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Vorspannelement für Spannbetonkonstruktionen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorspannelement für Spannbetonkonstruktionen, bestehend aus einem von einer Umhüllung umgebenen Spannglied.
Vorspannkräfte werden auf Betonbauelemente gewöhnlich durch ein Verfahren ausgeübt, das als Vorspannen mit nachträglichem Verbund bekannt ist. Bei einer Anwendungsform dieses Verfahrens werden Vorspannelemente mit einem Stahldraht oder mehreren Stahldrähten von hoher Zugfestigkeit oder Spannglieder, die aus einem Bündel nebeneinander befindlicher Drähte bestehen, oder ein massiver Stab oder ein Strang aus Stahlseil eingelegt, und es wird der Beton, aus dem das Betonbauelement hergestellt werden soll, um die Drähte oder das Spannglied herumgegossen.
Wenn der Beton eine ausreichende Festigkeit erhalten hat, werden die Spannglieder durch eine Winde od. dgl. gespannt und dann an ihren Enden am Betonbauelement verankert, so dass die Spannung innerhalb der Drähte oder Spannglieder eine zusammendrückende Vorspannkraft im Betonbauelement verursacht.
Wenn die Drähte oder Spannglieder gespannt werden, müssen sie sich relativ zu dem sie umgebenden Beton bewegen. Um diese Bewegung zu ermöglichen, wird jeder Draht oder jedes Spannglied vorher mit einer Umhüllung umgeben, welche den Beton abstützt, wenn er gegossen wird und verhindert, dass er am Draht oder Spannglied haftet. Wenn der Draht bzw. das Spannglied gespannt wird, bewegt es sich innerhalb der Umhüllung. Ein Teil der durch die Winde oder eine andere Vorrichtung auf den Draht oder das Spannglied ausgeübten Vorspannkraft wird durch den Reibungswiderstand zwischen dem Draht oder dem Spannglied und der Umhüllung aufgenommen. Wenn der Draht bzw. das Spannglied durch eine Winde an jedem Ende gespannt wird, nimmt der Anteil der auf diese Weise absorbierten Gesamtkraft in der Mitte der Länge des Spanngliedes auf einen Höchstwert zu.
Daher kann die Kraft im Spannglied an seiner Mitte beträchtlich geringer sein als die an seinen Enden ausgeübte Kraft.
In der Praxis muss jedoch, beispielsweise im Falle eines einfach abgestützten Trägers, die Vorspannkraft in der Mitte der Länge des Trägers am grössten sein, so dass der Verlust an Vorspannkraft infolge Reibung zwischendemDraht oder Spannglied und der diesen umgebenden Umhüllung ein grosser Nachteil ist, der so weit als möglich verringert werden muss.
Nachdem der Draht oder das Spannglied gespannt und verankert worden ist, muss jedoch zwischen dem Draht bzw. Spannglied und der Umhüllung ein Verbund herbeigeführt werden, der so wirksam wie möglich ist, so dass falls die Verankerung versagt oder schlüpft, der Draht bzw. das Spannglied durch den Verbund zwischen dem Draht bzw. dem Spannglied und dem umgebenden Beton durch die Umhüllung in seinem Spannungszustand gehalten wird. Dieser Verbund ergibt eine zusätzliche Sicherheitsspanne für das Betonbauelement. Darüber hinaus lässt sich feststellen, dass ein guter Verbund zwischen den Vorspanndrähten oder Spanngliedern und dem Beton die Grösse der Risse verringert, wenn das Bauelement überlastet wird und die Last erhöht, die erforderlich ist, um einen vollständigen Bruch des Bauelementes zu bewirken.
Die Schwierigkeit, sowohl einen geringen Verlust an Vorspannkraft infolge Reibung, wenn der Draht bzw. das Spannglied gespannt wird, als auch einen angemessenen Verbund zwischen der Oberfläche des Drahtes bzw. Spanngliedes und der Umhüllung nach dem Spannen zu erzielen, liegt in der Unvereinbarkeit der Forderungen, dass eine einzige Fläche sowohl gute Gleiteigenschaften als auch gute Verbundeigenschaften aufweist. Eine gute Gleitfläche erfordert normalerweise ein Schmiermittel, während der billigste und zweckmässigste Weg zur Herstellung eines Verbundes zwischen der Oberfläche des Drahtes oder Spanngliedes und der umgebenden Umhüllung darin besteht, Zementschlämme, die aus einem Ge- misch von Zement und Wasser ist, in den Raum zwischen den Draht bzw. Spannglied und seiner Umhüllung zu injizieren.
Es ist jedoch schwierig, ein Schmiermittel zu finden, das nicht wirksam den Verbund
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zwischen der geschmierten Oberfläche und der injizierten Schlämme verhindert. Selbst die sogenannten löslichen Schmiermittel lösen sich nicht zufriedenstellend in der Schlämme auf, so dass gewöhnlich Spuren des Schmiermittels auf der einen der einander gegeneinander anliegenden Flächen bleiben, welche Spuren ausreichen, den Verbund zu beeinträchtigen oder zu zerstören.
Die Notwendigkeit, gute Gleiteigenschaften zwischen der Fläche des Drahtes bzw. Spanngliedes und der dieses umgebenden Umhüllung beim Spannen zu erzielen, ist besonders in den Fällen wichtig, in welchen der Draht bzw. das Spannglied in einem Bogen innerhalb des Betonbauelementes liegt. Das Legen der Drähte oder Spannglieder in einen Bogen ist jedoch besonders bei hohen Trägerseiten vorteilhaft und wenn mehrere Stützweiten kontinuierlich sind, ist ein gewellter Draht oder ein gewelltes Spannglied am wirtschaftlichsten. Der Bogen hat jedoch die Ausübung beträchtlicher Seitenkräfte auf den Draht bzw. das Spannglied zur Folge, wenn es an seinen Enden gespannt wird, die eine beträchtliche Reibung verursachen, welche einer relativen Gleitbewegung des Drahtes oder Spanngliedes und der umgebenden Umhüllung entgegenwirken.
Das Erzielen eines guten Verbundes zwischen dem Draht bzw. dem Spannglied und der umgebenden Umhüllung und daher mit dem die Umhüllung umgebenden Beton ist besonders wichtig, wenn die Lastannahme des Betonbauelementes überschritten wird und ein Bruch desselben stattfindet. Wenn kein Verbund besteht, ist es unmöglich, die Spannung im Draht oder Spannglied stark zu erhöhen, wenn die Durchbiegung des Betonbauelementes zunimmt, so dass diese Durchbiegung zunimmt, bis ein Bruch des Betonbauelementes stattfindet, ohne dass jedoch die Bruchbelastung des Drahtes oder Spanngliedes auch nur annähernd erreicht wird.
Wenn jedoch ein Verbund besteht, nimmt die Spannung im Metall bei der Durchbiegung des Betonbauelementes zu und es ist auf diese Weise möglich, eine Erhöhung in der Gesamttragfähigkeit des Bauelementes bis zu 3Wo zu erzielen, bevor ein Gesamtbruch erfolgt.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Vorspannelementes, bei dessen Anwendung die Reibung zwischen dem Spannglied und der dieses umgebenden Hülle während des Spannvorganges klein ist und ein zufriedenstellender Verbund zwischen dem Draht oder Spannglied und der Umhüllung nach dem Spannen und Verankern des Drahtes oder Spanngliedes erzielt werden kann.
Das erfindungsgemässe Vorspannelement kennzeichnet sich dadurch, dass das Spannglied von einer unterbrochenen Schicht eines Materiales umgeben ist, das entweder selbstschmierend oder von einem Schmiermittel umgeben ist, und dass die diese Schicht umgebende Umhüllung undurchlässig gegenüber Zement- und Betonteilchen ausgebildet ist, so dass zwischen dem Spannglied und der Umhüllung Räume eingeschlossen sind, die mit einem Haftmittel, wie Zementschlämme, ausfüllbar sind, das hiedurch mit den jeweils einander gegenüberliegenden Flächen des Spanngliedes und der Umhüllung in Kontakt kommt.
Wenn das Spannglied gespannt wird, liegt es daher nur mit der durchbrochenen Schicht auf, die eine geschmierte Gleitfläche bildet, während, nachdem das Spannglied gespannt worden ist, zwischen diesem und der Umhüllung Schlämme injiziert werden kann, um den Raum, der nicht von der durchbrochenen Schicht eingenommen wird, zu füllen. Die Oberfläche der Umhüllung und des Drahtes oder Spanngliedes in diesem Raum ist nicht mit Schmiermittel bedeckt, so dass ein zufriedenstellender Verbund erzielt werden kann.
Zur Bildung der durchbrochenen Schicht sind verschiedene Stoffe geeignet. Sie kann z. B. aus einem Draht oder Band bestehen, der aus Blei, Polytetrafluoräthylen oder graphitgefülltem Kunststoff hergestellt ist oder aus einem Draht bzw. Band, der mit Blei, Graphit oder Polytetrafluoräthylen überzogen ist. Gegebenenfalls kann die durchbrochene Schicht aus einem grobmaschigen Gewebe, beispielsweise aus einer
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beispielsweise aus wachsgefülltem Polyvinylchlorid oder Polyamid (Nylon) hergestellt sein können. Ferner kann sie aus einer Schicht bestehen, für welche die Bezeichnung Streckmetall bekannt ist, oder aus einer Schicht eines Draht-oder Fasergewirkes.
Ferner kann sie aus einem Draht oder Band aus Molybdän bestehen, das so behandelt worden ist, dass es eine dünne Oberflächenschicht aus Molybdändisulfid hat, welches ein ausserordentlich gutes Grenzschichtschmiermittel ist, oder aus einem Stahldraht von hoher Zugfestigkeit, von dem die Drahtziehseife nicht entfernt worden ist.
Das Vorhandensein der durchbrochenen Schicht zwischen dem Draht oder Spannglied und der Umhüllung führt zu einer starken Verringerung der Reibung zwischen diesen. Beispielsweise entspricht der Rei-
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etwa nur 1/10 desjenigen von trockenem Stahl auf trockenem Stahl.
Wie sich aus dem Vorangehenden ergibt, handelt es sich bei der Schmierung um eine sogenannte Grenzschichtschmierung, bei welcher die Schmierschicht ausserordentlich dünn ist. Eine Schmierung, bei welcher eine Flüssigkeitsschicht zwischen den beiden Flächen aufrechterhalten wird, ist für die Zwecke
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der Erfindung wegen der hohen Drücke nicht durchführbar, welche durch die Krümmung des Drahtes oder Spanngliedes und der geringen Bewegungsgeschwindigkeit verursacht werden.
Bisher war es, wenn es erforderlich war, die Reibung zwischen einem Spannglied und der dieses umgebenden Umhüllung herabzusetzen und den Raum zwischen diesen später mit Schlämme zur Bildung eines zufriedenstellenden Verbundes auszufüllen, notwendig, die Bohrung der Umhüllung grösser als den Querschnitt des Spanngliedes zu machen, so dass die Umhüllung nicht durch das Spannglied abgestützt war und erstere deshalb so ausreichend kräftig sein musste, dass sie ihre Form ohne Abstützung durch das Spannglied beibehielt, wenn der umgebende Beton aufgebracht wurde.
Erfindungsgemäss wird jedoch die durchbrochene Schicht unmittelbar um das Spannglied gewickelt und die Umhüllung durch diese Schicht abgestützt, wobei die einzige Beschränkung darin besteht, dass der Abstand der Elemente der durchbrochenen Schicht und die Steifigkeit der Ummantelung derart sein sollen, dass die letztere nicht unter dem Druck des umgebenden Betons in Kontakt mit dem Spannglied in den Räumen der durchbrochenen Schicht gedrückt wird. Da die Umhüllung an im engen Abstand voneinander befindlichen Stellen durch die durchbrochene Schicht abgestützt werden kann, kann sie aus einem viel leichteren Material hergestellt werden, als es bisher möglich war.
Es ist sogar nicht einmal wesentlich, dass die Umhüllung wasserundurchlässig ist, vorausgesetzt, dass sie den Durchtritt von Zementteilchen aus dem umgebenden Beton in den Raum zwischen der Umhüllung und dem Spannglied verhindert, da, wenn Wasser in diesen Raum eindringt, dieses über die Länge des Spanngliedes abgeleitet wird.
Wenn jedoch die durchbrochene Schicht aus Schmierelementen wie Polytetrafluoräthylen hergestellt wird, die teuer sind, kann es einen wirtschaftlichen Vorteil bedeuten, die Zahl solcher Elemente auf ein Mindestmass, beispielsweise auf drei, herabzusetzen, in welchem Falle die Umhüllung nahezu ebenso dick sein muss wie eine nicht abgestützte Umhüllung und um zusätzliche Drähte gewickelt werden muss, die in dem Masse, in welchem das Umwickeln fortschreitet, zurückgezogen werden, um den Raum zwischen der Umhüllung und dem Spannglied an den Stellen, an welchen die Umhüllung nicht auf den Schmierdrähten aufliegt, aufrechtzuerhalten.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Vorspannelementes ist in der beiliegenden Zeichnung gezeigt und besteht aus einem Spannglied 1, das durch ein Bündel von Stahldrähten 2 von hoher Zugfestigkeit gebildet wird, die etwa kreisförmig angeordnet sind, wobei die Zwischenräume zwischen den Drähten durch ein härtbares Schüttmaterial in ungehärtetem Zustand gefüllt sind, beispielsweise mit trockenem Zement. Dieses Bündel aus Stahldrähten von hoher Zugfestigkeit wird straff mit einer spiraligen Bindewicklung 3 aus Bandstahl, der so gewellt sein kann, umwickelt derart, dass die Umwicklung um das Bündel unter Spannung steht.
Auf die Umwicklung 3 wird eine durchbrochene Schicht aufgebracht, die von Schmierdrähten 4 gebildet wird, welche aus einem der vorerwähnten Materialien hergestellt sind, sich voneinander in Abstand befinden und eine schwache Neigung zu den Stahldrähten von hoher Zugfestigkeit haben. Die Drähte 4 haben um die Umwicklung 3 herum gleiche Umfangsabstände und sind von einer Umhüllung 5 umgeben, die aus einer weiteren spiraligen Wicklung aus Bandstahl besteht, welche nachdem Aufwickeln zwischen Walzen hindurchgeführt wird, welche Längswellungen in der Umwicklung bilden, wie bei 6 gezeigt, wodurch sie versteift und der Verbund zwischen ihr und dem umgebenden Beton verbessert wird.
Beider Verwendung des Vorspannelementes wird dieses zuerst in der erforderlichen Weise in die Form eingelegt, in die der Beton gegossen werden soll. Sodann wird der Beton in die Form gegossen, worauf, wenn dieser ausreichend abgebunden hat, so dass er der Vorspannkraft Widerstand leisten kann, die Enden des Spanngliedes 1 durch geeignete Spannvorrichtungen erfasst werden, beispielsweise mittels hydraulischer Winden, und die erforderliche Spannung ausgeübt wird. Bei diesem Spannen wird die relative Gleitbewegung zwischen der Umwicklung 3 und der Umhüllung 5 durch die Schmierdrähte 4 erleichtert.
Sodann werden die Enden des Spanngliedes in an sich bekannter Weise verankert und Zementschlämme an dem einen Ende oder an beiden Enden des Spanngliedes zwischen die Schicht 3 und die Umhül- lung 5 injiziert, so dass sie längs des Spanngliedes fliesst und alle Zwischenräume zwischen den Drähten 4 ausfüllt und nach dem Abbinden zwischen der Schicht 3 und der Umhüllung 5 einen Verbund herstellt.
Gleichzeitig wird Wasser in das Spannglied 1 an dessen einem Ende oder an dessen beiden Enden injiziert, um den trockenen Zement, der die Zwischenräume zwischen den Drähten 3 ausfüllt, anzufeuchten, so dass er nach dem Erhärten die Drähte miteinander und mit der Schicht 3 festhaftend verbindet.
Hiebei ist zu erwähnen, dass als Metallband auch ein anderes Material als Stahl verwendet werden kann und es kann in den Fällen, in denen ein ausgezeichneter Verbund wesentlich ist, ein Aluminiumband verwendet werden, da dieses mit dem Zement im Spannglied und in der zwischen die Schicht 3 und die Umhüllung 5 injizierten Zementschlämme chemisch reagiert. Ausserdem ergibt es einen ausgezeich-
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neten Schutz gegen die Korrosion der Stahldrähte, da bei jedem elektrolytischen Vorgang sich Aluminium auf dem Stahlband niederschlägt.
Es ist im allgemeinen zweckmässig, dass die Schmierdrähte nicht genau parallel zu den Drähten im Spannglied verlaufen, da das Spannglied gegen die Schmierdrähte arbeitet und es zweckmässig ist, jede Gefahr zu vermeiden, dass die Umwicklung des Spanngliedes platzt. Wenn die Schmierdrähte sich um das Spannglied herum in einer Spirale bewegen, ist diese Gefahr weitgehend vermieden.
Wenn die Schmierdrähte spiralig aufgebracht werden, wird die Anordnung vorzugsweise so getroffen, dass die Steigung der Schraubenlinie von derjenigen der die Innenschicht 3 bildenden Stahlbandumwicklung sowie von derjenigen der äusseren Umhüllung 5 abweicht.
Statt eine erste Umwicklung aus Stahlband unter Spannung auf das Bündel der Stahldrähte von hoher Zugfestigkeit aufzubringen, wie vorangehend beschrieben, kann eine Umwicklung aus Gewebe, z. B. aus Glasfaser oder Leinen, verwendet werden, in welchem Falle eine weitere Bindung aus Draht über die Umwicklung aufgebracht werden kann, um diese widerstandsfähig gegen den während der Handhabung verursachten Abrieb zu machen.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Vorspannelementes verlaufen die Schmierdrähte parallel zu den Stahldrähten vonhoher Zugfestigkeit des Spanngliedes, haben jedoch einen geringen Abstand voneinander, beispielsweise einen Mittenabstand von 3 mm, während die äussere, die Umhüllung bildende Wicklung, welche auf diese Weise an in engem Abstand voneinander befindlichen Punkten abgestützt ist, durch ein unter Spannung aufgewickeltes Gewebe gebildet wird. Auch bei dieser Ausführungsform kann die äussere Gewebewicklung durch eine äussere Drahtbindung geschützt werden.
Bei einer weiterenausfühmngsform werden die gewellten Stahlbänder, welche die Wicklung 3 bzw. die Umhüllung 5 bilden, mit Schraubenlinien von verschiedener Steigung oder entgegengesetzter Gangrichtung gewickelt und sind die Schmierdrähte 4 durch ein Band ersetzt, das durch ein grobmaschiges Schmiermaterial gebildet wird und zwischen den beiden Wicklungen aus Stahlband aufgewickelt ist.
Gegebenenfalls kann die durchbrochene Schicht durch einen Draht gebildet werden, welcher spiralig auf die innere Wicklung aufgewickelt ist, wobei der Draht selbst nicht geschmiert ist und die Aussenfläche der-inneren Wicklung sowie die Innenfläche der äusseren Umwicklung mit einem trockenen Schmiermittel überzogen sind. Die Wellungen der Stahlbänder ergeben eine mechanische Verriegelung mit der gehärteten Zementschlämme, um einen angemessenen Verbund sicherzustellen.
Zweckmässig kann den Stahldrähten von hoher Zugfestigkeit im Spannglied ein schwacher Drall von etwa einer Drehung auf eine Länge von 9 m des Spanngliedes gegeben werden, damit das letztere ohne Überbeanspruchung der Drähte aufgespult werden kann.
Wenn die durchbrochene Schicht aus spiralig gewickelten Schmierdrähten gebildet wird, darf die Teilung der Drähte nicht zu eng sein, damit der Weg der Schlämme, wenn diese von einem Ende aus injiziert wird, nicht übermässig lang wird. Dieses Erfordernis ist im allgemeinen erfüllt, wenn jeder Schmierdraht eine volle Windung auf eine Länge von etwa dem drei-bis vierfachen Durchmesser des Spanngliedes macht, auf dem er aufgewickelt ist.
Bei der Verwendung des erfindungsgemässen Vorspannelementes kann der Verbund zwischen dem Spannglied und der Umhüllung noch verbessert werden, wenn die Schlämme bzw. das verwendete Haftmittel, das zwischen dem Spannglied und der Umhüllung injiziert wird, derart ist, dass es beim Abbinden geringfügig treibt. Ein solches Haftmittel ist mit Aluminiumpulver vermischter Portlandzement.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass unter der Bezeichnung "Draht", wie sie in dem Ausdruck "Draht oder Spannglied" verwendet wird, auch ein fester Stahlstab oder ein Stahlseil zu verstehen ist.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Vorspannelement für Spannbetonkonstruktionen, bestehend aus einem von einer Umhüllung umgebenen Spannglied, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannglied (2) von einer unterbrochenen Schicht (4) eines Materiales umgeben ist, das entweder selbstschmierend oder von einem Schmiermittel umgeben ist, und dass die diese Schicht (4) umgebende Umhüllung (5) undurchlässig gegenüber Zement- und Betonteilchen ausgebildet ist, so dass zwischen dem Spannglied (2) und der Umhüllung (5) Räume eingeschlossen sind, die mit einem Haftmittel, wie Zementschlämme, ausfüllbar sind, das hiedurch mit den jeweils einander gegenüberliegenden Flächen des Spanngliedes (2) und der Umhüllung (5) in Kontakt kommt.