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Dokumentenidentifikation DE102006018407A1 25.10.2007
Titel Bewehrungselement für Betonbauteile aus gerichteten Fasern in einer mineralischen Bindemittelmatrix
Anmelder Kölsch, David, 57234 Wilnsdorf, DE
Erfinder Kölsch, David, 57234 Wilnsdorf, DE
DE-Anmeldedatum 20.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018407
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse E04C 5/07(2006.01)A, F, I, 20060420, B, H, DE
Zusammenfassung Problem: Die im Textilbeton eingesetzten Bewehrungen (Textilgewebe) weisen einige allgemeine und spezifische Nachteile auf. Außerdem erfordern diese einen Prozess der Textilherstellung.
Um die Vorteile der gerichteten Fasern im Beton weiter fortzusetzen, wird in diesem Patent ein Bewehrungselement für Betonbauteile vorgestellt, welches aus Faserbündeln (Rovingen) (1) und einer mineralischen Bindemittelmatrix (2), z. B. Feinbeton, besteht,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese Rovinge und das mineralische Bindemittel Stege (3) bilden, welche durch Knotenbildungen (4) eine Bewehrungseinheit ergeben.

Beschreibung[de]
Stand der Technik, und deren Mängel

Im Betonbau werden in zunehmendem Maße Fasern aus Glas, Carbon oder Aramid zur Aufnahme der Zugkräfte in belasteten Beton-Bauteilen eingesetzt. Im Textilbetonbau werden Fasern (Filamente) gebündelt (Rovinge), miteinander verwoben (Textile-Gelege) und gezielt in Betonbauteile eingelegt. Diese Textilien weisen verschiedene Nachteile auf:

Allgemeine Nachteile der Textil-Gelege:

  • – Eine Textilerzeugungsmaschine ist notwendig.
  • – Filamentbrüche sind bei der Textilerzeugung unvermeidbar.
  • – Faser-Ausrichtungen im Betonbauteil sind nur bedingt optimierbar, da die Textil-Gewebe sehr flexibel sind und es zwangsläufig zu Welligkeiten kommt.
  • – Sie haben geringe Scherfestigkeiten, bzw. einen sehr geringen Widerstand gegen Rissuferbewegungen.
  • – Die Anforderungen an den Beton sind hoch, um einen guten Verbund zu gewährleisten.
  • – Das Bewehrungsverhalten ist stark abhängig von der Betonwahl.

Spezielle Nachteile unbehandelter Textil-Gelege:

  • – Die im Inneren eines Roving liegenden Filamente haben nur wenig Haftung mit dem umgebenden Beton (schlechter innerer Verbund).
  • – Die Handhabung bei der Fertigung ist schwierig, da diese sehr flexibel sind und an den Rändern leicht „fransen" können.
  • – Sie beeinflussen die Konsistenz des Frischbetons. Durch den Kappillareffekt saugen die Rovinge Wasser in das Rovinginnere.

Spezielle Nachteile beschichteter/imprägnierter Textil-Gelege:

  • – Die Beschichtungen aus Polymeren sind teuer.
  • – Die Verbund-Eigenschaften sind stark temperaturabhängig (schlechter Brandschutz).

Aufgabe der Erfindung

Der im Patentanspruch 1 angegeben Erfindung liegt das Problem zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile der im Textilbetonbau eingesetzten Textil-Gelege zu beheben, indem die Erfindung eine alternative Bewehrungsform für den Betonbau mit Fasern darstellt, welche im folgenden „Beton-Faser-Bewehrung" genannt wird.

Darstellung der Erfindung

Das Problem wird, entsprechend Anspruch 1, vor allem dadurch gelöst, dass der Prozess einer Textilherstellung umgangen wird. Die Rovinge (Fasern) werden direkt mit einem mineralischem Bindemittel umschlossen und zu Bewehrungseinheiten zusammengeführt. Die Menge und Art des Bindemittels bestimmt wesentlich den Verbund zwischen den Rovingen (1) und den Verbund zwischen den Stegen (2) und dem Umgebungsbeton des Bauteils.

Diese „Beton-Faser-Bewehrung" ist absolut frei in ihrer Formgebung. Sie kann, entsprechend Anspruch 2, z.B. so gefertigt werden dass die Fasern den Hauptspannungstrajektorien eines belasteten Bauteils folgen oder immer senkrecht zu den erwarteten Rissen orientiert sind. So können die verminderten Tragfähigkeiten der Fasern, wenn diese nicht genau senkrecht zur Rissrichtung stehen, weitestgehend vermieden werden.

Neben der freien Formgebung der Stege (vgl. 2) ist auch der Bewehrungsgrad innerhalb eines Steges variierbar. Die Anzahl der Rovinge (1) in einem Steg (3) kann, entsprechend Anspruch 3, in Abhängigkeit der Orientierung gewählt werden. Z.B. kann es sinnvoll sein, dass die Gesamt-Anzahl der Rovinge einer einachsig gespannten Betonplatte in Querrichtung geringer ist. Dies kann man entweder durch größere Abstände der Querstege untereinander oder durch weniger Rovinge eines Quersteges gewährleisten. Auch ist es möglich, die Querschnittsgeometrie der Querstege anders festzulegen.

Der Verbund zwischen dem Bewehrungselement und dem Bauteil-Beton wird maßgeblich durch die Oberflächenbeschaffenheit der „Beton-Faser-Bewehrung" bestimmt. Strukturen analog den Rippen der Betonstahlbewehrung sind ebenso möglich wie eine rauhe Oberfläche durch leichtes Auswaschen des oberflächennahen Zements. Sogar nachträgliche Beschichtungen sind problemlos möglich.

Die Nutzung von Rovingen mit einer geringen Filamentanzahl, entsprechend Anspruch 5, bringt den Vorteil mit sich, dass bei solchen Rovingen die Bindemittelmatrix leichter zu den innenliegenden Filamenten eines Rovings vordringen kann. Der Gesamtverbund verbessert sich dadurch. Der Extremfall ist die Verarbeitung eines jeden einzelnen Filamentes: einzelne Filamente werden mit einer Bindemittelmatrix umgeben und zu den „Beton-Faser-Bewehrung"-Stegen zusammengeführt.

Die hier beschriebene „Beton-Faser-Bewehrung" zeichnet sich, abhängig von der Querschnittsgeometrie und der Wahl des mineralischen Bindemittels, durch eine hohe Eigensteifigkeit aus. Für dünne Bauteile wirkt dies sich, entsprechend Anspruch 6, positiv auf das ungewollte Verformen eines dünnwandigen Bauteils durch unterschiedliches Schwinden aus.

Entsprechend Anspruch 7 ist der Einbau von Beton-Einbauteilen ohne weiteres möglich. Z.B. können die stabförmigen Stege eine Gewindehülse umschließen, in welche zu einem späteren Zeitpunkt die Verankerung geschraubt werden kann. Diese „Vormontage" von Einbauteilen in der Bewehrung kann den Produktionsablauf des Bauteils verkürzen.

Darstellung der durch die Erfindung erzielten Vorteile Durch die hier beschriebene Erfindung ergeben sich gegenüber dem herkömmlichen Textilbetonbau folgende wesentliche Vorteile:

  • 1) Es ist keine Textilerzeugung notwendig.

    Dieser Arbeitsschritt fällt hier aus. Aus diesem Grund werden unvermeidbare Filamentbrüche während der Umlenkungen in einer solchen Textil-Herstellungs-Maschine umgangen.
  • 2) Die Formgebung der „Beton-Faser-Bewehrung" ist absolut frei.

    Damit kann bei der „Beton-Faser-Bewehrung" ein hoher Grad an Effektifität der Fasern erreicht werden, da Querbeanspruchungen auf die Fasern weitestgehend vermieden werden können (z.B. durch Ausrichtung in Richtung der Hauptspannungstrajektorien).
  • 3) Unabhängig von der Wahl des Bauteilbetons sind die Charakteristika der „Beton-Faser-Bewehrung" gleichbleibend.

    Die Charakteristika der Bewehrung sind bei der „Beton-Faser-Bewehrung" nicht so stark abhängig vom Bauteilbeton wie bei der Textilbetonbauweise. Die Rovinge gehen mit dem mineralischen Bindemittel der „Beton-Faser-Bewehrung" einen Verbund ein und nicht mit dem von der Anwendung abhängigen Bauteilbeton. Der Verbund zwischen dem „Beton-Faser-Bewehrung"-Beton und dem Bauteilbeton ist in erster Linie von der Oberflächenbeschaffenheit der „Beton-Faser-Bewehrung" abhängig.
  • 4) Die Handhabung ist einfacher.

    Die im Vergleich zu Textil-Gelegen viel größere Eigensteifigkeit der „Beton-Faser-Bewehrung" vereinfacht den Betonierprozess erheblich. Z.B. kann diese Bewehrung nachträglich auf eine beliebige Tiefe gerüttelt werden. Die Bewehrungslage kann dabei genau eingehalten werden (keine großen Welligkeiten wie bei Textilien). Desweiteren wird die Konsistenz des Frischbetons nur gering beeinflusst, während die Textilien das Wasser des Frischbetons aufsaugen.
  • 5.) Rohrovinge sind einsetzbar.

    Die Textilerzeugungsmaschinen haben aus techischen Gründen Anforderungen an die Rovinge. Die hier beschriebene Erfindung stellt keine Anforderungen an die Rovinge.
  • 6.) Dem frischen Bauteil wird mehr Steifigkeit verliehen.
  • 7.) Eine Beschichtung der Rovinge mit Kunstharz ist überflüssig.

Ausführungsbeispiel

Als Beispiel für die Anwendung der „Beton-Faser-Bewehrung" wird hier eine punktgelagerte Fassadenplatte beschrieben. Die Spannungsverläufe einer solchen gleichflächig belasteten Platte (z.B. durch Wind) sind keineswegs trivial. Die Spannungs-Beanspruchungen auf Ober- und Unterseite sehen sehr verschieden aus. Aus diesem Grund werden hier zwei Bewehrungseinheiten gefertigt. Bei beiden Bewehrungen verlaufen die Stege (3) entsprechend den Spannungstrajektorien. In den Stegen, wo eine starke Rissbildung erwartet wird, wird in der Beton-Faser-Bewehrung ein hoher Bewehrungsgrad, was einem hohen Fasergehalt entspricht, angeordnet. In den stets überdrückten Bereichen, werden in den Stegen wenig Fasern eingelagert, um einen möglichst homogenen Beton zu erhalten.

Wo die Punktlagerung liegen soll, wird in die Bewehrungseinheit, welche der Verankerung näher liegt, eine Gewinde-Hülse von den Stegen umfasst.

Die Herstellung dieser sehr individuellen „Beton-Faser-Bewehrungen" kann z.B. folgendermaßen verlaufen: In eine Wachsplatte wird die Negativform der Bewehrung eingefräst. Dabei bestimmt die Form des Fräskopfes die Querschnittsform der Bewehrungs-Stege. Anschließend wird ein Roving an einer Stelle fixiert und mit einer dünnen mineralischen Bindemittelmatrix umhüllt und durch das Bewehrungsnetz geführt. Dieser Prozess wird so oft wiederholt (oder in „Endlosschleife"), bis so viele umhüllte Rovinge an- und übereinander liegen, dass der eingefräste Querschnitt gefüllt ist. Die Kreuzungspunkte der Stege sind bei dieser Bewehrung etwas abgerundet, so dass der hier überschüssige Beton (durch die doppelte Anzahl von umhüllten, sich kreuzenden Rovingen) nicht überquillt.

Die Herstellung der hier beschriebenen Beton-Fassadenplatte erfolgt nach Erhärten der Bewehrungseinheiten in einem Betonierschritt. Nach dem Einfüllen des Bauteil-Betons in die Schalung wird die „obere" Bewehrungeinheit bis auf die gewünschte Lage eingerüttelt. Der Umgebungsbeton umschließt die Bewehrung. Diese ist dann nicht mehr sichtbar. Anschließend wird die „untere" Bewehrungseinheit, welche auch die Gewindehülsen enthält, eingerüttelt. Die Lage der Gewindhülsen kann genau festgelegt werden. Nach kurzem Rütteln ist die optimierte Fassadenplatte fertig. Die hier vorgestellte „Beton-Faser-Bewehrung" ist für alle dünnwandigen Betonbauteile einsetzbar.

Für Betonfertigteile mit normalen Abmessungen (z.B. Riegel L/B/H ~ 5m/25cm/40cm) kann die hier vorgestellte Bewehrung auch Verwendung finden. Diese werden dann seitlich liegend betoniert. Die „Beton-Faser-Bewehrungen" werden anschließend in den Beton eingerüttelt. Bei Verwendung mehrerer Bewehrungseinheiten in Längsrichtung müssen diese in mehreren Lagen versetzt angeordnet werden, so dass die Bewehrungen sich genügend übergreifen. Es ist sinnvoll, die Bewehrungseineheiten am Auflager anders zu definieren als in Feldmitte (Fasern immer möglichst in Richtung der Hauptspannungstrajektorien).


Anspruch[de]
Bewehrungselement für Betonbauteile, welches aus Rovingen (1) und einer mineralischen Bindemittelmatrix (2), z.B. Feinbeton, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Bindemittelmatrix aneinanderhaftenden Rovinge stabförmige Stege (3) bilden, welche durch Knotenbildungen (4) eine Bewehrungseinheit, flächig oder dreidimensional, ergeben. Bewehrungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände und Orientierungen der Stege (3) sich nach lastabhängigen Zustandsgrößen, z.B. Hauptspannungstrajektorien, des Betonbauteils definieren. Bewehrungselement nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stabförmigen Stege (3) sich in Abhängigkeit ihrer Orientierung unterscheiden. Bewehrungselement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit der stabförmigen Stege (3) und deren Knotenpunkte den Verbund zwischen diesen und dem Beton des Bauteils maßgeblich bestimmen. Bewehrungselement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Produktionsprozess Rovinge mit einer sehr niedrigen Anzahl von Filamenten verwendet werden; im Extremfall jedes Filament einzeln. Bewehrungselement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses dem frisch betonierten Betonelement eine Grundsteifigkeit verleiht, und dadurch frühen Verformungen dünnwandiger Beton-Bauteile entgegenwirkt. Bewehrungselement nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beton-Einbauteil von den Stegen (3) umschlossen wird und somit fester Bestandteil der Bewehrungseinheit ist.






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