Die wichtigsten Beanspruchungsarten von Gebirgsankern

Der Gebirgsanker wird häufig als ein Element dargestellt, das vor allem auf Zug beansprucht wird. Diese Vereinfachung ist für grundlegende Berechnungen bequem, gibt aber die tatsächlichen Verhältnisse im Gebirge nicht wieder. In der Praxis kann der Ankerstab, das Seil oder ein anderes tragendes Element gleichzeitig auf Zug, Scherung und Biegung beansprucht und darüber hinaus veränderlichen oder schlagartigen Lasten ausgesetzt sein. Das Tragverhalten hängt nicht nur vom Ankertyp ab, sondern auch vom geologischen Bau, von der Art des Einbaus, von der Verformung des Grubenbaus und vom Zusammenwirken mit den übrigen Ausbauelementen.

Eine zutreffende Beurteilung der Ankerbeanspruchung erfordert daher den Blick auf das Gesamtsystem: Gebirge, Verbundmaterial, Ankerstab, Ankerplatte, Mutter und Oberflächensicherung des Grubenbaus. Ein Versagen kann an jeder Stelle dieser Kette auftreten – nicht unbedingt im Ankerstab selbst.

Zug – die grundlegende, aber nicht die einzige Beanspruchung

Eine Zugbeanspruchung entsteht, wenn sich ein Teil des Gebirges auf die Oberfläche des Grubenbaus zubewegt oder wenn der Anker Schichten zusammenspannt, die zur Schichtablösung neigen. Beispiele sind die Durchbiegung der Firste, das Ablösen einer Gesteinsplatte oder das Anwachsen der Auflockerungszone um den Grubenbau.

Bei Verbundankern wird die Zugkraft vom Ankerstab auf das Verbundmaterial und weiter auf die Bohrlochwand übertragen. Das geschieht nicht punktuell, sondern über eine bestimmte Verbundlänge. Entlang des Ankerstabs entstehen Schubspannungen an den Grenzflächen Stahl–Harz und Harz–Gestein. Ist die Verbundlänge ausreichend, verteilt sich die Last auf eine größere Fläche. Ist sie zu kurz oder füllt das Verbundmaterial den Ringraum nicht ordnungsgemäß aus, kann es zum Herausziehen des Ankerstabs, zum Schlupf im Verbundmaterial oder zum Ablösen der das Bohrloch umgebenden Gesteinsschicht kommen.

Bei vorgespannten Ankern wird ein Teil der Zugkraft bereits beim Einbau aufgebracht. Die Vorspannung presst die Gesteinsschichten aneinander, begrenzt die Rissentwicklung und mobilisiert das Zusammenwirken von Anker und Gebirge früher. Schlaffe Anker übernehmen dagegen erst dann Last, wenn eine Relativverschiebung des Gesteins eingetreten ist.

Die Tragfähigkeit auf Zug wird nicht allein von der Festigkeit des Ankerstabs bestimmt. Von Bedeutung sind auch der Bohrlochdurchmesser, die Geometrie der Rippung, die Mischqualität der Klebepatrone, die Verbundlänge, die Gesteinsfestigkeit sowie der Zustand von Ankerplatte und Mutter. Ein Anker mit sehr festem Stab kann eine geringe Tragfähigkeit des Gesamtsystems aufweisen, wenn seine Verbindung mit dem Gebirge schwach ist.

Scherung an Trennflächen

Eine Scherbeanspruchung tritt auf, wenn sich zwei Gesteinsblöcke oder Schichten quer zur Ankerachse gegeneinander verschieben. Das geschieht vor allem an Klüften, Störungen, Schichtflächen und anderen Trennflächen, die das Ankerbohrloch queren.

In dieser Situation wirkt der Anker ähnlich einem Dübel, der durch gegeneinander gleitende Elemente verläuft (die sogenannte Dübelwirkung). Die Verschiebung des Gesteins drückt beidseitig der Trennfläche gegen den Ankerstab, und im Ankermaterial entstehen Schubspannungen. Zugleich kommt es in der Regel zu örtlicher Biegung, weil die Last nicht vollkommen symmetrisch verteilt ist.

Der Scherwiderstand eines Ankers hängt von der Querschnittsfläche des Ankerstabs, seiner Streckgrenze, seiner Duktilität und seiner Fähigkeit ab, sich ohne Bruch zu verformen. Wesentlich sind außerdem die Öffnungsweite der Trennfläche und die Eigenschaften ihres Füllmaterials. Eine enge Kluft kann die Scherung nahezu auf eine einzige Ebene konzentrieren. In einer breiteren Auflockerungszone verteilt sich die Verformung auf einen längeren Abschnitt, kann aber zu einer erheblichen Verbiegung des Ankerstabs führen.

Auch das Verbundmaterial ist an der Lastübertragung beteiligt. Ein steifes Material begrenzt örtliche Verschiebungen, kann aber reißen oder ausbrechen. Ein nachgiebigeres System lässt größere Verformungen zu, allerdings um den Preis größerer Gebirgsverschiebungen. Deshalb beschreibt der Höchstwert der Scherkraft allein die Eignung eines Ankers nicht vollständig. Ebenso wichtig ist die Energie, die das System vor dem Verlust seiner Tragfähigkeit aufnehmen kann.

Biegung des Ankers

Biegung entsteht, wenn die Bohrlochachse nicht mehr mit der Richtung der auf den Anker wirkenden Kraft übereinstimmt. Sie kann die Folge gleitender Gesteinsblöcke, sich öffnender Klüfte, einer ungleichmäßigen Durchbiegung der Firste oder einer Verformung der Ausbruchskontur sein.

In der Praxis arbeitet ein Anker selten auf reine Biegung. Meist tritt sie zusammen mit Zug und Scherung auf. Ein Ankerstab, der eine Trennfläche quert, wird zunächst gegen deren Kante gedrückt, verbiegt sich dann und wird mit zunehmender Verschiebung gedehnt. Auf der einen Seite des Querschnitts entstehen Zug-, auf der anderen Druckspannungen. Die größten Spannungen treten an der Oberfläche des Ankerstabs auf; deshalb können schon geringe Beschädigungen, Korrosion oder Materialfehler die Lebensdauer des Elements erheblich verringern.

Besonders ungünstig sind Stellen mit sprunghafter Steifigkeitsänderung, z. B. am Übergang zwischen dem verklebten und dem unverklebten Abschnitt. Dort entsteht eine Spannungskonzentration, die zu örtlicher Plastifizierung und bei veränderlichen Lasten zu Ermüdungsrissen führen kann.

Die Biegetragfähigkeit wird nicht nur vom Durchmesser des Ankerstabs beeinflusst, sondern auch von der Stahlgüte und der Profilgeometrie. Hochfester Stahl kann eine hohe Grenzkraft erreichen; ist seine Duktilität jedoch gering, verträgt er große Verformungen schlecht. In einem in Bewegung befindlichen Gebirge ist oft ein Element günstiger, das nach der Plastifizierung weiter Last trägt, statt schlagartig zu brechen.

Torsion beim Einbau

Ein Sonderfall ist das Torsionsmoment, das vor allem in der Einbauphase des Ankers auftritt. Bei Verbundankern durchmischt der rotierende Ankerstab die Klebepatrone und überwindet dabei den Widerstand des Harzes; bei vorgespannten Ankern dient das Anzugsmoment der Mutter dazu, die Vorspannung aufzubringen. Der Ankerstab überträgt dann kurzzeitig Torsion in Verbindung mit einer Axialkraft.

Nach Abschluss des Einbaus klingt die Torsion in der Regel ab und wird bei der Analyse des Tragverhaltens meist vernachlässigt. Praktische Bedeutung hat sie dennoch: Ein zu großer Mischwiderstand oder ein überhöhtes Anzugsmoment können den Ankerstab, das Gewinde oder die frische, noch nicht abgebundene Verklebung beschädigen.

Dynamische Beanspruchung

Dynamische Lasten unterscheiden sich von statischen vor allem durch die Geschwindigkeit der Kraftaufbringung. Sie können die Folge eines Gebirgsschlags, einer Gebirgserschütterung, des Ablösens eines Gesteinsblocks, von Sprengarbeiten oder des plötzlichen Versagens einer tragenden Schicht sein.

In solchen Situationen muss der Anker nicht nur eine bestimmte Kraft aushalten, sondern vor allem die Energie der sich bewegenden Gesteinsmasse aufnehmen. Zwei Anker mit ähnlicher statischer Tragfähigkeit können sich bei stoßartiger Belastung völlig unterschiedlich verhalten. Ein steifes Element kann eine hohe Last übertragen, aber schon nach geringer Dehnung brechen. Ein nachgiebiger Anker erreicht mitunter eine geringere Höchstkraft, nimmt aber dank der größeren Verformung deutlich mehr Energie auf.

Über die Eignung für dynamische Beanspruchung entscheidet die Fläche unter der Kraft-Verschiebungs-Kurve. Je größer die Kraft ist, die über einen längeren Verformungsweg gehalten wird, desto mehr Energie nimmt der Anker auf. Deshalb kommen in gebirgsschlaggefährdeten Bereichen nachgiebige Anker, Elemente mit kontrolliertem Schlupf, spezielle verformbare Profile oder Konstruktionen mit Mechanismen zur Energiedissipation zum Einsatz.

Dabei ist zu beachten, dass eine dynamische Last auf das Gesamtsystem wirkt. Versagen können der Ankerstab, der Verbund, die Ankerplatte, die Mutter oder die Oberflächensicherung der Firste. Selbst ein Anker mit hohem Energieaufnahmevermögen ist nicht wirksam, wenn die Ankerplatte die Matte durchstanzt oder der Anker in einer stark zerrütteten oberflächennahen Schicht keinen Halt mehr findet.

Kombinierte Beanspruchung

Ein realer Anker arbeitet fast immer unter kombinierter Beanspruchung. Eine Schichtablösung erzeugt Zug, eine Verschiebung an einer Kluft Scherung und Biegung, und das plötzliche Ablösen eines Blocks kann dem Gesamtvorgang zusätzlich dynamischen Charakter verleihen.

Kombinierte Einwirkungen sind besonders gefährlich, weil sich die einzelnen Mechanismen gegenseitig verstärken. Ein bereits gedehnter Ankerstab verfügt über eine geringere Biegereserve. Die Biegung erhöht örtlich die Spannungen, sodass zusätzliche Scherung früher zur Plastifizierung führen kann. Eine dynamische Last auf einen bereits verformten Anker kann diesen wiederum bei geringerer Energie zerreißen, als sie im Versuch an einem neuen, geraden Element ermittelt wurde.

Die Ergebnisse einfacher Zugversuche sollten daher nicht die einzige Grundlage der Ankerauswahl sein. Unter schwierigen Bedingungen sind Versuche erforderlich, die Scherung an Klüften, große Verschiebungen, zyklische Belastung sowie das Zusammenwirken mit dem Verbundmaterial und der Oberflächensicherung berücksichtigen.

Auf das System kommt es an, nicht nur auf den Stab

Die Beurteilung eines Ankers darf sich nicht auf die Frage beschränken, welche Kraft das Stahlelement überträgt. Zu klären ist, wie die Last entsteht, wohin sie übertragen wird und welcher Versagensmechanismus am wahrscheinlichsten ist.

In einem massigen, verhältnismäßig stabilen Gebirge kann der Zug dominieren. In geschichtetem und von Störungen durchsetztem Gebirge gewinnen Scherung und Biegung an Bedeutung. In gebirgsschlaggefährdeten Bereichen ist das Energieaufnahmevermögen entscheidend. Am häufigsten tritt jedoch eine Kombination mehrerer Einwirkungen auf, die sich mit fortschreitender Verformung verändert.

Ein wirksamer Ankerausbau sollte daher nicht nur über eine ausreichende Höchsttragfähigkeit verfügen, sondern auch über Duktilität, eine Verformungsreserve und die Fähigkeit, die Last auch jenseits der Elastizitätsgrenze zu halten. Erst wenn diese Eigenschaften berücksichtigt werden, lässt sich beurteilen, ob ein Anker das Gebirge tatsächlich stabilisiert oder lediglich eine formale Anforderung an die Nennfestigkeit des Stabes erfüllt.