Hilti HST4 & HST4-R: Die Zukunft der Bolzenverankerung

Bolzenanker werden häufig für die schnelle und zuverlässige Befestigung in Beton verwendet und eignen sich besonders für die Befestigung von Ankerplatten, Fassadenkonsolen und Vorhangfassaden sowie für Befestigungen im Ingenieurbau (z. B. Tunnel, Brücken, Lärmschutzwände) und für industrielle Befestigungen (z. B. Maschinen- und Förderbandbefestigungen). Allerdings haben Bolzenanker im Vergleich zu einbetonierten oder nachträglich installierten chemischen Ankern Einschränkungen in Bezug auf Leistung und Bemessungsflexibilität gezeigt.

Der HST4(-R) ist die neueste Innovation von Hilti, die über die bestehenden Zulassungsstandards für Bolzenanker hinausgeht und gleichzeitig die sich entwickelnden Bedürfnisse von Planern und Bauunternehmen erfüllt. Er ist der erste mechanische Bolzenanker, der für die Verwendung in niederfestem Beton der Klassen C12/15 und C16/20 zugelassen ist. Diese Zulassung eröffnet völlig neue Möglichkeiten für Befestigungen in Bestandsbauten, im Wohnungsbau oder bei temporären Konstruktionen, wo niedrigere Betonfestigkeiten häufig vorkommen.

Hilti engagiert sich, Planern hochleistungsfähige Verankerungslösungen zu bieten, die eine wertorientierte und optimierte Planung ermöglichen und ihnen dabei helfen, das zu bekommen, was sie spezifizieren.

Betonausbruch und Herausziehen sind zwei der kritischsten Versagensarten bei mechanischen Ankern unter Zug.

Betonausbruch tritt auf, wenn der Beton um den Anker herum reißt und kegelförmig ausbricht. Dies geschieht aufgrund der Spannungen, die durch die vom Bauwerk über den Befestigungspunkt übertragenen Kräfte in den Beton eingeleitet werden. Die Bemessungsmethode für die Berechnung des Betonausbruchwiderstandes von mechanischen Dübeln ist in der EN 1992-4 [1], der europäischen Norm für die Bemessung von Befestigungsmitteln zur Verwendung in Beton, festgelegt.

Nach EN 1992-4 wird der charakteristische Widerstand einer Gruppe von Befestigungselementen im Falle eines Betonausbruches durch Multiplikation des charakteristischen Widerstands eines einzelnen Dübels im Beton (der nicht durch benachbarte Befestigungselemente oder Kanten des Betonelements beeinflusst wird), N⁰_Rk,c, mit einer Reihe von Koeffizienten, die den Einfluss verschiedener Faktoren berücksichtigen, ermittelt. Diese berücksichtigen Variablen wie den Abstand vom Bauteilrand, den Abstand zwischen den Dübeln innerhalb einer Gruppe, Lastexzentrizitäten und Biegemomente sowie das Vorhandensein einer dichten Bewehrung.

Der charakteristische Widerstand eines einzelnen Dübels, N⁰_Rk,c, hängt sowohl von der Betonfestigkeit als auch von der Verankerungstiefe des Dübels selbst ab, wie aus der folgenden Formel [1] hervorgeht:

wobei f_ck die nominelle charakteristische Zylinderdruckfestigkeit des Betons darstellt und h_ef die effektive Verankerungstiefe des Dübels ist. Der Koeffizient k₁ der den charakteristischen Betonausbruchwiderstand linear beeinflusst, wird im Allgemeinen in der Europäischen Technischen Bewertung (ETA) des Dübels angegeben. Auf Basis der aktuellen Zulassungslandschaft und auch in der EN 1992-4 angegeben, nimmt dieser Faktor typischerweise Werte von 7,7 für gerissenen Beton und 11,0 für ungerissenen Beton für nachträglich installierte Befestigungsmittel und 8,9 für gerissenen Beton und 12,7 für ungerissenen Beton für einbetonierte Kopfbolzen an.

Der Hilti HST4(-R) ist der erste Bolzenanker der Welt, der den gleichen Betonausbruchwiderstand wie ein einbetonierter Kopfanker erreicht, mit einem k₁ Faktor 8,9 für gerissenen Beton und 12,7 für ungerissenen Beton für die Größen M10 bis M16, dank seines innovativen Designs. Das bedeutet, dass der HST4(-R) den gleichen Betonwiderstand wie andere Bolzenanker mit einer kürzeren Verankerungstiefe oder eine ~16% höhere Tragfähigkeit mit der gleichen Verankerungstiefe erreichen kann. Doch was bedeutet das für die Bemessungspraxis? Es bedeutet, dass Sie jetzt kürzere Dübel für die gleiche Anwendung verwenden oder mit den gleichen Dübeln höhere Lasten bemessen können.

HST4(-R) hat 4 Schlüsselkomponenten, die zu seiner überragenden Leistung beitragen (siehe Abbildung 1):

_{Abbildung 1: Schlüsselkomponenten des HST4(-R)}

Das innovative Design des HST4(-R) bietet darüber hinaus einen höheren Herausziehwiderstand in ungerissenem und gerissenem Beton, sowohl unter statischer als auch unter seismischer Belastung. Im Vergleich zu unserer vorherigen Generation von Bolzenankern bietet der HST4(-R) für einen einzelnen Anker mit derselben Länge und demselben Durchmesser eine Steigerung der Zugleistung von +18% bis +41% in gerissenem Beton unter statischen Belastungen und +13% bis +47% unter seismischen C2-Lasten ebenfalls in gerissenem Beton, je nach Durchmesser des Ankers.

Die Verankerungstiefe eines Dübels im Beton bestimmt sowohl den Lastübertragungsmechanismus als auch die Versagensart des Dübels. Im Allgemeinen gilt: Je tiefer die Verankerung, desto höher die Tragfähigkeit des Dübels. Der Nachteil ist, dass eine tiefere Verankerung auch eine längere Bohr- und Setzzeit sowie ein höheres Risiko, auf Bewehrungsstäbe zu treffen, mit sich bringt.

Die meisten Bolzenanker sind für feste Verankerungstiefen zugelassen, typischerweise zwischen einem und drei Werten. Dies schränkt die Flexibilität und das Optimierungspotenzial sowohl bei der Dübelauswahl als auch bei der Bemessung ein, da der Tragwerksplaner aus einem vorgegebenen Satz von Dübellängen und Verankerungstiefen wählen muss, was zu einer Überbemessung des Befestigungspunktes führen kann.

Der HST4(-R) ist nach den neuen europäischen Bewertungsdokumenten EAD 330232-01-0601 v02 [2], v03 [3] und v05 [4], welche den verbesserten Widerstand gegenüber Betonausbruch, die Verwendung variabler Verankerungstiefen für mechanische Dübel in Beton sowie die Eignung für stahlfaserverstärkten Beton behandeln, qualifiziert. Dies bedeutet, dass beim HST4(-R) die Verankerungstiefe innerhalb bestimmter Bereiche (wie im Europäischen Technischen Bewertungsdokument ETA-21/0878 [5] angegeben) entsprechend dem gewählten Dübeldurchmesser und den Lastanforderungen frei gewählt werden kann (siehe Tabelle 1). Der HST4(-R) lässt sich in Bezug auf die Verankerungstiefe also so variabel „wie eine Ankerstange“ bemessen, wodurch eine Millimeter-genaue Berechnung der Widerstände ermöglicht wird.

_{Tabelle 1: Bereiche der effektiven Verankerungstiefe für HST4(-R)}

Dank der variablen Verankerungstiefe können Bauingenieure die optimale Ankerlänge und Verankerungstiefe für ihre Anwendungen, was zu Materialeinsparungen und geringeren Installationskosten führt.

Der HST4(-R) kann inklusive aller Vorteile wie z.B. dem erhöhten Betonausbruchwiderstand oder der variablen Einbindetiefe mit Hilti Profis Engineering bemessen werden. Die Profis Engineering Suite ist eine webbasierte Software, mit der die Planung und Analyse von Bauwerksverbindungen und Befestigungen schneller und einfacher denn je ist. Die Software nutzt automatisch die neuesten Zulassungen und Normen. Neben der Bemessung von Dübeln und verschiedenen Befestigungen (Stahl auf Beton, Beton auf Beton und Stahl auf Mauerwerk) ist auch die Auslegung nachträglicher Bewehrungsanschlüsse oder Aufbetonverbindungen sowie nachträglicher Bauteilverstärkungen oder von Holzbauschrauben Bestandteil der Software. Zusätzlich können komplette Geländer- und Ankerplattenlösungen berechnet und analysiert werden. Kosteneffizient, zuverlässig und regelkonform.

Der höhere Zugwiderstand des HST4(-R) in Verbindung mit der PROFIS Engineering Software hilft Ihnen, Ihre Befestigungslösungen zu optimieren, die Größe Ihrer Ankerplatten zu reduzieren, Ihre Kosten zu senken, Material zu sparen und Ihre Lösungen nachhaltiger zu gestalten. Die Verwendung kleinerer Dübel und die höhere Performance gegenüber Betonausbruch des HST4(-R) ermöglichen die Verwendung kleinerer Dübelabstände, was in einigen Fällen eine Reduzierung der Gesamtgröße der Ankerplatte zur Folge hat.

Als einfaches Beispiel betrachten wir die in Abbildung 2 dargestellte 10 mm dicke Ankerplatte.

Es handelt sich um eine Ankerplatte aus Stahl, die einer statischen Zugkraft von 50kN ausgesetzt ist. Das Betonbauteil hat die Betonfestigkeitsklasse C20/25, ist 250 mm dick und wird als gerissener Beton betrachtet.

_{Abbildung 2: Ankerplatte unter Zug mit traditioneller Bolzenverankerung}

Eine "traditionelle" Bolzenankerlösung würde vier M12-Bolzenanker mit einer effektiven Verankerungstiefe von 88 mm, einer Dübellänge von 125 mm und einem Ankerabstand von 165 mm erfordern, was zu einer Ankerplattengröße von 200 mm x 200 mm führt. Werden die Dübel näher beieinander platziert, z. B. mit einem Abstand von 160 mm, müssen längere und teurere Dübel verwendet werden.

OPTION 1: Dank des höheren Widerstandes gegenüber Herausziehen des HST4(-R) ist es möglich, den Dübeldurchmesser von M12 auf M10 zu reduzieren. Dies ermöglicht bereits eine Reduzierung des Materials und der Kosten für die Dübel.

Mit dem verbesserten Betonausbruchwiderstand und der Verwendung einer variablen Verankerungstiefe ist es gleichzeitig möglich, die Dübellänge zu reduzieren, indem eine kürzere effektive Verankerungstiefe von 71 mm verwendet wird. Diese kürzere Verankerung bietet sogar die gleiche Betonausbruchkapazität wie die ursprüngliche Bemessung.

VORTEILE DER OPTION 1: Die Verwendung kleinerer Dübeldurchmesser führt zu kleineren Bohrlöchern, und die Verwendung kürzerer Dübel führt zu einer geringeren Bohrtiefe, wodurch sowohl die Installationszeit als auch die Kosten auf der Baustelle reduziert werden können.

OPTION 2: Um den Nutzen zu maximieren, ist es möglich, die Verankerungstiefe beizubehalten und stattdessen den Achsabstand der Dübel zu verringern. Die gleiche Leistung kann nun mit vier M10-Ankern erreicht werden, mit der gleichen effektiven Verankerungstiefe von 88 mm wie zuvor, aber mit einem kleineren Dübelabstand von 135 mm. Der verbesserte Achsabstand ermöglicht eine Verkleinerung der Ankerplattengröße auf 165mm x165mm.

VORTEILE DER OPTION 2: Die optimierte Ankerplatte ist um 30% kleiner, was zu einer Reduzierung des verwendeten Stahlvolumens von 30% führt!

_{Abbildung 3: HST4(-R) - bestes Preis-Leistungs-Verhältnis mit Ankerplattenoptimierung}

Gebäudesicherheit und Verbindung zwischen Planung und Ausführung auf der Baustelle

Die Gebäudesicherheit ist weltweit ein zentrales Ziel für Planer. Bei Hilti haben wir uns verpflichtet, Sie dabei bestmöglich zu unterstützen. Wir arbeiten eng mit Hochschulen und Zulassungsstellen zusammen, um branchenspezifische Standards zu definieren und weiterzuentwickeln sowie die Ingenieurpraxis durch Schulungen zu Bemessungsmethoden zu verbessern. Darüber hinaus entwickeln wir Berechnungsverfahren und Softwarelösungen, die Sie bei einer sicheren Planung unterstützen.

Zusätzlich haben wir unsere HST4-Technologie mit verbesserten Montageverfahren kombiniert, um ein höheres Maß an Sicherheit zu gewährleisten, dass Ihre Planung auch auf der Baustelle korrekt umgesetzt wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Installationsmethoden für Gewindestangenanker ermöglichen HST4-Anker eine Montage mit weniger Arbeitsschritten und innovativen Systemlösungen. HST4-Anker sind für die Montage ohne Bohrlochreinigung zugelassen, das heißt, eine Reinigung des Bohrlochs vor der Installation ist nicht erforderlich. Darüber hinaus können HST4-Anker mithilfe unseres Adaptive Torque (AT) Moduls korrekt gesetzt werden, anstelle eines herkömmlichen Drehmomentschlüssels.

Durch die Spezifikation von Hilti-Montagesystemen und -lösungen können Baustellenprozesse im Vergleich zu traditionellen Methoden schneller, einfacher und sicherer gestaltet werden. Gleichzeitig erhöht sich die Ausführungssicherheit, und der Bedarf an Nachberechnungen oder Nacharbeiten wird reduziert. Unser Außendienst unterstützt Sie zudem gerne mit Schulungen – sowohl in Ihrem Büro als auch direkt auf der Baustelle –, um eine fachgerechte Montage sicherzustellen und Ihre Planung erfolgreich in die Praxis umzusetzen.

Durch die Optimierung der Befestigung mit dem Hilti HST4(-R) haben Sie die Möglichkeit die notwendige Stahlmenge der Ankerplatte zu reduzieren und Auslegungen nachhaltiger zu gestalten. Wie oben gezeigt, können Sie dank der höheren Leistung ebenfalls den Stahlbedarf der Dübel reduzieren, indem nicht nur die Ankerplatte verkleinert wird, sondern ebenfalls geringere Dübeldurchmesser und -längen zum Einsatz kommen. Jede Reduzierung des Stahlverbrauchs führt zu CO2-Einsparungen und damit zu nachhaltigeren Bemessungen. HST4(-R) verfügt ebenfalls über zusätzliche Dokumente, die Ihnen helfen, Umweltstandards und "Green Building" bzw. Nachhaltigkeitszertifikate zu erfüllen.

Der HST4(-R) ist die neueste Innovation von Hilti im Bereich der Bolzenanker, die über die Standards für nachträglich installierte Befestigungsmittel hinausgeht. Der HST4(-R) ist ein leistungsstarker Bolzenanker mit einem einzigartigen Design, das eine variable Verankerungstiefe – „Millimetergenau wie eine Gewindestange“ – und einen verbesserten Widerstand gegen Betonausbruch – „wie ein Kopfbolzen“ – ermöglicht, was letztendlich zu einem höheren Zugwiderstand als je zuvor führt. Er verfügt über ein breites Zulassungsspektrum, um Ihre Anwendungsanforderungen abzudecken und die Einhaltung von Normen zu gewährleisten. Er ist mit dem AT-Modul (automatische Aufbringung des Drehmomentes) von Hilti kompatibel, kann auch ohne Reinigung gesetzt werden und gewährleistet eine zuverlässige Montage.

HST4(-R) ermöglicht die Optimierung von Ankerplattenbemessungen, macht Ihre Spezifikationen leistungsfähig sowie preisgünstig und gibt Ihnen die Sicherheit, die Sie verdienen!

HST4(-R): der Bolzenanker, mit dem Sie mit weniger mehr erreichen können.

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Hilti Bemessungssoftware Profis Engineering Suite _________________________________________________________________________________________________________________________ [1] Deutsches Institut für Normung. (2019). EN 1992-4:2018 Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 4: Bemessung der Verankerung von Befestigungen in Beton. Berlin, Deutschland.

[2] European Organisation for Technical Assessment. (2024). European Assessment Document (EAD) 330232-01-0601-v02: Mechanical fasteners for use in concrete Improved Characteristics to Concrete Cone failure, stiffness characteristics and Working life of 100 years. Brussels, Belgium.

[3] European Organisation for Technical Assessment. (2024). European Assessment Document (EAD) 330232-01-0601-v03: Variant: Mechanical fasteners with variable embedment depth for use in concrete. Brussels, Belgium.

[4] European Organisation for Technical Assessment. (2024). European Assessment Document (EAD) 330232-01-0601-v05: Mechanical fasteners for use in concrete C12/15 to C90/105 and in steel fibre reinforced concrete. Brussels, Belgium.

[5] Centre Scientifique et Technique du Bâtiment. (2024). European Technical Assessment ETA-21/0878: Hilti HST4. Marne la Vallée, France.

*Weitere Informationen sowie Restriktionen finden Sie unter www.Hilti.de