DE4313227A1 - Vorgespanntes Bewehrungselement - Google Patents
Vorgespanntes BewehrungselementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein vorgespanntes Bewehrungselement gemäß
Oberbegriff des Hauptanspruchs. Dieses ist bekannt aus der DE-PS
7 49 927.
Ähnliche Bewehrungselemente sind bekannt aus der DE-PS 11 40 594
und der FR-PS 1033005.
Die bekannten vorgespannten Bewehrungselemente sind mit schwer
wiegenden Mängeln behaftet. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es
erforderlich, die Betonbewehrungselemente, z. B. Stäbe, nicht
paßgenau für jeden Einsatz individuell zu fertigen, sondern sie
mit Standardlängen von z. B. 12 oder 20 m auf Lager zu fertigen
und später passend zu schneiden. Beim Aufschneiden der Stäbe an
einer beliebigen Stelle entstehen überraschenderweise im
Einleitungsbereich der Spannglieder hohe Spaltzugkräfte, die zu
einem reiß- verschlußartigen Aufspalten der Stäbe führen. Solche
Spaltzugkräfte treten auch an den Stabenden der Standardlängen
auf. Diese Spaltzugkräfte sind besonders dann hoch, wenn das
Bewehrungselement sehr hoch vorgespannt ist. Andererseits ist
eine hohe Vorspannung erforderlich, um eine hohe Wirksamkeit der
Bewehrung bei niedriger Durchsetzung zu erzielen. Außerdem hat
sich in der praktischen Anwendung gezeigt, daß bei Steigerung der
Betondruck
festigkeit zur besseren Aufnahme der Vorspannung die Einleitungs
länge geringer und damit die Spaltzugkräfte größer werden. Außer
dem hat sich in praktischen Versuchen gezeigt, daß die vorbe
schriebenen vorgespannten Bewehrungselemente bei hohen Biegebe
anspruchungen, welche die Vorspannung überschreiten, einer Riß
bildung unterliegen und daß sich wenige größere Risse im Beweh
rungselement bilden. Diese Risse setzen sich in dem Umgebungs
beton fort mit der Folge einer Beeinträchtigung der Gebrauchs
fähigkeit, z. B. durch Korrosion. Diese Gefahr ist besonders dann
gegeben, wenn man aus Gründen der Spaltzugkräfte, der Transport
beanspruchungen oder der Kriechverluste keine genügend hohe blei
bende Vorspannung erreichen kann. Ferner haben Versuche gezeigt,
daß es bei der Handhabung der Bewehrungselemente leicht zu Ab
platzungen kommt, wodurch die zentrische Anordnung der Stahlspan
nung örtlich verlorengeht mit der Folge einer völligen Zerstörung
des Bewehrungselementes.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die vorgespannten Bewehrungs
elemente derart weiterzubilden, daß sie als beliebig auf Längen
durchtrennbare Standardlängen auf Lager gefertigt werden können
und auch bei hohen Vorspannungen nicht zum Aufspalten der Enden
neigen.
Diese Aufgabe wird durch die Bewehrungselemente gemäß Anspruch 1
gelöst.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Aus
führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1a einen Balken mit einem herkömmlichen vorgespannten Be
wehrungelement im Längsschnitt;
Fig. 1b einen Balken mit den erfindungsgemäßen Bewehrungsele
menten im Längsschnitt;
Fig. 2a,b Balkenquerschnitte für Brücken mit einer Durchsetzung
mit den erfindungsgemäßen Bewehrungselementen;
Fig. 3 einen Brückenlängsschnitt einer Taktschiebebrücke mit den
erfindungsgemäßen Bewehrungselementen (a) im Verschubzu
stand und (b) in der Endlage; und
Fig. 4 eine Stahlverbundbrücke im Längsschnitt mit quer angeord
neten erfindungsgemäßen Bewehrungselementen.
Die erfindungsgemäßen Bewehrungselemente sind gegen Aufspaltungen
an den Enden völlig stabil. Außerdem erhöht sind die Wirksamkeit
bei gleicher Durchsetzung und gleicher Vorspannung. Dadurch ist
es leichter möglich, grobe Risse zu vermeiden und die Gefahr
einer Zerstörung bei der Handhabung zu verringern. Insbesondere
ist es dadurch möglich, Bewehrungsstäbe mit einer Dicke von
höchstens 15 cm in einer Richtung quer zur Spannrichtung
herzustellen.
Fig. 1a) und b) zeigt einen Balken 2 auf zwei Lagern 4 mit einer
Einzellast 6 in Feldmitte. Der Balken ist mit vorge
spannten Bewehrungsstäben 8, 8′ am unteren Rand bewehrt. Der
Balken 2 ist so stark belastet, daß die Rißlast der Beweh
rungsstäbe 8, 8′ überschritten ist.
Betonbewehrungselemente bewirken geringe Rißbreiten und gleich
mäßige Rißverteilung, solange die Kraft aus der äußeren Belastung
in der Bewehrung kleiner als die Rißlast der Bewehrungsstäbe ist.
Bewehrungsstäbe 8 ohne Fasern (Fig. 1a) beginnen beim Aufreißen
mit einem großen Erstriß 10 an der Stelle der größten
Beanspruchung. Dieser setzt sich an der gleichen Stelle in den
Umgebungsbeton 20 mit einem gleichartigen Riß 12 fest. Damit ist
die Gebrauchsfähigkeit nicht mehr gegeben, da der Spannstahl 14
korrodieren kann. Bei durch Fasern verstärkten Stäben (Fig. 1b)
bilden sich bei Überschreiten der Rißlast mikrofeine Risse 16
über einen größeren Bereich. Dadurch wird auch der Bauwerksbeton
20 nicht an einer Stelle aufgerissen, sondern es entstehen über
eine größere Strecke viele feine Risse 18, die die Gebrauchs
fähigkeit nicht beeinflussen und durch die auch keine Korrosion
verursacht wird. Da diese Bewehrungsstäbe 8′ auch über die
Rißlast hinaus ihre rißverteilende Wirkung behalten, brauchen die
faserverstärkten Stäbe 8′ für die gleiche Wirksamkeit weniger
Betondruckspannung.
Eine Berechnung für einen hochbeanspruchten mit Betonstäben
durchsetzten Querschnitt hat ergeben, daß man die Tragfähigkeit
nur ausnutzen kann, wenn die bleibende Druckspannung je nach
Betongüte des Umgebungsbetons bei mindestens 25 N/mm² und vor
zugsweise mindestens 30 N/mm² und speziell mindestens 40 N/mm²
liegt.
Hochvorgespannte Betonstäbe verlieren durch die zeitabhängige
plastische Verformung des Beton einen Teil ihrer Druckspannung.
Für Standardstäbe muß jedoch ein bleibender Wert der Druckspan
nung garantiert sein. Durch die Fertigung im Spannbett werden die
Stäbe frühzeitig belastet, d. h. zu einem Zeitpunkt, bei dem die
Festigkeit noch nicht voll ausgebildet ist. Daher kann mit
Vorteil durch ein Bündel von betontechnologischen Maßnahmen und
durch Nachbehandlung die Betonkriechfestigkeit eingestellt wer
den. Die Nachteile eines starken Kriechens können dadurch
vermieden werden. Dabei ist folgendes zu beachten:
- (1) Für eine bleibende Druckspannung muß die Druckfestigkeit des Betons hoch sein. Dadurch wird aber das Kriechen verstärkt.
- (2) Die maßgebende Betondruckfestigkeit ist anfangs kurzzeitig viel höher als im Gebrauchszustand.
- (3) Die Spannkraft und damit auch die notwendige Spannstahlmenge sind wegen der kurzzeitig hohen Spannung größer als es für die Gebrauchslast notwendig wäre.
- (4) Die höhere Vorspannkraft erfordert auch eine höhere Spaltzugaufnahmefähigkeit.
Bewehrungsstäbe, die sich im eingebauten Zustand durch Kriechen
verkürzen, übertragen ihre Druckspannung teilweise auf den Bau
werksbeton. Diese Wirkung wird erfindungsgemäß benutzt, um mit
Bewehrungsstäben mit einer besonders kriechfähig eingestellten
Betonmatrix Vorspannung in Bauwerken zu erzeugen.
Bei einem Lösen der Spanngliederabschnitte, die im eingebauten
Zustand in einer Druckzone liegen können, z. B. durch elektrische
Erhitzung der Spanndrähte, wird eine Zugkraft auf den Bau
werksbeton aufgebracht. Das ist sinnvoll bei Druckzonen oder
Druckgliedern, weil dadurch eine Entlastung erzielt wird.
Als Spannglieder werden Litzen oder Stäbe aus hochwertigem
Spannstahl verwendet. Für diese Litzen sind gebräuchliche
Spanneinrichtungen und Keilverankerungen vorhanden. Litzen haben
eine gute Verbundeigenschaft mit dem umgebenden Beton. Für
kriechfeste Bewehrungselemente ist es sinnvoll, möglichst
hochwertigen Spannstahl mit hoher Dehnsteifigkeit zu verwenden.
Bei planmäßiger Übertragung der Druckspannungen auf den Umge
bungsbeton durch Kriechen ist ein Spannstahl mit größerer Fläche,
d. h. mit geringerer Festigkeit günstiger. Bei mehreren
Spanngliedern im Stab werden die Glieder so angeordnet, daß sie
den Querschnitt gleichmäßig durchsetzen und möglichst im
Schwerpunkt ihrer anteiligen Fläche liegen.
Der Beton der Bewehrungsstäbe ist wegen der erforderlichen hohen
Druckspannung ein hochfester Beton. Es wird aus dem
Fertigungsverfahren die Anforderung gestellt, daß möglichst
schnell hohe Festigkeiten erzielt werden, so daß das Spannbett
wieder genutzt werden kann. Der Beton hat ein besonders gut ab
gestimmtes Korngrößenverhältnis bei runden Kornformen. Sowohl
Festigkeit als auch Kriechfestigkeit haben bei dichtem Kornge
rüst günstigere Werte. Besonders das Ausfüllen der feinen Poren
durch das Ersetzen eines Teils des Zementes durch feinen Sili
katstaub, der mit einer Korngröße von 0,1 um sehr viel feiner als
Zement ist, wird eine hohe Druck- und Kriechfestigkeit erreicht.
Gleichzeitig wird der Beton mit wenig Wasser, d. h. vorzugsweise
mit einem Wasser-Zement-Gewichtsverhältnis von unter 0,3 herge
stellt, wobei die Verarbeitbarkeit durch ein Fließmittel herbei
geführt wird.
Für die einfachen Stabquerschnitte ist das Betonieren einfach.
Der Beton wird in Formen eingebracht und durch Rütteln oder
Walken verdichtet. Der Beton kann zum schnelleren Erhärten mit
gesättigtem Dampf beheizt werden, so daß er nach ein bis zwei
Tagen belastet werden kann, indem die Spannglieder entspannt
werden. Danach werden die Stäbe vorzugsweise in feuchtem Zu
stand mit Folien in Transporteinheiten luftdicht verschlossen, um
das Kriechen durch Austrocknen zu reduzieren.
Die Fasern werden vorzugsweise dem Frischbeton beigemischt. Die
Art der Fasern hängt von dem gewünschten Grad der Festig
keitserhöhung ab. Es kommen Fasern aus Glas, Kunststoff,
Kohlenstoff oder Stahl in Frage. Die Fasern haben in den Be
wehrungsstäben gemäß vorliegender Erfindung mehrere Funktionen:
Zum einen wird der Fasergehalt und die Faserart so gewählt, daß
beim Schneiden der Stäbe der dann an dem freien Schnittende
entstehende Spaltzug aufgenommen werden kann. Damit wird es
möglich, die Stäbe beim Einbau an beliebiger Stelle passend zu
schneiden. Eine weitere Funktion des Faseranteils ist die Er
höhung der Duktilität der Stäbe. Besonders die Druckzone der
Stäbe durch Biegung beim Transport ist durch Fasern gegen sprödes
Abplatzen gesichert. Ein solches Abplatzen führt bei den hohen
Druckspannungen zu einer Zerstörung des Stabes. Die Fasern
schützen die Stäbe auch bei Stoßbeanspruchungen bei Transport und
Einbau. Die wirksame Länge der Fasern ist von der Bauteildicke
abhängig. Eine Länge im Bereich von 5 bis 30 mm und vorzugsweise
6 bis 25 mm ist vorteilhaft.
Beim Zusatz von Glas- und Kunststoffasern muß der Beton in seiner
Alkalinität durch Zusätze verändert werden, damit die Fasern
nicht verspröden. Der Fasergehalt wird je nach Anforderung
zwischen 0,5 und 5,0 Vol % angesetzt, vorzugsweise 1 bis 3 Vol %.
Die besten Verstärkungen werden mit speziellen Metallteilen
anstelle von Fasern erzielt, die eine Form haben, die sich
besonders für eine gute Haftung im Beton eignet, z. B. die Form
von Draht- oder Blechabschnitten mit erweiterten Enden oder
geknickten Enden.
Im folgenden werden Anwendungsbeispiele für die Betonstabbeweh
rung gemäß vorliegender Erfindung beschrieben.
In Fig. 2a,b sind schematisch Querschnitte einer üblichen Plat
tenbalkenbrücke angegeben. Die Zugzonen im Feld (Fig. 2a) sind
unten mit Bewehrungsstäben durchsetzt, während die Stützenquer
schnitte (Fig. 2b) oben durchsetzt sind. Die Stäbe werden in
Brückenlängsrichtung nach der gebräuchlichen Momentendeckungs
linie gestaffelt. Die Stöße werden gleichmäßig versetzt.
In Fig. 3a,b ist der Längsschnitt einer Taktschiebebrücke beim
Schieben und in der Endlage dargestellt. Beim Schieben ist an
allen Stellen sowohl eine obere 30 als auch eine untere Beweh
rung 32 erforderlich. Diese ist endlos dargestellt, besteht aber
in der Praxis aus überlappenden Bewehrungsstäben. In der Endlage
werden die Bewehrungselemente in den Druckzonen, d. h. im Feld
oben und in den Stützenbereichen unten nicht mehr benötigt. Das
nachträgliche Lösen der Spannglieder an dieser Stelle, z. B. durch
Erhitzen, angedeutet durch eine strichlierte Linie 34, ergibt
eine günstigere, stahlsparende Beanspruchung der Brücke.
Bei Stahlverbundbrücken über mehrere Felder (Fig. 4) wird die
Zugkraft aus den Stützenmomenten in der Fahrbahnplatte häufig mit
Betonstahl abgedeckt, weil dadurch die Einleitungsprobleme bei
der Vorspannung entfallen. Der Querschnitt von Verbund
brücken hat meistens jedoch so große Kragarme, daß eine Quer
vorspannung notwendig wird. Damit tritt das Problem auf, daß bei
Querspanngliedern im Stützbereich korrosionsfördernde Quer
risse 36 parallel zu den Spanngliedern auftreten. Für eine Quer
bewehrung mit Betonbewehrungsstäben 8′ sind solche Risse unschäd
lich und bei einer Abdeckung der Stützmomente mit Betonbeweh
rungsstäben 8′ in Längsrichtung werden die Risse unschädlich
klein. Außerdem entfällt für die Querrichtung das Problem, daß
ein Teil der Vorspannung von der Betonplatte in die Stahlkon
struktion abwandert.
Bei turmartigen Bauwerken kommt es häufig zu starken Beweh
rungskonzentrationen bei Aussparungen in Fundamentnähe. Doch
dabei beansprucht man die Druckspannungsreserven des Beton
querschnittes zusätzlich, den man für die Biegung unter Wind
benötigt. Bei einer Bewehrung mit Betonstäben kann man die hohen
Stahlgüten ausnutzen, ohne die Druckzone des Querschnitts zu
belasten. Die Steifigkeit ist bei der Bewehrung mit Beton
bewehrungsstäben größer; das führt zu einer Verringerung der
Lastexzentrizitäten aus der Auslenkung.
Bei Unterfangungen ist es oft notwendig, Stützen nachträglich
einzufügen und ihnen eine definierte Kraft zu geben. Das wird mit
Vorverformungen über hydraulische Pressen seitlich der Stützen
realisiert. Werden Stützen eingebaut, die mit Betonbeweh
rungsstäben mit nachträglich lösbaren Spanngliedern ausge
rüstet sind, kann durch das Lösen der Glieder eine definierte
Kraft bzw. Verformung eingeleitet werden, die der Summe der auf
der ganzen Stützenlänge gelösten Kraft in den Spannlitzen ent
spricht.
Es ist bekannt, daß Platten ohne Schubbewehrung höhere Quer
kräfte aufnehmen können, wenn die Zuggurte steif sind. Bei der
Bewehrung von Platten mit Betonstabelementen kann man dadurch
größere Spannweiten ohne die aufwendige Schubbewehrung erzielen.
Eine weitere Anwendung ergibt sich bei zylindrischen Behältern.
Die Bewehrungselemente können der Krümmung angepaßt sein, und sie
werden mit versetzten Stößen ausgebildet. Die Verwendung von
planmäßig kriechfähigen Elementen ergibt durch die Ver
kürzung der Elemente eine Ringvorspannung in der Behälterwand.
Bei allen Anwendungen können die Betonbewehrungselemente Quer
bleche mit Löchern für die Spannglieder enthalten, die sich als
Anschlußbleche für verschiedenste Befestigungen nach außen
erstrecken.
Claims (19)
1. Vorgespanntes Bewehrungselement mit sich in mindestens einer
Richtung erstreckenden, zentrisch angeordneten Spanngliedern aus
Stahl, Glas oder Aramid oder Kohlenstoff in einer Beton- oder
Mörtelmatrix und mit für den Verbund mit dem Umgebungsbeton aus
gebildeten Außenflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beton-
oder Mörtelmatrix biegsame Kunststoff-, Glas-, Karbon- oder
Metallfasern oder steife Verstärkungsdrähte oder -streifen aus
Metall in einer für die Vergleichmäßigung der Rißverteilung
wirksamen Menge enthält.
2. Bewehrungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beton- oder Mörtelmatrix eine Kriechfestausrüstung aufweist.
3. Bewehrungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beton- oder Mörtelmatrix so gewählt ist, daß das vor
gespannte Bewehrungselement in Spannrichtung eine bleibende
Druckspannung von mindestens 25 N/mm² aufweist.
4. Bewehrungselement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß das Bewehrungselement Querbleche mit Durchgängen
für die Spannglieder 14 aufweist.
5. Bewehrungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Querbleche an dem Bewehrungselement seitlich herausragende
Verankerungs- und Anschlußbleche aufweisen.
6. Bewehrungselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß
die Beton- oder Mörtelmatrix eine für eine teilweise Übertragung
der Druckspannung auf den Umgebungsbeton bemessene Kriechfähig
keit aufweist.
7. Bewehrungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Bewehrungselement gegen Austrocknen geschützt ist.
8. Bewehrungselement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die zentrisch vorgespannten Bewehrungselemente
gekrümmt oder geknickt verlaufende Spannrichtung haben.
9. Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beton- oder Mörtelmatrix für die Verträg
lichkeit mit den Fasern inert ist.
10. Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 8, 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spannglieder 4 im einbetonierten
Zustand des Bewehrungselementes 8′ durch Aufheizen entspannbar
sind, so daß ihre Zugspannung in eine Zugspannung des Umgebungs
betons umgewandelt ist.
11. Verwendung der Bewehrungselemente nach einem der Ansprüche 1
bis 9 zur Bewehrung von auf Zug beanspruchten Bauwerksbereichen.
12. Verwendung der Bewehrungselemente nach einem der Ansprüche 1
bis 9 zur Bewehrung von Brückenkonstruktionen an Stellen mit sich
parallel zur Längsrichtung der Bewehrungselemente 8′ entwickeln
den Rissen.
13. Verwendung der Bewehrungselemente nach Anspruch 10 zur
Errichtung von Brücken im Taktschiebeverfahren unter Entspan
nen der nur für den Verschiebezustand erforderlichen Beweh
rungselemente.
14. Verwendung der Bewehrungselemente nach einem der Ansprüche 1
bis 9 zur senkrechten Bewehrung von Turmbauwerken.
15. Verwendung der Bewehrungselemente nach Anspruch 9 in durch
die Entspannung dehnbaren Stützen für Unterfangungsmaßnahmen.
16. Verwendung der Bewehrungselemente nach einem der Ansprüche 7
oder 8 und Anspruch 10 zur Erzeugung einer ringförmigen Druck
spannung in Behältern oder Röhren.
17. Verwendung der Bewehrungselemente nach einem der Ansprüche 1
bis 9 zur Bewehrung von auf Zug beanspruchten Bauwerksbereichen.
18. Verwendung der Bewehrungselemente nach einem der Ansprüche 1
bis 9 zur Verhinderung des Durchstanzens der Stützen bei Flach
decken.
19. Bauwerke, erhalten nach einem der Ansprüche 11 bis 18.
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Family Applications (1)
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Country Status (2)
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