Restaurierung antiker Tempel: Experimentelle Untersuchungen zum Ausziehverhalten von Verankerungen im Marmor

109© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Bautechnik 85 (2008), Heft 2

1 Problemstellung

Die Planung und Ausführung struk-tureller Eingriffe in Bauwerke desKulturerbes unterliegen keinen nor-mativen Baubestimmungen, sind je-doch spezialisierte interdisziplinäreAufgaben, an die extrem hohe Anfor-derungen gestellt werden. Die erge-ben sich aus den in der Charta vonVenedig [1] formulierten Prinzipien,den speziellen Eigenschaften des Trag-systems, derArt der Baustoffe und demErhaltungszustand des Monuments.Die übliche Kriterien von gewöhnli-chen Baumaßnahmen wie Zeit undGeld spielen dabei keine wichtigeRolle, wohl aber andere und teilweisewidersprüchliche, wie die Erhaltungdes ursprünglichen Systems, der ge-ringste Eingriff und die Reversibilitätder Maßnahmen. Zu diesen Bauwer-

ken gehören antike griechische Tem-pel, die im heutigen Zustand oft nichtmehr als aus Einzelsäulen, den dar-aufliegenden Architraven und den Me-topen bestehen, während eine großeAnzahl einzelner, teilweise gebroche-ner Marmorsteine als Teile des ur-sprünglichen Bauwerks im Umfeldliegen (Bild 1).

Für die Erhaltung und Restaurie-rung dieser jahrtausendalten Monu-mente sind mehrere Teilprobleme zulösen, zu denen die Gewährleistungder Tragsicherheit, der Gebrauchs-tauglichkeit und der Dauerhaftigkeitdes Monuments gehören. Eins davonist der Zusammenbau einzelner Mar-morblöcke zu einem Bauteil, wie bei-spielsweise einem Architrav (Bild 1).Die Anwendung von Klebern oderEpoxidharzen scheidet dabei wegender Forderung nach Reversibilität aus.

Stavros KourkoulisStefanos-Aldo PapanicolopulosAikaterini MarinelliIoannis Vayas

Restaurierung antiker Tempel: ExperimentelleUntersuchungen zum Ausziehverhalten von Verankerungen im Marmor

Bei der Restaurierung antiker griechischer Tempel werden einzelne Marmorblöcke zueinem Bauteil, beispielsweise einem Architrav, zusammengebaut. Wegen der Forderungnach Reversibilität der Eingriffe erfolgt dies an der Akropolis von Athen durch Anwen-dung von in Zementmörtel eingelassenen Titanstäben mit Gewinde in vorgebohrtenLöchern. Diese Art der Restaurierung entspricht einer Teilsanierung der Architrave. Imhier vorliegenden Beitrag werden experimentelle Untersuchungen zum Ausziehverhaltendieser Verankerungsstäbe vorgestellt. Die Versuche werden an einer speziell entworfe-nen Versuchsanordnung durchgeführt. Das Versagen erfolgt bei allen Versuchen an derGrenzfläche zwischen Mörtel und Bohrlochwand. Es zeigt sich, dass die Gewindeformdas Tragverhalten entscheidend beeinflusst. Ferner werden mögliche Grenzzustände de-finiert.

Restoration of antique temples: Experimental investigations on the pull-out behaviourof anchors in marble. In restoration works of antique Greek temples individual marbleblocks are connected together to form a single element, e. g. an architrave. Due to thedemand of reversibility of the intervention, this is done in the Acropolis of Athens bymeans of titanium threaded bars that are inserted in the marble, in predrilled holes filledwith cement mortar. This way of restoration corresponds to a partial rehabilitation of thearchitraves. This paper presents experimental investigations on the pull-out behaviourof such anchors. The tests are performed in specially designed equipment. Failure takesplace for all tests in the interface between the mortar and the marble. It has been shownthat the form of the thread influences considerably the carrying capacity. Possible limitstates are introduced.

Fachthemen

DOI: 10.1002/bate.200810010

Bild 1. Restaurierungsarbeiten an der Akropolis AthenFig. 1. Restoration works on the Acropolis Athens

08_109-119 Kourkoulis (1255) 24.01.2008 11:17 Uhr Seite 109

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St. Kourkoulis/St.-A. Papanicolopulos/A. Marinelli/I. Vayas · Restaurierung antiker Tempel: Experimentelle Untersuchungen zum Ausziehverhalten von Verankerungen im Marmor

Bautechnik 85 (2008), Heft 2

Daher wurde bei der Restaurierungder Monumente an der Akropolis vonAthen schon in den 1980-er Jahreneine innovative Methode, durch An-wendung von in Zementmörtel einge-lassenen Titanstäben mit Gewinde invorgebohrten Löchern in den Stei-nen, entwickelt (Bild 2) [2] bis [5].

Die Dimensionierung der Ver-bindungsstäbe erfolgte unter den An-nahmen elastischen Verhaltens, iso-troper Materialeigenschaften, Eben-bleiben der Querschnitte, vernach-lässigbarer Zugfestigkeit des Mörtelsund Verformungskompatibilität zwi-schen Zugstab und Marmor [6], [7].Das Bemessungsmoment wird dabeials das aus der Belastung nach derRestaurierung erzeugte Moment be-stimmt. Dieser Vorgang entsprichteiner Teilrehabilitierung. Bei einervollen Rehabilitierung ist das Bemes-sungsmoment größer, gleich dem Mo-ment, bei dem die Zugfestigkeit desintakten Marmors erreicht wird.

Die Interventionsprinzipien for-dern die Vermeidung des Abtrags gro-ßer Mengen vom authentischen Ma-terial durch die Bohrungen und da-her die Begrenzung, so weit wie mög-lich, der Anzahl, der Abmessungenund der Verankerungstiefe der Ver-bindungsstäbe. Hinzu kommt, dassdie üblicherweise angewandte Veran-kerungslänge 25 d (d Stabdurchmes-ser), wenn die Steinteile zu klein sind,nicht realisierbar ist. EntscheidenderFaktor dabei ist das Ausziehverhaltendes Systems Marmor – Zementmörtel –Verbindungsstab, ohne dass der Mar-mor bricht. Trotz der offensichtlichenBedeutung dieses Sachverhalts fehltin der internationalen Forschung seinesystematische Untersuchung, bei derdie angesprochenen theoretischen An-sätze für Ausziehnachgiebigkeit und -festigkeit wegen der angenommenenVerformungskompatibilität zwischenAnkersstäben und Marmor als un-endlich groß angenommen werden.Experimentelle Untersuchungen [23],[24] an einer genauen Replik des ausmehreren Steinen zusammengesetztenfünften äußeren Architravs der nörd-lichen Säulenreihe des Parthenon imMaßstab 1 : 2 (Bild 3) zeigen, dassdiese Annahme nicht zutrifft. Bild 4stellt die experimentell ermittelteLast-Mittendurchbiegungs-Kurve desauf Sechs-Punkt-Biegung belastetenzusammengesetzten Modells dar. Diegestrichelten Linien zeigen die ent-sprechenden Kurven des intakten un-gerissenen Steins, berechnet mit E-Modul gleich dem E-Modul des Mar-mors, bzw. 1/8 dieses Wertes. Manerkennt, dass die Anfangssteifigkeit

des zusammengesetzten Modells etwa1/8, die Beanspruchbarkeit etwa 25 %des intakten ungerissenen Steins be-trägt. Eine volle Rehabilitierung kannalso durch diese Technik nicht erzieltwerden. Der nichlineare Kurvenver-lauf infolge der Schlupfverformungender Stäbe fängt sogar bei etwa 40 %der Traglast an.

Das Ausziehproblem ist für Be-wehrungsstäbe im Beton [8] bis [14],Dübelanker im Beton [15], oder Kunst-faser im Beton [16] bis [19] experi-mentell und theoretisch ausführlichuntersucht worden. Das Ausziehver-halten ist von Bedeutung auch in derBiomechanik, insbesondere bei derAnwendung von Schrauben zum Zu-sammenhalten von Wirbeln [20] bis[22].

In diesem Beitrag werden ex-perimentelle Untersuchungen zumAusziehverhalten von Gewindestan-gen im Marmor, nach der bei denRestaurierungsarbeiten an der Akro-polis angewandten Technik, vorge-stellt.

2 Versuchskörper

Die Ausziehkraft hängt von mehrerenParametern, wie der Verankerungs-tiefe, der Gewindegeometrie (Tiefe,Abstand und Neigung des Gewindes),den mechanischen Eigenschaften derBaustoffe (Marmor, Metallstab, Ze-mentmörtel) und den Eigenschaftender Kontaktflächen ab. Die möglichenVersagensarten sind:– Bruchversagen des Metallstabs– Bruchversagen des Marmorkörpers– Ausziehen des Stabs

Bild 2. Zusammenbau von Marmor-blöcken mit Gewindestangen aus TitanFig. 2. Connection of marble blockswith threaded titanium bars

Bild 3. Modell eines Architravs der Akropolis im Maßstab1 : 2 unter Sechs-Punkt-Biegung [23], [24]Fig. 3. Model of an architrave of the Acropolis in scale 1 : 2under six-point bending [23], [24]

Bild 4. Last-Mittendurchbiegungs-Kurve des intakten unddes zusammengesetzten Modells nach Bild 3Fig. 4. Load-deflection-curve of the continuous and the re-paired model of fig. 3


https://www.researchgate.net/publication/245111909_The_Rod_Pull-Out_Problem_Theory_and_Experiment?el=1_x_8&enrichId=rgreq-9ea1b8d7-0f0f-4773-8fa6-97e023e37018&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzIzMDM4NjIwNjtBUzo5NzExMjEyNTYwNzk1NEAxNDAwMTY0NzQzNzg0

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Zur Untersuchung des Auszieh-verhaltens wurde eine kleine Veran-kerungstiefe gewählt, so dass die bei-den anderen Versagensarten nicht vor-kommen. Ziel der experimentellenUntersuchung war, zum Zweck derOptimierung den Einfluss der Ge-windegeometrie auf die Ausziehkraftzu bestimmen. Mit den Versuchensollte das Ausziehverhalten von Ein-zelstäben untersucht werden, da inder Regel ihre Abstände ausreichendgroß sind, so dass sie sich nicht gegen-seitig beeinflussen.

Die Versuchskörper bestehen ausprismatischen Marmorblöcken qua-dratischer Grundfläche 80 mm ¥80 mm. Die Einführung der Stäbe er-folgte nach der bei der Akropolis an-gewandten Technik und wurde vombei den Restaurierungsarbeiten be-schäftigten Personal ausgeführt. Dazuwerden in den Versuchskörper durcheinen DiamantenbohrerLöcherDurch-messers 14 mm, etwas größer als derAußendurchmesser der Stäbe von12 mm, gebohrt. Es entsteht ein rela-tiv glattes Bohrloch, das mit Wassergereinigt wird. Anschließend wird derZementmörtel in das Loch gegossen(Bild 5). Zum Schluss wird der Ge-windestab, solange der Mörtel nochflüssig ist, schraubenartig in das Locheingeführt und in seiner Endposition,parallel zu den Längsseiten des Ver-suchskörpers, durch eine spezielleVorrichtung bis zum Erhärten desMörtels gehalten (Bild 6).

Wie eingangs erwähnt, solltedurch die Versuche der Einfluss der


Bild 5. Versuchskörper und Eingießendes ZementmörtelsFig. 5. Test specimen and injection ofthe cement mortar

Bild 6. Haltevorrichtung der VerankerungsstäbeFig. 6. Set-up for restraining of the anchor bars

Bild 7. Parameter der Gewindegeometrie und Verankerungsstäbe Fig. 7. Parameters of the thread geometry and anchor bars

Gewindeform auf das Ausziehverhal-ten untersucht werden, der unabhän-gig vom Material der Stäbe ist. Daherwurde Baustahl höherer Festigkeit stattTitan als Material der Verankerungs-stäbe gewählt. Das erfolgte aus Kos-tengründen und zur Vereinfachungdes Gewindeschnitts, da die Gewinde-geometrien nicht genormt sind. DieVersuchsparameter waren die Ge-windesteigung und die Gewindetiefe,für die jeweils drei Werte untersuchtwurden (Bild 7). Ihre Kombinationergibt 3 ¥ 3 = 9 Gewindegeometrien,für die drei identische Versuche, also

insgesamt 3 ¥ 9 = 27Versuche, durch-zuführen waren. Die geometrischenEigenschaften der Gewindestäbe sindin Tabelle 1 zusammengefasst. Dortwerden aus Vergleichsgründen dieentsprechenden Werte des metrischenGewindes wiedergegeben. Man er-kennt, dass schließlich 25 statt 27Versuche durchgeführt wurden. DieVerankerungslänge betrug 12,5 d, alsohalb so groß als die bei den Restau-rierungsarbeiten verwendete. Zu Ver-gleichszwecken wurden zwei Ver-suche mit noch kleineren Veranke-rungslängen 9,2 d durchgeführt.


3 Materialeigenschaften

Vor der eigentlichen Untersuchungwurden die Materialeigenschaftender Bestandteile der Versuchskörper,der Marmorsteine, der Verankerungs-stäbe und des Zementmörtels be-stimmt.

3.1 Dionyssosmarmor

Für die Steinblöcke wurde Dionys-sosmarmor verwendet, der bei denRestaurierungsarbeiten an der Akro-polis verwendet wird, da er aus demselben Berg, der Penteli, aus dem derursprüngliche Marmor des Monu-ments stammt, kommt und ähnlicheEigenschaften besitzt. Dieser Mar-mor besteht um 98 % aus Kalzit, hateine Dichte von 2730 kg/m3 und einesehr geringe Porosität, zwischen 0,3und 0,7 %. Die Korngröße ist etwa0,43 ¥ 10–3 m, und die Kristalle ha-ben eine gleichmäßige Polygonformmit Abmessungen zwischen 900 mm ¥650 mm und 950 mm ¥ 874 mm. SeineFarbe ist weiß, mit einigen grauenVenen parallel zur Schieferungsrich-tung und vereinzelten lokalen Silber-färbungen wegen der Anwesenheitkleiner Mengen von Miscovit undChlorit [25].

Aus mechanischer Sicht ist derDionyssosmarmor ein anisotropes Ma-terial mit drei Anisotropierichtungen,eine senkrecht zur Schieferebene,Richtung p und zwei in der Schiefer-

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ebene, Richtungen k und M. (Bild 8).Experimentelle Untersuchungen andirekten Zugproben und einaxialenDruckproben [26], [27] zeigen, dassdie mechanischen Kennwerte in denbeiden letzten Richtungen ähnlichsind (Tabelle 2). Daher kann der Dio-nyssosmarmor als transversal-isotropbetrachtet werden, dessen mechani-

sches Verhalten mit Hilfe von fünfMaterialkonstanten beschrieben wer-den kann: zwei Elastizitätsmoduli, Eund E¢, in der und senkrecht zurIsotropieebene (E in den Richtungenk und M, E¢ in Richtung p), zweiQuerdehnzahlen, n und n¢, und einenSchubmodul G parallel zur Isotropie-ebene.

Das Spannungs-Dehnungs-Dia-gramm des Dionyssosmarmors zeigt,dass er einen doppelten E-Modul be-sitzt, da sein E-Modul unter Drucketwa 1,15-mal größer als der E-Modulunter Zug ist (Bild 9). Es wurde nochexperimentell gezeigt, dass die Druck-festigkeit von den Versuchskörperab-messungen abhängt (Bild 10). Inter-essant ist, dass diese Abhängigkeitnicht monoton ist, sondern es einebestimmte Größe gibt, bei der dieDruckfestigkeit einen maximalen Werterreicht (Bild 10).

3.2 Zementmörtel

Der Zementmörtel wurde vom Per-sonal der Akropolis vorbereitet undbesaß die gleiche Zusammensetzungder entsprechenden Restaurierungs-arbeiten. Davon wurden zylindrischeProbekörper mit einem VerhältnisDurchmesser zu Länge ª 1/2, diezunächst unter einachsigem Druckbelastet wurden (Bild 11a). Währendder Belastung wurden mit Hilfe vonDMS die axialen und transversalenDehnungen an drei Punkten des Um-fangs gemessen. Das Versagen warspröde, unter kompletter Zerstörungder Proben. Charakteristische Span-nungs-Dehnungs-Diagramme werdenin Bild 11c dargestellt. Aus den Ver-suchen können hinreichend zuverläs-sige Werte der mechanischen Kenn-größen bestimmt werden: E-Modul ª 15,5 GPa, Querdehnungszahl n ª0,26, Proportionalitätsgrenze fp ª10 MPa und Druckfestigkeit fu ª35 MPa. Mit den gleichen Probenwurde der Brazilian-Versuch, antidia-metraler Druckversuch, durchgeführt


Bild 8. Anisotropierichtungen desDionyssosmarmors Fig. 8. Directions of anisotropy of theDionyssos marble

Tabelle 1. Geometrische Kennwerte der untersuchten Gewindestäbe und desmetrischen GewindesTable 1. Geometrical characteristics of the thread bars and metric thread

Nr. des Bezeichnung Außen- Innen- Gewinde- Anzahl derVersuchs- durchmesser durchmesser steigung Versuchs-körpers Dext (mm) Dint (mm) (mm) körper

1. 1.5-2 12 10,5 2 3

2. 1.5-3 12 10,5 3 2 + 1*

3. 1.5-4 12 10,5 4 3

4. 2.5-2 12 9,5 2 3

5. 2.5-3 12 9,5 3 2 + 1*

6. 2.5-4 12 9,5 4 3

7. 3.5-2 12 8,5 2 3

8. 3.5-3 12 8,5 3 3

9. 3.5-4 12 8,5 4 1

M12 – 12 9,5 1,75 –

Verankerungslänge aller Versuchskörper 150 mm (= 12,5 d) mit Ausnahme dermit * gekennzeichneten, für die gilt 110 mm (= 9,2 d)

Tabelle 2. Mechanische Kennwerte des DionyssosmarmorsTable 2. Mechanical characteristics of the Dionyssos marble

Elastizitätsmodul Querdehnungszahl Zugfestigkeit ftE [GPa] n [MPa]

Starke Richtung (k) 84,5 0,26 10,8

Zwischenrichtung (M) 79,5 0,26 9,5

Schwache Richtung (p) 50,0 0,11 0,3



(Bild 11b). Die damit geschätzte Zug-festigkeit beträgt 2 MPa.

3.3 Stahl der Verankerungsstäbe

Das Spannungs-Dehnungs-Diagrammdes Stahls wurde mit Hilfe genormterZugversuche ermittelt (Bild 12). Ausden Versuchen wurden folgende Werteermittelt: E-Modul 210,3 GPa, Fließ-grenze 470 MPa, Zugfestigkeit585 MPa, Querdehnungszahl 0,28und Bruchdehnung 10 %.

4 Versuchsanordnung

Die Versuchsanordnung für Auszieh-versuche ist nicht genormt. Die in derLiteratur vorgefundenen Anordnun-gen unterscheiden sich im Wesent-lichen in folgenden Punkten:– die Festhaltung der Versuchskör-per, entweder auf der Seite, wo gezo-gen wird, oder auf der gegenüberlie-genden Seite [28], [29]. Sie beein-flusst die Spannungsverteilung, dasVersagensbild und die Art, wie dieVerformungen gemessen werden.– die genaue Geometrie und die Ab-messungen der Versuchskörper undder Kopfplatten– die Beschreibung der Ausziehent-wicklung: In einigen Arbeiten wirddie Last in Abhängigkeit der aufge-brachten Verschiebung [8], [12], [30],in anderen die Last in Abhängigkeitdes Schlupfs des Verankerungsstabsvom Probekörper [18], [31] beschrie-ben

Dadurch besaß die hier entwor-fene und hergestellte Versuchsanord-nung einige Originalitätselemente(Bild 13). Zunächst wurde die Fest-haltung des Versuchskörpers an der


Bild 9. Spannungs-Dehnungs-Diagramm des Dionyssosmarmors parallel zur star-ken AnisotropierichtungFig. 9. Stress-strain diagram of the Dionyssos marble parallel to the strong direc-tion of anisotropy

Bild 10. Effekt der Versuchskörpergröße des Dionyssosmarmors Fig. 10. Scale effect of the Dionyssos marble

Bild 11. Druckversuch a), Versagensform des Brazilian-Versuchs b), Spannungs-Dehnungs-Diagramm des Druckversuchs c)Fig. 11. Compression test a), failure mode of the Brazilian test b), stress-strain-curve of the compression test c)



Seite, an der die Zuglast ausgeübt wird,gewählt, weil sie durch geeignete For-mung der Proben die direkte Mes-sung des Schlupfs zwischen Stab undMörtel und dem Marmorkörper er-laubt. Die Zuglast wird direkt auf denVerankerungsstab ausgeübt, währenddie Vertikalbewegung des Marmor-körpers durch eine, mit vier Gewinde-stangen nach unten verankerte, starreKopfplatte behindert war. Die Kopf-platte war mit einem Loch versehen(Bild 14a), um a) den Durchgang desVerankerungsstabs und b) die unbe-hinderte Bildung des Bruchkegels desMarmors, falls dies der Fall sein sollte,zu erlauben. Die Bedingung b) wirddurch ein großes Loch erfüllt. Ein zugroßes Loch würde aber das Span-nungsfeld des Marmorkörpers in derNähe des Ankerstabs beeinflussen. Sowurde schließlich der Lochdurchmes-ser mit Hilfe geeigneter Vorversuchebestimmt, so dass beide widersprüch-lichen Bedingungen annähernd erfülltwerden konnten.

Das Messsystem beinhaltete:– eine Kraftmessdose mit Empfind-lichkeit 5 N zur Messung der von derMaschine auf den Verankerungsstabaufgebrachten Last– einen Klammerwegaufnehmer zurMessung eventueller Verformungender Gewindestangen (Bild 14d)– einen Wegaufnehmer an der Ma-schinentraverse zur Messung der ein-geprägten Verschiebung (Bild 14e)– einen durch das untere Loch desMarmorkörpers bis zum Veranke-rungsstab reichenden Wegaufnehmerzur Messung des Schlupfs zwischendem Stab und dem Marmorkörper(Bild 14b)


Bild 12. Spannungs-Dehnungs-Diagramm des Stahls derVerankerungsstäbeFig. 12. Stress-strain diagram of the anchor steel

Bild 13. VersuchsanordnungFig. 13. Experimental set-up

Bild 14. Details der VersuchsanordnungFig. 14. Details of the experimental set-up

– einen DMS zur Messung der Deh-nungen des Verankerungsstabs undeventueller Sekundärbiegungseffekte(Bild 14c)

Die Belastung wurde wegge-steuert aufgebracht. Die Last wurdevon einer INSTRON-Maschine mit250 kN Kapazität, unter quasi-stati-schen Bedingungen, mit einer Ge-schwindigkeit von 1 mm/min aufge-bracht. Die bei den Versuchen regis-trierte Maximallast war nicht größerals 50 kN, so dass mit ausreichenderSicherheit angenommen werden kann,dass die Steifigkeit der Maschine füralle Messungen ausreichend war. AlleMessergebnisse wurden mit Hilfe desProgramms LABVIEW elektronischregistriert und gespeichert.

5 Versuchsergebnisse undSchlussfolgerungen

Wegen der kleinen Verankerungslän-gen erfolgte das Versagen bei allenVersuchen durch Herauszziehen derStäbe aus dem Marmor und immer ander Grenzfläche zwischen Mörtelund Bohrlochwand (Bild 15). DerMörtel blieb größtenteils intakt undhaftete am Stab. Nach Versuchsendewurde bei einigen Versuchskörpernder gesamte Stab herausgezogen. Eszeigt sich, dass ein Versagen an derGrenzfläche zwischen Ankerstangeund Mörtel am Stabende nicht voll-ständig ausgeschlossen werden kann.Ebenso wurde ein Abschuppen einerdünnen Marmorschale wegen der



Haftung am Mörtel beobachtet, wasaber ohne Bedeutung für das Tragver-halten ist.

Die Last-Verformungs- und dieLast-Schlupf-Kurven, P-d bzw. P-s,eines typischen Versuchs sind inBild 16 dargestellt. Die Last-Verfor-mungs-Kurve ist zunächst linear,weil in diesem Bereich kein Schlupfstattfindet. Dann fängt ein mess-barer Schlupf an, und die Neigungder P-d-Kurve ändert sich leicht. Andieser Last beginnt offensichtlicheine Lösung der Kontinuität an derGrenzfläche Mörtel – Marmor durchlokale Überschreitung der Schub-festigkeit der Grenzschicht mit Bil-dung der ersten Risse. Die Neigungder P-d-Kurve wird allmählich klei-ner, bis zum Erreichen der Maximal-last. Danach fällt die Last mehr oderweniger plötzlich ab, wegen der voll-ständigen Lösung der Kontinuität ander Grenzfläche und Überschreitungihrer Schubfestigkeit über die ge-samte Verankerungslänge. Währenddieser Phase steigt die Neigung derP-s-Kurve leicht an. Nach dem plötz-lichen Lastabfall stabilisiert sich dieLast auf etwa 40 % des Maximal-werts, während die Neigung ders-d-Kurve konstant, gleich der Ge-schwindigkeit der Wegaufbringung,wird. Der Ursprung dieser Restfestig-keit ist noch nicht geklärt, sie kann

an der Reibung, beispielsweise durchmögliche Dilatation des Mörtels,oder einer ungewollten Schiefstel-lung des Stabs relativ zum Loch, lie-gen.

Die Last-Schlupf-Kurven allerVersuche, bei denen Schlupfmess-werte aufgenommen werden konn-ten, sind in Bild 17 dargestellt. JedesBild a) bis h) enthällt nach Tabelle 1drei Kurven für identische Versuchs-

körper, mit Ausnahme der Bilder b)und e), bei denen ein Versuch mitkleineren Verankerungstiefen durch-geführt wurde. Man erkennt die großeStreuung der Ergebnisse, offensicht-lich bedingt durch die, unplanmäßige,leicht unterschiedliche Herstellungund die Streuung der Marmoreigen-schaften.

Die Schubspannungen in derVerbundfuge können nach Gl. (1) er-mittelt werden:

(1)

worinP Last an einem bestimmten Zu-

standdloch Durchmesser der Bohrung im

MarmorL Verankerungslänge des Stabs

Bild 18 stellt die experimentell ermit-telten Schubspannungen charakteris-tischer Zustände dar. Folgende Zu-stände werden als charakteristisch de-finiert:a) Beginn des Schlupfs, bis zu demdie Verformungskompatibilität zwi-schen Ankerstab und Marmor giltb) Erreichen der Maximallast, die demGrenzzustand der Tragfähigkeit ent-sprichtc) Erreichen von 1 mm Schlupf, derdem Grenzzustand der Gebrauchs-tauglichkeit entspricht, da später dieFuge zu weit klafft

tp

=◊( ) ◊

Pd Lloch

2 4/


Bild 15. Ankerstab und Marmorblock nach VersuchsendeFig. 15. Anchor bar and marble block after the test

Bild 16. Typische Last-Verformungs- und Last-Schlupf-KurvenFig. 16. Typical load-deformation and load-slip curves




Bild 17. Experimentelle Last-Schlupf-Kurven (a–h)Fig. 17. Experimental load-slip curves

a) Versuchskörper Nr. 1a) Specimen No 1

b) Versuchskörper Nr. 2 (untere Kurvemit kleineren Verankerungslänge)b) Specimen No 2 (lower curve has asmaller anchor length)

c) Versuchskörper Nr. 3c) Specimen No 3

d) Versuchskörper Nr. 4d) Specimen No 4

e) Versuchskörper Nr. 5 (untere Kurvemit kleineren Verankerungslänge)e) Specimen No 5 (lower curve has asmaller anchor length)

g) Versuchskörper Nr. 8g) Specimen No 8

h) Versuchskörper Nr. 9h) Specimen No 9

f) Versuchskörper Nr. 7f) Specimen No 7



Bild 18 zeigt die Mittelwerte ausden drei identischen Versuchen sowieden Mittelwert minus eine Standard-abweichung. Folgendes ist zu erken-nen:a) Größere Gewindesteigungen wir-ken negativ auf die Festigkeit.b) Die mittlere Gewindetiefe besitztbessere Eigenschaften für alle Ge-windesteigungen.

Bild 19 stellt das Verhältniss derSchubspannungen bei Schlupfbeginnbzw. bei 1 mm Schlupf zu den Maxi-malwerten dar. Man erkennt, dass dasmitteltiefe Gewinde stabilere und duk-tilere Verhältnisse für alle Gewinde-steigungen aufweist, indem sich dieSchubspannungen von Schlupfbeginnbis 1 mm Schlupf zwischen 65 % und90 % des Maximalwerts bewegen.

Aus den hier beschriebenen ex-perimentellen Untersuchungen kön-nen folgende Schlüsse zum Auszieh-verhalten von Verankerungen im Mar-mor gezogen werden:a) Beim Herausziehen der Stäbe ausdem Marmor erfolgt das Versagen ander Grenzfläche zwischen Mörtel undBohrlochwand.b) Die Gewindeform spielt eine ent-scheidende Rolle für das Tragverhal-ten der Verankerung.c) Die beste Gewindeform ist ähn-lich der des metrischen Gewindes.d) Bedingt durch die Herstellung unddie Eigenschaften des NaturmaterialsMarmor streut das Ausziehtragver-halten mehr oder weniger stark.e) Geeignete Grenzzustanddefinitio-nen sind für den Grenzzustand derTragfähigkeit das Erreichen der Maxi-mallast und für den Grenzzustandder Gebrauchstauglichkeit das Errei-chen von 1 mm Schlupf.f) Bei Monumentrestaurierungen soll-ten zur Erzielung der Reversibilitätder Eingriffe die Verankerungen imMarmor so entworfen werden, dassdas Herausziehen der Stäbe der kriti-sche Versagensmechanismus ist undnicht der Marmor- oder der Veranke-rungsbruch.g) Diese Art der Restaurierung ent-spricht einer Teilrehabilitierung vonBiegeelementen, wie den Architravengriechischer Tempel.

Zur Zeit werden begleitenderechnerische Untersuchungen mitFiniten Elementen durchgeführt. DieUntersuchungen laufen im Rahmeneines europäischen Forschungspro-gramms Namens „PROHITECH:


Bild 18. Experimentelle Schubspannungen der Verbundfuge für verschiedeneZustände; a) Beginn des Schlupfes, b) Maximallast, c) bei 1 mm SchlupfFig. 18. Experimental shear stresses of the boundary surface at various states; a) start of the slip, b) maximal load, c) 1 mm slip

a)

b)

c)


Earthquake Protection of HistoricalBuildings by Reversible Mixed Tech-nologies“. Der EU wird für die fi-nanzielle Unterstützung gedankt.Gedankt sei auch dem Leiter derRestaurierungsarbeiten der Akropo-lis Dr. Nikos Toganidis für die Er-laubnis zur Benutzung des Baustel-lenlabors, Dipl.-Ing. Antigone Vrouvafür ihre wertvollen Hinweise, demtechnischen Personal des Parthenonfür die Herstellung der Verankerun-gen und DIONYSSOS MARBLE fürdie kostenlose Marmorlieferung.


Literatur

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Bild 19. Schubspannungsverhältnisse charakteristischer Zustände; a) Beginn desSchlupfes zu Maximalwerten, b) 1 mm Schlupf zu MaximalwertenFig. 19. Ratios of the shear stresses for characteristic states; a) start of the slip tomaximal values, b) at 1 mm slip to maximal values

a)

b)



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Autoren dieses Beitrages:Assoc. Prof. Dr.-Ing. Stavros Kourkoulis, Dipl.-Ing. Stefanos-Aldo Papanicolopulos,Laboratory of Strength of Materials, Dipl.-Ing. Aikaterini Marinelli, Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Ioannis Vayas, Laboratoryof Steel Structures, National Technical Univer-sity of Athens, Griechenland



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Restaurierung antiker Tempel: Experimentelle Untersuchungen zum Ausziehverhalten von Verankerungen im Marmor