Grenzen der EN 1992-4: SOFA-Methode für randnahe Dübelbefestigungen

Nachträglich installierte Befestigungen übernehmen in vielen Tragwerken zentrale Verbindungsfunktionen zwischen Stahlbauteilen und Beton. Bei einfachen Dübelanordnungen lassen sich diese Befestigungen in der Regel innerhalb der bekannten Vorgaben nach EN 1992-4 [1] bemessen. In realen Projekten entstehen jedoch häufig Anschlüsse, deren Geometrie, Lastniveau oder Randbedingungen über den standardisierten Anwendungsbereich hinausgehen. Typische Beispiele sind Ankerplatten für Stahlträger, Stützenanschlüsse oder andere Stahlbauelemente, die in Randnähe hohe Querkräfte in ein Betonbauteil einleiten müssen.

_{Abbildung 1: Stahlträger an Stahlbetonstütze}

Die Hilti SOFA-Methode – „Solution for Fasteners“ – setzt an dieser Stelle an. Sie erweitert den Anwendungsbereich der EN 1992-4 auf Basis bestehender Bemessungsansätze, interner und externer Forschungsergebnisse sowie anerkannter technischer Ansätze wie dem fib Bulletin 58. Ziel ist eine nachvollziehbare Bemessung von Befestigungen, die mit dem reinen Normansatz nicht oder nur sehr konservativ nachweisbar wären.

Grenzen der EN 1992-4 bei randnahen Dübelgruppen

EN 1992-4 definiert Bemessungsregeln für Befestigungen in Beton. Die Norm behandelt bestimmte Dübel- und Kopfbolzenanordnungen, die für Zug- und Querlasten nachgewiesen werden können, sofern die geometrischen und konstruktiven Randbedingungen innerhalb des geregelten Anwendungsbereichs liegen (Abbildung 2). Bei ausreichendem Randabstand (c ≥ max(10 ^. h_ef; 60 ^. d_nom)) können diese Dübelgruppen sowohl für Zug als auch für Querlasten bemessen werden. Befindet sich eine Dübelgruppe jedoch nahe an einer Betonkante (c < max(10 ^. h_ef; 60 ^. d_nom)), schränkt EN 1992-4 die Bemessung unter Querlast deutlich ein, insbesondere wenn zwischen Dübel und Loch in der Ankerplatte ein Ringspalt vorhanden ist.

_{Abbildung 2: Anordnung von Befestigungen mit Kopfbolzen und Dübeln, die in dieser Europäischen Norm behandelt werden: Befestigungen ohne Lochspiel für alle Randabstände und für alle Lastrichtungen und Befestigungen mit Lochspiel nach Tabelle 6.1 von EN 1992-4 bei großem Randabstand (c ≥ max(10} . _{hef; 60} . _{dnom)) für alle Lastrichtungen und ausschließlich zugbeanspruchte Befestigungen mit Lochspiel nach Tabelle 6.1 von EN 1992-4 bei kleinem Randabstand (c < max(10} . _{hef; 60} . _dnom))

Dieser Ringspalt, häufig als Lochspiel bezeichnet, beeinflusst die Aktivierung der einzelnen Dübel innerhalb einer Gruppe. Bleibt das Lochspiel offen, kann nicht vorausgesetzt werden, dass alle Dübel gleichzeitig Querlast aufnehmen. Wird der Ringspalt vollständig geschlossen, können die Dübel gemeinsam aktiviert werden. Das kann durch Verfüllen mit Mörtel, durch Verschweißen bei geeigneten Kopfbolzenanwendungen oder durch spezielle Hilfsmittel wie das Hilti Verfüllset erfolgen. Ein geschlossenes Lochspiel ist eine zentrale Voraussetzung, wenn Querkräfte auf mehrere Dübelreihen verteilt werden sollen.

Bei randnahen Dübelgruppen unter Querlast ist Betonkantenbruch häufig die maßgebende Versagensart. Die EN 1992-4 verwendet hierfür einen konservativen Nachweisansatz. Für den Betonkantenbruch wird die Querlast im Wesentlichen der Dübelreihe zugeordnet, die der Bauteilkante am nächsten liegt (Tabelle 1). Hintere Dübelreihen bleiben dadurch beim Nachweis des Betonkantenbruchs unberücksichtigt, obwohl sie bei geschlossenem Lochspiel an der Lastübertragung beteiligt sein können.

_{Tabelle 1: Dübelanordnungen bei Querlasten in Randnähe, geregelt durch die EN 1992-4, mit und ohne vorhandenem Lochspiel}

Diese Annahme kann bei größeren Ankerplatten, hohen Querkräften oder geometrisch eingeschränkten Anschlusspunkten zu rechnerisch nicht nachweisbaren Lösungen führen. Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass der Anschluss konstruktiv ungeeignet ist. Es zeigt vielmehr, dass der standardisierte Normansatz das mögliche Tragverhalten komplexerer Dübelgruppen nur begrenzt abbildet.

Querkraftverteilung nach fib Bulletin 58

Das fib Bulletin 58 [2] beschreibt für bestimmte Fälle einen erweiterten Ansatz zur Querkraftverteilung in Dübelgruppen. Bei Querlast senkrecht zur Bauteilkante kann die Last über mehrere Dübelreihen verteilt werden, sofern kein Lochspiel zwischen Dübel und Ankerplatte vorhanden ist. In diesem Fall wird nicht nur die randnahe Dübelreihe angesetzt. Stattdessen werden die möglichen Betonkantenbruchkörper der relevanten Reihen geprüft. Die maßgebende Versagensfläche kann von der ersten, zweiten oder dritten Dübelreihe ausgehen.

Der Ansatz lässt sich an einer Sechser-Dübelgruppe erläutern. Beim vereinfachten Nachweis nach EN 1992-4 wird die Querlast für den Betonkantenbruch der vorderen Dübelreihe zugeordnet. Der Ansatz nach fib Bulletin 58 berücksichtigt dagegen, dass auch die weiteren Dübelreihen an der Lastübertragung beteiligt sein können. Der Nachweis umfasst deshalb sowohl ein mögliches Versagen der vorderen Reihe als auch ein mögliches Versagen einer der beiden hinteren Reihen (Abbildung 3). Entscheidend ist, dass alle Dübel gleichzeitig aktiviert werden können. Eine Voraussetzung hierfür ist, dass der Ringspalt zwischen der Ankerplatte und den Dübeln vollständig geschlossen ist, sodass kein Lochspiel verbleibt.

_{Abbildung 3: Querkraftverteilung und Lastumlagerung in Abhängigkeit der Versagensart (Querlast senkrecht zum Bauteilrand)}

Dasselbe Prinzip gilt bei Querlast parallel zur Bauteilkante (Abbildung 4). In diesem Fall werden die relevanten Reihen senkrecht zur Kante betrachtet. Der Nachweis bleibt eine Reihe-für-Reihe-Betrachtung möglicher Betonkantenbruchflächen und ist keine pauschale Erhöhung des Widerstands.

_{Abbildung 4: Querkraftverteilung und Lastumlagerung in Abhängigkeit der Versagensart (Querlast parallel zum Bauteilrand)}

Hinweis: Die Anwendung des beschriebenen Ansatzes bei vorhandenem Lochspiel erfüllt den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit nicht

Der Anwendungsbereich des fib Bulletin 58 bleibt jedoch begrenzt. Dübelgruppen werden weiterhin nur innerhalb bestimmter Raster abgedeckt (3x3-Raster ohne Lochspiel, 2x2-Raster mit Lochspiel, vgl. Abbildung 4.3-1 in [2]). Größere Layouts sowie unregelmäßige Anordnungen, etwa dreieckige, kreisförmige oder freie Dübelanordnungen, werden weder in der EN 1992-4 noch im fib Bulletin 58 vollständig erfasst.

SOFA-Methode als Erweiterung für größere und komplexere Layouts

Die Hilti SOFA-Methode überträgt die Grundidee der Querkraftverteilung nach fib Bulletin 58 auf zusätzliche Befestigungssituationen unter statischen und seismischen Einwirkungen. SOFA 2.1 erweitert den Anwendungsbereich gegenüber EN 1992-4 und fib Bulletin 58, wenn Dübelgruppen in Randnähe unter Querlast bemessen werden müssen und standardisierte Layouts nicht ausreichen.

Für regelmäßige Dübelanordnungen erlaubt SOFA 2.1 unter definierten Voraussetzungen eine Querkraftverteilung über die randnahe Dübelreihe hinaus. Die Verteilung kann auf bis zu drei Reihen angesetzt werden. Voraussetzung ist, dass kein Lochspiel zwischen Dübel und Ankerplatte vorhanden ist. Für rechteckige Layouts über 3x3 gelten Grenzen mit n_i ≤ 5, n_j ≤ 5 und n_i × n_j ≤ 16. Dabei steht n_i für die Anzahl der Reihen parallel zur Bauteilkante und n_j für die Anzahl der Reihen senkrecht zur Bauteilkante.

Die Mitwirkung hinterer Reihen ist begrenzt. Die maximale Anzahl an Dübeln je Reihe ist auf fünf beschränkt, wenn der Beitrag hinterer Reihen angesetzt werden soll. Diese Begrenzung ergibt sich aus dem verfügbaren Forschungsstand (Grosser, 2012 [3]) und dient dazu, die Querkraftverteilung innerhalb eines technisch abgesicherten Bereichs anzuwenden.

Für größere regelmäßige Gruppen mit n_i × n_j > 16 wird die Querkraft weiterhin der vorderen Dübelreihe zugeordnet. Diese Anwendung ist auf statische Fälle begrenzt. Die Methode erweitert damit den Bemessungsbereich, setzt aber klare Grenzen für die Anwendbarkeit der Querkraftverteilung.

Unter seismischer Beanspruchung gelten strengere Randbedingungen. Die Verteilung der Querlast auf hintere Dübelreihen setzt voraus, dass das Lochspiel vollständig geschlossen ist. Für unregelmäßige Anordnungen bleibt unter seismischen Bedingungen die reguläre Betrachtung nach EN 1992-4 maßgebend, bei der die Bruchfläche vom randnächsten Dübel ausgeht.

_{Tabelle 2: Querkraftverteilung für Dübel und Dübelgruppen nahe einem Bauteilrand unter statischen und seismischen Bedingungen}

Betonkantenbruch bei größeren Dübelgruppen

Bei größeren Befestigungen kann der Betonkantenbruch nicht immer nur über die vorderste Dübelreihe beurteilt werden. Randabstand, Achsabstand der Dübel, Bauteildicke, Richtung der Querlast und Lochspiel beeinflussen, welche Versagensfläche maßgebend wird. Die SOFA-Methode prüft deshalb die möglichen Ausbruchkörper der relevanten Reihen.

Ein Beispiel ist eine 5x3-Dübelanordnung nahe einer Bauteilkante ohne Lochspiel. Wirkt eine Querlast senkrecht zur Kante, wird der Betonkantenbruch nach SOFA für jede Reihe parallel zur Bauteilkante überprüft. Die maßgebende Reihe ergibt sich aus dem jeweiligen Widerstand des möglichen Ausbruchkörpers und der zugeordneten Beanspruchung.

_{Abbildung 5: Betonausbruchkörper für die mittlere Reihe bei Belastung senkrecht zur Kante}

Diese Erweiterung ist für Stahlbauanschlüsse relevant, bei denen hohe Querkräfte übertragen werden müssen und geometrische Einschränkungen am Bauteilrand bestehen. Große Ankerplatten, hohe Lasten oder projektbedingte Zwangspunkte können dazu führen, dass ein Standardlayout nach EN 1992-4 nicht ausreicht. SOFA 2.1 ermöglicht unter definierten Voraussetzungen eine differenziertere Bewertung solcher Anordnungen. Es ist außerdem hervorzuheben, dass die SOFA-Methode keine gleichmäßige Anzahl von Dübeln pro Reihe voraussetzt.

Die Methode setzt keine beliebige Erhöhung der Tragfähigkeit an. Sie begrenzt die Mitwirkung zusätzlicher Reihen und verlangt den Nachweis der relevanten Betonkantenbruchkörper. Damit bleibt die Bemessung an klare Voraussetzungen gebunden und folgt einer nachvollziehbaren mechanischen Logik.

Bandbreitenansatz für unregelmäßige Dübelanordnungen

Dübelanordnungen werden in der Planung häufig idealisiert dargestellt. Auf der Baustelle können geringe Abweichungen entstehen. Bei unregelmäßigen, kreisförmigen oder dreieckigen Anordnungen ist zudem nicht immer eindeutig, welche Dübel eine gemeinsame Reihe bilden. Für solche Fälle beschreibt SOFA den Bandbreitenansatz.

Der Bandbreitenansatz fasst Dübel zusammen, die innerhalb eines definierten virtuellen Bands liegen. Dieses Band umfasst Dübel innerhalb eines Viertels des maximalen Abstands zwischen dem nächstgelegenen und dem entferntesten Dübel in y-Richtung (s_y,max) sowie, bei vorhandener angrenzender Kante, in x-Richtung (s_x,max) . Für den Nachweis wird der kleinste Randabstand der Dübel innerhalb dieses Bands verwendet.

Durch diesen Ansatz kann ein größerer Ausbruchkörper berücksichtigt werden, wenn mehrere Dübel innerhalb des Bands gemeinsam wirken können. Gleichzeitig verhindert die Definition des Bands, dass weit entfernte Dübel ohne ausreichenden geometrischen Zusammenhang unzulässig in dieselbe Bruchfläche einbezogen werden.

Der Bandbreitenansatz gilt nur für statische Belastungen. Unter seismischer Beanspruchung bleibt die reguläre Betrachtung maßgebend, bei der der Betonkantenbruch vom randnächsten Dübel ausgeht, auch wenn das Lochspiel geschlossen wurde.

_{Abbildung 6: Definition des "Bands" bzw. Einflussbereichs gemäß der SOFA-Methode, veranschaulicht am Beispiel eines Bauteilrands}

Nachweislogik der SOFA-Methode

Die SOFA-Methode nutzt weiterhin die Bemessungslogik der EN 1992-4, erweitert sie jedoch für den Nachweis des Betonkantenbruchs unter Querlast durch Ansätze aus dem fib Bulletin 58 und zusätzliche Forschungsergebnisse. Stahlversagen und rückwärtiger Betonausbruch bleiben in ihrer grundsätzlichen Behandlung unverändert. Die wesentliche Erweiterung betrifft die Bewertung des Betonkantenbruchs bei randnahen Dübelgruppen.

Für jede relevante Reihe wird der Widerstand gegen Betonkantenbruch geprüft. Maßgebend ist die ungünstigste Kombination aus Beanspruchung und Widerstand der möglichen Ausbruchkörper. Damit wird berücksichtigt, dass die maßgebende Bruchfläche nicht zwingend an der randnächsten Reihe beginnen muss.

Ein technischer Unterschied zwischen EN 1992-4 und fib Bulletin 58 betrifft den Faktor ψ_α,V (siehe Abbildung 7). Dieser Parameter wird im fib Bulletin 58 für größere Dübelgruppen differenzierter abgebildet als in EN 1992-4. Diese Differenz unterstützt die Bewertung komplexerer Gruppen unter Querlast.

_{Abbildung 7: Darstellung des Parameters ψα,V im fib Bulletin 58 gegenüber EN 1992-4}

Umsetzung in PROFIS Engineering

Die SOFA-Methode ist in Hilti PROFIS Engineering im Modul für Befestigungen in Beton integriert. Anwender können Befestigungen nach EN 1992-4, ETAG 001 Anhang C oder nach der SOFA-Methode bemessen. Die Auswahl der Bemessungsmethode erfolgt in der Software über die Bemessungseinstellungen (siehe Abbildung 8).

Für komplexere Layouts ist der 2D-Editor relevant. Dort können Dübelpositionen individuell angepasst werden. Wird eine Anordnung gewählt, die außerhalb der Grenzen von EN 1992-4 liegt, zeigt PROFIS Engineering eine Warnmeldung und bietet die Umstellung auf die SOFA-Methode an (siehe Abbildung 8).

_{Abbildung 8: Auswahlmöglichkeiten und Warnmeldung zur Bemessungsmethode in PROFIS Engineering}

Die Integration in PROFIS Engineering ist für die Anwendung wesentlich, weil die erweiterte Bemessungslogik direkt im Berechnungsablauf abgebildet wird. Die Software prüft die relevanten Nachweise und dokumentiert die maßgebenden Ergebnisse im Berechnungsbericht. Bei der Betrachtung mehrerer möglicher Ausbruchkörper wird die maßgebende Reihe ausgegeben.

Fachliche Einordnung

SOFA 2.1 erweitert die Bemessungsmöglichkeiten für nachträglich installierte Befestigungen in Beton, ersetzt jedoch nicht die Prüfung der maßgebenden Randbedingungen. Geometrie, Randabstände, Lochspiel, Belastungsart, Anzahl der Dübel und Art der Anordnung müssen zum jeweiligen Anwendungsbereich passen. Die Methode ist damit kein eigenständiges neues Bemessungskonzept, sondern eine Erweiterung des Anwendungsbereichs von EN 1992-4 für Befestigungssituationen, die durch die normativ geregelten Standardfälle nicht vollständig abgedeckt werden.

Die Grundlage der Methode bilden umfangreiche interne und externe Forschungsergebnisse sowie die Einbindung bestehender Bemessungsansätze, insbesondere aus dem fib Bulletin 58. SOFA greift damit technische Ansätze auf, die in der Fachwelt bekannt sind und für bestimmte Nachweissituationen eine realistischere Beschreibung des Tragverhaltens ermöglichen. Das betrifft vor allem die Querkraftverteilung bei randnahen Dübelgruppen und die Bewertung des Betonkantenbruchs über mehrere mögliche Ausbruchkörper.

Regelwerke entwickeln sich über lange Zeiträume. Neue Forschungsergebnisse und Erkenntnisse aus Versuchen, Bemessungsmodellen und praktischer Anwendung stehen häufig früher zur Verfügung, als sie in Normen vollständig abgebildet werden. Die SOFA-Methode nutzt diesen technischen Erkenntnisstand innerhalb definierter Grenzen. Sie orientiert sich damit am Stand der Technik und am aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik, ohne den normativen Rahmen der EN 1992-4 grundsätzlich zu verlassen.

Der fachliche Nutzen liegt in einer differenzierteren Bewertung von Dübelgruppen unter Querlast nahe einer Bauteilkante. Während EN 1992-4 in vielen Fällen konservativ vorgeht, kann SOFA 2.1 die Beteiligung weiterer Dübelreihen und größerer Ausbruchkörper unter klar beschriebenen Voraussetzungen berücksichtigen. Das kann bei geeigneten Randbedingungen zu nachweisbaren Lösungen führen, die mit dem reinen Normansatz nicht erreichbar wären.

Für die Planung entstehen zusätzliche Möglichkeiten bei der Auslegung von Ankerplatten und Befestigungspunkten. Das betrifft insbesondere Stahlbauanschlüsse, randnahe Fundamentanschlüsse, größere rechteckige Dübelgruppen sowie unregelmäßige, kreisförmige oder dreieckige Layouts unter statischer Beanspruchung. Bei seismischer Beanspruchung sind die beschriebenen Einschränkungen zu beachten. Entscheidend bleibt, dass die Methode nur innerhalb ihres definierten Anwendungsbereichs eingesetzt wird und die zugrunde liegenden Bemessungsannahmen eingehalten werden.

Zusammenfassung und weitere Anwendungsbereiche

Die Hilti SOFA-Methode 2.1 erweitert den Bemessungsrahmen für nachträglich installierte Befestigungen in Beton. Der Artikel beschreibt dabei gezielt drei Anwendungsbereiche der Methode:

• die Erweiterung der Bemessungsgrenzen von EN 1992-4 für Dübelanordnungen über 3x3 hinaus

• den erhöhten Widerstand gegen Betonkantenbruch durch eine Querkraftverteilung auf bis zu drei Dübelreihen mit maximal fünf Dübeln pro Reihe

• sowie den Bandbreitenansatz, bei dem nicht ausgerichtete Dübel in unregelmäßigen Anordnungen zu einer virtuellen Reihe zusammengefasst werden können.

Der Schwerpunkt liegt damit auf Dübelgruppen in Randnähe unter Querlast und auf der Frage, wie Betonkantenbruch unter definierten Voraussetzungen differenzierter bewertet werden kann. SOFA 2.1 nutzt dafür bestehende Bemessungsansätze wie das fib Bulletin 58 sowie zusätzliche interne und externe Forschungsergebnisse. Die Methode ersetzt den normativen Rahmen der EN 1992-4 nicht, sondern erweitert dessen Anwendungsbereich dort, wo der reine Normansatz komplexe Befestigungssituationen nur begrenzt abbildet.

SOFA umfasst jedoch weitere Bestandteile, die in diesem Artikel nicht im Detail behandelt werden. Dazu gehören unter anderem Bemessungsansätze für:

• erhöhte Stahltragfähigkeiten bei Abstandsmontage mit Hebelarm mit und ohne Unterfütterung

• die grundsätzliche Bewertung einer randnahen Abstandsmontage mit Hebelarm unter Querkrafteinwirkung

• Ansätze für Befestigungen in Stahlfaserbeton, bei denen die positiven Eigenschaften des Untergrunds in den Betonnachweisen berücksichtigt werden können

• verbesserte Berücksichtigung des Beitrages von Zusatzbewehrung für die Betonnachweise

Damit ist die hier dargestellte Querkraftverteilung nur ein Teil der SOFA-Methodik. Sie zeigt, wie Forschungsergebnisse und anerkannte technische Ansätze in PROFIS Engineering umgesetzt werden, um praxisrelevante Befestigungssituationen außerhalb einfacher Standardfälle nachvollziehbar zu bewerten. Für weitere Informationen oder bei Fragen zu zusätzlichen SOFA-Bestandteilen und deren Anwendung unterstützt Sie die Hilti Ingenieurberatung.

Weiterführende Links:

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[1] EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Bemessung und Konstruktion von Betontragwerken - Teil 4: Bemessung von Befestigungsmitteln für die Verwendung in Beton, Brüssel: CEN, 2018.

[2] fib bulletin 58: Bemessung von Dübel in Beton, Lausanne: IFSC, 2011.

[3] P. R. Grosser, Tragverhalten und Bemessung von Dübel unter Quer- und Torsionsbeanspruchung in ungerissenem Beton, Deutschland: Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart, 2012.