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Verfahren zum Herstellen von aufteilbaren Verbundbaukörpern Stahlbetonbaukörper,
beiwelchen die Stahleinlagen spannungslos im Beton eingebettet sind, haben eine
verhältnismäßig geringe Biege= und Zugfestigkeit, außerdem eine geringe Elastizität.
Es ist bekannt, diese Festigkeitseigenschaften dadurch zu verbessern, daß man die
Stahleinlagen unter Vorspannung gebracht hat. Handelsübliche Rundstähle wurden mit
der zulässigen Spannung vorgespannt, wobei die Span-* nungsibertragung auf den Beton
nach Erhärtung desselben vorgenommen wurde. Mit Hilfe von besonderen Verankerungsplatten,
die an den Enden -der Rundstähle befestigt waren, wurde der Beton durch Übertragung
der Vorspannkräfte unter dauernder .Spannung gehalten. Auf diese Weise erhielt man
Spannbetonkörper, die eine Verbesserung der Elastizitätseigenschaften des gewöhnlichen
Stahlbetons mit sich gebracht haben. Es ist auch vorgeschlagen worden, bei der Herstellung
von Spannbetonbaukörpern die äußeren Verankerungskörper wegzulassen und die Vorspannung
der Stahleinlagen lediglich durch die natürliche Adhäsion derselben auf den Betonkörper
zu übertragen. Bei praktischer Ausführung sind hierbei Rundstähle verwendet und
nur verhältnismäßig geringe Vorspannungen auf den Betonkörper übertragen worden.
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Später war man der Ansicht, daß mit Stahleinlagen normaler Festigkeit
keine dauernd wirksamen Spannungen in den Stahleinlagen erhalten werden könnten,
weil der unter ständiger Druckeinwirkung stehende Beton mit der Zeit große Verkürzungen
durch Schwinden und Kriechen erleidet, wodurch die den Stahleinlagen erteilten Vorspannungen
wieder verlorengehen. Es wurde darauf hingewiesen, daß die Verkürzungen des Betons
bei der Spannungsübertragung je nach den Schwind- oder Belastungsbedingungen bis
drei.Tausendstel und sogar mehr erreichen. würden, wodurch ein Spannungsabfall in
den vorgespannten Stahleinlagen verursacht würde, der bei gewöhnlichem. Beton 6ooo
kg/cm2 überschreiten könne.
Es wurde deshalb vorgeschlagen, für
die Bewehrungseinlagen Stahl hoher Festigkeit, und zwar- stärkere Walzdrähte bis
zu 16 mm Durchmesser mit einer Zerreißfestigkeit von etwa 10 000 kg/cm2 zu verwenden.
Durch Kaltrecken dieser Drähte hat man geradlinige Stahlstäbe hergestellt, wobei
zugleich die Streckgrenze der Stähle erhöht wurde. Man hat auch die Verwendung von
Stahl höherer Elastizitätsgrenze bis zu 16 ooo kg/cm2 vorgeschlagen, wobei an legierte
Stähle gedacht war, die aber im Handel nicht erhältlich sind. Die zur Herstellung
von Spannbetonbaukörpern verwendeten stärkeren Walzdrähte müssen an den Enden mit
Verankerungsplatten o. dgl. versehen werden, da die Übertragung der hohen Spannkraft
jeder einzelnen Stahleinlage auf den Betonkörper nur mit Hilfe dieser äußeren Verankerungskörper
möglich ist.
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Die Verwendung von gezogenen dünnen Stahldrähten als Bewehrungseinlagen
für die Herstellung von Spannbetonbaukörpern hielt man für ungeeignet, obwohl mit
denselben, unter anderem mit Klaviersaitendrähten, Modellversuche im Laboratorium
durchgeführt. hatte. Man war in Fachkreisen der Ansicht, daß diese dünnen Stahldrähte
schlecht haften und außerdem zu teuer sind.
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Die für die praktische Herstellung von Spannbetonbaukörpern verwendeten
Bewehrungsstäbe aus Walzdraht wurden bis dicht an die Streckgrenze vorgespannt.
Die Vorspannkräfte wurden mittels äußerer Verankerungskörper auf einen hochwertigen
Beton *übertragen, der eine im Verhältnis zur Endfestigkeit sehr niedrige Anfangsfestigkeit
hatte. Dabei hielt man schon eine Erhärtung des mit Portlandzement hergestellten
Betons für ausreichend, die nach 11/2stündiger Erhitzung mit Dampf von Zoo ° erzielt
wurde. Beim Lösen der Vorspannmittel wurde dieser junge frische Beton zu hoch auf
Druck beansprucht, weil die auftretende Druckspannung fast so hoch war wie die Druckfestigkeit
des Betons. Hierbei treten durch plastische Verformung des Betons beachtliche Spannungsabfälle
in den Stahleinlagen ein, so daß Dauerspannungen erhalten werden, die nur zwischen
1/2 und 2/3 der Streckgrenze liegen. Diese plastische Formänderung hat auch den
Nachteil, daß keine genaue Feststellung der Höhe der verbleibenden Vorspannung im
Beton möglich ist.
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Bei der Herstellung von derartigen Spannbetonbaukörpern in hintereinanderliegender
Anordnung können die einzelnen Betonkörper nur zwischen je zwei benachbarten Verankerungskörpern
abgetrennt werden. Eine Aufteilung von Trägern und 'Platten an beliebiger Stelle
ist nicht möglich, da sonst die Vorspannung in den Stahleinlagen verlorengeht.
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Bei dem obenerwähnten Verfahren ist die Festigkeit bzw. Streckgrenze
der verwendeten stärkeren Walzdrähte verhältnismäßig niedrig, und infolge des Spannungsverlustes
ist die Höhe der dauernd verbleibenden Vorspannung begrenzt, so daß die hohe Druckfestigkeit
eines hochwertigen Betons nicht ausgenutzt wird.
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Ferner ist bei diesem Verfahren erforderlich, die Stahleinlagen bis
zur Streckgrenze vorzuspannen. Man braucht hierzu fast die doppelten Vorspannkräfte
und dementsprechend auch stärkere Vorspanngeräte, als zur Erzielung der Dauerspannungen
notwendig sind.
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Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von schwachen Betondielen
bekannt, dessen M'esen darin besteht, daß eine große Zahl dünner Stahldrähte ohne
Verankerungsmittel derart in die Oberfläche der Betondielen eingespannt werden,
daß sie nahe der Außenfläche liegen, so daß die äußerste Betonschicht mit diesen
dünnen, eng nebeneinandergescharten Stahldrähten durchsetzt ist. Der Zweck der Verlegung
der schwachen Drähte an die Oberflache ist die Vergrößerung der Höhe des wirksamen
Querschnitts. Um die dünnen Drähte nahe aneinander in einer Ebene und mit der Oberfläche
abschneidend gleichmäßig verlegen zu können, ist es erforderlich, die Drähte bei
dem Einlegen in die Form anzuspannen und bis zur Erhärtung der blasse in angespanntem
Zustande zu belassen, damit sie in der richtigen Lage vom Beton gehalten werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von aufteilbaren
Verbundbaukörpern aus Beton und vorgespannten Stahleinlagen hoher Festigkeit, bei
welchen der Beton und die Stahleinlagen dauernd unter hoher Spannung stehen. Die
Erfindung besteht darin, daß als Einlagen vergütete Stahldrähte von-etwa
0,5 bis 2 mm Durchmesser und einer Zerreißfestigkeit von etwa 1a ooo bis
30 000 kg/cm2 verwendet werden; die keine äußeren Verankerungsmittel haben und mit
etwa der Hälfte der Streckgrenze vorgespannt sind, wobei die Vorspannmittel erst
nach Erreichung eines entsprechend hohen Erhärtungsgrades des Betons gelöst werden.
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Dieses neue Verfahren ermöglicht das Herstellen von Verbundbaukörpern
aus Spannbeton, die insofern werkstoffähnliche Beschaffenheit haben, als sie an
beliebigen Stellen und in beliebig große Stücke aufteilbar sind, ohne daß dabei
die inneren Spannungen verlorengehen. Die hohen Vorspannkräfte. der Stahleinlagen
werden erst auf den. Beton übertragen, wenn dieser nahezu vollständig erhärtet ist
und eine sehr hohe Druckfestigkeit erreicht hat, so daß die Drähte infolge der eingetretenen
Haftfestigkeit sich nicht mehr entspannen können. Dadurch, daß die Vorspannkräfte
erst im Zeitpunkt der nahezu vollständigen Erhärtung des Betons, also bei sehr hoher
Druckfestigkeit auf
diesen übertragen werden, können nennenswerte
Spannungsabfälle in den Stahleinlagen auch durch Schwinden und Kriechen des Betons
nicht mehr eintreten. Die StahIeinlagen brauchen also nur mit derjenigen Spannung
vorgespannt zu werden, mit der man sie später dauernd beanspruchen will.
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Bei den nach der Erfindung als Einlagen verwendeten dünnen Stahldrähten
handelt es sich um solche, wie sie beispielsweise zur Herstellung von Drahtseilen
und Klaviersaiten Verwendung finden. Die hochwertigen Stahldrähte, deren Zerreißfestigkeit
von der Vergütung abhängt, sind sehr elastisch und haben eine sehr hohe Streckgrenze,
die etwa go°/o der Zerreißfestigkeit beträgt.
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Die Vorspannung kann also auch entsprechend hoch gewählt werden und
beträgt z. B. beim Herstellen von Baukörpern nach dem neuen Verfahren, wenn man
mit der üblichen zweifachen Sicherheit rechnet, etwa 5 ooo bis 14 000 kg/CM'.
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Um zu dem neuen Verfahren zu gelangen, waren verschiedene Vorurteile
zu überwinden. So war man der Ansicht, daß bei dünnen Stahldrähten der genannten
Art die durch Vergütung entstandene hohe Festigkeit nur vorübergehend sei, und daß
diese dünnen Drähte für eine Dauerbeanspruchung nicht brauchbar seien, weil sie
durch Ermüdungserscheinungen an Festigkeit verlieren würden. Eingehende Versuche
haben aber den Nachweis erbracht, daß eine solche Dauerfestigkeit bei diesen hochvergüteten
Stahldrähten doch vorhanden ist, und daß bei den Vorspannungen gemäß der Erfindung
bleibende Dehnungen, die einen nennenswerten Spannungsabfall herbeiführen können,
auch nach langer Zeit nicht eintreten. Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde,
daß vergütete Stahldrähte bestimmter Beschaffenheit eine hohe Dauerspannung ertragen
können und daher zur Herstellung von be-,vehrten, hoch vorgespannten Verbundbaukörpern
geeignet sind.
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Die Erfindung beruht aber weiterhin auf der Erkenntnis, daß im Gegensatz
zu den Stahlstäben bei dünnen, hoch vorgespannten Stahldrähten eine besondere Verankerung
nicht notwendig ist. Daß hochgespannte, dünne Drähte im Beton keiner Verankerung
bedürfen, war für den Fachmann nicht vorauszusehen, da man ja bei stark vorgespannten
Bewehrungsstäben eine besondere Verankerung. stets benötigte.
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Es war also zu erwarten, daß die dünnen, gezogenen Drähte nach Lösen
der Vorspannmittel in den Beton hineinrutschen würden, und daß demzufolge wegen
der vermeintlichen geringen Haftfestigkeit der dünnen Drähte eine Übertragung der
hohen Drahtspannung auf den Beton nicht möglich sei. Eingehende Versuche häben aber
gezeigt, daß im Gegensatz zu dieser Annahme bei dem neuen Verfahren ohne besondere
Verankerungsmittel eine große Haftfestigkeit der Stahleinlagen im Beton erzielt
wird, die allein für die Übertragung einer hohen Vorspannung auf dem Beton ausreicht
und die Aufrechterhaltung dieser Vorspannung gewährleistet. Die große Haftfähigkeit
der dünnen Drähte wird dadurch erreicht, daß die Vorspannmittel erst dann gelöst
werden, wenn der Beton einen sehr hohen Erhärtungsgrad, der der gewählten Vorspannung
entsprechen muß, erreicht hat, also nahezu vollständig erhärtet ist. Die hohe Vorspannung
der Drähte verursacht eine Querschhittsverminderung, so daß bei Lösen der - Vorspannmittel
hauptsächlich an den Enden der Stahldrähte eine Querschnittserweiterung eintritt
und dadurch ein erheblicher Leibungsdruck entsteht, der wiederum durch Reibung eine
wesentliche Vergrößerung des natürlichen, zwischen Beton und Stahleinlagen auftretenden
Haftwiderstandes zur Folge hat. Es ist hierbei zu berücksichtigen, daß bei Verwendung
einiger weniger Stahlstäbe mit jedem einzelnen Stab eine sehr große Zugkraft übertragen
werden muß, die im Verhältnis zu der Staboberfläche groß ist. Wird. aber im Sinne
der Erfindung der Stabquerschnitt in viele kleine Drahtquerschnitte aufgeteilt,
so wird damit die zur Kraftübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche wesentlich
vergrößert. Dabei ist zu bedenken, daß die Zugkraft quadratisch mit dem Drahtdurchmesser
abnimmt, die Reibungskräfte dagegen nur linear. Wenn nun bei gespä.nnten Stahlstäben
die Reibungskraft kleiner ist als die zu übertragende Zugkraft, so wird bei abnehmendem
Durchmesser das Verhältnis dieser beiden Kräfte immer günstiger, bis schließlich
bei einem bestimmten Drahtdurchmesser (etwa 5 mm) beide Kräfte gleich groß sind,
also nicht mehr ein Gleiten der Bewehrung im Beton eintritt. Bei Unterschreitungen
dieses Drahtdurchmessers werden die Reibungskräfte wesentlich größer als die Zugkraft,
so daß bei den der Erfindung zugrunde liegenden Durchmessern mit Sicherheit ein
Gleiten der Drähte im Beton verhindert wird.
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Es wird also die hohe Spannung auf den Beton durch innere, längs der
Stahldrähte gleichmäßig wirkende Reibungskräfte . übertragen iin. Gegensatz zu dem
bekannten Vorspannbeton; der seine Druckspannung mit Hilfe besonderer, an den Stahlstäben
befestigter Verankerungskörper erhält, die mit äußeren Einzelkräften an den Enden
des betreffenden Betonstückes auf dieses einwirken. Die Übertragung der Spannungen
auf den Beton wird hier also mittelbar durch die Verankerungskörper bewirkt, während
bei den nach dem neuen Verfahren hergestellten Verbundbaukörpern die Spannungen
unmittelbar von den
Stahldrähten übertragen werden. Diese unmittelbaie
hat verschiedeng wesentliche Vorteile. Durch das Weglassen äußerer Verankerungsmittel
wird das Herstellen von Verbundbaukörpern vereinfacht;-sie können in theoretisch
unbegrenzten Längen, z. B. ioo m Länge, hergestellt und, mit Rücksicht auf die erzielte
große Haftfestigkeit der Stahldrähte im Beton, an beliebigen Stellen und in beliebig
große Teilstücke aufgeteilt -werden, ohne daß die Vorspannung und damit die Festigkeit
und Elastizität dieser Teilstücke verlorengeht. Die nach dem neuen Verfahren hergestellten
Verbundbaukörper verhalten sich also insoweit, d. h. in bezug auf diese Aufteilbarkeit,
ähnlich wie ein Werkstoff.
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Da die nach dem neuen Verfahren hergestellten Verbundbaukörper von
zahlreichen dünnen, hoch vorgespannten Stahldrähten mit großer Häftfestigkeit durchsetzt
sind, so wird eine gleichmäßige Verteilung der von den Stahleinlagen auf den Beton
ausgeübten Kräfte erzielt und damit die plastische Verformung des Betons bei der
Spannungsübertragung auf einen Kleinstwert herabgesetzt. Die durch die plastische
Verformung (Schwinden, Kriechen) eintretenden Spannungsverluste sind daher äußerst
gering, vor allem auch deshalb, weil die Spannung der Stahldrähte auf einen Beton
mit hohem Erhärtungsgrad, d. h. auf einen nahezu vollständig erhärteten Beton, übertragen
wird. Diese geringen Spannungsverluste ermöglichen die planmäßige Einleitung einer
bestimmten Vorspannung, wobei errechnete und tatsächlich auftretende Spannung nahezu
übereinstimmen. Da ferner die - erfindungsgemäß verwendeten Stahldrähte eine sehr
geringe Bruchdehnung von nur 2 bis 5°1a haben, so verhalten sich die Verbundbaukörper
nach der Erfindung fast bis zum Bruch elastisch.
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Das neue Verfahren ermöglicht ferner die größtmögliche Ausnutzung
der Festigkeiten sowohl der Stahleinlagen als auch des Betons. Insbesondere können
die jetzt erzielbaren sehr hohen Betondruckfestigkeiten durch eine hohe Vorspannung
voll ausgenutzt werden. Die erfindungsgemäße Verwendung der dünnen hochwertigen
Stahldrähte ergibt eine erhebliche Ersparnis an Stahleinlagen.
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Die Anwendungsmöglichkeit der nach dem neuen Verfahren hergestellten
Verbundbaukörper ist sehr vielseitig.