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Faserverstärkte Raumformteile, insbesondere Bauelemente aus Stahlbeton
Die Erfindung betrifft neuartige Raumformteile aus Stahlbeton, die an bestimmten
Stellen oder überall durch künstliche Mineralfasern z. B. Glas-, Stein-, Schlacken-
oder Kohlenstoff-Fasern verstärkt sind und vorwiegend für bautechnische Zwecke verwendet
werden. Insbesondere betrifft die Erfindung neuartige Bauelemente aus Stahlbeton.
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Der Verbundbaustoff Stahlbeton besteht bekanntlich aus Beton und 3ewehrungsstahl.
Beton ist ein künstlicher Stein aus Zement, Zuschlag und Wasser, unter Umständen
auch Betonzusatzmitteln und/ oder Betonzusatzstoffen. Der erhärtete Beton ist in
der Tage, hohe Druckspannungen aufzunehmen, versagt jedoch bei relativ geringe Zugbeanspruchung
. Aus diesem Grunde werden größere Raumformteile
aus Beton in der
Zugzone durch Stabstahl oder Beton stahlmatten bewehrt. Der Bewehrungsstahl kann
entsprechend dem Kräfteverlauf geradlinig oder abgeknickt (z. B. bei Auftreten von
Schubkräften) und/oder in Form von Bügeln oder Wendeln oder als flächiges Bewehrungsnetz
zum Einsatz kommen. Wird der eingelegte Bewehrungsstahl vorgespannt, dann spricht
man von Spannbeton, einer speziellen Ausführungsform des Stahlbetons.
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Der Verbundbaustoff Stahlbeton hat wegen seiner günstigen technischen
und wirtschaftlichen Eigenschaften eine weite Verbreitung gefunden. Er weist jedoch
auch einige Nachteile auf. So ist z. B. wegen des Korrosionsschutzes des Bewehrungsstahls
eine relativ dicke Betonüberdeckung erforderlich. Dadurch wird das Gewicht insbesondere
von feingliedrigen Raumformteilen nachteiligerweise wesentlich erhöht. Eine Gewichtsverminderung
wäre insbesondere im Hinblick auf den Transport und Einbau von Fertigteilen wünschenswert,
Ein weiterer Nachteil des Stahlbetons ergibt sich aus der geringen Bruchdehnung
des Betons von etwa 0,02 % bei Zugbeanspruchung So kann z. 3. bei Raumformteilen
bzw. Formkörpern wie Bauteilen oder Bauelementen die rußfrei bleiben müssen, aufgrund
der Dehnungsverhältnisse die Zugfestigkeit des Stahles nicht voll ausgenutzt werden.
Die geringe Elastizität, gepaart mit geringer
Zugfestigkeit, lassen
den Beton früh aufreißen, so daß Risse entstehen, die -man aus Korrosionsgründen
auf Öffnungsweiten unterhalb 1 mm begrenzen muß. Solche Risse finden sich bei fast
allen bewehrten Raumformteilen aus Stahlbeton. Man spricht von Stahlbeton mit gerissener
Zugzone, Risse von dieser Öffnungsweite haben sich bezüglich des Eorrosionsschutzes
als ungefährlich erwiesen, da eine Resthaut von Zementstein auf der Bewehrung zurückbleibt,
und die Risse sich im Laufe der Zeit durch Kalkablagerungen mehr oder weniger selbst
abdichten.
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E8 hat nicht an Versuchen gefehlt, die wenigen klaffenden Risse in
der Zugzone in viele fein verteilte, weniger geöffnete Risse aufzuteilen, weil dann
eine höhere Stahldehnung möglich ist und man z. B. hochfeste Stähle einsetzen kann,
die in Bezug auf die aufgenommene Zugkraft wirtschaftlicher sind. Durch eine feinverteilte
Stahlbewehrung und durch Verwendung profilierter Stahleinlagen hat man nur unbefriedigende
Teilerfolge erreicht. Bei einer günstigen Rißverteilung würde sich ein besserer
Eorrosionsschutz ergeben. Die Betonüberdeckung könnte reduziert werden.
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Die Witterungs- und Tausalzbeständigkeit der Stahlbeton-Raumformteile
würde wesentlich verbessert.
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Neben den Rissen, die durch äußere Lasten hervorgerufen werden,
können
in StahEeton-Rarlmformteilen Risse durch Austrocknen des Betons infolge Schwindens
oder durch Temperatu@dehnungen entstehen, die häufig netzförmig die Oberfläche des
Betons überziehen. Sie sind insbesondere bei Sich'tbetonflächen unerwUnecht.
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Der Beton kann außerdem nur relativ geringe Schubspannungen übertragen,
so daß oft eine komplizierte und damit lohnintensive Bewehrungsfuhrung in Raumformteilen
aus Stahlbeton notwendig wird.
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Ein Weiterer Nachteil des Betons ist seine geringe Schlagzähigkeit,
die sich besonders unangenehm in der geringen Kantenfe -stigkeit der Raumformteile
bemerkbar macht. Dies ist beim Transport und bei der Montage von Fertigt eilen und
z. B. bei Rammpfählen nachteilig.
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Wird Stahlbeton einer starken Erwärmung durch Feuer ausgesetzt, kommt
es häufig zu Abplatzungen an der Betonoberfläche, Die Folge ist die, daß die Bewehrung
sich schnell erwärmt und das Tragverhalten der Raumformteile vorzeitig verloren
geht.
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Es wurde nun überraschender Weise gefunden, daß sich diese Nachteile
des Stahlbetons erfindungsgemäß dadurch überwinden lassen, daß man in den Beton
an den gefährdeten Stellen oder auch überall, d. h. gleichmäßig in die zementgebundene
Matrix künstliche Mineralfasern zur Verstärkung einbaut.
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Aus Beton wird dadurch Faserbeton. Faserbeton besteht aus Zement,
Wasser und Fasern und gegebenenfalls aus Zuschlag, Betonzusatzmitteln und/oder Betonzusatzstoffen.
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Das Einbringen der Mineralfasern kann durch Einmischen, Einrieseln
oder Einlegen geschehen, wobei auch vorgefertigte oder flächige Verstärkungselemente
verwendet werden können. Der Faserbeton zeichnet sich unter anderem durch hohe Biegezugfestigkeit,
Schlagzähigkeit und Dehnfähigkeit aus.
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Er erreicht im Vergleich zum nicht verstärkten Mörtel oder Beton 3
bis 8-fach höhere Biege Zugfestigkeit und eine bis zu 20-fach höhere Bruchdehnung.
Bei durch Einrieseln oder Einlegen der Fasern hergestellten Faserbetonen werden
Biegezugfestigkeiten bis zu 600 kp/cm2 erreicht. Die erfindungsgemäßen Raumformteile
aus Stahlbeton mit einer Verstärkung durch Fasern sind wesentlich unempfindlicher
gegen ungewollte Verformungen und örtliche Überbelastung als herkömmliche Raumformteile
aus Stahlbeton.
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Die erfindungsgemäße Kombination von Beton, Bewehrungsstahl und Fasern
in den vorgeschlagenen neuen Raumformkörpern führt überraschendenfeive zu Vorteilen,
die die Ausgangsstoffe allein nicht haben.
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Da der Faserbeton selbst Zugkräfte aufnehmen kann, ist es möglich,
in
der Regel auf Schub-, Quer- und Verteilerbewehrung und auf die sogenannte konstruktive
Stahlbewehrung zu verzichten.
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Bei Trägern und flächigen Tragwerken werden extrem dünne Bauteilquerschnitte
möglich, wobei gegebenenfalls die Stah@bewehrung in entsprechenden Versteifungsrippen
liegt. Die aus Korrosionsschutzgründen erforderliche 3etondeckwig kann aufgrund
des günstigen Rißverhaltens von Faserbeton gegenüber Beton wesentlich reduziert
werden. Da bei den leichten Tragwerken aus Faserbeton ohnehin nur Stahl in der stark
beanspruchten Zone erforderlich ist, kann der Einsatz von rostfreiem und wetterfestem
Stahl wirtschaftlich werden. Dies ist weiter unten an Hand des Beispiels 3 erläutert.
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Aufgrund der höheren Dehnfähigkeit des Faserbetons, gepaart mit sehr
hoher Zugfestigkeit und besserer Rißverteilung, sind höhere zulässige Stahlspannungen
möglich. Insbesondere erlaubt es die feine Rißverteilung des Faserbetons, wenige
dicke Bewehrungsstäbe anstelle von vielen dünnen zu verwenden, die man bisher einsetzen
mußte. Dadurch wird der Lohnkostenanteil für die Bewehrung erheblich gesenkt.
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Die Kantenfestigkeft und die Schlagzähigkeit der erfindungsgemäßen
Raumformteile wird durch die Verstärkung mittels Fasern wesentlich erhöht. Bet den
Stahlbetonbalken des Beispiels 1 konnte die Fallhöhe eines Prüfkörpers verdoppelt
werden, bevor eine Kantenabplatzung erfolgte.
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Die Feuerwiderstandsdauer der Stahlbetonbalken wird durch die Faserverstärkung
nahezu verdoppelt. Die zur Verstärkung eingebauten Mineralfasern verhinderten das
frühzeitige Herabfallen von Betonteilen bei Hitzeeinwirkung.
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Im Folgenden werden die wesentlichen Vorteile der erfindungagemäßen
faserbewehrten Raumformteile aus Stahlbeton noch einmal kurz zusammengefasst: 1)
Die größere Dehnfähigkeit des Faserbetons in der Zugzone erlaubt es, höhere Stahlspannungen
zuzulassen.
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2) Die Schub- und Verteilerbewehrung sowie eine konstruktive Bewehrung
der Raumformkörper können wegen der hohen Zugfestigkeit des Faserbetons teilweise
entfallen.
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3) Die geringe Rißneigung des Faserbetons und die bessere Verteilung
der Risse führt zu einem besseren Korrosionsschutz und höherer Unempfindlichkeit
gegen Witterungseinflüsse.
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4) Die Faserverstärkung ermöglicht eine geringere Betondeckung und
führt zu einer Herabsetzung des Eigengewichts.
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5) Der Aufwand für den Bewehrungsstahl wird geringer.
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6) Die netzförmige Rißbildung an der Oberfläche von Raumformteilen
aus Stahlbeton wird durch die Faserverstärkung weitgehend unsichtbar gemacht, was
insbesondere bei Sichtbeton von großer Bedeutung ist.
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7) Die Empfindlichkeit der Oberflächen gegen Schlag bei Stoß-und Schlagbeanspruchung
wird durch die Faserverstärkting wesentlich herabgesetzt.
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8) Der Beuerwiderstand wird durch eine Faserverstärkung wesentlich
verbessert.
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Die vorliegende Erfindung und die mit ihr erreichten Vorteile werden
anhand nachstehender Beispiele weiterhin erläutert.
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Beispiel 1 Es wird das Tragverhalten von Stahlbetonbalken mit und
ohne Paserverstärkung in der Zugzone dargelegt. Die Abmessungen der
Stahlbetonbalken
und die Versuchsanordnung ist in Fig. 1 dargestellt, Die folgende Tabelle zeigt
die Betonzusammensetzung für 1 m3 in kg:
| Normalbeton Faserbeton |
| Portlandzement 350 F 300 1110 |
| Wasser 155 531 |
| Zuschlag 1970 222 |
| Mineralfaser, 25 mm - 58 |
| geschnitten |
Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften der Betone:
| Normalbeton Faserbeton |
| Rohdichte kg/m3 2300 1960 |
| Biegezugfestigkeit kg/cz2 65 190 |
| Druckfestigkeit kg/cm2 380 290 |
| Schlagzähigkeit kp cm/cm2 1 8 |
Der Faserbeton wurde durch Einmischen der Mineralfasern hergestellt. Faserbeton
und Normalbeton wurden frisch in frisch verarbeitet.
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Die prüfung der Balken erfolgte im Alter von 28 Tagen. Die Versuchsergebnisse
enthält die folgende Tabelle: Versuchs ergebnisse:
| Stahlbetonbalken Änderung |
| 1 2 in |
| Normalbeton Faserbeton |
| Bei einer maximalen Rißbreite |
| von 0, 1 mm in der Zugzone |
| P kg 210 330 +157 |
| Dehnung # 0.145 0. 336 + 230 |
| Durchbiegung bei P Bruch mm 6.5 1.5 - 75 |
| 2 |
| Feuerwiderstandsdauer Min. 45 85 +90 |
Der Bruch trat bei beiden Balken durch Zerstörung der Betondruckzone bei rund P
= 600 kg ein. Durch die Faserverstärkung in der Zugzone wurde die Rißverteilung
wesentlich verbessert, die Rißlast erheblich vergrößert, die Durchbiegung bedeutend
verringert und die Feuerwiderstandsdauer erhöht.
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Beispiel 2 Es wird das Tragverhalten von Stahlbetonbalken aus einem
vorgefertigten Bewehrungselement (Rundstahl und Passrbeton), zwei
verlorene
Schaltafeln aus Faserbeton und Vergußbeton dargestellt.
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Die Abmessungen der Stahlbetonbalken und die Versuchsanordnung ist
in Fig. 2 dargestellt, Die folgende Tabelle zeigt die Betonzusammensetzung für 1
m3 in kg:
| Normalbeton Faserbeton |
| Portlandzement 350 F 340 900 |
| Wasser 180 490 |
| Zuschlag 1920 585 |
| Mineralfasern, 50 mm ~ 130 |
| geschnitten |
Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften der Betone:
| Normalbeton Faserbeton |
| Rohdichte kg/m³ 2280 2000 |
| Biegezugfestigkeit kg/cm³ 71 330 |
| Druckfestigkeit kg/cm2 411 360 |
| Schlagzähigkeit kp cm/cm2 1 8 |
Der Paserbeton wurde durch Einrieseln 50 mm langer Mineralfasern hergestellt. Das
Bewehrungselement und die Schaltafeln wurden vorgefertigt und dann mit dem Vergußbeton
ausgegossen.
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Die Prüfung erfolgte im Alter des Vergußbetons von 28 Tagen.
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Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt: Versuchsergebnisse:
| Stahlbetonbalken $Änderung |
| 1 .2 in |
| Normalbeton Faserbeton |
| Bei einer maximalen |
| Rißbreite von 0> 1 mm |
| in der Zugzone |
| P kg 210 380 181 |
| Dehnung # 0, 145 0, 333 230 |
Der Bruch trat bei beiden Balken durch Zerstörung der Betondruckzone bei etwa P
= 600 kg ein. Die Schaltafeln aus Paserbeton lösten sich nicht vom Vergußbeton.
Die Verbindung zwischen Bewehrungselement und Vergußbeton durch eine Verzahung erwies
sich als schubfest. Der Verbund wurde auch unter der Bruchlast nicht aufgehoben.
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Durch die Faserverstärkung wurde das Tragverhalten unerwartet stark
verbessert.
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Beispiel 3 Es wird ein Faltwerk aus stahlbewehrtem Faserbeton als
Dacheindeckung dargestellt. Die Gestalt und die Abmessungen des Faltwerkes sind
in Fig. 3 dargestellt.
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Die Faserbetonzusammensetzung ist die gleiche wie bei Beispiel 2.
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Die Eigenschaften des Faserbetons sind die gleichen wie bei Beispiel
2.
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Der Paserbeton wurde aug eine Holzschalung gespritzt. Die beiden Rundstähle
PI 10 Stilib haben die erforderliche BetondBckung. Auf eine Stahlbewehrung zur Aufnahme
der Schubkräfte und der Quermomente konnte wegen der hohen Biegezugfestigkeit des
Faserbetons verzichtet werden. Die Tragfähigkeit des -Faltwerks entsprach den Erwartungen
aufgrund der statischen Berechnung.
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Die wirtschaftlichen Vorteile der erfindungsgemäßen faserverstärkten
Raumformteile aus Stahlbeton ergibt sich aus der in der folgenden Tabelle dargestellten
Gegenüberstellung der Eigengewichte und des Stahlbedarfs für ein Faltwerk aus herkömmlichem
Stahlbeton und aus erfindungsgemäßem faserverstärktem Stahlbeton bei gleichen Belastungsannahmen.
Eigengewichte
und Stahlbedarf:
| Faltwerk aus |
| Faserbeton |
| Stahlbeton |
| gemäß Erfindung |
| Eigengewicht kg 3350 900 |
| Stahlbedarf kg 115 12,5 |
Im Rahmen-dieser Offenbarung steht der Ausdruck Raumformteil als Sammelbegriff für
Bauteil, Bauelement, Raumkörper und Formkörper.