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Verbindungen von tragenden Bauteilen und Befestigungen von nichttragenden Bauteilen an tragenden Bauteilen werden täglich millionenfach mit Hilfe von Verankerungssystemen sicher und wirtschaftlich ausgeführt. Dazu muss der Planer das geeignete Befestigungsmittel auswählen, richtig planen und nach dem Stand der Technik bemessen.

In diesem Beitrag werden die Bemessung und die Hintergründe von Dübeln in Beton für redundante nichttragende Systeme nach EN 1992-4:2018 [1] bzw. CEN/TR 17079 [2] dargestellt, die nach EAD 330747-00-0601 “Dübel zur Verwendung in Beton für redundante nichttragende Systeme” [3] qualifiziert sind.

In diesem Zusammenhang sind 3 Begriffe im Sinne der oben genannten Normen und Dokumente zu konkretisieren, namentlich “redundant”, “nicht tragend” und “sicherheitsrelevant”.

Was versteht man in der Befestigungstechnik unter dem Begriff "sicherheitsrelevant"?
Sicherheitsrelevante Anbauteile oder Systeme sind solche, bei deren Versagen eine Gefahr für Leib und Leben oder ein hoher wirtschaftlicher Schaden entstehen kann.
 
Was versteht man in der Befestigungstechnik unter dem Begriff nichttragendes System?
Ein nichttragendes System ist eine Konstruktion, die nicht zur Stabilität des Tragwerks beiträgt, aber dennoch sicherheitsrelevant sein kann. Gute Beispiele für nicht-tragende, sicherheitsrelevante Systeme sind Rohr- und Lüftungsleitungen, abgehängte Deckenkonstruktionen und vorgehängte hinterlüftete Fassaden, siehe Bild 1.

Tragende Systeme sind dagegen z. B. Stahlträger, die als Auflager für Decken dienen, da bei einem Versagen des Befestigungspunktes dieses Bauteils die Standsicherheit des Gebäudes oder einzelner Geschosse gefährdet sein kann.
 

Bild 1: Beispiele für nichttragende Systeme in der Befestigungstechnik
 
Was versteht man in der Befestigungstechnik unter einem redundanten System (Mehrfachbefestigung)?
Bild 2a und 2b zeigen beispielhaft den Unterschied zwischen einer klassischen Einzelpunktbefestigung (Bild 2a) und einem redundanten System (Bild 2b).
 
Bei einer sogenannten redundanten Mehrfachbefestigung (Bild 2b) sind die Befestigungsstellen „im Überfluss vorhanden“. Unter extremen Bedingungen (z. B. bei großen Rissbreiten) kann es zu übermäßigem Schlupf oder zum Versagen eines Dübels der Befestigungsstelle oder einer ganzen Befestigungsstelle kommen, wobei die Last auf mindestens zwei benachbarte Befestigungsstellen übertragen wird. Beim Versagen dieser Befestigungsstelle darf die Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit des Systems nicht wesentlich beeinträchtigt werden, d.h. das System, die Konstruktion oder das Anbauteil darf nicht versagen.
 
Um dies zu erreichen, benötigt das redundante System mindestens drei Befestigungsstellen, die ausreichend starr z.B. durch Rohrleitungen miteinander verbunden und deren Ausnutzungsgrade der zulässigen Biegespannung und Durchbiegung im intakten Zustand (d.h. im Zustand ohne Dübelversagen) relativ gering sind. Eine Befestigungsstelle kann aus nur einem Dübel bestehen, es können aber auch mehrere Dübel für eine Befestigungsstelle verwendet werden, wobei die Anzahl der Dübel im System variieren kann. Die Kombination aus Anzahl der Befestigungsstelle und Dübel pro Befestigungsstelle begrenzt den maximal möglichen Wert der Bemessungseinwirkung, siehe Tabelle 2. Würde also in Bild 2b die Befestigungsstelle mit den zugehörigen Dübeln versagen, so würde dies aufgrund der Lastumlagerung nicht zu einem Systemversagen, sondern zu einem neuen Gleichgewichtszustand führen. Bei einer Einzelpunktbefestigung wäre dies anders, siehe Bild 2a.
 
Hinweis: Eine Ankerplatte (Befestigungspunkt) mit mehreren Dübeln ist noch keine Mehrfachbefestigung

Bild 2: Unterschied Einzelpunktbefestigung vs. redundantes System bei Versagen eines Befestigungspunktes oder einer Befestigungsstelle.

Wesentliche Vor- und Nachteile bei der Bemessung von Dübeln zur Verwendung in Beton für redundante nichttragende Systeme
 
Durchmesser und Verankerungstiefe
Selbstverständlich kann jede Mehrfachbefestigung auch als Einzelpunktbefestigung bemessen werden, sofern diese nach EN 1992-4:2018 [1] bemessen wird und deren Dübel für eine Einzelpunktanwendung beispielsweise nach EAD 330232-01-0601 [4] qualifiziert sind.
 
Im Rahmen des EAD-Konzepts EAD 330747-00-0601 “Dübel zur Verwendung in Beton für redundante nichttragende Systeme” [3] können jedoch Dübel zugelassen werden, deren Durchmesser und zulässige Verankerungstiefe kleiner sind als die in EAD 330232-01-0601[4] für Einzelbefestigungen geforderten Mindestmaße, siehe Tabelle 1. Insbesondere bei hochbewehrten Decken kann eine geringe Verankerungstiefe den Einbau der Dübel wesentlich erleichtern, da die Wahrscheinlichkeit von Bewehrungskontakten verringert wird.
 
Die Befestigungen für redundante Systeme schließen auch Befestigungen in vorgefertigten, vorgespannten Hohlkammerdecken ein. Bei vorgespannten Hohlkammerdecken darf die Mindesteinbindetiefe des Dübels auf einen Wert reduziert werden, der die Funktionsfähigkeit des Befestigungssystems gewährleistet, wenn der Dübel in einen Flansch (Wand) mit einer Mindestdicke von 17 mm gesetzt wird. In diesem Fall sind die in der jeweiligen europäischen technischen Bewertung (ETA) angegebene Mindesteinbindetiefe und die zulässige Lage des Befestigungsmittels in der Hohlkammerdecke zu beachten.

Tabelle 1: Zulässige Anwendungsgrenzen für Mehrfach- und Einzelpunktbefestigungen im Vergleich (Auszug)
 
Bemessung
Die in EN 1992-4:2018 [1] / CEN/TR 17079 [2] behandelten Einwirkungen in Verbindung mit redundanten Befestigungssystemen berücksichtigen nur statische und quasi-statische Lastfälle. Ermüdungs-, Stoß- und Erdbebenlasten werden nicht berücksichtigt.
 
Eine axiale Druckbelastung auf den Dübel wird entweder ohne Einwirkung auf den Dübel oder über druckbelastbare Befestigungselemente in den Beton eingeleitet. Der zulässige Bemessungswert der Einwirkung auf die Befestigungsstelle (Zug, Querzug oder Kombination aus Zug und Querzug) ist auf den Wert FEd,lim zu begrenzen. Empfohlene Werte sind in CEN/TR 17079 [2], s. Tabelle 2 angegeben, die Werte für FEd,lim, n1 (Anzahl der Befestigungsstellen) und n2 (Anzahl der Dübel pro Befestigungsstelle),  die letztendlich in einem europäischen Land verwendet werden, sind in dessen nationalem Anhang zu finden. Dieser Bemessungsansatz darf nur gewählt werden, wenn die Bemessungslasten an den Befestigungspunkten auf die angegebenen Werte begrenzt sind und alle in EN 1992-4:2018 [1] /CEN/TR 17079 [2] und den entsprechenden ETAs genannten Randbedingungen erfüllt sind.

Der zulässige Bemessungswert der Einwirkung ist deutlich geringer als bei der Bemessung als Einzelpunktbefestigung. Der Vorteil jedoch besteht darin, dass der rechnerische Nachweis des Befestigungspunktes nach einer Lastumlagerung nicht mehr erforderlich ist, da dieser durch die Begrenzung der Einwirkung auf einen Befestigungspunkt berücksichtigt wird. Der Bemessungswiderstand FRd eines Befestigungspunktes ist in der jeweiligen Europäischen Technischen Produktspezifikation in Abhängigkeit von weiteren Randbedingungen angegeben.

Tabelle 2: Empfohlene Werte für FEd,lim, n1 und n2 nach CEN/TR 17079 [2]. Die Werte für FEd,lim, n1 und n2, die in einem Land verwendet werden, sind in dessen nationalem Anhang zu finden
 
mit
 
Produktübersicht
In Europa verfügen Verbindungselemente, die für die Verwendung EAD 330747-00-0601 “Dübel zur Verwendung in Beton für redundante nichttragende Systeme” [4] qualifiziert sind über eine ETA auf Basis dieser EAD oder über einen Hinweis auf diese Anwendung in ihrer ETA für Einzelpunktbefestigungen. Hilti bietet folgende Befestigungssysteme mit ETA an (Bild 3 bis Bild 9):
 
·        Hilti HUS3 Schraubanker
·        Hilti HKD Kompaktdübel
·        Hilti Betondeckendübel DBZ
·        Hilti Kunststoff-Schraubdübel
·        Hilti Schlagdübel HFB (d6)
·        Hilti Hohlkammerdübel HKH
·        Hilti HST4 Edelstahl-Bolzenanker (M8-M10)

 
Was bedeutet das für Sie als Planer von redundanten Konstruktionen?
Bei redundanten Konstruktionen, wie z.B. Rohr- und Lüftungsleitungen, abgehängte Deckenkonstruktionen, wird das Versagen einzelner Befestigungsstellen durch benachbarte Befestigungsstellen kompensiert. Der Bemessungsansatz ist grundsätzlich sehr konservativ, was die geringe maximal zulässige Einwirkung pro Befestigungsstelle erklärt (siehe Tabelle 2). Allerdings können in diesem Fall Dübel verwendet werden, deren Durchmesser und zulässige Verankerungstiefe kleiner sind als die für Einzelbefestigungen geforderten Mindestabmessungen. Gleichzeitig entfällt der rechnerische Nachweis der Befestigungsstelle nach Lastumlagerung, da diese durch die Begrenzung der Einwirkung berücksichtigt wird. Der Ansatz kann auch für Befestigungen in vorgespannten Hohlkammerdecken verwendet werden. Hilti bietet zahlreiche Befestigungssysteme für redundante, sicherheitsrelevante Konstruktionen an.
 
Weiterführende Literatur
[1] EN 1992-4:2018, Eurocode 2 - Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 4: Bemessung der Verankerung von Befestigungen in Beton; Deutsche Fassung EN 1992-4:2018
 
[2] CEN/TR 17079: Design of fastenings for use in concrete – Redundant non-structural systems, English version, 2018
 
[3] European Assessment Document (EAD): 330747-00-0601 Fasteners for use in concrete for redundant non-structural systems, May 2018
 
[4] European Assessment Document (EAD): 330232-00-0601 Mechanical Fasteners for use in concrete, December 2019