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Die Erfindung betrifft ein Flächengebilde das aus Drähten gebildet ist, die aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen, sowie eine Verwendung als Bewehrungsflächengebilde.
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Flächengebilde aus Drähten sind bekannt und werden als Bewehrungsgitter oder Bewehrungsmatte, aber auch für viele andere Zwecke eingesetzt. Sie werden auch als Drahtgeflecht oder Drahtgewebe bezeichnet, da ein Metalldraht, zumeist ein Stahldraht, die Grundlage für die Ausbildung des Drahtgewebes bildet. Ein Stahldraht, der als Bewehrung für Beton eingesetzt wird, benötigt zur Vermeidung von Korrosion eine ausreichend starke Überdeckung mit Beton, soweit nicht deutlich teurerer rostfreier Stahl zum Einsatz kommt. Dadurch werden die Bauteile dicker als statisch nötig, was mit erhöhtem Gewicht und zusätzlichem Materialverbrauch verbunden ist.
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Bekannt sind weiterhin Flächengebilde, die aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen. Ein solches Flächengebilde beschreibt beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2016 100 455 B4 . Das Flächengebilde, eine textile Bewehrung, benötigt zur Stabilisierung einen Rahmen, in dem es hergestellt wird und bis zur Betonage aufgespannt bleibt.
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Das Flächengebilde gemäß der Druckschrift
DE 10 2015 100 438 B3 hingegen kann dank eines Bindemittels für den Transport und die Weiterverarbeitung versteift werden und benötigt nach dem Abbinden des Bindemittels keinen Spannrahmen. Allerdings sind auch die Kreuzungspunkte der Filamente oder Rovings miteinander verbunden. Für die optimale Kraftübertragung im Beton sind Verbindungen zwischen den Bewehrungen, die in den verschiedenen Richtungen verlaufen, jedoch von Nachteil. Da die durch die Bewehrung abzutragenden Kräfte richtungsabhängig sind, wird auch die Bewehrung richtungsabhängig bemessen. Die Einleitung von Kräften in die Bewehrung muss deshalb für jede Richtung optimiert werden. Es ist deshalb unerwünscht und nachteilig, wenn in den Kreuzungspunkten Kräfte von einer Richtung in die andere, quer dazu orientierte Richtung übertragen werden und dies zu undefinierten Spannungen und Querkräften in dem Flächengebilde bzw. der Bewehrung führt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flächengebilde aus Drähten, die keiner Korrosionsgefahr unterliegen, anzubieten, bei dem einander kreuzende Drähte keine kraftübertragende, insbesondere keine stoffliche Verbindung untereinander aufweisen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Flächengebilde aus Drähten, die aus einem Faser-Matrix-Verbundwerkstoff, hier allgemein als Faserverbundwerkstoff bezeichnet, bestehen, gelöst. In dem Faserverbundwerkstoff sind alle Fasern, die hier als Filamente bezeichnet werden, weil es sich um Endlosfasern handelt, in gestreckter Länge weitestgehend parallel angeordnet. Die Fasern sind im Querschnitt des Drahtes gleichmäßig verteilt. Alle Filamente sind spannungslos oder zumindest spannungsarm von der Matrix umgeben.
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Nach der Erfindung werden die Drähte in der Weise gekröpft, dass sie untereinander oder mit weiteren Drähten an Kreuzungspunkten einen Formschluss ohne stofflichen Verbund, insbesondere nicht untereinander durch die Matrix verbunden, ausbilden. Die Drähte bilden damit ein Formschlussflächengebilde aus. Eine Kröpfung ist eine bewusst hergestellte Abweichung vom linearen Verlauf des Drahtes, insbesondere zur Herstellung der erfindungsgemäßen Flächengebilde.
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Soweit die Drähte untereinander den Verbund ausbilden, werden gleichartige Drähte mit demselben Querschnitt und derselben Verformung bzw. Kröpfung miteinander verbunden. Alternativ dazu werden unterschiedliche bzw. unterschiedlich verformte Drähte verwendet, wie nachfolgend am Beispiel des Formschlussflächengewebes dargestellt.
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Ein Metalldraht könnte auf Grund der Werkstoffeigenschaften des Metallgefüges problemlos im kalten oder warmen Zustand mit Kröpfungen versehen werden, wenn die Weiterverarbeitung dies erforderlich macht. Für einen Faserverbundwerkstoff trifft dies in der Regel nicht zu. Wenn die Matrix zum Beispiel ein Duroplast oder ein erstarrtes Thermoplast ist, ist eine zerstörungsfreie nachträgliche Kröpfung praktisch nicht möglich, da dabei die Filamente im Querschnitt nicht optimal neu angeordnet werden können und die durch das Kröpfen bedingten Längenänderungen zu Überdehnungen oder Faltungen der Filamente führen. Überdehnung bedeutet Zerstörung; Faltung bedeutet, dass die Kraftübertragung in Längsrichtung der Filamente gestört wird. Auch wenn die Faser, wie üblich, kein Thermoplast ist, würden beim Biegen die Fasern gedehnt, gestaucht oder umgelagert.
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Bei dem bevorzugten Flächengebilde besteht der Faserverbundwerkstoff aus einer Vielzahl von mittels einer Matrix gebundenen Filamenten und die Drähte werden vor dem Erstarren der Matrix gekröpft. Es ist beispielsweise vorgesehen, die Filamente in Form eines Rovings durch ein flüssiges Matrixmaterial zu führen, wodurch die Filamente benetzt werden. Nach der Formgebung erstarrt das Matrixmaterial, es entsteht der Faserverbundwerkstoff, der die gekröpfte Form der Drähte und der darin eingebetteten Filamente fixiert. Durch die Formgebung vor dem Erstarren des Matrixmaterials werden auch erhöhte Belastungen der Filamente wie Zug, Druck oder durch Querkräfte bei der Verformung vermieden.
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Die Filamente können aus Carbon (nachfolgend auch als Kohlenstoff bezeichnet) oder Glas bestehen und die Matrix kann ein Duro- oder Thermoplast sein. Der Draht wird so hergestellt, dass der fertige Festköper, der Draht, mit der ganz konkreten Geometrie als ein gekröpfter Draht aus dem Faserverbundwerkstoff hergestellt wird. Nur so lässt sich ein optimaler Faserverlauf im Faserverbundwerkstoff herstellen. Die Erzeugung eines optimalen Faserverlaufs in der Matrix ist nur bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs (also in der flüssigen Phase der Matrix) möglich.
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Eine punktuelle Krafteinleitung in Querrichtung, senkrecht zur Längsausdehnung, ist schädlich für die Filamente. Die Matrix schützt die Filamente vor Beschädigung durch Querkräfte. Auch das Schadenspotenzial einer punktuellen Krafteinleitung in Querrichtung für die Filamente spricht gegen die verbundenen Kreuzungspunkte, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Es hat sich nämlich überraschend gezeigt, dass infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen, allein durch Formschluss erreichten Stabilisierung des Formschlussflächengebildes auch die Beschädigung der Filamente durch Querkräfte an den Kreuzungspunkten vermieden wird.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Drähte wellenförmig mit Wellentälern zweidimensional gekröpft sind und Schussdrähte ausbilden. Als Schussdrähte sind sie zwischen senkrecht zu den Schussdrähten angeordneten Kettdrähten eingebracht. Die Schussdrähte verlaufen wechselweise oberhalb und unterhalb der Kettdrähte. Das Formschlussflächengebilde ist dann als ein Formschlussflächengewebe ausgebildet. Die entlang der Hauptbelastungsrichtung im späteren Bauteil ausgerichteten Kettdrähte sind nicht gekröpft. Die demnach im Kettdraht gestreckt vorliegenden Filamente können im Vergleich zu gekröpften oder anderweitig wellenförmigen Drähten höhere Lasten aufnehmen.
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Nach einer alternativen Ausführungsform sind die Drähte als Strickmaschendrähte ausgeführt. Durch ihre Form können sie so miteinander verhakt werden, dass ein Gestrick entsteht. Sie sind dazu dreidimensional und maschenförmig in der Weise gekröpft, dass die miteinander im Bereich einer Verhakung verhakten Strickmaschendrähte ein Formschlussflächengebilde ausbilden, das in Form eines Gestricks hat.
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Das Flächengebilde entsteht demnach durch das Ineinanderhängen der Strickmaschendrähte. Es entsteht ein klassisches Rechts-Links-Gestrick. Es wird also zur Bildung der Fläche nur eine Drahtform als Ausgangsmaterial benötigt. Die Richtung der Maschenreihe entspricht der Schussrichtung beim Gewebe. Die Maschenhenkel zeigen in Kettrichtung. Der so gekröpfte Draht muss nicht profiliert sein, da die 3-D-Kröpfung bereits eine gute Formschlussverankerung im Beton sicherstellt.
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Im Ergebnis ist das Formschlussflächengebilde im Sinne der Erfindung ein Formschlussflächengestrick. Dieses Formschlussflächengestrick kann sehr gut, ohne elastische oder plastische Verformung der einzelnen Strickmaschendrähte, gewickelt werden. Dies stellt einen ganz wesentlichen Vorteil dieser Variante dar, weil das Formschlussflächengestrick für den Transport aufgewickelt werden kann. Es kann auch für gewölbte Bauteile als Bewehrung dienen und in dem Fall auf einfache Weise in die erforderliche gewölbte Form gebracht werden. Die Abmessungen und Proportionen (Breite und Höhe) der Maschen leiten sich aus der Bemessung der Bewehrung ab.
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Die Filamente bestehen vorzugsweise aus Carbon oder Glas. Die bevorzugten Filamente liegen als ein Roving vor. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn als Matrix ein aushärtbares Kunstharz, insbesondere ein Thermo- oder Duroplast, vorgesehen ist. Das Aushärten kann chemisch, z. B. durch UV-Strahlung oder eine Härtekomponente, oder thermisch durch Erkalten des geschmolzenen Kunstharzes erfolgen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass zumindest die Kettdrähte eine über die Länge variierende Querschnittsform oder Profilierung aufweisen. Die dafür bewusst hergestellte Querschnittsänderung des Drahtes dient vorrangig zur Herstellung einer formschlüssigen Verankerung des Drahtes im Beton. Die Profilierung aus Erhebungen und Einbuchtungen führt beim Einsatz als Bewehrung, z. B. in einem Betonbauteil, zu einer verbesserten Kraftübertragung zwischen Beton und Bewehrung. Die Kraftübertragung wird in dem Fall nicht allein durch Reibschluss zwischen Beton und Draht bestimmt, sondern es ergibt sich zusätzlich ein Formschluss.
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Diese Variationen oder Profilierungen können in Form von voneinander beabstandeten Erhebungen in einer Längserstreckung des Drahtes ausgeführt sein, wobei zwischen den Erhebungen angeordnete Einbuchtungen, z. B. in der Form von Tetraedern, vorgesehen sind.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Verwendung eines Flächengebildes, wie es zuvor beschrieben wurde, als Bewehrung, insbesondere als Bewehrungsflächengebilde, auch als Bewehrungsgitter oder Bewehrungsmatte bezeichnet, in einem Bauteil. Dort ist die Bewehrung bzw. das Bewehrungsflächengebilde von einem Matrixmaterial umgeben und an dieses kraftübertragend angebunden. In dem so verwendeten Flächengebilde, eingesetzt als Bewehrungsflächengebilde, sind die Kreuzungspunkte der Drähte im Gegensatz zu bekannten Bewehrungen nicht untereinander durch die Matrix verbunden.
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Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung für die Hauptfunktion der Bewehrung, die Lastaufnahme im Beton oder in einem anderen Material. Die Einleitung von Kräften in die Bewehrung muss für jede Richtung optimiert werden. Da die Kräfte richtungsabhängig sind, wird die Bewehrung richtungsabhängig bemessen. In den Kreuzungspunkten sollen deshalb keine Kräfte von einer Richtung in die andere übertragen werden. Für die optimale Kraftübertragung im Beton bzw. dem jeweiligen Matrixmaterial des Bauteils sind Verbindungen zwischen den Bewehrungen in den verschiedenen Richtungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, von Nachteil, wie zuvor bereits ausgeführt. Bei einer vorteilhaften Verwendung ist das Bauteil und mit diesem die Bewehrung um zumindest eine Achse gewölbt. Bevorzugt ist das Bauteil ein Betonbauteil.
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Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
- 1: schematisch eine Ansicht von oben einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formschlussflächengebildes, hier ausgebildet als Formschlussflächengewebe;
- 2: schematisch eine Ansicht von der Seite einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formschlussflächengebildes, insbesondere eines Formschlussflächengewebes;
- 3: schematisch in drei Ansichten eine Ausführungsform eines Strickmaschendrahts zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Formschlussflächengebildes, insbesondere eines Formschlussflächengestricks und
- 4: schematisch eine Ansicht von oben einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formschlussflächengebildes, hier ausgebildet als Formschlussflächengestrick.
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1 zeigt schematisch eine Ansicht von oben einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formschlussflächengebildes 1, hier ausgebildet als Formschlussflächengewebe 10. Dabei verlaufen Kettdrähte 14 im Bild senkrecht, Querschnittsvariationen 8sind erkennbar, und Schussdrähte 12 verlaufen im Bild waagerecht. Die Querschnittsvariationen 8 sind in der dargestellten Ausführungsform als wechselweise um jeweils 90° gedrehte Tetraeder ausgeführt und ermöglichen einen Formschluss mit dem Matrixmaterial des späteren Bauteils, z. B. mit dem Beton in einem Betonbauteil.
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Die Tetraeder werden durch jeweils um 90° versetzte Werkzeugelemente, die auf den noch weichen Draht 2 vor dem Aushärten einwirken, erzeugt. Gemäß der dargestellten Ausführungsform verläuft der ganz oben und ganz unten dargestellte Schussdraht 12 direkt innerhalb der Deformationen der Querschnittsvariation 8, wobei sich ein zusätzlicher Halt der Schussdrähte 12 gegenüber den Kettdrähten 14 gegen ein Verschieben in Längsrichtung der Kettdrähte 14 ergibt. Die erfindungsgemäße Funktion eines formschlüssigen Halts der Kettdrähte 14, die beim Einsatz als Bewehrung die Hauptlast abzutragen haben, erfolgt jedoch durch die Wellentäler 16 des Schussdrahts 12, in die der Kettdraht 14 jeweils eingeleitet und dort gehalten wird. Es ist aber auch möglich, die Schussdrähte 12 an anderer Stelle verlaufen zu lassen, insbesondere wenn dies lastabhängig erforderlich ist.
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2 zeigt schematisch eine Ansicht von der Seite in Blickrichtung A (vergleiche 1) einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formschlussflächengewebes 10.
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Dabei sind die jeweiligen Wellentäler der Schussdrähte 12 erkennbar, die den Kettdrähten 14 Halt geben. Mit dem formschlüssigen Halt unterscheidet sich das Formschlussflächengewebe 10 von herkömmlichen Geweben nach dem Stand der Technik, das seine Eigenstabilität im Unterschied zur vorliegenden Erfindung allein aus einem Reibschluss gewinnt. Erkennbar sind auch die Querschnittsvariation 8 als jeweils um 90° versetzte lokale Abplattungen.
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3 zeigt schematisch in drei Ansichten eine Ausführungsform eines Strickmaschendrahts 22 zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Formschlussflächengebildes 1, hier eines Formschlussflächengestricks 20. Die obere Ansicht von der langen Schmalseite her verdeutlicht die dreidimensionale Ausbildung der Kröpfungen 6, die das Zusammenfügen der einzelnen Strickmaschendrähte 22 zu dem Formschlussflächengestrick 20 (vergleiche unten 3) ermöglicht. Die rechte, untere Darstellung zeigt ebenfalls eine Ansicht von der Schmalseite und verdeutlicht die dreidimensionale Ausbildung der Kröpfungen 6. Demgegenüber lässt die Ansicht von oben (die untere Darstellung) die Maschen 24 erkennen, die das Zusammenfügen mehrerer Strickmaschendrähte 22 zu dem Formschlussflächengestrick 20 ermöglichen.
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4 zeigt schematisch eine Ansicht von oben einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formschlussflächengebildes 1, hier ausgebildet als ein Formschlussflächengestrick 20, wie es aus den Strickmaschendrähten 22 zusammengefügt ist. Die dreidimensionale Ausbildung der Kröpfung in 6 der Strickmaschendrähte 22 ermöglicht das Zusammenfügen der Strickmaschendrähte 22, die sich zur Ausbildung des Formschlussflächengestricks 20 an den Verhakungen 26 formschlüssig verbinden.
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Zugleich bilden die Verhakungen 26 Gelenke aus, die eine beliebige Formung des Formschlussflächengestricks 20 um eine Achse parallel zur Längsausdehnung der gekröpften Strickmaschendrähte 22 ermöglicht. Beim Einsatz als Bewehrung können damit auch auf einfache Weise gewölbte bewehrte Bauteile hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formschlussflächengebilde
- 2
- Draht
- 4
- Kreuzungspunkt
- 6
- Kröpfung
- 8
- Querschnittsvariation
- 10
- Formschlussflächengewebe
- 12
- Schussdraht
- 14
- Kettdraht
- 16
- Wellental
- 20
- Formschlussflächengestrick
- 22
- Strickmaschendraht
- 24
- Masche
- 26
- Verhakung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016100455 B4 [0003]
- DE 102015100438 B3 [0004]
