EP0712972A1 - Betonkörper mit Verstärkung - Google Patents

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EP0712972A1
EP0712972A1 EP95116996A EP95116996A EP0712972A1 EP 0712972 A1 EP0712972 A1 EP 0712972A1 EP 95116996 A EP95116996 A EP 95116996A EP 95116996 A EP95116996 A EP 95116996A EP 0712972 A1 EP0712972 A1 EP 0712972A1
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concrete
elements
bar elements
matrix
concrete body
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Horst Dr.-Ing. Kinkel
Wolfgang Dipl.-Ing. Kinkel
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    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/01—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings
    • E04C5/012—Discrete reinforcing elements, e.g. fibres
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/07—Reinforcing elements of material other than metal, e.g. of glass, of plastics, or not exclusively made of metal
    • E04C5/073—Discrete reinforcing elements, e.g. fibres

Definitions

  • the present invention relates to a concrete body, in particular a concrete body with concrete bar elements according to claim 1.
  • the invention further relates to concrete bar elements which can be introduced as additive material in surrounding concrete, and a manufacturing method therefor.
  • Fiber additives in concrete can be added with different objectives. If the goal is to increase the toughness, as with industrial floors, relatively long fibers are added, which can still transmit forces across the cracks even when the concrete expands. These fibers have a slip in the composite or are formed with end reinforcements and therefore have a large stretch length. This type of fiber reinforced concrete enables large stretches and leads to an even distribution of cracks.
  • Another goal of fiber reinforcement in concrete is to increase the tensile strength of the concrete.
  • the fibers required for this have a very good bond and great rigidity so that the micro-cracks in the concrete are reduced. Examples of this type of application are facade panels.
  • This fiber-reinforced concrete has only a low toughness, i.e. after the tensile strength is exceeded, it tears through.
  • the fibers used are short and have a rough surface.
  • Fibers work better, the higher the fiber content, the higher the fiber stiffness i.e. the modulus of elasticity and the better the bond between fiber and concrete matrix. With the usual fiber contents, the concrete has already cracked until the fibers have been stretched so much that they can absorb forces, i.e. Fibers common today improve the cracked concrete, but they are not stiff enough to delay cracking.
  • Reinforcing bars for concrete components are known. Compared to other reinforcements, the prestressing of the concrete means that they have a high degree of rigidity and, due to the favorable ratio of the absorbable force to the circumference, they have a very favorable bond behavior. However, the toughness of the concrete cannot be improved with concrete bar reinforcement
  • a concrete body made of a first concrete matrix is proposed with disordered or partially oriented, elongated prestressed concrete bar elements made of a second concrete matrix with tensioning elements arranged in the longitudinal direction of the concrete bar elements, the longitudinal extent of the concrete bar elements being small relative to the dimensions of the concrete body.
  • the rough concrete surface of the concrete bar elements results in a slip-free connection between the concrete bar element and the concrete matrix of the concrete body. This ensures a very good bond and high rigidity until the prestressed concrete bar elements are torn open, as is necessary to achieve high concrete tensile stresses. After the concrete bar elements have been torn open, the free stretching length of the clamping element becomes decisive for the stretchability of the concrete bar elements. This is the prerequisite for a ductile concrete structure.
  • the concrete rod fibers according to the present invention thus bring about both the increase in the concrete tensile strength and the increase in the toughness.
  • the tensioning elements are preferably designed with end anchorages.
  • the concrete body can be produced both in use and can also be used as a prefabricated component. Coordinated concrete bar elements of different cross-sections and different lengths can be used in the concrete body for better implementation of the concrete matrix in terms of quantity and dimensions.
  • fibers made of steel, glass, plastic or carbon can be used as fibers.
  • the concrete body can preferably be made of in-situ concrete.
  • the concrete body can preferably be designed as a tube, facade element or roof element.
  • the concrete body can be in the form of a liquid-tight component, industrial floor, road section or runway.
  • the elongated concrete bar elements according to the invention can be introduced into the surrounding concrete (first matrix) in an unordered manner and comprise a concrete matrix (second matrix) with prestressed tensioning elements arranged in the longitudinal direction.
  • the concrete bar elements can have a very small cross section, preferably 1 to 3 mm in diameter.
  • polymers can be present in whole or in part as binders in the concrete matrix.
  • the tensioning elements of the concrete bar elements can preferably contain plastic, glass, steel, carbon or ceramic.
  • the prestressing elements preferably consist of many individual wires or filaments, which are distributed as evenly as possible over the cross section for better bond behavior.
  • the prestressing elements preferably have, at their ends, anchoring thickenings made of the same or a different material.
  • the properties of the concrete matrix of the concrete bar elements are preferably set in such a way that they are embedded in the Creep shedding forces on the concrete matrix of the concrete body.
  • the concrete bar elements according to the invention can be produced by a method in which long tensioning elements are tensioned, concrete is applied around the tensioning elements by wetting or extrusion in a soft state, and after the concrete has hardened, the composite body obtained is cut into a large number of concrete bar elements.
  • Figure 1 describes a prestressed concrete bar element.
  • the concrete matrix (1) surrounds the tensioning element (2).
  • the tensioning element (2) preferably consists of rustproof materials such as glass fiber, carbon, aramid or comparable materials.
  • the end anchors (3) can by knots, loops or weaving the tensioning element, or but generated by gluing or welding. Both the adhesive itself and glued parts can be used as end anchors. Between the end anchors there is a stretch with a relatively poor bond that loosens after the fiber concrete has been torn open, thus allowing a large free stretching length of the tensioning element. Coupled with the low modulus of elasticity of the tensioning element, this results in great stiffness. This enables the use of relatively short concrete bar elements that still have a high degree of elasticity.
  • FIG. 2 shows the concrete bar elements (11) and (13) mixed into a concrete body (10).
  • the position of the concrete bar elements results from the mixing and pouring of the concrete.
  • the concrete bar elements work evenly in all directions.
  • the concrete of the concrete body (10) has already cracked under external load. However, the cracks are stopped by the concrete bar elements because they have a higher tensile strength. There is an increase in the tensile strength of the concrete body.
  • Figure 3 shows the state in which the external load has become so great that the crack load of the concrete bar elements (21) has been exceeded.
  • the cracks (22) from the concrete body (20) continue in the concrete bar elements (23).
  • the full stretch length of the tensioning element (24) comes into effect and there is an increase in the elasticity for the entire concrete body compared to the state without concrete rod elements.

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Abstract

Betonkörper (10) aus einer ersten Betonmatrix mit ungeordneten oder teilweise orientiert eingebetteten länglichen vorgespannten Betonstabelementen (1,11,13,21,23) aus einer zweiten Betonmatrix mit in Längsrichtung der Betonstabelemente angeordneten Spannelementen, wobei die Längserstreckung der Betonstabelemente relativ zu den Abmessungen des Betonkörpers klein ist. <IMAGE> <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Betonkörper, insbesondere einen Betonkörper mit Betonstabelementen gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiterhin Betonstabelemente, die als Zuschlagsmaterial in Umgebungsbeton einbringbar sind, sowie ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Es ist bekannt, Beton zur Erhöhung der Zugfestigkeit und der Zähigkeit mit Fasern zu durchsetzen. Dazu werden Stahlfasern, üblicherweise mit 0.15 bis 2 mm Durchmesser und Längen von 10 bis 50 mm, verwendet oder es kommen dünne Fasern aus Glas oder Kunststoff zur Anwendung. Die Fasern werden meistens in den Beton eingemischt. Dabei zeigt sich eine Grenze für die Verarbeitbarkeit des Betons, die je nach Fasertyp bei 3 bis 5 Vol% liegt. Mit speziellen, nur begrenzt verwendbaren Verfahren lassen sich Fasergehalte von ca. 15 Vol% erreichen. Bei diesen Verfahren werden die Fasern nicht eingemischt, sondern der Beton wird in die Fasern infiltriert.
  • Faserzusätze im Beton können mit unterschiedlichen Zielsetzungen beigegeben werden. Wenn die Zähigkeitserhöhung, wie bei Industriefußböden, das Ziel ist, werden relativ lange Fasern zugegeben, die auch bei großer Betondehnung noch Kräfte über die Risse hinweg übertragen können. Diese Fasern haben einen Schlupf im Verbund oder sind mit Endverstärkungen ausgebildet und haben dadurch eine große Dehnlänge. Diese Art von faserverstärkten Beton ermöglicht große Dehnungen und führt zu einer gleichmäßigen Rißverteilung.
  • Eine andere Zielsetzung bei der Faserverstärkung von Beton ist die Erhöhung der Zugfestigkeit des Betons. Die dazu notwendigen Fasern haben einen sehr guten Verbund und große Steifigkeit, damit die Mikrorisse des Betons reduziert werden. Beispiele für diese Art der Anwendung sind Fassadenplatten. Dieser faserverstärkte Beton hat nur eine geringe Zähigkeit, d.h. nach dem Überschreiten der Zugfestigkeit reißt er durch. Die verwendeten Fasern sind kurz und haben eine rauhe Oberfläche.
  • Fasern wirken um so besser, je höher der Fasergehalt, je höher die Fasersteifigkeit d.h. der E-Modul und je besser der Verbund zwischen Faser und Betonmatrix ist. Bei den üblichen Fasergehalten ist der Beton schon gerissen bis die Fasern so viel Dehnung erfahren haben, daß sie Kräfte aufnehmen können, d.h. heute übliche Fasern bewirken eine Verbesserung des gerissenen Betons, sie sind aber nicht steif genug, die Rissbildung zu verzögern.
  • Betonstabbewehrungen für Betonbauteile sind bekannt. Sie haben gegenüber anderen Bewehrungen durch die Vorspannung des Betons im Gebrauchszustand eine hohe Steifigkeit und durch das günstige Verhältnis aufnehmbare Kraft zu Umfang ein sehr günstiges Verbundverhalten. Die Zähigkeit des Betons kann jedoch mit Betonstabbewehrungen nicht verbessert werden
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung Betonkörper bereitzustellen, die eine hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit aufweisen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Betonkörper aus einer ersten Betonmatrix vorgeschlagen mit ungeordneten oder teilweise orientiert eingebetteten, länglichen vorgespannten Betonstabelementen aus einer zweiten Betonmatrix mit in Längsrichtung der Betonstabelemente angeordneten Spannelementen, wobei die Längserstreckung der Betonstabelemente relativ zu den Abmessungen des Betonkörpers klein ist.
  • Die rauhe Betonoberfläche der Betonstabelemente ergibt eine schlupffreie Verbindung zwischen Betonstabelement und der Betonmatrix des Betonkörpers. Damit ist bis zum Aufreißen der vorgespannten Betonstabelemente ein sehr guter Verbund und hohe Steifigkeit gegeben, wie sie zur Erzielung hoher Betonzugspannungen erforderlich ist. Nach dem Aufreißen der Betonstabelemente wird die freie Dehnlänge des Spannelementes maßgebend für die Dehnfähigkeit der Betonstabelemente. Damit ist die Voraussetzung für eine duktile Betonkonstruktion gegeben. Die Betonstabfasern gemäß vorliegender Erfindung bewirken also beides, sowohl die Erhöhung der Betonzugfestigkeit, als auch die Erhöhung der Zähigkeit. Um diesen Effekt zu verstärken werden die Spannelemente vorzugsweise mit Endverankerungen ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß kann der Betonkörper sowohl bei Gebrauch hergestellt werden als auch als vorgefertigtes Bauteil verwendet werden. Im Betonkörper können zur besseren Durchsetzung der Betonmatrix in Menge und Abmessungen aufeinander abgestimmte Betonstabelemente unterschiedlichen Querschnitts und unterschiedlicher Länge verwendet werden.
  • Es ist weiterhin möglich den Betonkörper mit zusätzlichen Bewehrungselementen zu verstärken oder den Betonkörper selbst zusätzlich vorzuspannen. Dabei sind als Fasern beispielsweise Fasern aus Stahl, Glas, Kunststoff oder Carbon verwendbar.
  • Der Betonkörper kann vorzugsweise in Ortbeton hergestellt sein. Vorzugsweise kann der Betonkörper als Rohr, Fassadenelement oder Dachelement ausgebildet sein. Außerdem kann der Betonkörper als ein flüssigkeitsdichtes Bauteil, Industriefußboden, Straßenabschnitt oder Landebahn vorliegen.
  • Die erfindungsgemäßen, länglichen Betonstabelemente können ungeordnet in den Umgebungsbeton (erste Matrix) eingebracht werden und umfassen eine Betonmatrix (zweite Matrix) mit in Längsrichtung angeordneten und vorgespannten Spannelementen. Die Betonstabelemente können einen sehr kleinen Querschnitt von vorzugsweise 1 bis 3 mm Durchmesser haben. In den Betonstabelementen können als Bindemittel in der Betonmatrix ganz oder teilweise Polymere vorliegen. Die Spannelemente der Betonstabelemente können vorzugsweise Kunststoff, Glas, Stahl, Carbon oder Keramik enthalten. Dabei bestehen die Vorspannelemente vorzugsweise aus vielen einzelnen Drähten oder Filamenten, die zum besseren Verbundverhalten sich möglichst gleichmäßig über den Querschnitt verteilen. Die Vorspannelemente haben vorzugsweise an ihren Enden als Verankerungen wirkende Verdickungen aus dem gleichen oder einem anderen Material. Die Betonmatrix der Betonstabelemente wird vorzugsweise in ihren Eigenschaften so eingestellt, daß sie im eingebetteten Zustand durch Kriechverkürzungen Kräfte auf die Betonmatrix des Betonkörpers abgibt.
  • Die erfindungsgemäßen Betonstabelemente können nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem lange Spannelemente gespannt werden, Beton um die Spannelemente herum durch Benetzen oder Extrusion in weichem Zustand aufgebracht wird und nach dem Erhärten des Betons der erhaltene Verbundkörper zu einer Vielzahl von Betonstabelementen durchtrennt wird.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1 (a) eine Seitenansicht eines Längsschnitts durch ein erfindungsgemäßes, vorgespanntes Betonstabelement;
    • Figur 1 (b) eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen, vorgespannten Betonstabelements;
    • Figur 2 ein Querschnitt durch einen Betonkörper mit eingebetteten Betonstabelementen und angedeuteter Rißbildung;.
    • Figur 3 ein weiterer Querschnitt durch einen Betonkörper mit eingebetteten Betonstabelementen und angedeuteter Rißbildung;.
  • Figur 1 beschreibt ein vorgespanntes Betonstabelement. Die Betonmatrix (1) umgibt das Spannelement (2). Als Betonmatrix können sowohl sehr feinkörnige Betone, wie auch kunststoffhaltige Betone eingesetzt werden. Das Spannelement (2) besteht vorzugsweise aus nichtrostenden Materialien wie Glasfaser, Carbon, Aramid oder vergleichbaren Materialien. Die Endverankerungen (3) können durch Knoten, Schlingen oder Weben des Spannelements, oder aber durch Kleben oder Verschweißen erzeugt werden. Dabei können sowohl der Klebstoff selbst, als auch aufgeklebte Teile als Endverankerung eingesetzt werden. Zwischen den Endverankerungen entsteht eine Strecke mit relativ schlechtem Verbund, der sich nach Aufreißen des Faserbetons löst und damit eine große freie Dehnlänge des Spannelements ermöglicht. Verbunden mit dem geringen E-Modul des Spannelements ergibt sich dadurch eine große Dehnsteifigkeit. Das ermöglicht eine Verwendung von relativ kurzen Betonstabelementen, die trotzdem eine hohe Dehnfähigkeit haben.
  • Figur 2 zeigt die in ein Betonkörper (10) eingemischten Betonstabelemente (11) und (13). Die Lage der Betonstabelemente ergibt sich beim Mischen und Einbringen des Betons. Die Betonstabelemente wirken gleichmäßig in alle Richtungen. In Figur 2 ist der Beton des Betonkörpers (10) unter äußerer Belastung bereits gerissen. Die Risse werden jedoch durch die Betonstabelemente gestoppt, da diese eine höhere Zugfestigkeit haben. Es kommt zu einer Erhöhung der Zugfestigkeit des Betonkörpers.
  • Figur 3 zeigt den Zustand, in dem die äußere Belastung so groß geworden ist, daß die Rißlast der Betonstabelementen (21) überschritten wurde. Die Risse (22) aus dem Betonkörper (20) setzen sich in den Betonstabelementen fort (23). In diesem Zustand kommt die volle Dehnungslänge des Spannelements (24) zur Wirkung und es stellt sich für den gesamten Betonkörper gegenüber dem Zustand ohne Betonstabelemente eine Erhöhung der Dehnfähigkeit ein.

Claims (20)

  1. Betonkörper (10) aus einer ersten Betonmatrix mit ungeordneten oder teilweise orientiert eingebetteten länglichen vorgespannten Betonstabelementen (1,11,13,21,23) aus einer zweiten Betonmatrix mit in Längsrichtung der Betonstabelemente angeordneten Spannelementen, wobei die Längserstreckung der Betonstabelemente relativ zu den Abmessungen des Betonkörpers klein ist.
  2. Betonkörper (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Durchsetzung der Betonmatrix in Menge und Abmessungen aufeinander abgestimmte Betonstabelemente unterschiedlichen Querschnitts und unterschiedlicher Länge verwendet werden.
  3. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich mit Bewehrungselementen verstärkt ist.
  4. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß er durch in die erste Betonmatrix eingelegte Spannglieder vorgespannt ist.
  5. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich Fasern aus Stahl, Glas, Kunststoff oder Carbon enthält.
  6. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß er als vorgefertigtes Bauteil vorliegt.
  7. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß er in Ortbeton hergestellt ist.
  8. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß er als Rohr ausgebildet ist.
  9. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß er als Fassadenelement ausgebildet ist.
  10. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß er als Dachelement ausgebildet ist.
  11. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß er als flüssigkeitsdichtes Bauteil vorliegt.
  12. Betonkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß er als Industriefußböden, Straßenabschnitt oder Landebahn vorliegt.
  13. Als ungeordnet in Umgebungsbeton einbringbares Zuschlagsmaterial verwendbare längliche Betonstabelemente (1) aus einer Betonmatrix mit in Längsrichtung angeordneten und vorgespannten Spannelementen (2).
  14. Betonstabelemente (1) nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente einen sehr kleinen Querschnitt von vorzugsweise 1 bis 3 mm Durchmesser haben.
  15. Betonstabelemente (1) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel in der Betonmatrix ganz oder teilweise Polymere vorliegen.
  16. Betonstabelemente (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß sie Vorspannelemente aus Kunststoff, Glas, Stahl, Carbon oder Keramik enthalten.
  17. Betonstabelemente (1) nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (2) aus vielen einzelnen Drähten oder Filamenten bestehen, die zum besseren Verbundverhalten sich möglichst gleichmäßig über den Querschnitt verteilen.
  18. Betonstabelemente (1) nach einem der Ansprüche 13, 14, 16, 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Betonmatrix der Verstärkungselemente in ihren Eigenschaften so eingestellt ist, daß sie im eingebetteten Zustand durch Kriechverkürzungen Kräfte auf die Umgebungsbetonmatrix abgibt.
  19. Betonstabelemente (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (2) an ihren Enden als Verankerungen wirkende Verdickungen (3) aus dem gleichen oder einem anderen Material aufweisen.
  20. Verfahren zur Herstellung der Betonstabelemente (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß lange Spannelemente (2) gespannt werden, der Beton um die Spannelemente herum durch Benetzen oder Extrusion in weichem Zustand angebracht wird und nach dem Erhärten des Betons der erhaltene Verbundkörper zu einer Vielzahl von Betonstabelementen durchtrennt wird.
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