behavior of post-installed and castin anchorages loaded in shear under arbitrary load direction. This includes anchorages loaded by a torsional moment. Shear loaded anchorages have been investigated in the past by different authors and design provisions are available to calculate the resistance for most of the standard applications. However, it is known that some existing calculation methods are quite conservative due to missing experimental and numerical investigations. These methods have been developed with engineering judgment and are not verified for all anchor configurations covered in design. Furthermore, it is assumed that for some anchor applications loaded in shear the design provisions lead to unconservative results. The aim of this dissertation is to answer these open questions and to improve existing design recommendations based on engineering models. Moreover, anchor configurations are investigated which are not covered in design. In particular, this is a step to extending the CCD-method for larger anchor groups. This dissertation covers the investigation of single anchors and anchor groups. Terminology used in various references which are discussed in this research work is quite different for same parameters. Therefore, notations and symbols are replaced by the notations and symbols used in this document. The terminology is defined at the beginning of the work. In Chapter 1 the problem is defined and the context for research is pointed out. The starting point of a research project is an in-depth study of the literature. Therefore, in Chapter 2 the research activities related to shear loaded anchorages are summarized. This chapter also presents a discussion of existing design provisions and explains the load-bearing behavior and possible failure modes for shear loaded anchorages. In Chapter 3 the experimental investigations are presented and the results are discussed. In addition, numerical simulations were performed within the scope of this dissertation. An explanation of the developed FE-models and a discussion of the results of the simulations can be found in Chapter 4. Based on the experimental and numerical investigations new prediction equations and calculation models are developed for single anchors and groups loaded in shear and torsion which can be found in Chapter 5. Finally, in Chapter 6 design recommendations are given for anchorages loaded in shear in arbitrary direction. The calculation is explained for both anchorages located far away from the edge and anchorages located close to concrete edges. Closing, in chapter 7 a summary of the dissertation is given and open questions for future research are pointed out. KURZFASSUNG (German Abstract) Die Befestigungstechnik mit Dübeln und Einlegeteilen ist im Bauwesen weit verbreitet. Seit den siebziger Jahren wird in diesem Gebiet intensiv Forschung betrieben, um den Tragverhalten von Befestigungsmitteln besser zu verstehen und darauf aufbauend Bemessungsrichtlinien erarbeiten zu können. Hierfür wird unterschieden, ob die Befestigung durch eine Zugkraft, Querkraft oder eine kombinierte Zugund Querlast beansprucht wird. Diese Forschungsarbeit beschäftigt sich mit dem Tragverhalten von Befestigungsmitteln, die durch eine Querlast unter beliebiger Belastungsrichtung beansprucht werden. Dies schliesst Befestigungen ein, die durch ein Torsionsmoment beansprucht werden. Solche Befestigungen werden in der Praxis sowohl am Bauteilrand als auch mit grossem Randabstand angeordnet. Abhängig von den materiellen und geometrischen Eigenschaften von Stahl und Beton können die Befestigungen durch Stahlbruch, Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite (Pryout) oder Betonkantenbruch versagen. In der Literatur existieren Untersuchungen zum Verständnis des Tragverhaltens von querbeanspruchten Befestigungen am Bauteilrand und in der Bauteilfläche. Bestehende Bemessungsrichtlinien basieren sowohl auf diesen Untersuchungen sowie auf ingenieurmässigen Annahmen und Vereinfachungen. Insbesondere zum Verständnis des Gruppentragverhaltens von Befestigungen unter Querund Torsionsbeanspruchung wurden bislang nur wenige Untersuchungen durchgeführt. Aufgrund fehlender experimenteller und numerischer Untersuchungen liefern die Bemessungsrichtlinien für viele Anwendungsfälle stark konservative Traglasten. Allerdings ist auch bekannt, dass die Bemessung für bestimmte Anwendungsfälle zur unsicheren Berechnung der Traglasten führen kann. Ziel dieser Arbeit ist somit das bessere Verständnis des Tragverhaltens von Einzelund Gruppenbefestigungen zur Verbesserung bestehender Bemessungsrichtlinien. Darüber hinaus werden grössere Befestigungsgruppen untersucht, die momentan von den Bemessungsrichtlinien nicht abgedeckt werden. Hierdurch soll eine Erweiterung der bestehenden CCD-Methode (Concrete Capacity Design) für grössere Ankergruppen angestrebt werden. In der Literatur werden häufig für gleiche Parameter unterschiedliche Formelzeichen verwendet. In dieser Arbeit werden die Formelzeichen entsprechend der in der Befestigungstechnik üblichen Bezeichnungen ersetzt. Diese Bezeichnungen werden am Anfang der Arbeit beschrieben. Die Ausgangssituation, Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit ist in Kapitel 1 diskutiert. In Kapitel 2 werden die in der Literatur vorhandenen Untersuchungen sowie derzeitige Bemessungsrichtlinien diskutiert. In Kapitel 3 und Kapitel 4 werden die durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen beschrieben sowie die Ergebnisse diskutiert. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden in Kapitel 5 neue Berechnungsgleichungen und -modelle für Einzelbefestigungen und Ankergruppen entwickelt. In Kapitel 6 ist die Bemessung von querbeanspruchten Befestigungen unter beliebiger Lastrichtung für Befestigung in der Bauteilfläche und am Bauteilrand beschrieben. Abschliessend werden in Kapitel 7 die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und die offenen Fragen für weiterführende Forschung dargestellt.