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Bauwerksteil aus vorgespanntem Beton
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Das"nachherige"Spannen wird an dem erhärteten Betonformling selbst vorgenommen und die Druckkraft in den Enden der Bewehrung
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durch das erste Schwinden und elastische Verkürzung des Betons Spannungsverluste auf, die durch weiteres Schwinden und Kriechen von Beton und Stahl noch vergrössert werden und 2000 kg/cm2 und sogar auch mehr betragen können. Beim"nachherigen"Spannen treten Spannungsverluste nur durch das spätere Schwinden und Kriechen ein und können 1000 kg, cm2 betragen. Es besteht nun die Forderung, dass etwa entstehende Risse nicht weiter als 0. 25 mm sein dürfen, damit die Gefahr des Rostens ausgeschaltet ist.
Durch diese Begrenzung der Rissbildung sind auch die zulässigen Beanspruchungen der Bewehrung begrenzt, die im üblichen Eisenbeton 1200 bis
140C kgicm2 und für hochwertigen Stahl 1800 bis 2000 kg, cnr betragen. Folglich kann hochwertiger Stahl mit einer zulässigen Beanspruchung von etwa 7000 kg'cm2 nicht wirtschaftlich aus- genützt werden.
Die Ausdrücke "Verspannung" oder besser "Spannbeanspruchung"einerseits und"Spann- kraft"anderseits müssen unterschieden werden, u. zw. ist erstere die Zugspannung der Bewehrung pro Querschnittseinheit und letztere die ganze Kraft, also Spannbeanspruchung mal Querschnittsfläche.
Mit voller Vorspannung sind ganz bestimmte Mindestwert dieser beiden Grössen verbunden, erstere, um die Vorspannung wirksam zu erhalten, letztere als Sicherung gegen Auftreten von Zugspannungen im Beton bei Nutzbelastung, die als unbedingt notwendig erschien in Anbetracht der Gefahr von Rostbildung im Falle der Entstehung von Rissen
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sich bei einem Elastizitätsmodul von 2,100. 000 kg,'cm2 und einem Abstand der Risse 7000. 30. von 30 cm nach der Formel eme
2,100. 000
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ist, dass eine so hohe Stahlspannung ohne Vorspannung der Bewehrung nicht zulässig ist
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Die Wirksamkeit der Adhäsion ist von besonderer Bedeutung hinsichtlich der Rissbildung.
Bei grossem Haftwiderstand ist im Falle der Rissbildung die Adhäsion zwischen Beton und Stahl nur in der unmittelbaren Umgebung der Risse unterbrochen und folglich findet Ausdehnung des Stahles nur auf ganz kurzen Strecken statt, so dass die grösste Rissweite nur ein Bruchteil jener ist, die nach der konventionellen Praxis - Zerstörung der Adhäsior auf der ganzen Be-
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wird von dieser Entdeckung Gebrauch gemacht, um eine wirtschaftliche Eisenbetonkonstruktion zu schaffen, in welcher die hohe Qualität des hochwertigen Stahls ausgenützt werden kann. Sie ermöglicht die Verringerung der Querschnittsfläche der Stahlbewehrung und bietet Sicherheit gegen Auftreten gefährlicher, mit Rostgefahr verbundener Risse zumindest im selben Masse wie im traditionellen Eisenbeton.
Die Querschnittbemessung von Konstruktionsteilen kann in solcher Weise vorgenommen werden, dass unter Eigengewicht vollständige Abwesenheit von Rissen garantiert werden kann, während unter Nutzlast nur feine Haarrisse entstehen, die sich bei Entfernung der Nutzlast infolge der bedeutenden Elastizität der Konstruktion vollständig schliessen.
Gemäss der Erfindung ist es möglich, die Grösse der Vorspannung im Vergleich mit der für volle Vorspannung erforderlichen zu verringern, was wirtschaftliche und technische Vorteile hat. Während bei voller Vorspannung die Betonspannungen bei Übertragung der Spannungskraft im allgemeinen grösser als die unter Nutzlast sind, ist es beim Erfindungsgegenstand möglich, die Spannungen bei Übertragung, wenn der Beton noch verhältnismässig jung ist, zu ver- ringern. B,-i"nachheriger"Vorspannung können die Ankermittel und Übertragungsplatten schwächer gemacht werden, was ein grosser wirtschaftlicher Vorteil ist.
Der Einfluss wiederholter Belastungen wurde an Schwellen untersucht, die auf einer Versuchs- strecke durch zweieinhalb Jahre mehr als
4,000. 000 Lastwechseln ausgesetzt waren, vc, ii welchen mehr als 150.000 von den Achsen schwere. Lokomotiven ausgeübt wurden. Diese Versuche haben zu dem Ergebnis geführt, dass sogar Betonzugspannungen von 140 kg'cm2, für einen homogenen Querschnitt berechnet, nicht gefährlich sind, da die bei den "teilweise" vor- gespannten Schwellen auftretenden Risse bedeutend kleiner als die im gewöhnlichen Eisenbeton sind. Weiters wurde festgestellt, dass Zugspannungen im Beton von 42 bis 84 kglcm2 und darüber für Konstruktionen wie Brücken zulässig sind, wenn sie unter Eigengewicht den bei voller Vorspannung geltenden Bedingungen entsprechen.
Diese Werte der Zugspannungen können als Grundlage für die Querschnittsbemessung von teilweise vorgespanntem Beton gemäss der Erfindung betrachtet werden.
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zu erkennen, dass die Tragfähigkeit wesentlich gesteigert werden kann, wenn eine Betonzugspannung-im Gegensatz zur vollen Vorspannung-zugelassen wird.
Das Vorspannen der Bewehrung, für welche hochwertige Stäbe, Kabel, Drähte oder dünnwandige Rohre in Betracht kommen, kann in beliebiger Weise durchgeführt werden. Es ist auch möglich, bereits nach besonderem Verfahren vorgespannte B. ; wehrungselemente zu verwenden.
Im folgenden soll die Erfindung im einzelnen an Hand der Zeichnungen beschrieben werden.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Querschnitte durch einen Eisenbetonbalken gemäss der Erfindung und die Fig. 3-8 sind Spannungsschaubilder, die den Zweck haben, den Unterschied zwischen der Erfindung einerseits und sowohl einer gewöhnlichen Eisenbetonkonstruktion als auch einer vollvorgespannten Konstruktion anderseits zu erklären ; Fig. 9 zeigt Durchbiegungsschauailder, die im folgenden im Detail erklärt werden.
Gemäss Fig. I hat ein vorgespannter Balken 1 in der Zugzone Längsbewehrungsglieder 2 und 3 aus hochwertigem Stahl oder Draht, von denen die Glieder 2 vorgespannt sind. Die genannten Glieder 2 und 3, die von bedeutend kleinerer Querschnittfläche als jene sind, die im gewöhnlichen Eisenbeton für dieselbe Tragfähigkeit nötig ist, mögen von demselben oder verschiedenen Material und Festigkeitseigenschaften sein. Wenn die Spannkraft der Bewehrungsglieder 2 auf den
Beton übertragen wird, dann wird der untere
Teil des Betons, der später unter der Nutzlast auf Zug beansprucht wird, und die unvorge- spannten Bewehrungsglieder 3 auf Druck be- ansprucht, während der obere Teil des Quer- schnitts auf Zug beansprucht wird.
Zusätzliche Bewehrungsglieder 4, die auch vorgespannt werden können, mögen an der oberen Seite vorgesehen werden, um die dort am Beginn durch die Vorspannung der hervor-. gerufenen Zugspannung aufzunehmen.
In Fällen, in welchen die Konstruktionsglieder unter Last eine Beanspruchung in mehr als einer Richtung aufzunehmen haben, wie dies z. B. bei Masten oder durch Wind beanspruchten Rahmenkonstruktionen der Fall ist, ist ein Teil jeder der Zugbewehrungen vorgespannt.
Falls ein symmetrischer Querschnitt vorliegt und die Beanspruchung in jeder Richtung die gleiche ist, wird auch die Bewehrung und die Spannkraft in jeder Zugzone die gleiche sein. Es wird daher keine entgegengesetzte Biegungsbeanspruchung auftreten, sondern nur eine Druck-
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beanspruchung entstehen. Ein solcher Fall wird in Beispiel Fig. 2 für einen rechteckigen Querschnitt gezeigt, der auf beiden Seiten (oben und unten) dieselbe Bewehrung hat, die aus vorgespannten Gliedern 2 und unvorgespannten Gliedern 3 besteht.
Wenn die Beanspruchung in jeder Richtung verschieden ist, dann muss jede einzelne Zugbewehrung und jede Spannkraft gemäss der entsprechenden Beanspruchung vorgesehen werden. In einem solchen Falle, in welchem keine
Symmetrie hinsichtlich der Vorspannungskräfte besteht, entsteht zusätzlich zur Druckbeanspruchung auch eine Biegungsbeanspruchung durch die Vorspannungskräfte.
Selbstverständlich ist es auch möglich, Zug- bewehrungen gemäss der Erfindung in mehr als zwei Richtungen vorzusehen, wobei der letztere
Fall in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Fig. 3-8 sind Spannungsschaubilder, die die Beanspruchung unter Last für ein homo- genes Material veranschaulichen, u. zw. in einem gewöhnlichen Eisenbetonbalken (Fi. 3) und in einem voll vorgespannten Eisenbeton- balken, in dem die Vorspannungskraft von einer solchen Grösse ist, dass im Beton nur Druck- spannungen entstehen (Fig. woo), und in einem teilweise vorgespannten Eisenbetonbalken gemäss der vorliegenden Erfindung (Fig. 7 und 8).
Fig. 3 veranschaulicht die Spannungsverteilung in einem Querschnitt eines gewöhnlichen auf Biegung beanspruchten Eisenbetonbalkens, der für eine zulässige Betondruckbeanspruchung e bemessen ist, wobei die Betonzugspannungen nicht berücksichtigt sind ; die Druckkraft c und die Zugkraft T stehen im Gleichgewicht.
Gemäss dieser Berechnungsweise wird angenommen, dass in der Konstruktion Risse in der Zugzone auftreten.
Fig. 4 und 7 stellen die wirksamen Betondruckspannungen allein für volle bzw. teilweise Vorspannung dar, wobei angenommen ist, dass die grösstmöglichen Verringerungen der anfänglichen Vorspannung bereits stattgefunden haben.
Die wirksame Spannkraft T steht im Gleich- gewicht mit einer Betondruckkraft Ca bzw.
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unteren Rande und die grösste Betonzug- spannung 12c bzw. 1'21 3m oberen Rande. Die
Spannungen, die in der Fig. 7 dargestellt sind, sind infolge der Verringerung der Spannkraft wesentlich geringer als die entsprechenden
Spannungen in Fig. 4, was ja das Charakteristikum des Unterschiedes zwischen voller und teilweiser
Vorspannung ist.
Fig. 4 entspricht eigentlich nicht den Bedingungen der vollen Vorspannung, da eine Zugspannung hic nicht auftreten sollte, was bewirkt würde, wenn ausser der unteren
Bewehrung auch die obere Bewehrung 4 ent- sprechend vorgespannt wäre. Fig. 5 zeigt die
Spannungsvrteilung durch die Nutzlast allein, wobei die Vorspannung selbst nicht berücksichtigt wird ; das Biegungsmoment ist hiebei durch ein Kräftepaar Druckkraft C. und Zugkraft T" aufgenommen, wobei die grösste Druckspannung found die grösste Zugspannung fry unter der Nutzlast in einer geradlinigen Spannungsverteilung eines homogenen Materials entsteht.
Die resultierenden Spannungen unter Nutzlast für volle und teilweise Vorspannung sind nun in Fig. 6 bzw. 8 dargestellt, wobei die erstere eine Kombination der Fig. 4 und 5 und die letztere eine Kombination der Fig. 5 und 7
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sind diejenigen im oberen Rande im Falle voller bzw. teilweiser Vorspannung. Es ist die grundlegende Bedingung der vollen Vorspannung, dass/tM, keine Zugspannung sein darf. Von dieser Bedingung kann die Grösse der erforderlichen wirksamen Spannkraft für den Grenzfall fla == 0 berechnet werden. Anderseits ist es möglich, die Grösse. derjenigen Spannkraft zu berechnen, die für teilweise Vorspannung für eine bestimmte zulässige Betonzugspannung erforder- lich ist, z. B. für eine zulässige Spannung von
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Fig. 9 a und b sind Durchbiegungsschaubilder für eine gewöhnliche Eisenbetonkonstruktion, ein Balken auf zwei Stützen, der zuerst unbelastet ist, dann durch eine lotrechte Kraft belastet wird. Fig. 9 c und d sind ähnliche Schaubilder für einen voll vorgespannten Eisenbetonbalken gemäss Fig. 4-6 und Fig. 9 e und f sind solche Schau-
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gemäss der Erfindung.
Aus diesen Schaubildern a bis f kann man ersehen, dass sich eine gewöhnliche Eisenbetonkonstruktion, belastet, nicht durchbiegt,
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ein Material, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es aus einer plastischen Masse geformt ist, die aus einem natürlichen oder künstlichen Gemenge von entsprechender Korngrösse, welches Leichtmaterial sein mag, und einem Bindemittel besteht, wobei das Endprodukt Beton, Kunststein, Kalkstein, Ziegel, gebrannter Ton od. dgl. sein mag.
Vorstehend ist die Erfindung nur an Konstruktionen, wie Balken, die einen rechteckigen Querschnitt haben, beschrieben, aber es muss klargestellt werden, dass die Erfindung ebenso auf Eisenbetonkonstruktionen anderer Querschnittsform angewendet werden kann, wie z. B. auf T-und 1-Querschnitte oder Rohre, die im Prinzip wesentlich günstiger für vorgespannten Beton als rechteckige Querschnitte sind, und dass die Erfindung ebenso auf Eisenbetonkonstruktionen im allgemeinen Anwendung finden kann, das sind bewehrte Betonkonstruktionen, bewehrte Ziegelkonstruktionen oder eine Kombination von beiden.
Ferner sei festgestellt, dass Konstruktionen gemäss der Erfindung aus einer Kombination von fertigen Betonkonstruktionen und an Ort und Stelle hergestellten Konstruktionen bestehen mag, wobei die grundlegende Bedingung der Erfindung darin besteht, dass in dem am stärksten beanspruchten Querschnitt Zugspannungen auftreten, was nicht unbedingt in der Randfaser f. cin muss.