August 2021
August 2021

Metall-Verankerungen in Natursteinmauerwerken

Befestigungstechnik

Es kommt vor, dass der Metallbauer seine neu hergestellten Konstruktionen am Bau in alte Natursteinmauerwerke befestigen muss. Was dabei zu beachten ist und welche Vorgehen möglich und sinnvoll sind, erklärt der Autor im Beitrag.


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Mario Russi bei der Beurteilung der Installationsqualität.
Mario Russi bei der Beurteilung der Installationsqualität.

Befestigungstechnik

Metall-Verankerungen in Natursteinmauerwerken

Es kommt vor, dass der Metallbauer seine neu hergestellten Konstruktionen am Bau in alte Natursteinmauerwerke befestigen muss. Was dabei zu beachten ist und welche Vorgehen möglich und sinnvoll sind, erklärt der Autor im Beitrag.

Text und Bilder: Mario Russi, Mitglied Technische Kommission Metaltec Suisse und Metall-, Glas- und Fassadenbauingenieur, Cladding AG

Während Beton und Ziegelsteine normiert und nach Theorie berechenbar sind, ist das Natursteinmauerwerk nach Alter, Region und Machart stark unterschiedlich geprägt. Eine exakte Planung der Verankerung ist schwierig und mit vielen Unsicherheiten behaftet. Innerhalb eines Quadratmeters Mauerfläche kann ein Dübel in scheinbar bestem Untergrund verankert werden, während daneben ein grosser Hohlraum herrscht. Das Innenleben des Mauerwerks ist meistens von aussen nicht sichtbar.

Versagensarten

Für die Planung und Ausführung von Verankerungen ist das Wissen über die Versagensarten von höchster Bedeutung. So bringt eine Vergrösserung des Dübelquerschnitts nicht zwingend eine proportionale Erhöhung des Auszugswiderstands. In Anlehnung an die Norm SIA 179:2019 können auch für Natursteinmauerwerke diverse Versagensarten definiert werden. Die Versagensmechanismen von Mauerwerk und Natursteinmauerwerk sind vergleichbar.

a) Stahlversagen:
Beim Stahlversagen bricht der Dübel im reinen Stahlquerschnitt. Wird das Stahlversagen bei einem Dübel massgebend, kann darauf reagiert werden, indem der Querschnitt vergrössert oder die Stahlsorte verbessert wird. Anstatt einen Dübel mit Durchmesser M12 in Stahlqualität 5.8 verwendet man zum Beispiel einen Dübel mit Durchmesser M16 in Stahlqualität 8.8 oder Edelstahl A4-70 für den Aussenbereich.

b) Herausziehen:
Ein Dübel kann trotz Verklebung komplett aus dem Bohrloch herausgezogen werden. Dabei kann die Verklebung am Dübel oder am Bohrlochrand zu wenig haften. Auch kann die Verklebung selbst reissen. Ein Sandstein kann trotz grosser Verankerungstiefe nur wenig Kraft aufnehmen, wogegen ein massiver Stein aus Granit bei kleiner Verklebungsfläche bereits enorme Kräfte abtragen kann. Auch Hammerbohren kann sich vorteilhaft auswirken, da das Bohrloch aufgeraut wird. Trotzdem ist mit Hammerbohren bei Natursteinmauerwerken Vorsicht geboten. Ist das Herausziehen die massgebende Versagensursache, kann der Klebstoff angepasst, das Bohrloch aufgeraut oder die Verankerungstiefe vergrössert werden.

c) Steinausbruch:
Analog zum gut untersuchten und bekannten Betonkegelausbruch kann sich bei Mauerwerken ein Steinausbruch bilden. Der Ausbruchskegel bildet sich dabei im Stein selbst. Das Risiko von «Versagen durch Steinausbruch» kann durch eine grössere Verankerungstiefe reduziert werden. Auch ein grösserer Dübeldurchmesser kann sich positiv auswirken, da die Kräfte durch die grössere Dübelsteifigkeit tiefer einwirken.

d) Steinauszug:
Bei Natursteinmauerwerken ist der Steinauszug eine weitere zu beachtende Versagensart. Ein ideal verankerter Dübel kann bei entsprechender Kraft den kompletten Stein ausreissen. Eine tiefere Verankerung durch den betroffenen Stein hindurch kann das Risiko eines Steinauszugs reduzieren.

Die Versagensarten für Querkräfte sind ähnlich. Man spricht hier von Stahlversagen mit und ohne Hebelarm, Steinversagen, Steinkantenbruch und Herausziehen von Randsteinen.
 

a) Stahlversagenb) Herausziehenc) Steinausbruchd) Steinauszug Versagensarten, Quelle: Norm SIA 179:2019, Copyright by SIA Zurich
a) Stahlversagen
b) Herausziehen
c) Steinausbruch
d) Steinauszug 
Versagensarten, Quelle: Norm SIA 179:2019, Copyright by SIA Zurich

 

«Für die Planung und Ausführung von Verankerungen ist das Wissen über die Versagensarten von höchster Bedeutung.» Mario Russi

 

Dübelmontage

Die Montage der Dübel kann auf das Versagen im Natursteinmauerwerk einen massgebenden Einfluss haben.
Werden die Dübellöcher durch Hammerbohren erstellt, können Vibrationen aus dem Hammerschlag zu einem Lösen der einzelnen Steine von den Mörtelfugen führen. Dies wirkt sich direkt auf den Steinauszug aus. Vorteile diesbezüglich bringt das Kernlochbohren. Beim Kernlochbohren zu beachten ist, dass das Bohrloch eine sehr glatte Oberfläche hat. Es muss die korrekte Klebemasse gewählt werden, welche typischerweise auf Epoxidharzbasis beruht. Wird die falsche Klebemasse gewählt, droht ein Herausziehen des Ankers, da sich dieser nur ungenügend «verkrallen» kann.
Die Erfahrung zeigt, dass das Befüllen des Bohrlochs mit Klebemasse in Natursteinmauerwerken aufwändig sein kann. Aufgrund der Hohlräume in den Mauerwerken ist eine Führung der Klebemasse erforderlich. Netze, wie sie bei Dübeln für Mauerwerke aus Ziegelsteinen bekannt sind, können hilfreich sein, solange der Klebstoff nicht zu dünnflüssig ist. Leider ist dies bei den Klebemassen auf Epoxidharzbasis oft der Fall.
  

Ausführung von Probebelastungen.
Ausführung von Probebelastungen.

 

Bei einem Referenzobjekt des Autors mit tiefen Verankerungen haben die Monteure ein alternatives Vorgehen gewählt. Durch Kernlochbohren wurden die Bohrlöcher erzeugt. Danach wurde das Bohrloch ausgeschäumt und in einem zweiten Durchgang mit einem Bohrer wieder geöffnet. Durch den Bauschaum wurden sämtliche Hohlräume im Mauerwerk verschlossen, wodurch viel Klebemasse eingespart werden konnte. Die Verträglichkeit der Materialien ist jedoch dringend vorgängig zu klären. Bei der Befestigung der Konstruktion ist zu beachten, dass das Drehmoment auf den Dübel nicht zu hoch ist. Ein zu hohes Drehmoment verursacht eine hohe Zugkraft. Der Dübel kann bereits während der Montage herausgezogen werden. Versuche haben gezeigt, dass bei einem Drehmoment von ca. 30–35 Nm bei M20-Edelstahl-Gewindestangen bereits eine Kraft von ca. 700–800 kg aufgebracht wird.

Bemessungswiderstand der Verankerungen

Dübel in Beton sind gut untersucht und statistisch ausreichend erfasst, damit eine Bemessung auf theoretischer Basis möglich ist. Bemessungsprogramme und Zulassungen sind von jedem seriösen Dübellieferanten erhältlich. Bei Natursteinmauerwerken ist dies nicht der Fall. Da jedes Mauerwerk unterschiedlich im Aufbau und bei den verwendeten Materialien ist, kann es statistisch nur unzureichend erfasst werden. Es bleibt einzig der Weg über praktische Versuche direkt am Objekt. 

 

Probebelastung mit Lastverteilbrücke für die Prüfung von Steinversagen.
Probebelastung mit Lastverteilbrücke für die Prüfung von Steinversagen.

  

Bei den sogenannten Ausgzugsversuchen unterscheidet die SIA 179:2019 zwischen zwei Verfahren. Bei der Ermittlung des Tragwiderstands bis zum Versagen wird die maximale Traglast ermittelt. Das Mauerwerk kann dabei Schaden nehmen, da der Dübel bis zu seinem Versagen belastet wird.
Das zweite Verfahren ist die Probebelastung. Durch den Ingenieur oder Projektierenden wird eine Kraft definiert, die auf den Dübel aufgebracht wird. Die Kraft muss während einer Minute auf der vollen Höhe gehalten werden. Die Verschiebung muss sich während dieser Zeitdauer stabilisieren. Mit diesem Verfahren kann verhindert werden, dass das Mauerwerk Schaden nimmt. Für eine ausreichende Genauigkeit müssen mehrere Versuche durchgeführt werden.
Ankerauszugsgeräte sind in ihrer Konstruktion nach der Norm SIA 179:2019 definiert. Die Abstützung muss in einem Abstand von mindestens zweimal der Verankerungstiefe erfolgen (gemessene Distanz zwischen Achse Anker bis Anfang Stützfuss). Ist die Distanz zu klein, können die Versagensarten Steinausbruch und Steinauszug nicht ausreichend erfasst werden. Unter Umständen stützt sich das Ankerauszugsgerät auf dem gleichen Stein ab, der auf Steinauszug untersucht werden soll. Die resultierende Auszugskraft ist demzufolge wieder aufgehoben.

 

Beurteilung der Installationsqualität.
Beurteilung der Installationsqualität.

Statische Redundanz

Trotz Ankerauszugsversuchen macht es Sinn, konstruktive Redundanzen einzuführen. Dies kann erreicht werden, indem beim theoretischen Versagen einzelner Dübel die übrigbleibenden Dübel die Konstruktion immer noch sicher verankern. Der sogenannte Reissverschlusseffekt wird dadurch ausgeschlossen. Das Statikmodell ist dementsprechend aufzubauen.

Beurteilung der Kraft durch das aufgebrachte Drehmoment.
Beurteilung der Kraft durch das aufgebrachte Drehmoment.

Fazit

Auch tragende Verankerungen in Natursteinmauerwerken sind ausführbar. Es empfiehlt sich, statische Redundanzen einzuführen. Bei der Montage ist grösste Sorgfalt geboten. Die Bemessungswiderstände können nur über praktische Auszugsversuche ausreichend erfasst werden. 

Weitere Informationen: www.cladding.ch   ■