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Die Erfindung hat eine Keilverankerung nach Patentanspruch 1 bis 10 für vorgespannte oder belastete Zugelemente, wie Lamellen, Drähte, Stäbe oder Litzen zum Gegenstand.
International werden anstelle von Stahl vermehrt neuartige Materialien wie Faserverbundwerkstoffe für vorgespannte oder belastete Zugelemente verwendet. Im Vergleich zu den metallischen Zugelementen weisen die Faserverbundwerkstoffe einen sehr hohen Korrosionswiderstand und ein geringes Gewicht auf. Der wesentliche Nachteil der Faserverbundwerkstoffe ist die hohe Querdruckempfindlichkeit, was in dieser Erfindung besonders berücksichtigt wird.
Keilverankerungen werden seit vielen Jahren für das Vorspannen von Spannstählen aus hochfestem Stahl verwendet. Sie beruhen auf einem einfachen Prinzip und sind mit geringem Zeit- und Materialaufwand herstellbar. Im Spannbetonbau ist die Keilverankerung die häufigste Verankerungsart.
Bei einer Keilverankerung wird die Kraft im Zugelement über Schubspannungen in die Keile und von dort weiter in den Ankerkörper eingeleitet. Keile und Ankerkörper sind über eine geneigte Ebene auf der die Keile gleiten können, verbunden. Durch die Keilform entsteht beim Belasten des Zugelements eine Andruckkraft normal zum Zugelement, die die Keile an das Zugelement drückt.
Die Höhe der maximal übertragbaren Schubspannung zwischen Keil und Zugelement richtet sich nach dem Anpressdruck. Je höher der Anpressdruck um so höher die übertragbare maximale Schubspannung. Der Anpressdruck verursacht einen Querdruck im Zugelement. Bei Materialien die auf Querdruck empfindlich sind, wie z. B. Faserverbundwerkstoffe, darf der maximal auftretende Querdruck eine bestimmte Grösse nicht überschreiten.
Um die Schubspannungen zwischen Keil und Zugelement zu aktivieren ist ein Mindestmass an Schlupf notwendig. Bei einer üblichen Keilverankerung entsteht im lastnahen Bereich ein hoher Anpressdruck zwischen Keil und Zugelement, der dort auch eine hohe Schubspannung entstehen lässt, die schnell wieder abklingt und bis zum lastfernen Bereich nahezu konstant bleibt. Die Summe der Schubspannungen entlang der gesamten Kontaktfläche zwischen Keil und Zugelement entspricht der Zugkraft im Zugelement. Die grösste Schubspannung tritt an der Stelle des maximalen Anpressdrucks auf, an der auch der grösste Anteil der Zugkraft je Oberflächeneinheit übertragen wird. Ein Nachteil ist, dass von der Stelle der maximalen Schubspannung bis zum lastfernen Bereich die Schubspannung kaum aktiviert werden kann.
Ein weiterer Nachteil einer konventionellen Verankerung ist, dass der grösste maximale Anpressdruck und die grösste maximale Schubspannung relativ gering sein müssen, da Materialien wie Faserverbundwerkstoffe bei geringen Anpressdrücken oder Querdrücken versagen.
In WO 95/29308 ist eine konische Vergussverankerung für Faserverbundwerkstoffe beschrieben. Die Ankerbüchse weist einen konischen Hohlraum auf. Der Hohlraum wird entlang der Richtung des Zugelements in Abschnitten mit Vergussmasse mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul ausgefüllt. Im Abschnitt am lastnahen Bereich wird Vergussmasse mit dem niedrigsten Elastizitätsmodul eingebaut. In den folgenden Abschnitten bis zum lastfernen Bereich wird Vergussmaterial mit immer höher werdenden Elastizitätsmodulen verwendet. Man erreicht damit eine gleichmässigere Kraftübertragung vom Zugelement auf den Vergusskörper. Die Herstellung dieser Schichten ist jedoch ein aufwendiger Prozess.
EP 0 197 912 A2 offenbart eine Verankerung für Spannglieder aus hochfestem Stahl, bei der der Ankerkörper aus zwei Schichten mit unterschiedlichen Materialien, wie Kunststoff oder Weichmetall, besteht. Die Schicht aus weicherem Material ist mit konstanter Dicke über die gesamte Keillänge oder mit einer über die Keillänge veränderlichen Schicht, die jedoch im lastnahen Bereich die kleinste Dicke aufweist, ausgeführt. Bei Belastung des Zugelements kommt es ähnlich wie bei nicht geschichteten Keilen zu hohen Querdruckspitzen im lastnahen Bereich. Querdruckempfindliche Materialien wie Faserverbundwerkstoffe können diesen hohen Querdrücken nicht standhalten und versagen dadurch vorzeitig.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Verankerung, bei der die Anpressdrücke und die Schubspannungen, die auf das zu verankernde Zugelement wirken, gleichmässig verteilt sind oder vom lastnahen zum lastfernen Bereich leicht ansteigen und geringere maximale Werte für Anpressdrücke und Schubspannungen aufweisen als die bekannten Ausführungsformen und gleichzeitig gegenüber einer Vergussverankerung Vorteile in der Herstellung und in der Verwendung auf der Baustelle aufweist.
Mit dem in Patentanspruch 1 beschrieben Erfindungsgedanken ist es möglich, den
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Anpressdruck und die Schubspannungen zwischen Keil und Zugelement vom lastnahen zum lastfernen Bereich hin gleichmässig zu verteilen oder leicht ansteigen zu lassen. Dies geschieht durch einen in Längsrichtung schichtweisen Aufbau des Keils und/oder der Ankerbüchse aus Materialien mit niedrigen und hohen Elastizitätsmodulen. Bei der Anwendung von einer Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul weist diese im lastnahen Bereich eine grössere Dicke, gemessen normal auf die Längsachse des Zugelements, als im lastfernen Bereich auf.
Wenn das Verhältnis der Elastizitätsmodulen der Schichten ausreichend gross ist, dann wird die Gesamtsteifigkeit beider Schichten normal zur Längsachse des Zugelements hauptsächlich durch die Schicht aus Material mit niedrigem Elastizitätsmodul bestimmt. Je dicker die Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul ist, desto geringer ist die Steifigkeit normal zur Längsachse des Zugelements. Daher ist im lastnahen Bereich, wo die Dicke der Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul am grössten ist, die Steifigkeit normal zur Längsachse des Zugelements geringer als im lastfernen Bereich. Diese geringere Steifigkeit im lastnahen Bereich dieses statisch unbestimmten Systems bewirkt einen geringeren maximalen Anpressdruck und eine gleichmässige Verteilung des Anpressdrucks oder einen leichten Anstieg vom lastnahen zum lastfernen Bereich.
Dadurch wird es auch möglich die Schubspannungen im Kontaktbereich zwischen Zugelement und Keil über die gesamte Länge besser zu aktivieren. Der hierbei erreichte geringe maximale Anpressdruck verhindert ein Zerstören des Zugelements zufolge Querdruck.
Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt mit Ankerkörper, Zugelement und zwei Keilen mit jeweils drei Schichten, wovon zwei Schichten des Keils einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine Schicht einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen, wobei eine Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul und veränderlicher Dicke nahe der Gleitebene zwischen Keil und Ankerkörper angeordnet ist;
Fig. 2 in Diagrammform, die idealisierten Schubspannungsverteilungen entlang der Kontaktfläche zwischen Keil und Zugelement für eine herkömmliche Verankerung und eine erfindungsgemä- #e Verankerung;
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 111-111 von Fig. 1, wobei hier das Zugelement einen rechteckigen Querschnitt aufweist und zwei Keile aus je drei Schichten eingesetzt werden;
Fig. 4 einen Längsschnitt mit Ankerkörper, Zugelement und zwei Keilen, wobei der Ankerkörper aus einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul und einer Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul und veränderlicher Dicke, die nahe der Gleitebene zwischen Keil und Ankerbüchse angeordnet ist, besteht ;
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie V-V von Fig. 4, wobei das Zugelement hier einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und zwei Keile ohne Schichten und ein Ankerkörper mit zwei Schichten eingesetzt werden;
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Verankerung in der sieben Drähte, Stäbe oder Litzen verankert werden und jeder Keil aus einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul und einer Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul und veränderlicher Dicke, die auf der Seite des Zugelements angeordnet ist, besteht;
Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie VII-VII von Fig. 6, wobei das Zugelement hier einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und je Zugelement drei Keile aus zwei Schichten eingesetzt werden;
Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine Verankerung in asymmetrischer Ausführung, bestehend aus Ankerkörper, Zugelement und einem Keil, der aus einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul und zwei Schichten mit niedrigem Elastizitätsmodul gefertigt ist, wovon eine Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul mit veränderlicher Dicke nahe der Gleitebene von Keil und Ankerbüchse angeordnet ist, und das Zugelement gegen eine zur Achse des Zugelements parallele Ebene drückt und damit die Kräfte aus dem Zugelement in den Keil und die parallele Ebene eingeleitet werden;
Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine Verankerung, die mit dreischichtigen Keilen ausgeführt ist, wovon zwei Schichten mit niedrigem Elastizitätsmodul und veränderlicher Dicke im lastnahen Bereich die grösste Dicke aufweisen und nur eine Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul bis zum lastfernen Bereich geführt wird;
Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine Verankerung, deren Keile mit einer Schicht mit niedrigem
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und einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul ausgeführt ist, wovon die Schicht mit niedrigem
Elastizitätsmodul und veränderlicher Dicke weiter zum lastnahen Bereich geführt wird als die
Schicht mit hohem Elastizitätsmodul;
Fig. 11einen Längsschnitt durch eine Verankerung, deren Keile mit einer Schicht mit niedrigem und einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul ausgeführt ist, wobei die Schicht mit niedrigem
Elastizitätsmodul sich nach einer Kurve höherer Ordnung zum lastfernen Bereich hin verjüngt.
In den Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Die Fig. 1 zeigt die Verankerung 7 im Längsschnitt mit einem Keil 3, der aus zwei Schichten mit niedrigem Elastizitätsmodul 32,33 und einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul 31 besteht. Die Schichten 31,32, 33 verlaufen entlang der Längsachse 4 des Zugelements 1,12. Die Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul und konstanter Dicke 33 wird zum Ausgleich von eventuellen Spannungsspitzen, die durch unebene Flächen oder sonstige Imperfektionen entstehen können, eingebaut. Die andere Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 ist nahe dem Ankerkörper 2 angeordnet und weist, wie im Patentanspruch 1 beschrieben, die grösste Dicke im lastnahen Bereich 5 auf, die zum lastfernen Bereich 6 hin abnimmt.
Mit zunehmender Dicke der Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 nimmt die Gesamtsteifigkeit des Keiles 3 normal zur Längsachse 4 des Zugelements 1,12 ab. Der Anpressdruck steigt vom lastnahen 5 zum lastfernen Bereich 6 hin leicht an und es kann die gesamte Kontaktfläche zwischen Keil 3 und Zugelement 1,12 für die Übertragung der Schubspannungen ausgenutzt werden. Bei den herkömmlichen Keilverankerungen kommt es im lastnahen Bereich 6 zu grossen Anpressdrücken und damit auch zu einer in einem kurzen Bereich stark ansteigenden Schubspannung, siehe c in Fig. 2. Durch den in dieser Erfindung vom lastnahen 5 zum lastfernen Bereich 6 gleichmässigen oder auch leicht ansteigenden Anpressdruck kommt es zu einer gleichmässigeren Verteilung der Schubspannung wie in b von Fig. 2 dargestellt.
Zusätzlich ist der maximale Anpressdruck geringer, was besonders bei der Anwendung von Faserverbundwerkstoffen von Bedeutung ist. Der Anpressdruck verteilt sich entsprechend den Steifigkeiten der Schichten 31 und 32 und kann in Abhängigkeit des Verhältnisses der Elastizitätsmodulen und der Schichtdicken im lastnahen 5 und im lastfernen Bereich 6 variiert werden.
Der Schnitt 111-111 in Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt und zeigt den Querschnitt von Fig. 1 für die Verankerung eines Zugelements mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt als Lamelle 1,12. In dieser Verankerung kommen zwei Keile 3 mit ebenen Flächen zum Einsatz.
Die Verankerung 7 in Fig. 4 basiert auf dem gleichen Prinzip wie die Verankerung 7 in Fig. 1 mit der Ausnahme, dass der Keil 3 aus einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul besteht, jedoch der Ankerkörper 2 aus einer Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 22, die nahe der Gleitfläche angeordnet ist, und einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul 21 aufgebaut ist.
Der Schnitt V-V in Fig. 4 ist in Fig. 5 dargestellt und zeigt den Querschnitt von Fig. 4 für die Verankerung eines Drahtes, einer Litze oder eines Stabes 1, 11. In dieser Verankerung 7 kommen zwei Keile 3 mit gerundeten Flächen zum Einsatz.
Die Fig. 6 zeigt eine Verankerung 7 von sieben Zugelementen 1,11 im Längsschnitt. Der Schnitt nach der Linie VII-VII ist in Fig. 7 dargestellt und zeigt den Querschnitt der Verankerung 7.
Hier ist jeder Keil 3 in eine Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 und eine Schicht mit hohem Elastizitätsmodul 31 geteilt. Die Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 ist im Keil 3 beim Spannelement 1, 11 angeordnet und die Schicht mit dem hohen Elastizitätsmodul 31 ist nahe der Gleitfläche mit dem Ankerkörper 2 angeordnet. In Fig. 7 wird das Zugelement 1, 11 mit drei Keilen 3 mit gerundeten Flächen gehalten.
Bei der Verwendung von Lamellen als Zugelement 1, 12 müssen nicht immer mehrere Keile 3 zur Verankerung verwendet werden, siehe Fig. 8. Es kann auch nur ein Keil 3 aus Schichten mit niederen und hohen Elastizitätsmodulen 31, 32,33, der die Lamelle 1,12 gegen eine ebene, parallel zur Lamelle liegenden Schicht 23, die Teil des Ankerkörpers 2 ist, drückt, eingesetzt werden. Der Keil 3 ist hier zusätzlich mit einer Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul und konstanter Dicke 33 ausgeführt um eventuelle Spannungsspitzen, die durch Imperfektionen entstehen könnten ausgeglichen werden. Ebenso weist der Ankerkörper 2 eine Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul und konstanter Dicke 23 nahe der Lamelle 1, 12 auf.
Diese Verankerung 7 bietet besondere Vorteile bei einer nachträglichen Verstärkung eines Tragwerks, da die Verankerung 7 in geringem Abstand von der Bauteiloberfläche eingebaut werden kann und das entstehende Moment auf die
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Verankerung gering gehalten werden kann.
Der Keil 3 kann auch aus mehren Schichten mit niedrigen und hohen Elastizitätsmodulen 31, 32,34, wie in Fig. 9 dargestellt, bestehen, wobei auch hier die Schichten mit niedrigerem Elastizitätsmodul 32,34 eine grössere Dicke im lastnahen Bereich 5 aufweisen und diese nicht alle bis zum lastfernen Bereich 6 geführt werden. In Fig. 10 ist eine Verankerung 7, bei der die Keile 3 aus einer Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 und einer Schicht mit hohem Elastizitätsmodul 31 bestehen, dargestellt. Die Besonderheit hier ist, dass die Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 beim lastnahen Bereich der Schicht mit hohem Elastizitätsmodul 31 die grösste Dicke aufweist, jedoch weiter geführt wird um die Krafteinleitung und auftretende Schwingungsbeanspruchungen besser einleiten zu können.
In Fig. 11ist eine Verankerung 7 mit einem Keil 3 aus einer Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 und hohem Elastizitätsmodul 31 ausgeführt, wobei die Dicke der Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 zur besseren Anpassung des Anpressdrucks nicht linear, sondern nach einer Kurve höherer Ordnung ihre Dicke verändert.
Die Schicht aus Material mit niedrigem Elastizitätsmodul 32,33, 34,22, 23 kann auch durch geometrische Anpassungen wie Poren, Löcher, Hohlräume oder sonstige Ausnehmungen erstellt werden.
Das Erreichen von Schichten mit niederen 32,33, 34,22, 23 und hohen Elastizitätsmodulen 21,31 in einem Ankerkörper 2 oder einem Keil 3 kann durch spezielle Behandlung, wie z. B. durch Erwärmungs- oder Abkühlvorgänge, bei der Herstellung erreicht werden. Dadurch ist Schichten mit veränderlichem Elastizitätsmodul, die entlang der Längsachse 4 des Zugelements 1,11, 12 den gleichen Elastizitätsmodul und im lastnahen Bereich 5 die grösste Dicke aufweisen, herzustellen.
Die Ausführung mit einem Keil 3 aus mindestens einer Schicht mit niedrigem 32 und einer Schicht mit hohen Elastizitätsmodul 31 oder mit einem Ankerkörper 2 aus mindestens einer Schicht mit niedrigem 22 und einer mit hohem Elastizitätsmodul 21 können miteinander kombiniert zur Anwendung kommen. Genauso können die Schichten mit niedrigem Elastizitätsmodul durch geometrische Anpassungen wie Poren, Löcher, Hohlräume oder sonstige Ausnehmungen ergänzt oder ersetzt werden.
Es wird nun beispielhaft die Erfindung für die Verankerung 7 einer CFK-Lamelle 1, 12, die üblicherweise einen Elastizitätsmodul zwischen 165000 und 300000 N/mm2, eine Festigkeit zwischen 1500 und 3500 N/mm2 und eine Dicke von 0. 5 bis 2. 0 mm aufweist, wie in Fig. 1 dargestellt angewandt. Die Schichten mit niedrigem Elastizitätsmodul 32,33 sind aus Kunststoff mit einem Elastizitätsmodul von 5800 N/mm2 und die Schicht mit hohem Elastizitätsmodul 31 und der Ankerkörper 2 aus Stahl mit einem Elastizitätsmodul von 210000 N/mm2 gefertigt. Die Gleitebene schliesst mit der Längsachse 4 des Zugelements 1,12 einen Winkel von 15 ein und die Keillänge parallel zum Zugelement 1, 12 gemessen, beträgt 80 mm. Die Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul 32 weist im lastnahen Bereich 5 eine Dicke von 4 mm und im lastfernen Bereich 6 ein Dicke von 2 mm auf.
Die Dicke der Schicht 32 wird dabei immer normal auf die Längsachse 4 des Zugelements 1,12 gemessen. Bei Erreichen der Festigkeit im Zugelement 1,12 entsteht dann in der Kontaktfläche zwischen Zugelement 1, 12 und Keil 3 ein Anpressdruck der vom lastnahen 5 zum lastfernen Bereich 6 von ca. 80 N/mm2 auf 100 N/mm2 ohne lokale Spannungsspitzen ansteigt. Die Schubspannungen sind auch gleichmässiger verteilt, weisen keine lokalen Spitzen auf und ergeben für einen Reibbeiwert von 0. 3 einen Maximalwert von ca. 45 N/mm2. CFK-Lamellen 1,12 können durchaus höheren Anpressdrücken und Schubspannungen standhalten, weshalb das Versagen des Zugelements in der freien Länge auftritt.
Bezugszeichenliste:
1 Zugelement
11 Zugelement mit kreisförmigem Querschnitt, das als Draht, Stab oder Litze ausgeführt ist
12 Zugelement mit rechteckigem Querschnitt, das als Lamelle ausgeführt ist
2 Ankerkörper
21 Schicht des Ankerkörpers mit hohem Elastizitätsmodul
22 Schicht des Ankerkörpers mit niedrigem Elastizitätsmodul
23 Schicht des Ankerkörpers mit niedrigem Elastizitätsmodul und konstanter Dicke
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3 Keil 31 Schicht des Keiles mit hohem Elastizitätsmodul 32 Schicht des Keiles mit niedrigem Elastizitätsmodul 33 Schicht des Keiles mit niedrigem Elastizitätsmodul und konstanter Dicke 34 Schicht des Keiles mit niedrigem Elastizitätsmodul 4 Längsachse des Zugelements 5 lastnaher Bereich 6 lastferner Bereich 7 Verankerung b Schubspannungsverteilung für Erfindungsgemässe Verankerung c Schubspannungsverteilung für herkömmliche
Keilverankerung
PATENTANSPRÜCHE : 1. Verankerung (7) für zumindest ein vorgespanntes oder belastetes Zugelement (1,11, 12) in der die Zugkraft durch einen oder mehrere Keile (3) auf den Ankerkörper (2) übertragen wird, die mindestens eine Schicht mit niedrigem Elastizitätsmodul (22,23, 32,33, 34) auf- weist, dadurch gekennzeichnet, dass die grösste Dicke mindestens einer Schicht mit nied- rigem Elastizitätsmodul (22,32, 34), gemessen normal zur Längsachse (4) des Zugele- ments (1,11, 12), im lastnahen Bereich (5) der Verankerung (7) auftritt und dass die Dicke dieser Schicht oder Schichten (22,32, 34) zum lastfernen Bereich (6) der Verankerung (7) hin abnimmt.