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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer textilen Bewehrung für ein Betonbauteil, aufweisend wenigstens eine Verlegeeinrichtung, bei der zumindest eine Positionierreinrichtung oder wenigstens ein Verlegeroboter zu wenigstens einer Garnabgabeeinrichtung für das Garn relativ beweglich angeordnet ist, wobei die Verlegeeinrichtung zur Ausbildung wenigstens eines Spanngeleges aus wenigstens einem von polymeren Bindemitteln freien Garn innerhalb zumindest eines Grundrahmens ausgebildet ist. Der Grundrahmen weist Garnhalteeinrichtungen zumindest im Bereich von Außenkanten des Grundrahmens und/oder von Aussparungen auf, wobei die Garnhalteeinrichtungen als horizontal wirkende Klemmschlitze ausgeführt sind oder wobei die Garnhalteeinrichtungen Umlenkbolzen aufweisen und zumindest ein Teil der Umlenkbolzen einzeln elastisch oder aktiv auslenkbar ist und/oder die Reibung zwischen Garn und Umlenkbolzen gemindert wird. Die Garnhalteeinrichtungen bilden zugleich Umlenkpunkte des Garns.
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Textilbeton oder auch textilbewehrter Beton ist ein Verbundwerkstoff aus dem Matrixmaterial Beton und einem textilen Flächengebilde, beispielsweise einem Gelege, einem Gewebe oder einem Gewirk, das als Bewehrung die mechanische Festigkeit vor allem dünnwandiger Betonteile verbessert.
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Insbesondere seit ca. 2004 wird sehr intensiv am Thema Textilbeton geforscht, bei dem die traditionell aus Stahl bestehende Bewehrung durch ein Textil ersetzt wird. Dies spiegelt sich auch im druckschriftlichen Stand der Technik wider. So befasst sich die Druckschrift
DE 100 19 824 A1 mit einem Herstellungsverfahren für Baustoffe und Bauteile unter Verwendung fasriger Materialien, wobei insbesondere Naturfasern zum Einsatz kommen. Die Druckschrift
DE 102 32 142 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von textilbewehrten Betonumhüllungen, wie sie beispielsweise im Wasser- und Abwasserbereich für die Umhüllung von Kunststoffrohren oder Kunststoffbehältern zum Einsatz kommen können.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2004 027 739 A1 ist die Beschreibung eines Bauelements in Holz/Beton-Verbundbauweise für Baukonstruktionen, insbesondere Säulen, Masten, Stützen, Träger oder Rohrleitungen zu entnehmen. Für ein dort vorgestelltes Ausführungsbeispiel fand Glasfasergelege mit einem Flächengewicht von 180 g/m
2 und einer Feinheit von 640 tex Verwendung. Es wurde durch einen oberhalb der Vorrichtung angebrachten und mit Feinbeton gefüllten Trichter gezogen. Der Beton hatte einen w/z-Wert von 0,33 und bestand aus zwei Teilen Hochofenzement, einem Teil Puzzolane und drei Teilen Sand mit Größtkorn 0,2. Nach vier Textillagen war eine Bewehrungsschicht von etwa 7 mm erreicht. Sie wurde durch einen auf Scheiben aufliegenden Abstreifer geglättet. Das Holz wurde vor dem Bewickeln mit einem Haftvermittler behandelt.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 048 190 A1 informiert über die Beschichtung in verstärkten Verbundwerkstoffen, welche beispielsweise in faserverstärkten Hochleistungs-Betonverbunden zum Einsatz kommen kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 038 931 B4 hingegen beschreibt Fadenlagennähwirkstoffe und zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Herstellung einer offenen Gitterstruktur mit der Geometrie einer Kegelstumpfmantelfläche. Es handelt sich dabei um Fadenlagennähwirkstoffe mit konturgerechtem Kettfadenverlauf, die bevorzugt zur Herstellung von räumlichen Armierungstrukturen für Kunststoff- und Betonbauteile verwendet werden. Aus einer dieser offenen Gitterstrukturen lässt sich beispielsweise eine 3D-Verstärkungsstruktur in Form einer Gewindeflanke bilden und in den Beton einer Rohrwand einbringen. Die endlosen Kettfäden werden in dieser Ausführung in den Längen zugemessen und zugeführt, wie sie am jeweiligen Ort zur Bildung der gewünschten Fläche erforderlich sind. Alle diese Lösungen sind für flächige Bauteile, wie sie in einem Betonwerk regelmäßig hergestellt werden, jedoch nicht geeignet. Zumindest jedoch genügen sie nicht den Anforderungen, die hinsichtlich einer dauerhaften Festigkeit sowie der Temperaturbeständigkeit einer Bewehrung gestellt werden.
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Aus der Druckschrift
US 7 384 585 B2 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer textilen Bewehrung, ein Verstärkungsgelege als Faserhalbzeug für ein Faserverbundbauteil, bekannt, aufweisend wenigstens eine Verlegeeinrichtung (fiber reinforcement string apparatus; vgl. Sp. 10, Z. 58 bis Sp. 11, Z. 13;
8), bei der zumindest eine Positionierreinrichtung zu wenigstens einer Garnabgabeeinrichtung für das Garn relativ beweglich angeordnet ist. Die vorgeschlagene Verlegeeinrichtung ist dabei zur Ausbildung wenigstens eines Spanngeleges (Sp. 3, Z. 58 bis Sp. 4, Z. 5;
2A,
3-4 und
10) aus wenigstens einem von polymeren Bindemitteln freien Garn („dry preform“; Sp. 12, Z. 55 bis Sp. 13, Z. 11) innerhalb zumindest eines Grundrahmens (reinforcement string jig 5, 7) ausgebildet, wobei der Grundrahmen Gamhalteeinrichtungen (pins 6, 6') zumindest im Bereich von Außenkanten des Grundrahmens und/oder von Aussparungen aufweist, die zugleich Umlenkpunkte des Garns bilden (
3-4 und
10). Die vorgeschlagenen Garnhalteeinrichtungen weisen Umlenkbolzen auf, die einzeln elastisch oder aktiv auslenkbar sind (Sp. 10, Z. 25-38;
6A-6C).
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Eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung einer textilen Bewehrung ist in der Druckschrift
DE 10 2006 035 576 B3 offenbart (vgl. S. 3, [0020]-[0023] und [0027]; S. 4, [0038], [0041] und [0044]-[0045]; S. 5, [0049]-[0051] und [0059];
1). Eine als Ablageroboter ausgebildete Fasergebilde-Ablegungseinrichtung 12 weist über eine Feder 34 federbeaufschlagte Fasergebilde-Halter 20b auf (S. 5, [0051];
1).
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Erste Anwendungen in Form von flächigen Bauteilen, wie z. B. Fassadenplatten, existieren bereits am Markt. Bisher werden die textilen Flächengebilde, insbesondere auch Gelege, bei einem Textilhersteller vollständig vorgefertigt, um dann als Bewehrung im Betonwerk zu Textilbetonbauteilen weiterverarbeitet zu werden. Für die Herstellung des textilen Flächengebildes werden Rovings aus Glas, Carbon oder Basalt verwendet. Nach der Herstellung des textilen Flächengebildes (Gelege), wird dies in die Fertigteilwerke transportiert.
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Die am Markt verfügbaren textilen Gelege für diese Anwendung, meist 1,20 oder 2,50 Meter breit und bis zu 5 Meter lang als Platte oder als Rolle mit z. B. 80 Meter Rollenlänge, sind aus Carbon-, AR-Glas- oder Basaltfasermaterialien erhältlich.
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Wenn im Betonwerk ein Fertigteilwandelement mit diesen vorgefertigten textilen Gelegen oder anderen Flächengebilden bewehrt werden soll, so sind diese zuzuschneiden und zur Kraftübertragung zu überlappen, als Übergreifungslänge bezeichnet. Der Bedarf an Textilmaterial ist wegen der umfangreichen Abschnitte sehr hoch im Vergleich zur letztlich im Bauteil tatsächlich genutzten Fläche. Zum Beispiel werden für 12 m2 Fertigteilwandelement ca. 18 m2 textiles Flächengebilde (Gelege) benötigt. Zusammen mit dem Verschnitt beim Textilhersteller (ca. 10 Prozent) sind es insgesamt 20 m2.
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Bisher wird, ohne dass das Material in der Praxis überhaupt umfassend etabliert wäre, aus dem sogenannten Carbonfilamentgarn oder anderen für den Einsatz im Textilbeton geeigneten Hochleistungsfilamentgarnen ein textiles Flächengebilde z. B. in Form eines Geleges oder Gewebes hergestellt und dann als notwendige Bewehrung im Textilbeton verwendet. Damit erfolgt z. B. in einem Fertigteilwerk die Herstellung des Betonbauteils mit textiler Bewehrung. Das Material muss in einem Prozessschritt vorkonfektioniert werden, wo sehr hoher Verschnitt anfällt. Der Verschnitt betrifft das Garn (z. B. Carbon-, AR-Glas- oder Basaltfilamentgarn, auch als Roving bezeichnet) sowie die hochwertige Beschichtung, die sich auf dem Garn befindet.
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Die Beschichtung ist für den inneren Verbund der Rovings (Verbund der einzelnen Filamente) und den äußeren Verbund zur Betonmatrix notwendig und wichtig, zugleich aber für die Anwendung in dem vorliegenden Gebiet der Technik in aller Regel unerwünscht, zumindest soweit sie dazu führen kann, dass das Bauteil letztlich keine dauerhafte Festigkeit und keine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweist. Das liegt daran, dass die Beschichtung bei höheren Temperaturen aufschmilzt und dann zu einem nachteiligen und die Festigkeit des Bauteils vermindernden „Schmierstoff“ wird.
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Das textile Flächengebilde muss, da es in der Breite begrenzt ist, überlappt werden, um die notwendige Übergreifungslänge zu erreichen, wobei es ebenfalls zu einem erhöhten Materialeinsatz kommt. Zur Positionierung im Betonteil müssen Abstandshalter eingesetzt werden, deren Einbringen ebenfalls in einem Prozessschritt vorher erfolgen muss. Weiterhin müssen Elemente zur Verhinderung des Aufschwimmens der Bewehrung beim Betonieren und Rütteln eingesetzt werden.
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Nachteilig ist jedoch, dass die am Markt erhältlichen textilen Flächengebilde eine vordefinierte Form, Materialkombination und -menge (z. B. Fasern pro m2) erhalten und dies somit für die gesamte Fläche gleichmäßig vorgegeben ist. Die in der Praxis benötigten Betonfertigteile zeichnen sich jedoch dadurch aus, dass sie sehr unterschiedlich in Größe, Form (Aussparungen wie z. B. Türen, Fenster) und Bewehrungsanordnung (Rücksicht auf lokale Lastabtragung) sein müssen. Weiterhin müsste das so vorgefertigte Gelege mit Kunstharz imprägniert sein, um eine ausreichende Eigensteifigkeit aufzuweisen und so überhaupt handhabbar zu sein.
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Durch die Vorfertigung von textilen Flächengebilden, zumal in Standardabmessungen bedingt durch den unflexiblen textilen Fertigungsprozess, und deren nachträgliche Anpassung an die Betonbauteile wird zum einen viel Material verschwendet. So werden im obigen Beispiel 20 m2 statt der tatsächlich benötigten 12 m2 verarbeitet. Zudem ist der Arbeitsaufwand enorm hoch, da mehrere Prozessschritte erforderlich sind, beginnend mit der Herstellung des textilen Flächengebildes, gefolgt vom Konfektionieren. Des Weiteren sind bei der herkömmlichen Methode teilweise Einbauteile wie Abstandhalter notwendig, um die Bewehrung in ihrer vorgesehenen Lage zu halten. Auch Verankerungsstellen der Bewehrung im Beton wie Schlaufen sind nur sehr schwer realisierbar. Selbst wenn das textile Flächengebilde diese aufweist, gelangen sie nicht zwangsläufig an die vorgesehene bzw. optimale Stelle im Betonbauteil.
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Die Druckschrift
EP 2 666 922 A1 zeigt ein solches Betonbauelement mit einer Faser-Bewehrungsstruktur, die in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung angeordnete Faserstränge aufweist, die eine Gitteranordnung mit die Faserstränge untereinander verbindenden Kreuzungspunkten bilden. Die Faser-Bewehrungsstruktur ist in den Mineralkörper, der aus einem Füllstoff und einem Bindemittel besteht, eingebettet. Wie die Gitteranordnung jedoch erhältlich ist, dazu ist der Druckschrift nichts zu entnehmen. Abs. [0014] lässt den Schluss zu, dass es vorgesehen ist, die Faserstränge als Fasergelege auszubilden, das an den Kreuzungspunkten z.B. stoffschlüssig oder auch auf andere Weise wie durch Bindegarn oder ähnliches verbunden ist, um die Rovings, die vorzugsweise zur Ausbildung der Faserstränge verwendet werden, temporär zu fixieren. Es ist auch möglich, die Faserstränge in eine Webbindung zu bringen, also an Kreuzungspunkten über- und untereinander vorbei zu führen. An einer externen Fertigung führt somit kein Weg vorbei. Dies wird auch durch Abs. [0030] bestätigt, wonach zur Herstellung des Betonbauelements die wie vorstehend beschrieben bereitgestellte Faser-Bewehrungsstruktur in verarbeitungsfähigen Beton eingelegt und positioniert. Sie kann aufgrund ihrer Steifigkeit wie eine Baustahlmatte in den Beton eingearbeitet werden und verbleibt in diesem.
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Damit werden die Probleme mit der unflexiblen Auslegung der Bewehrung im Betonbauteil und auch des übermäßigen Materialverbrauchs nicht gelöst. Zudem ist es vorgesehen, dass die Faserstränge einen Kunststoffanteil aufweisen, so dass gemäß Abs. [009] die Glasfasern des Faserstrangs einzeln oder gemeinsam von einer Kunststoffschicht umgeben sind, die eine direkte Berührung zwischen jeder Glasfaser und dem Beton verhindert. Nach Abs. [0019] plastifiziert der Kunststoffanteil sogar bei Erwärmung, was als vorteilhaft für die Bindung an den Kreuzungspunkten angesehen wird. Tatsächlich aber bringt dieser Umstand, ohne dass die genannte Druckschrift diesen Schluss zieht, ein erhebliches Festigkeitsproblem mit sich, sobald das Betonbauteil einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist, da gerade dann die Bindung zwischen Bewehrung und Beton schwindet, ebenso die Bindung zwischen den möglicherweise an den Beton angebundenen Faser und den im Roving innen liegenden Fasern. An eine Festigkeitsprüfung bei einer Temperatur von 500 °C ist gleich gar nicht zu denken.
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So oder ähnlich ist eine ganze Reihe von Lösungen angelegt. Beispielhaft seien die Druckschriften
WO 2008/07986 A1 und
DE 10 2005 055 770 A1 genannt, ohne an dieser Stelle näher auf den Inhalt einzugehen.
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Auch wenn für den Fachmann bei Suche nach einer Bewehrung für ein Betonbauteil kaum Anhaltspunkte bestehen, auf Lösungen bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen zurückzugreifen, weil die Techniken in der Praxis grundlegend inkompatibel sind, sei dennoch Stand der Technik aus diesem Bereich der Vollständigkeit halber erwähnt. So legt die Druckschrift
DE 10 2005 034 400 A1 eine Lösung vor, nach der versucht wird, eine belastungsgerechte Faserlage zu erzeugen und den Faserstrang entlang einer beliebigen Bahnkurve zu legen (Tailored Fibre Placement - TFP). Damit er dort aber verbleibt, wird er mit Hilfe eines Heftfadens auf einer Tragschicht fixiert. Ein Heftfaden ist im Betonbauteil unerwünscht, eine Tragschicht kann ohne gravierende Einbußen bei der mechanischen Stabilität des Betonbauteils gleich gar nicht mit einbetoniert werden. Eine derartige Lösung ist also nicht in Betracht zu ziehen.
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Die Druckschrift
JP 2000 199 151 A beschreibt eine Vorrichtung zur Garnablage zum Laminieren, wobei das Garn um randständige Nadeln gelegt und nach der Ablage sofort breitgedrückt wird. Hierzu ist es aber erforderlich, das Garn locker zu legen und es ist deshalb nicht möglich, größere Entfernungen zwischen den Nadeln freitragend zu überspannen. Ein solches Gelege würde sich nicht an die gewünschte Stelle im Profil in einem Betonteil mit größerer Fläche positionieren lassen. Abgesehen davon kann in oder an einer Betonform nicht mit derart filigranen Einrichtungen wie Nadeln gearbeitet werden, da diese binnen kurzem unbrauchbar und verschmutzt wären.
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Die Techniken aus der Herstellung faserverstärkter Kunststoffe sind jedoch, wie zuvor bereits in Teilen ausgeführt, nicht auf den Bereich der textilen Bewehrungen für den Betonbau zu übertragen. Zum Beispiel sind bei den zumeist dünnwandigen faserverstärkten Kunststoffen kaum Abstände zwischen „Bewehrung“ und Bauteilaußenkanten zu realisieren, die im Betonbau wiederum eine besonders große Bedeutung haben, ebenso wie die Lage der Bewehrung im Profil.
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Allgemein kann hinsichtlich bewehrter Betonbauteile festgestellt werden, dass der Bereich der Betonage, also das Einbringen und Verdichten des Betons, weitgehend optimiert ist. Für den Bereich der Fertigung der Bewehrung gilt dies jedoch nicht. Da der Schritt der Herstellung der textilen Flächengebilde gegenüber dem Rohmaterial (Garn bzw. Roving) das daraus entstehende Halbzeug in seinem Preis gegenüber den Rovings verdoppelt und davon ca. 40 % dann wiederum als Verschnitt nicht im Betonbauteil Verwendung finden, ist die Optimierung ein wichtiger Schritt zur material- und kosteneffizienten Fertigung.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Fertigteilen aus Textilbeton möglichst kostengünstig und damit konkurrenzfähig zu Stahlbetonfertigteilen anzubieten. Es soll eine Lösung gefunden werden, nach der im Fertigteilwerk die Bewehrung zur Betonage kostengünstiger angeordnet werden kann, vor allem möglichst materialsparend durch weniger Abfall und den Verzicht auf eine Beschichtung von Garnen, beanspruchungsgerecht, mit geringem Verlegeaufwand und mit einer Einbindung von Einbauteilen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, aufweisend wenigstens eine Verlegeeinrichtung, bei der zumindest eine Positionierreinrichtung oder zumindest ein Verlegeroboter, bevorzugt zumindest zweidimensional, zu wenigstens einer Garnabgabeeinrichtung beweglich angeordnet ist, die das Garn abgibt. Die Verlegeeinrichtung zur Ausbildung wenigstens eines Spanngeleges ist aus wenigstens einem, bevorzugt von polymeren Bindemitteln freien Garn (Roving) innerhalb eines Grundrahmens ausgebildet. Zumindest sind solche Bindemittel im Garn unerwünscht, die die späteren Eigenschaften der Bewehrung im Betonteil nachteilig beeinflussen. Bevorzugt werden ein oder zwei parallel zueinander angeordnete Spanngelege hergestellt, bei dickeren Betonteilen auch mehr als zwei parallele Lagen.
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Der Grundrahmen weist Garnhalteeinrichtungen zumindest im Bereich von Außenkanten des Grundrahmens und/oder von Aussparungen auf, sofern Aussparungen wie Öffnungen für Fenster und Türen vorhanden sind. Die Garnhalteeinrichtungen bilden zugleich Umlenkpunkte des Garns. Das Spanngelege aus wenigstens einem von polymeren Bindemitteln freien Garn, wovon jegliches linienförmige textile Gebilde und insbesondere auch Rovings umfasst sind, besitzt eine temporäre Eigensteifigkeit, solange es am Rand gehalten wird, insbesondere solange es mit dem Grundrahmen verbunden ist. Dadurch weist es für eine Weiterverarbeitung, v. a. beim Betonieren, eine ausgezeichnete Festigkeit auf, die weit über der herkömmlicher flächiger Textilen liegt, selbst wenn diese mit Bindemitteln ausgerüstet sind. Dadurch werden auch keine die Struktur des Betonteils störenden Abstandshalter mehr benötigt.
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Die Vorrichtung weist Garnhalteeinrichtungen zumindest an einer ersten und einer zweiten Endlage der Vorrichtung auf, wobei die Garnhalteeinrichtungen beispielsweise an einem Grundrahmen oder einer Grundplatte angeordnet sind. Die Endlagen stellen zugleich die Umlenkpunkte des Garns dar und sind in der Regel außen an den Kanten des Grundrahmens und um die Aussparungen angeordnet.
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Unter den linienförmigen textilen Gebilden ist vor allem das Garn als Begriff von Bedeutung, da Garn nach DIN 60900 ein Sammelbegriff für alle linienförmigen textilen Gebilde ist. Danach ist ein Garn sinngemäß ein langes, dünnes Gebilde aus einer oder mehreren Fasern. Es ist ein textiles Zwischenprodukt, welches zu Geweben, Gestricken, Gewirken und Stickereien verarbeitet werden kann oder auch zum Nähen verwendet wird. Im Interesse eines allgemeinen Verständnisses ist nachfolgend das erfindungsgemäß eingesetzte Material als Garn benannt, umfasst jedoch alle geeigneten linienförmigen textilen Materialien.
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Im Rahmen der Erfindung sind Rovings als Garne von herausragender Bedeutung. Als Roving wird ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten, also Endlosfasern bezeichnet. Der Querschnitt eines Rovings ist meist elliptisch oder rechteckig. Am häufigsten werden Filamente aus Glas, Aramid oder Kohlenstoff (Carbon) zu Rovings zusammengefasst. Normalerweise werden Rovings sortenrein, d. h. aus einer Faserstoffart erzeugt. Es existieren aber auch Hybridrovings, die aus Filamenten unterschiedlicher Materialien bestehen. Der Roving kann praktisch nur im Verbund mit einer Matrix wie z .B. Beton eingesetzt werden. Er besitzt in Faserlängsrichtung eine hohe Festigkeit und Steifigkeit. Mechanisch gesehen ist er eine unidirektionale Schicht. Die mechanischen Eigenschaften quer zur Faser sind zumeist schlecht. Daher werden Rovings entlang der Hauptlastpfade (Hauptnormalspannungen) gelegt. Verbunde aus unidirektional gestreckt liegenden Rovings besitzen eine höhere Festigkeit bzw. Steifigkeit als solche aus Rovinggeweben, da die Rovings bei Geweben gewellt vorliegen, was die Fasern bei Belastung komplex beansprucht. Diesen Unterschied macht sich die Erfindung zunutze, indem hier Spanngelege vorrangig aus gestreckten Rovings erzeugt werden.
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Die Verlegung entlang der Hauptlastpfade führt zu einem insgesamt lastoptimierten Ablageverfahren. Dies kann beispielsweise auch zur Einbindung von besonders belasteten Elementen in die Bewehrung dienen, wie beispielsweise Anschlagelemente oder Flanschmuttern als Aufhängung bei Fassadenplatten.
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Da das erfindungsgemäß eingesetzte Garn, beispielsweise ein Roving, im Wesentlichen frei von insbesondere polymeren Bindemitteln ist, erfolgt eine besonders gute Bindung an das vorgesehene Matrixmaterial Beton. Zumindest dürfen etwa vorhandene Bindemittel nicht den dauerhaften und auch unter Einsatzbedingungen stabilen Verbund mit dem Matrixmaterial behindern. Die Fasern sind vom Matrixmaterial nicht durch ein Bindemittel wie z. B. Kunststoff getrennt, der von Grund auf geringere Festigkeit aufweist, und kann zudem unter Einfluss von Temperatur und Alterung weiter erheblich an Festigkeit verlieren mit der Folge, dass die Bewehrung kaum noch zur Kraftübertragung in der Lage ist. Eine weitere Verbesserung der Faser-Matrix-Bindung ist dann zu erwarten, wenn der Roving in einem unmittelbar vorgelagerten Verfahrensschritt eine Benetzung aller Filamente mit einem Feinbeton erfährt. Dies erfolgt bevorzugt durch Aufspreizen des Rovings und dem darauffolgenden Benetzen der Filamente sowie einem abschließenden erneuten Zusammenführen der Filamente. Zudem kann auch nur eine Trockenbeschichtung, z. B. mit Zement, erfolgen, der dann benetzt wird oder in dem Betonteil aktiviert wird, für eine verbesserte Bindung sorgt und abbindet. Die entsprechende Beschichtung kann auch unmittelbar nach Herstellung der Faser als Teilschritt der Faserherstellung erfolgen.
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Ein Gelege, ob gespannt oder nicht, ist ein Flächengebilde, das aus einer oder mehreren Lagen von parallel verlaufenden, gestreckten Fäden oder Garnen besteht, zu verallgemeinern als linienförmige textile Gebilde, nach der Erfindung insbesondere auch Rovings.
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An den Kreuzungspunkten werden die Fäden üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise fixiert. Die Fixierung erfolgt allgemein entweder durch Stoffschluss oder mechanisch durch Reibung und/oder Formschluss. Die Erfindung verzichtet jedoch auf eine Fixierung, da die Garne durch ihre Spannung exakt definierbare Kreuzungspunkte ausbilden, auch ohne irgendeine Fixierung. Alternativ ist es jedoch auch vorgesehen, eine Fixierung in bekannter Art und Weise vorzunehmen.
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Es existieren folgende Arten von Gelegen, die prinzipiell auch nach der Erfindung zum Einsatz kommen können:
- • monoaxiale oder unidirektionale, die durch das Fixieren einer Schar von parallelen Fäden entstehen;
- • biaxiale, bei denen zwei Scharen von parallelen Fäden in Richtung von zwei Achsen miteinander fixiert werden; und
- • multiaxial: mehrere Scharen aus parallelen Fäden in Richtung verschiedener Achsen werden fixiert.
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Die Lagen bei mehrlagigen Gelegen können alle unterschiedliche Orientierungen aufweisen, auch aus unterschiedlichen Garndichten und unterschiedlichen Garnfeinheiten oder -materialien bestehen. Im Gegensatz zu Geweben haben Gelege als Verstärkungsstrukturen in Faser-Matrix-Verbunden (Matrixmaterial sind vor allem Kunststoffe oder mineralische Materialien wie Beton) bessere mechanische Eigenschaften, da die Fäden in gestreckter Form vorliegen, damit keine zusätzliche Strukturdehnung vorliegt und die Ausrichtung der Fäden speziell für den jeweiligen Anwendungsfall anisotrop definiert werden kann. Da nach der Erfindung vor allem ungedrehte Garne mit vollständig gestrecken Filamenten in Form von Rovings zum Einsatz kommen, ist der letztgenannte Effekt besonders stark ausgeprägt. Aufgrund dieser gestreckten Form wird ein Gelege im englischen Sprachraum und auch im internationalen Handel als non-crimp fabric (NCF) bezeichnet.
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Ein Spanngelege ist ein Gelege, das nicht durch den Einsatz von Kunstharz oder anderen Hilfsmitteln eine zur Manipulation in nachfolgenden Prozessen geeignete Eigensteifigkeit erhält, sondern dies durch einen Spannrahmen erfolgt. Der Spannrahmen bringt allseitig Zugkräfte in das Spanngelege ein, so dass es trotz fehlender Eigensteife durch den Spannrahmen manipulierbar wird und nicht durchhängt. Nach der Erfindung wirken der Grundrahmen, in einer speziellen Ausführungsform auch der im Rand des Geleges erzeugte Gelegerahmen, als Spannrahmen.
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Die Garnhalteeinrichtungen sind zumindest an einer ersten und einer zweiten Seite der Vorrichtung, beispielsweise einer Grundplatte oder einem Rahmen, angeordnet. Sie bilden Umlenkpunkte beim Erzeugen des Spanngeleges. Durch das Umlenken entsteht später nach dem Betonieren eine Verankerung der so im Umlenkpunkt gebildeten Schlaufe im Beton, gleiches gilt für jedes andere Matrixmaterial, das zusammen mit der erfindungsgemäßen Bewehrung eingesetzt wird. Die im Matrixmaterial bzw. dem Beton somit verankerte Schlaufe ist also in der Lage, unmittelbar eine hohe Last abzutragen, während eine herkömmliche Stahlbewehrung und mehr noch textile Bewehrung eine größere im Beton eingebettete Länge benötigt, ehe sie voll tragfähig sind. Diese Länge beträgt je nach Garn, Belastung und Temperatur zwischen 20 und 200 cm.
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Die erfindungsgemäße Bewehrung wird demnach nicht als vorgefertigtes textiles Flächengebilde erworben, sondern im Fertigteilwerk aus Rovings hergestellt. Durch eine Verlegeeinrichtung, aufweisend z. B. eine den Grundrahmen oder die Garnabgabeeinrichtung bewegende Maschine oder einen beweglichen Verlegeroboter, werden die Rovings direkt in der Schalung oder entfernt von der Schalung auf dem separaten Grundrahmen zur Bildung des Spanngeleges abgelegt und in den Grundrahmen gespannt. Somit wird die textile Bewehrung direkt im Produktionsprozess für das Bauteil konfektioniert. Dadurch werden zwei voneinander unabhängig laufende Prozessschritte, die Gelege- und die Betonfertigteilherstellung, vereint und zeitsparend sowie kostengünstig optimiert. Dadurch ist ein hohes Automatisierungspotenzial gegeben, das die Chance bietet, ressourceneffiziente Textilbetonbauteile zu fertigen.
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Bevorzugt ist die Verlegeeinrichtung als wenigstens eine Garnabgabeeinrichtung, angeordnet an einer zweidimensional wirksamen Positionierreinrichtung oder einem Verlegeroboter, ausgeführt ist. Dabei stellt insbesondere die Positionierreinrichtung, ausgeführt als in der Ebene parallel zum Spanngelege zu beliebigen Punkten verfahrbarer Kopf mit der Garnabgabeeinrichtung, eine kostengünstige und einfache Ausgestaltung der Erfindung dar. Die Positioniereinrichtung muss jedoch solche Ausmaße aufweisen, dass das größte zu fertigende Spanngelege darunter Platz findet. Alternativ oder zusätzlich zur Bewegung der Garnabgabeeinrichtung ist die Bewegung des Grundrahmens vorgesehen, damit eine Relativbewegung zwischen beiden erreicht wird.
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Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Garnhalteeinrichtungen Umlenkbolzen aufweisen. Um diese wird im Zuge der Ausbildung des Spanngeleges das Garn herumgelegt. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn zumindest ein Teil der Umlenkbolzen einzeln elastisch oder aktiv auslenkbar ist. Dies dient insbesondere dem Ausgleich sich im Spanngelege beim Legen um die Umlenkbolzen herum ausbildender unterschiedlicher Spannungen der einzelnen Lagen. Wegen der hohen Zugfestigkeit und geringen elastischen Dehnung von hochfesten Materialien wie Carbonfasern kommt es beim straffen Legen zu undefinierten Spannungen im Spanngelege, die entweder zu einer Überlastung einzelner Lagen oder zu einer elastischen Verformung des Grundrahmens führen können, letzteres auch mit der Folge, dass ein Teil der Lagen von den Umlenkbolzen schlaff durchhängt oder gar abgleitet. Elastisch auslenkbare Umlenkbolzen sind auf eine geeignete Weise einzeln federnd an dem Grundrahmen angeordnet, bevorzugt jeweils auf einer einfach und kostengünstig herzustellenden Federzunge.
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Aktiv auslenkbare Umlenkbolzen dienen zur einfacheren Entnahme des Spanngeleges und/oder zur Ausbildung unterschiedlicher Vorspannung in einzelnen Bereichen der Bewehrung. Die aktive Ansteuerung erfolgt beispielsweise durch einen Elektromagneten oder pneumatisch.
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Eine erfindungsgemäße Lösung, die nachteiligen Effekte unterschiedlicher Spannungen in einzelnen Lagen zu vermeiden, liegt in der Minderung der Reibung zwischen Garn und Umlenkbolzen, so dass sich hierüber Spannungsunterschiede ebenfalls ausgleichen können. Hierzu ist zumindest ein Teil der Umlenkbolzen zumindest an einem Umfang um eine Rotationsachse drehbar, bevorzugt wälzgelagert, oder mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen. Dabei kann beispielsweise der gesamte Umlenkbolzen an einem Ende in einem Wälzlager gehalten oder aber fest eingespannt und mit einer drehbaren Hülse versehen werden. Diese dreht sich dann bevorzugt über ein leichtgängiges Wälzlager.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass zumindest ein Teil der Umlenkbolzen zur Aufnahme eines Hohlzylinders aus mineralischem Material vorgesehen ist. Dieser Hohlzylinder ist beispielsweise ebenfalls leicht drehbar auf dem Umlenkbolzen gelagert und verbleibt als Funktionselement, beispielsweise als Abstandhalter oder als höherfester Halt einer Garnschlinge, beim Betonieren im Beton und verbindet sich dank seines mineralischen Materials sehr gut mit dem Beton als dem Matrixmaterial.
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Besondere Vorzüge wohnen einer Ausgestaltung inne, bei der benachbart zu wenigstens einem Umlenkbolzen zumindest ein Orientierungsbolzen in der Weise angeordnet ist, dass der Garnabstand unabhängig vom Umlenkradius einstellbar ist. Hiermit kann ein beim Betonieren entstehender Haltebolzen aus Beton, um den die Schlaufe des Bewehrungsmaterials gelegt ist, eine optimale Größe erhalten, ohne dass sich hieraus Einschränkungen beim Garnabstand ergeben. Gleiches gilt für einen Hohlzylinder aus mineralischem Material wie oben beschrieben. So könnte ein groß dimensionierter Haltebolzen oder Hohlzylinder für einen sehr festen Halt der Garnschlaufe im Matrixmaterial sorgen und zugleich dank der Orientierungsbolzen ein dichter Garnabstand hervorgerufen werden, wenn die Haltebolzen bzw. zuvor die Umlenkbolzen auf einem Grundrahmen in unterschiedlichen Randabständen, z. B. zweireihig, angeordnet werden. Die Anordnung der Umlenkbolzen auf dem Grundrahmen definiert die Umlenkstellen, wobei der Grundrahmen auch die Anordnung der Orientierungsbolzen ermöglicht.
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Auf der Grundplatte oder dem Grundrahmen mit Umlenkstellen, beispielsweise Umlenkbolzen, wird das Garn, beispielsweise Filamentbündel bzw. Rovings, das die spätere Bewehrung bildet, so abgelegt, dass vor allem die höher belasteten Betonflächen mit einer entsprechend starken Bewehrung versehen werden können, die eine Bewehrung benötigen, um Kräfte ableiten zu können. Die gezielte Ablage des Garns kann dabei anforderungsgerecht erfolgen, so dass ein sparsamer Materialeinsatz möglich ist und das mit Materialverlust verbundene Zuschneiden und das Überlappen von vordefinierten textilen Flächenstrukturen ohnehin entfällt.
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Auf der Grundplatte bzw. dem Grundrahmen könnten als zusätzlicher Vorteil zugleich auch Einbauteile wie Leerrohre, Abstandhalter, Anker oder ähnliches angeordnet werden. Auf eine Verlegung von Kapillarrohr wird später eingegangen. Die Grundplatte bzw. der Grundrahmen kann im Nachgang erneut verwendet werden.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Grundrahmen auf einem Magnettisch aus miteinander verbindbaren Rahmenteilen zusammengesetzt wird. Es handelt sich dabei um einen individuellen Grundrahmen, der an das jeweils zu fertigende Betonbauteil angepasst werden kann. Hierzu ist ein ausreichend umfangreicher Satz an Rahmenteilen vorzuhalten.
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Die gewünschten Abmessungen des vorgesehenen Betonbauteils werden mittels Rahmenteilen, z. B. Stahlschienen, bevorzugt mit integrierten Garnhalteeinrichtungen als Umlenkstellen, z. B. ausgeführt als Umlenkbolzen, erzielt. Die Rahmenteile werden beispielsweise durch einen Schalungsroboter auf einem Untergrund, bevorzugt einem magnetischen Tisch, angeordnet.
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Die Übergabe von Daten, beispielsweise betreffend ein Layout der Garne oder einen Aufbau des Grundrahmens oder eine Position von Einlegeteilen, erfolgt bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung durch das zentrale Einlesen von CAD-Daten in die Verlegeeinrichtung. Dadurch ist eine fehlerhafte Dateneingabe in der Prozesskette nicht möglich, da nur die vom Planungsingenieur gewollten Bauteilgeometrien und sonstigen Positionen übergeben werden. Es entsteht eine digitale Prozesskette und damit eine hohe Sicherheit und Genauigkeit bei der Fertigung der Bewehrung und der Betonteile.
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Die Anordnung der Umlenkstellen wird individuell an die jeweilige Bauteilgeometrie angepasst. Hierzu sind verschiedene Rahmenteile notwendig, die dann auf dem Untergrund angeordnet werden. Dadurch können Tür- und Fensteraussparungen sowie andere Bauteildurchdringungen realisiert werden. Nachdem der Grundrahmen zusammengesetzt wurde, wird dieser in sich fixiert, so dass der Grundrahmen später auch ohne Untergrund eine ausreichende Stabilität für die weiteren Prozessschritte aufweist.
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Ungeachtet der hohen Variabilität der vorgenannten Lösung ist es nach der Erfindung vor allem für große Stückzahlen einzelner Bauteile auch vorgesehen, den Grundrahmen vorgefertigt und mit vorgegebenen Maßen einzusetzen. Ebenso können mehrere Grundrahmen oder mehrteilige Grundrahmen zum Einsatz kommen, wenn die Art des Betonteils, für das die Bewehrung gefertigt werden soll, oder sonstige technologische Anforderungen dies veranlassen.
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Der Rahmen kann nach der Betonage durch einfaches Abheben wieder entfernt und insgesamt wiederverwendet werden, während nach einer alternativen Ausführungsform die Umlenkstellen im Bauteil verbleiben, vor allem wenn es sich um keramische Aufsätze wie die Hohlzylinder aus mineralischem Material handelt.
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Sollte eine Vorfertigung des Grundrahmens auf einem Untergrund nicht sinnvoll oder möglich sein, kann die Ablage der Garne auch direkt in der Schalung erfolgen. Die Umlenkstellen werden dabei bevorzugt außerhalb der Schalung liegen. Dabei ist beispielsweise eine geteilte Schalung oder ein zusätzliches Rahmenelement mit Umlenkbolzen notwendig, das außerhalb der Schalung angeordnet ist.
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Günstig ist es auch, wenn der Grundrahmen als Platte ausgeführt ist und alternativ oder zusätzlich eine größere Anzahl an Aufnahmen für Umlenkbolzen, sofern vorgesehen auch für Orientierungsbolzen, aufweist, als Umlenkbolzen bzw. Orientierungsbolzen tatsächlich vorgesehen sind, so dass die Umlenkbolzen und Orientierungsbolzen variabel auf dem Grundrahmen anordenbar sind. Dadurch kann ein insoweit universeller Grundrahmen für eine Vielzahl unterschiedlicher Spanngelege zum Einsatz kommen. Es müssen hierzu nur die Umlenkbolzen bzw. Orientierungsbolzen in die entsprechenden Aufnahmen, bevorzugt in einem Raster angeordnet, eingebracht werden. Im einfachsten Fall sind dies Bohrungen, in die Umlenkbolzen bzw. Orientierungsbolzen eingesteckt werden.
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Eine noch größere Flexibilität verspricht ein Grundrahmen, der selbst als Magnettisch ausgeführt ist, so dass die Umlenkbolzen variabel auf dem Grundrahmen anordenbar sind und durch die Magnetkraft in der vorgesehenen Position gehalten werden. Die Magnetkraft wird dann zumindest solange aufrechterhalten, bis die Betonage vollzogen ist. Später können die Umlenkbolzen und Orientierungsbolzen einfach vom Magnettisch abfallen und beispielsweise auf sehr einfache Weise gereinigt werden. Danach wird der Magnettisch erneut bestückt.
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Eine alternative Garnhalteeinrichtung ist als ein am Rand der Form entlanglaufender, durchgehender Klemmschlitz oder mehrere quer zum Rand der Form angeordnete Klemmschlitze ausgeführt sind, in die der Faden durch die Verlegeeinrichtung eingesteckt und dort festgehalten wird. Insbesondere der durchgehende Klemmschlitz lässt problemlos eine variable Beabstandung der Umlenkstellen zu. Die Klemmschlitze können aus zwei Gummilippen bestehen oder als durch Federkraft aufeinander gepresste Leisten ausgeführt sein. Sie weisen alternativ einen zusätzlichen Schutz gegen eindringenden Beton auf oder sind zur Reinigung auseinanderklappbar. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Einrichtung zur Ausbildung des Spanngeleges direkt in oder an der Form angeordnet ist und beim Betonieren auch dort verbleibt.
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Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe stellt ein Verfahren gemäß Anspruch 7 zur Erzeugung einer textilen Bewehrung für ein Betonbauteil dar, wobei aus wenigstens einem von polymeren Bindemitteln freien Garn mittels einer Verlegeeinrichtung in einem Grundrahmen ein Spanngelege ausgebildet wird, indem das Garn unter mechanischer Spannung zwischen an dem Grundrahmen angeordneten Garnhalteeinrichtungen verlegt wird. Die Anordnung der Garnhalteeinrichtungen bildet zugleich die Randbereiche des Spanngeleges und der späteren Bewehrung, wobei es sich nicht zwangsläufig um die äußeren Ränder des späteren Betonbauteils handeln muss. Die Ränder von Ausnehmungen in dem Betonbauteil wie Öffnungen für Türen oder Fenster können ebenfalls einen solchen Randbereich darstellen.
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Besonders bevorzugt wird als Garn ein Roving aus für den Einsatz im Textilbeton geeigneten Hochleistungsfilamenten verwendet. Hier ist nicht nur wegen der gestreckten Filamente eine besonders gute Kraftaufnahme zu erwarten, sondern auch eine gute Anbindung an das Matrixmaterial Beton, da keine Drehung der Fasern erfolgt, die das Eindringen von Beton erschweren und die Zugfestigkeit vermindern würde.
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Um die Bindung zwischen den Filamenten und dem Beton noch weiter zu verbessern, ist es nach einer speziellen und besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass im Sinne einer Online-Beschichtung der Roving zunächst gespreizt, die einzelnen Filamente bevorzugt mit schnellhärtendem Feinbeton benetzt und danach wieder zu dem Roving zusammengeführt werden. Ein solcher vorbereiteter Roving wird sofort zu einem Spanngelege verarbeitet und bildet eine eigenstabile keramische Bewehrung aus, die einfach und sicher zum Betonieren transportiert werden kann. Diese eigenstabile keramische Bewehrung weist eine besonders gute Anbindung an den als Matrixmaterial in eine Schalung eingebrachten Beton auf. Zudem kommt es auf ein leichtes Eindringen des Betons in den Roving dann nicht mehr an, so dass als Matrixmaterial kein Feinbeton zum Einsatz kommen muss. Weiterhin ist besonderes Augenmerk auf Trocknung, Härtung und Schmelzung zu legen.
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Bevorzugt ist der Roving aus Carbonfasern gebildet. Carbonfasern sind leicht, haben eine hohe Zugfestigkeit und widerstehen gut korrosiven Einflüssen. Der Roving selbst bietet wegen der vollkommen gestreckten Fasern eine nochmals verbesserte Zugfestigkeit gegenüber einem Gewebe beispielsweise.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Verlegung mittels wenigstens einer Garnabgabeeinrichtung erfolgt, die an einer zweidimensional wirksamen Positionierreinrichtung angeordnet ist. Damit kann die ebene Bewehrung zunächst durch Bildung eines zweidimensionalen Spanngeleges hergestellt werden. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der Vorrichtung zur Erzeugung einer textilen Bewehrung für ein Betonbauteil oben verwiesen.
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Besondere Vorteile für die Verlegung der Rovings und/oder die Anordnung bzw. Positionierung der Umlenkstellen, individuell an die jeweilige Bauteilgeometrie angepasst, ergeben sich, wenn diese auf Basis einer CAD-Steuerung erfolgen.
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Gleiches gilt, wenn verschiedene Rahmenteile notwendig sind, die auf dem Untergrund angeordnet werden müssen und dadurch Tür- und Fensteraussparungen sowie andere Bauteildurchdringungen realisiert werden können. Die gewünschten Abmessungen der Bewehrung für das vorgesehene Betonbauteil werden in dem Fall mittels zusammengesetzten Rahmenteilen, z. B. Stahlschienen, bevorzugt mit integrierten Umlenkstellen bzw. Umlenkbolzen, erreicht.
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Die Datenübergabe erfolgt bei dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung durch das zentrale Einlesen von CAD-Daten. Dadurch ist eine fehlerhafte Dateneingabe in der Prozesskette nicht möglich, da nur die vom Planungsingenieur gewollten Bauteilgeometrien übergeben werden. Ebenso kann das Ablegen der Filamentbündel nach CAD-Daten erfolgen. Es entsteht eine digitale Prozesskette. Hierzu werden ebenfalls die CAD-Daten eingelesen und von einem Verlegeroboter oder einer sonstigen Verlegeinrichtung verarbeitet.
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Nach der Verlegung wird der fertig bespannte und in sich fixierte Grundrahmen von der Grundplatte gelöst und kopfüber auf die vorgesehene Bauteilschalung aufgesetzt. Nun ist die Bewehrung in der korrekten Lage im zukünftigen Bauteil angeordnet. Durch die offene Rahmenstruktur kann die Betonage des Bauteils im Nachgang mittels Ausbringkübel auf dem Schaltisch problemlos erfolgen. Der Rahmen kann nach der Betonage durch einfaches Abheben wieder entfernt und wiederverwendet werden, während die Umlenkstellen, bevorzugt ausgeführt als Hohlzylinder, im Bauteil verbleiben können, sofern dies vorgesehen ist.
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Vorteilhaft ist es ebenso, wenn neben der Verlegung des Garns im Wesentlichen linienförmige Funktionselemente verlegt werden. Diese können dann ebenso gesteuert um die Umlenkbolzen verlegt werden. Dies betrifft beispielsweise Kapillarrohre zur späteren Beheizung oder Kühlung bzw. zur Entnahme von Wärme aus dem Betonteil, beispielsweise ein Kapillarrohr von 5 mm Durchmesser, oder auch elektrische Leitungen zur Beheizung. Durch das programmgemäße Legen entsteht eine Kapillarrohrmatte mit individueller Ausdehnung und Rohrdichte nach dem jeweiligen Bedarf.
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Eine alternative Möglichkeit, eine ohne Hilfsmittel manipulierbare textile Bewehrung zu erhalten, ergibt sich, wenn das Spanngelege in einem Randbereich so weit mit einem Fixiermittel behandelt wird, dass sich ein steifer Spanngelegerahmen aus Textilmaterial ausbildet. Auf diese Weise kann der Großteil des Spanngeleges von einem Bindemittel frei bleiben, dennoch erhält das Spanngelege eine ausreichende Steifigkeit, um ohne Grundrahmen zum Betonieren verbracht oder sonst manipuliert zu werden. Bei dem Fixiermittel kann es sich auch um ein polymeres Bindemittel handeln.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Grundrahmen wenigstens eine Einrichtung zur Beabstandung gegenüber einer Schalung aufweist, wobei diese Einrichtung als Auflagerahmen, Auflagebolzen und/oder Außenauflage ausgeführt ist. Die Einrichtung sorgt letztlich für eine definierte Lage der Bewehrung im Betonteil.
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Durch die Erfindung wird weiterhin die Herstellung des textilen Flächengebildes beim Textilhersteller vollständig obsolet, da die Rovings, die beim Textilhersteller bisher zu textilen Flächengebilden weiterverarbeitet wurden, nun im Betonwerk direkt konfektioniert und im Fertigteilherstellungsprozess anforderungsgerecht hinsichtlich Größe und Struktur zu einem textilen Flächengebilde verarbeitet werden.
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Da die Rovings auf einer Grundplatte oder einem Gitter so abgelegt werden, dass nur die Flächen eine Bewehrung erhalten, die später auch betoniert werden, ist ein verschnittfreies Arbeiten sichergestellt. Es gibt demnach fast keinen Verschnitt und keine Überlappungen mehr. Ein Betonfertigteil von 12 m2 Fläche benötigt insgesamt nur noch Bewehrungsmaterial für ca. 12 anstatt für ca. 20 m2 wie bisher, was eine Materialersparnis von 40 % bedeutet. Weiterhin können die Rovings in Richtung und Anzahl so variiert werden, dass z. B. an hochbeanspruchten Stellen eine größere Rovinganzahl platziert wird als an geringer beanspruchten Stellen, was mit einer weiteren Materialeinsparung einhergeht. Somit kann zu 100 % anforderungsgerecht und besonders materialeffizient gefertigt werden. Auch das Verstärkungsmaterial kann kombiniert werden. An hoch beanspruchten Stellen wird beispielsweise Carbon verwendet und an geringer beanspruchten Stellen AR-Glasrovings, je nach Bedarf an mechanischen Eigenschaften.
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Ein weiterer Vorteil sind die für die Tragfähigkeit der Bewehrung überaus vorteilhaften und gezielt beeinflussbaren Umlenkstellen an den Rändern, die bei der Textilherstellung hingegen meist entfernt werden. Aber selbst wenn sie am Textil verbleiben, liegen sie im endgültigen Bauteil meist nicht dort, wo sie z.B. zur Verankerung der Bewehrung genutzt werden können. Gemäß der vorliegenden Erfindung liegen diese Umlenkstellen v. a. an den Rändern der Bauteile und darin enthaltener Aussparungen, wo sie zur Verankerung der Rovings genutzt werden können.
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Aufgrund des Wegfalls des vorgelagerten textilen Herstellungsprozesses und der nun direkten Ablage des als Garn bzw. Roving vorliegenden Bewehrungsmaterials im Betonfertigteilwerk, erfolgt die Beschichtung der Rovings - wenn überhaupt noch nötig - während des Ablegens und nur mit Mitteln, die die Bindung an die Betonmatrix nicht vermindern. Dies stellt einen weiteren Vorteil dar, da in Abhängigkeit von den Bauteilanforderungen die Eigenschaften der Beschichtung optimal ausgewählt werden kann. Auch wenn für Betonbauteile, die unter höheren Temperaturen bestehen müssen, auf eine Beschichtung verzichtet wird, umfasst die Erfindung dennoch Garne mit Beschichtung, die zum Einsatz kommen können, wenn keine thermischen Anforderungen gestellt sind und auch das Problem der Alterung von Beschichtungen keine Nachteile hervorruft.
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Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass das Einlegen von Einbauteilen wie Leerrohren, Leerdosen für Elektroinstallation und Anschlagankern durch die neue Methode ebenfalls problemlos möglich ist. Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
- • der Materialbedarf (u. a. für Rovingmaterial, Beschichtung, Abstandshalter für textile Gelege) wird deutlich gesenkt;
- • die Transportaufwendungen werden reduziert;
- • die optimale Garnanordnung (z. B. Material, Richtung, Menge) wird ermöglicht;
- • eine gleichbleibende hohe Qualität wird gesichert;
- • die Möglichkeiten einer bzw. unterschiedlicher Vorspannung ist gegeben;
- • der Arbeitsaufwand bei der Herstellung der Bewehrung (Zuschneiden, Überlappen, Entsorgen der Reste entfällt) wird drastisch reduziert;
- • ein hoher Automatisierungsgrad (Wegfall der Prozessschritte Konfektionieren der Bewehrung, Einbringung von Abstandshaltern und von Elementen zur Verhinderung des Aufschwimmens der Bewehrung) wird ermöglicht;
- • die Flexibilität der simulationsgestützten Bauteilfertigung ist stark erhöht;
- • die Kosten für die Herstellung sind reduziert und
- • insgesamt wird die Konkurrenzfähigkeit von Textilbetonfertigteilen erhöht.
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Das Innovative und Neue der Erfindung ist das unmittelbare Zusammenführen zweier Industriebereiche, zwischen denen ansonsten keinerlei fertigungstechnologische Verbindungen bestehen, und damit das überraschende Einsparen eines zuvor unvermeidlichen, aus Sicht des Betonwerkes obligatorisch externen Wertschöpfungsprozessschrittes, nämlich dem der Halbzeugfertigung in einem Textilbetrieb. Es werden nicht wie bisher aus Garnen auf Textilmaschinen Halbzeuge in Form von z. B. biaxialen Gelegen für die Bewehrung des Betons gefertigt. Der herkömmliche Teil der Halbzeugfertigung bzw. der Bewehrungsherstellung wird nun in die Prozesskette des Fertigteilherstellers eingebunden und entfällt damit als einzelner Herstellungsschritt.
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Dadurch entfallen außerdem die Transporte vom Garn- zum Textilhalbzeughersteller, die kostenintensive Halbzeugfertigung sowie die Transporte vom Textilhalbzeughersteller zum Betonbauteilproduzenten. Weiterhin werden die Überlappung der Bewehrungen zur Erreichung der notwendigen Übergreifungslängen und der Verschnitt von bis zu 40 % eingespart. Die Garne werden zudem direkt lastorientiert in die Bewehrung abgelegt, was zuvor nicht möglich war.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Stand der Technik bei der Verlegung von Bewehrungen in Textilbeton;
- 2: schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens mit Spanngelege, eine Bewehrung mit Aussparungen bildend;
- 3: schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verlegeinrichtung mit Grundrahmen, Spanngelege und Verlegeeinrichtung;
- 4: schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens mit Umlenkbolzen an Federzungen im Detail;
- 5: schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umlenkbolzens mit Hohlzylinder;
- 6a bis 9b: schematisch eine Ausgestaltung eines Verfahrensablaufs zur Fertigung von textilbewehrten Betonbauteilen;
- 10: schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Betonrovings;
- 11: schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klemmeinrichtung für das Garn;
- 12: schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Auflagerahmens;
- 13: schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens mit Auflagebolzen; und
- 14: schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens mit Außenauflage.
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1 zeigt den Stand der Technik bei der Verlegung von Bewehrungen 2 in ein Betonbauteil 1 aus Textilbeton, wobei im dargestellten Beispiel insgesamt drei Teile einer textilen Bewehrung 2 verlegt werden müssen, die zur Ausbildung einer ausreichenden Zugfestigkeit Überlappungen 3 benötigen. Neben dem für die Überlappungen 3 benötigten zusätzlichen Material erfordern die Aussparungen 4, dass in diesen Bereichen auch das Material der Bewehrung 2 ausgeschnitten wird. Das dort herausgeschnittene Material kann nicht weiterverwendet werden und ist als Abfall zu entsorgen. Hieraus resultieren zusätzliche Kosten sowie der Aufwand, das vorliegende Textilmaterial entsprechend anzupassen.
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2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens 9 mit Spanngelege 14 mit Aussparungen 4, eine spätere Bewehrung für ein Betonteil bildend. Die Aussparungen 4 werden dabei gar nicht erst mit einer nicht benötigten Bewehrung versehen, wie dies noch beim Stand der Technik der Fall war. Stattdessen sind Umlenkbolzen 10, ebenso wie am Rand des Grundrahmens 9, um die Aussparungen 4 herum angeordnet. Dadurch kann das Garn 7 von einer Seite des Grundrahmens 9 zur anderen Seite bzw. zum Rand einer der Aussparungen 4 gespannt werden, jeweils zwischen zwei Umlenkbolzen 10. Das Verlegen und Aufspannen des Spanngeleges 14 erfolgt im vorliegenden Beispiel gleichmäßig und rechtwinklig über Kreuz, in der Art eines Gewebes, ohne jedoch die gestreckten Garne 7 umeinander zu legen. Ebenso wäre eine ungleichmäßige Anordnung der Garne 7 möglich, um bestimmte, höher belastete Bereiche mehr zu verstärken, hier dunkler dargestellt, hingegen in geringer belasteten Bereichen Garn 7 einzusparen.
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Von der Erfindung umfasst ist ein Grundrahmen 9, der mehrteilig ist; ebenso ein Grundrahmen, der unveränderlich in seinem Maßen oder der aus Einzelelementen variabel zusammensetzbar ist.
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3 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 zur Erzeugung einer textilen Bewehrung für ein Betonbauteil mit Grundrahmen 9, Spanngelege 14 und Verlegeeinrichtung 6. Zu erkennen ist der Grundrahmen 9, der bereits teilweise mit einem Spanngelege 14 aus Garnen 7 bespannt ist, welches ebenso wie in 2 zwischen den Randbereichen des Grundrahmens 9 oder den Aussparungen 4 aufgespannt wird. In den vorgenannten Bereichen befinden sich Garnhalteeinrichtungen 8, bevorzugt ausgeführt als Umlenkbolzen oder Klemmschlitze.
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Das Garn 7 wird dabei über eine Garnabgabeeinrichtung 18 zugeführt, die so ausgeführt ist, dass das Garn 7 unter Spannung zu dem Spanngelege 14 verarbeitet werden kann. Hierzu wird die Garnabgabeeinrichtung 18 von der Verlegeeinrichtung 6, aufweisend im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Verlegeroboter 19, in der vorgesehenen Weise über den Grundrahmen 9 und von einer ersten Garnhalteeinrichtung 8 zu einer zweiten, gegenüberliegenden Garnhalteeinrichtung 8 geführt. Die Steuerung des Verlegeroboters 19 erfolgt in der bevorzugten Ausgestaltung auf Computerbasis, beispielsweise auf Basis vorbereiteter CAD-Daten.
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Da es sich bei dem im Beispiel dargestellten Spanngelege 14 um ein zweidimensionales Gebilde handelt, können anstelle eines Verlegeroboters 19 auch einfachere Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Beispielhaft seien eine in der Ebene in zwei Richtungen bewegliche Garnabgabeeinrichtung 18 oder ein entsprechend beweglicher Grundrahmen 9 genannt. Alternativ kann auch jedes der beiden Grundelemente jeweils eine Bewegungsrichtung bedienen, so das eine zweidimensionale Relativbewegung resultiert. Weiterhin können mehrere Grundrahmen 9 und/oder mehrere Verlegeeinrichtungen 6, beispielsweise Verlegeroboter 19, zum Einsatz kommen, z. B. um die erfindungsgemäße Bewehrung schneller oder mit verschiedenen Garnen 7 anzufertigen.
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Neben der hier dargestellten Ablage des Garns 7 in zwei rechtwinklig zueinander orientierten Richtungen ist es nach der Erfindung vorgesehen, das Garn in jedem beliebigen Winkel zueinander zu verlegen, wie z. B. im Winkel von 45°.
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In höher belasteten Bereichen wie Tür- und Fensterstürzen ist auch eine konzentrierte Bewehrung möglich, um die dort auftretenden Lasten besser abfangen zu können und das übrige Bauteil materialsparend zu bewehren. Hierzu wird auch auf 15 mit zugehöriger Beschreibung verwiesen.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass mehr als eine Lage des Spanngeleges 14 auf dem Grundrahmen 9 aufgespannt wird. Damit können Betonbauteile gefertigt werden, die mehrere, bevorzugt zwei zueinander beabstandete Lagen Bewehrung aufweisen. Dies kann beispielsweise durch je eine Verlegeeinrichtung 6 zu beiden Flachseiten des Grundrahmens 9 erfolgen.
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4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens 9 mit Umlenkbolzen 10 an Federzungen 11 im Detail in perspektivscher Darstellung. Wird auf die Umlenkbolzen 10 eine Kraft ausgeübt, insbesondere durch einen gespannten Roving oder ein anderes Garn, gibt der Bolzen 10 mit der Federzunge 11 nach. Dadurch wird der Grundrahmen 9 davor geschützt, sich elastisch zu verformen und damit das gesamte darauf befindliche Spanngelege in unerwünschter Weise erschlaffen zu lassen. Erfindungsgemäß sind auch andere Varianten der federnden Aufhängung des Umlenkbolzens 10, beispielsweise durch einen gefederten Bolzenfuß oder längsverschiebbare Zungen, an denen jeder einzelne Umlenkbolzen 10 angebracht ist.
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Weiterhin ist es nach der Erfindung vorgesehen, die Umlenkbolzen aktiv bewegen zu können, nicht zuletzt, um eine einfache Entnahme des fertigen Spanngeleges erreichen zu können oder einzelne Bereiche hiervon mit definierter Kraft vorspannen zu können.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt die 4 mit dem Hohlzylinder 12, der auf einen Umlenkbolzen 10 aufgesteckt ist. Dieser Hohlzylinder 12 kann, ganz gleich aus welchem Material er besteht, dem Zweck dienen, ein leichtes Nachgleiten des Garns über diesen als Rolle dienenden Hohlzylinder 12 zu ermöglichen. Dazu kann der Hohlzylinder 12 beispielsweise wälzgelagert gegenüber dem Umlenkbolzen 10 sein.
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Insbesondere aber ist es vorgesehen, den Hohlzylinder 12 aus einem mineralischen Material, beispielsweise Beton, anzubieten. Dann kann der Hohlzylinder 12 nach dem Einbetonieren in das Betonbauteil dort verbleiben und bietet damit zugleich ein sofort belastbares Auflager für die gebildeten Schlaufen des Garns um den Hohlzylinder 12 herum, fakultativ auch ein Auflager für die gesamte Bewehrung. Darüber hinaus können die Hohlzylinder aus einem höherfesten Werkstoff gefertigt werden, der Rest des Matrixmaterials hingegen aus einem weniger festen Material. Damit wird die Bewehrung hoch belastbar, selbst wenn das übrige, kostengünstige Matrixmaterial derartige Auszugskräfte auf eine herkömmliche Bewehrung gar nicht übertragen könnte.
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5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umlenkbolzens 10 mit Hohlzylinder 12 in Draufsicht, angeordnet auf dem Grundrahmen 9. Erkennbar ist, dass der Hohlzylinder 12 durch seinen verhältnismäßig großen Umlenkradius 25 einen großen Abstand zwischen den gegeneinander vorbei laufenden Teilen des Garns 7 hervorrufen würde. Hiermit ergibt sich ein Zielkonflikt, da einerseits der große Umlenkradius 25 dafür sorgt, hohe Kräfte in das Matrixmaterial, beispielsweise den Beton, einzuleiten. Andererseits wären diese Kräfte durch die verhältnismäßig geringe Anzahl an Garnlinien durch einen großen Garnabstand 24 begrenzt. Dieser Konflikt wird nach der Erfindung aufgelöst, indem Orientierungsbolzen 13 zum Einsatz kommen, die den Garnabstand 24 soweit verringern, dass eine größere Anzahl an Garnlinien parallel zu einer hohen Festigkeit der Bewehrung in diesem Bereich führt. Durch versetzte Anordnung der Umlenkbolzen 10 sind hohe Garndichten erreichbar.
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6a bis 9b zeigen einen beispielhaften Verfahrensablauf zur Fertigung von textilbewehrten Betonbauteilen. Dabei wird zunächst das Garn 7 um die hier nicht erkennbaren Umlenkbolzen am Grundrahmen 9 per Verlegeroboter oder alternativ mit einem verfahrbaren Portalrahmen abgelegt. 6a zeigt dabei den teilweise gespannten Grundrahmen 9 in perspektivischer Darstellung, 6b hingegen eine schematische Schnittdarstellung von der Seite, bei der die Anordnung des Grundrahmens 9 auf einem Untergrund, hier als Magnettisch ausgeführt, zu erkennen ist.
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Nach den 7a und 7b wird der nun vollständig mit dem Spanngelege versehene Grundrahmen 9 zusammen mit dem Untergrund 15 gewendet, wobei der Grundrahmen 9 durch die Magnetkraft des Magnettischs 26 an dem Untergrund 15 haftet.
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Die Darstellung in den 8a und 8b zeigt, wie der Grundrahmen 9 nach dem Wenden auf die Schalung 16 aufgelegt wird. Daraufhin wird der Grundrahmen 9 mit der Schalung 16 verbunden und an der Rückseite so fixiert, dass sich Grundrahmen 9, hier als am Rand der Schalung aufliegender Auflagerahmen 31 (vgl. 12) ausgeführt, und Schalung 16 beim Betonieren nicht gegeneinander verschieben können und das Spanngelege 14 seine vorgesehene Position im späteren Betonteil erhält.
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Zuletzt wird die Betonage durchgeführt, wie dies die 9a und 9b zeigen. Dazu wird der Beton 17 herangeführt und in die Schalung 16 eingefüllt. Bevorzugt wird hierzu Feinbeton verwendet, der nach dem Vergießen durch Rütteln verdichtet wird. Im Anschluss daran ist, nach einer angemessenen Abbindezeit, der Spannrahmen zu entfernen und das Bauteil zu trocknen, soweit nicht bereits zuvor Umlenkbolzen 10 aus dem Beton entfernt werden müssten.
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10 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Betonrovings 20. Hierzu wird das als Roving vorliegende Garn 7 durch eine Filamentspreizeinrichtung 22 geführt. Dabei werden die einzelnen Elemente des Rovings voneinander soweit separiert, dass ein Matrixmaterial jedes Filament einzeln oder Filamentbündel aus einer geeigneten Anzahl von Filamenten benetzen kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient Feinbeton 21 als Matrixmaterial, durch den die Filamente hindurch geführt werden. Dieser Verfahrensschritt wird gefolgt von einer Verdichtung des Rovings in einer Verdichtungseinrichtung 23, in der der Roving wieder zusammengeführt wird und die Vorrichtung als Betonroving 20 verlässt. Ein solcher Betonroving wird bevorzugt mit schnell härtendem Feinbeton hergestellt, damit in kurzer Zeit ein fester, stabförmiger Betonroving 20 entsteht. Wird ein solcher Betonroving 20 in einem Spanngelege verarbeitet, entsteht ein eigenstabiles Gitter, das als Bewehrung bei hoher Festigkeit zudem eine sehr sichere Anbindung an das Matrixmaterial des späteren Betonbauteils sicherstellt.
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11 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klemmeinrichtung 30 für das Garn 7. Sie besteht aus zwei Backen, die einen engen Spalt bilden, und zwischen denen das Garn 7 eingeklemmt und dadurch gehalten wird.
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12 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Auflagerahmens 31, einer vorteilhaften Ausgestaltung des Grundrahmens einschließlich Untergrund, wie beispielsweise in 7b gezeigt. Dabei liegt der Auflagerahmen 31 mit dem oder den darin befindlichen Spanngelegen 14 ebenfalls auf der Schalung 16 auf. Hierdurch werden Auflagerahmen 31 und Spanngelege 14 gegenüber der Schalung 16 in ihrer Lage gesichert und die Bewehrung erhält beim Betonieren die vorgesehen Lage im Betonteil.
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13 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens 9 mit Untergrund 15, wie beispielsweise in 7b gezeigt, wobei Auflagebolzen 32 die Aufgabe übernehmen, die Position des Grundrahmens gegenüber der Schalung 16 zu sichern. Auch dadurch werden alternativ oder zusätzlich (im letzteren Fall unter Vermeidung einer Überbestimmung) Grundrahmen und Spanngelege 14, wie beispielsweise in 12 dargestellt, gegenüber der Schalung 16 in ihrer Lage gesichert und die Bewehrung erhält beim Betonieren die vorgesehen Lage im Betonteil.
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14 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens 9 mit Außenauflage 33. Dabei liegt weder der Grundrahmen auf der Schalung 16 auf, noch sind Auflagebolzen 32 vorgesehen. Hierdurch wird einerseits verhindert, dass Verunreinigungen auf der Schalung dazu führen, dass der Grundrahmen in einer fehlerhaften Position fixiert wird. Andererseits werden unerwünschte Durchbrüche im Betonteil vermieden, wie sie die Auflagebolzen 32 hinterlassen, wenn sie sich gegen die Schalung 16 abstützen.
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Ungeachtet dessen ist es auch vorgesehen, dass die Außenauflage 33 gemeinsam mit zumindest einer der zuvor beschriebenen Auflagen zum Einsatz kommt.
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15 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundrahmens 9 mit Umlenkbolzen 10 und einer Flanschmutter 34, die im dargestellten Beispiel in ein Betonteil 1 eingebaut als deren Aufhängung dient. Die Aufhängung ist charakterisiert durch eine hohe Krafteinwirkung und bedarf demnach einer entsprechenden Krafteinleitung in das Betonteil 1. Um ein Ausbrechen oder Beschädigungen des Betonteils 1 im Bereich der Flanschmutter 34 zu vermeiden, wird die Bewehrung, hier zunächst als Spanngelege 14 zu sehen, kraftflussoptimiert abgelegt. Das Garn 7 erstreckt sich daher zwischen den Umlenkbolzen 10 und der Flanschmutter, 34, wodurch die dort angreifende Kraft in das Betonteil 1 eingeleitet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Betonbauteil
- 2
- Bewehrung
- 3
- Überlappung
- 4
- Aussparung
- 5
- Vorrichtung zur Erzeugung einer textilen Bewehrung für ein Betonbauteil
- 6
- Verlegeeinrichtung
- 7
- Garn
- 8
- Garnhalteeinrichtung
- 9
- Grundrahmen
- 10
- Umlenkbolzen
- 11
- Federzunge
- 12
- Hohlzylinder
- 13
- Orientierungsbolzen
- 14
- Spanngelege
- 15
- Untergrund
- 16
- Schalung
- 17
- Beton
- 18
- Garnabgabeeinrichtung
- 19
- Verlegeroboter
- 20
- Betonroving
- 21
- Feinbeton
- 22
- Filamentspreizeinrichtung
- 23
- Verdichtungseinrichtung
- 24
- Garnabstand
- 25
- Umlenkradius
- 30
- Klemmeinrichtung
- 31
- Auflagerahmen
- 32
- Auflagebolzen
- 33
- Außenauflage
- 34
- Flanschmutter
