Die vorliegende Erfindung betrifft eine rohrförmige und/oder stabförmige Konstruktion, insbesondere für Stützen, Masten, Leitungsrohre, ein Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen und/oder stabförmigen Konstruktion sowie ein Verfahren zur Herstellung einer gitter- oder gewebeartigen Bewehrung für eine rohrförmige und/oder stabförmige Konstruktion.
Maste, Stützen etc. aus Schleuderbeton werden schon seit Jahrzehnten fabriziert. Dabei ist es bekannt, dass deren Querschnitte sehr unterschiedlich sein können. Betonquerschnitte, wie sie heute verwendet werden, sind zu mechanisch adäquaten Stahlrohrquerschnitten relativ schwer. Die Ursache dafür sind die hohe Dichte der Stahlbewehrung, die relativ grosse Überdeckung derselben, um den Korrosionsschutz zu gewährleisten, und die mässige Druckfestigkeit des Betons.
Obwohl sich Stahlbetonkonstruktionen, z.B. Betonmasten, Stützen etc., in der Vergangenheit bezüglich Korrosionsschutz gut bewährt haben, übersteigt ihre Masse jedoch wegen der erforderlichen minimalen Betonüberdeckung der Stahlbewehrung in der Regel jene von mechanisch gleichwertigen reinen Stahlkonstruktionen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rohrförmige Konstruktion vorzuschlagen, beispielsweise für die erwähnten rohrförmigen Betonkonstruktionen oder für Rohre aus anderen Konstruktionswerkstoffen, welche verglichen mit den heute verwendeten stahlbewehrten Betonrohren leichter sind und trotzdem über weitgehendst gleichwertige mechanische Festigkeiten verfügen.
Die gestellte Aufgabe wird mittels einer rohrförmigen Konstruktion bzw. einem Vollprofil gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 gelöst.
Ersetzt man die Stahlbewehrung durch eine auf Fasern, wie insbesondere Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- gereckte Polyethylen-, Polypropylen-, Bor-, Polyesterfasern, basierende korrosionsbeständige Bewehrung und den Normalbeton durch Hochleistungsbeton, wird es beispielsweise im Schleuderverfahren möglich, dem Stahlrohrquerschnitt mechanisch gleichwertige und unter Berücksichtigung der Korrosionsbeständigkeit sogar überlegene Betonrohrquerschnitte gegenüberzustellen.
Rohr- oder stabförmige Bauteile aus Kohlenstofffaser- und/oder Glasfaser-verstärktem Hochleistungsbeton sind korrosionsbeständig und bedeutend leichter als bisherige Stahlbetonkonstruktionen. Dieser moderne Werkstoff hat gegenüber Stahl den grossen Vorteil, dass er nicht periodisch einer aufwändigen, die Umwelt belastenden Korrosionsschutzbehandlung unterworfen werden muss.
Die Einsatzmöglichkeiten derartiger rohr- oder stabförmiger Bauteile liegen beispielsweise bei Infrastrukturbauten, wie Masten für Beleuchtungen, Fahrleitungen, Hochspannungsleitungen, Funkmasten etc. Der Vorteil der erfindungsgemäss vorgeschlagenen rohrförmigen Bauteile liegt in ihrem geringeren Gewicht und dadurch in der einfacheren Montage sowie im Fehlen der Notwendigkeit einer Wartung.
Ein weiterer Einsatz liegt bei Gleichstrom-Eisenbahnsystemen, beispielsweise für den Ersatz von Stahlmasten infolge der Kriechstromschäden. Bei Eisenbahnsystemen, welche über ein Gleichstromnetz verfügen, entstehen an den Stahlmasten infolge von Kriechströmen grosse Korrosionsschäden.
Ein weiteres Einsatzgebiet liegt bei Hochspannungsleitungen, da hier die Herstellung von schwach leitenden Masten den Vorteil hat, dass für die Befestigung der Leiterseile einfachere Aufhängungssysteme möglich sind.
Wiederum ein weiteres Einsatzgebiet liegt im Hochbau für das Herstellen von vorfabrizierten Stützen. Der Vorteil liegt in der besseren Brandsicherheit sowie in der Schlankheit der Stützen.
Bei den oben angegebenen Einsatzgebieten handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, welche auf x-beliebige Art und Weise erweitert bzw. ergänzt werden können. So ist es beispielsweise auch möglich, die erfindungsgemäss vorgeschlagenen rohrförmigen Konstruktionen für Rohrleitungen zu verwenden oder für Rohre, beispielsweise bestehend aus einem anderen Werkstoff als Beton. So ist es auch möglich, als Matrix an Stelle von Zement beispielsweise ein Kunstharz, wie Epoxidharz, Polyurethanharz, Polyesterharz und dergleichen, zu verwenden, welches Harz mit x-beliebigen mineralischen oder nichtmineralischen Füllstoffen gefüllt werden kann. Auch Rohre aus Kunstharz mit einer faserförmigen Bewehrung lassen sich mittels Schleudertechnik herstellen.
Bei der faserverstärkten Bewehrung bzw. Verstärkung kann es sich beispielsweise um pultrudierte Glas- und/oder Kohlenstofffasern enthaltende Verstärkungsstäbe handeln, welche vorzugsweise längs verlaufend im Rohr bzw. der rohrförmigen Konstruktion angeordnet sind. Diese Stäbe können sowohl schlaff wie auch vorgespannt in der rohr- oder stabförmigen Konstruktion angeordnet sein.
Die Stäbe können wenigstens entlang von Abschnitten, vorzugsweise an ihren Enden bzw. im Verankerungsbereich, oberflä chenbeschichtet sein, vorzugsweise mit Aluminiumoxid-, Quarzsand- oder anderen stabilen mineralischen oder keramischen Granulaten, welche beispielsweise mit einem epoxidharzartigen Material auf der Oberfläche der Bewehrungsstäbe aufgetragen werden.
Die erwähnten Stäbe sind vorzugsweise weitgehendst gleichmässig verteilt entlang dem Rohrquerschnitt angeordnet und können aussen herum mittels einer Zusatzbewehrung, wie beispielsweise einer gitterförmigen oder ringförmigen Bewehrung, zur Ableitung der Schubkräfte und Verbesserung der Rissverteilung, eingehüllt sein.
Schlussendlich können die Stäbe endständig in konischen Ankerhülsen verankert vorgespannt in der rohr- oder stabförmigen Konstruktion gehalten werden, sei es zeitweise beim Spannbettverfahren oder immer im Spanngliedverfahren.
Bei der Verstärkung bzw. Bewehrung kann es sich aber auch um geflochtene, gewobene oder gewickelte Gitterkörbe aus Fasersträngen, vorzugsweise sogenannten Rovings, handeln. Als Bewehrung eignet sich auch eine Faserwendel bzw. Endlosspirale, welche sich entlang der ganzen Länge der rohrförmigen Konstruktion erstreckt.
Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Verstärkung bzw. Bewehrung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 16 charakterisiert.
Vorgeschlagen wird weiter ein Verfahren zur Herstellung einer rohr- oder stabförmigen Konstruktion, beinhaltend die faserartige Bewehrung bzw. Verstärkung, gemäss dem Wortlaut insbesondere nach Anspruch 17.
Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
Schlussendlich beschrieben werden Verfahren zur Herstellung einer geflochtenen, gewobenen oder gewickelten gitterartigen Bewehrung bzw. Verstärkung, wie sie in einer erfindungsgemäss definierten rohr- oder stabförmigen Konstruktion verwendet wird. Diese Verfahren sind charakterisiert in einem der Ansprüche 19 oder 20.
Näher auf die diversen rohr- oder stabförmigen Konstruktionen, Herstellverfahren der rohr- oder stabförmigen Konstruktionen sowie Herstellverfahren für die Herstellung der Bewehrungen bzw. Verstärkungen wird unter Bezug auf die nachfolgenden Figuren eingegangen. Anhand dieser beispielsweisen Figuren wird die Erfindung nun näher beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Rohrquerschnitt mit einer Stahlbewehrung gemäss Stand der Technik;
Fig. 2 einen Rohrquerschnitt mit einer Bewehrung, bestehend aus faserverstärktem Kunststoff;
Fig. 3a bis 3d rohrförmige Bewehrungen im Quer- bzw. Längsschnitt, beinhaltend eine Längsbewehrung sowie eine Querbewehrung;
Fig. 4 in Perspektive, eine geflochtene gitterartige faserverstärkte Bewehrung;
Fig. 5 einen lose geflochtenen Faserstrumpf für die Herstellung einer Bewehrung gemäss Fig. 4;
Fig. 6a bis 6c schematisch dargestellt, die Herstellung eines faserverstärkten Gitterrohres aus einem geflochtenen Strumpf gemäss Fig. 4 für eine Rohrbewehrung;
Fig. 7a bis 7f verschiedene gewickelte Gitterrohre aus faserverstärktem Kunststoff in Längsansicht;
Fig. 8 im Längsschnitt eine konische Verankerungshülse für das endständige Verankern eines Längsbewehrungsstabes und
Fig. 9 einen mit Granulat beschichteten Bewehrungsstab.
Fig. 1 zeigt einen Rohrquerschnitt eines Rohres 1 min mit einer Stahlbewehrung, umfassend längs im Rohr verlaufende Stahlstäbe 9 min und eine die Stäbe einhüllende Schubbewehrung 11 min . Sowohl innen wie aussen ist die Stahlbewehrung je durch eine Betondeckung 3 min bzw. 5 min als Korrosionsschutz überdeckt.
Demgegenüber zeigt Fig. 2 einen Rohrquerschnitt mit einer faserverstärkten Bewehrung, umfassend einerseits Längsstäbe 9 und eine die Stäbe einhüllende Schubbewehrung 11. Wiederum ist die Bewehrung mit Hochleistungsbeton überdeckt, wobei es auch möglich ist, auf eine Betondeckung gänzlich zu verzichten. Mit einer minimalen Betondeckung wird die Bewehrung aus Kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoff vor dynamischen Einwirkungen geschützt.
Fig. 3a bis Fig. 3d sind heute übliche Bewehrungsmuster für Stahlbeton. Sie eignen sich ebenfalls für Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoff. Dabei zeigt Fig. 3a die Bewehrung gemäss Fig. 2, aufweisend die Längsstäbe 9 sowie eine Querbewehrung 11. Diese Querbewehrung 11 kann beispielsweise, wie in Fig. 3b dargestellt, aus einfachen Querbügeln 11b beste hen, mittels welcher die Längsstäbe 9 aussen verbindend eingehüllt sind.
Es ist aber auch möglich, dass die Querbewehrung aus einer doppelt gewickelten Wendel 11c besteht, wie in Fig. 3c dargestellt.
In Fig. 3d ist eine einseitig verlaufende gewickelte Spirale bzw. Wendel 11d dargestellt, wiederum aussen einhüllend die Längsstäbe 9.
Das relativ teure Kohlenstofffasermaterial muss möglichst sparsam verwendet werden, d.h. die entsprechenden Konstruktionen müssen möglichst optimal ausgebildet sein. Die diagonal verlaufende Bewehrung ist sowohl eine Längsbewehrung wie auch eine Querbewehrung, d.h. übernimmt Biege-Zug-Spannungen sowie Schub aus Querkraft und aus Torsion. Für einen Rohrquerschnitt mit reiner Torsion ist dies, bei einem Achsenwinkel von +/- 45 DEG , die effizienteste Bewehrung. Bei axialem Druck erhöht sich die Betondruckfestigkeit mit einer markanten Duktilitätssteigerung infolge Umschnürungswirkung (confining action).
Bewehrungskörbe gemäss Fig. 3c und Fig. 3d bestehen aus Längsstäben und Querstäben.
Je engmaschiger die Gitterkörbe ausgebildet sind, um so besser ist die Rissverteilung. Mit anderen Worten führen engmaschige Gitterkörbe zu einer möglichst feinen Rissverteilung.
Die korrosionsbeständige Bewehrung aus Kohlenstoff- und/oder Glasfasern lässt eine minimale Betondeckung zu (sowohl aussen wie auch innen) und ermöglicht somit die Herstellung von dünnwandigen Rohrquerschnitten. Die minimale Betondeckung soll die faserverstärkte Bewehrung vor mechanischen Einwirkungen schützen. Die minimale Betonabdeckung muss grösser sein als das grösste Zuschlagskorn, wegen der Verdichtung beispielsweise beim Schleudern beim Herstellen der rohrförmigen Konstruktion. Eine engmaschige Bewehrung ist bei dünnwandigen Rohrquerschnitten aus obigen Gründen vorzuziehen. Bei den in den Fig. 1 bis 3 und nachfolgenden Figuren dargestellten Querschnitten kann es sich selbstverständlich auch um Vollprofile bzw. Stabprofile handeln, da die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Massnahmen nicht auf Rohre beschränkt sind.
In Fig. 4 ist in Längsperspektive ein faserverstärktes Gitterrohr 21 dargestellt, bestehend aus diagonal geflochtenen sogenannten Rovings 23. Selbstverständlich kann es auch aus mehreren Rovings, sogenannten Strängen, geflochten werden. Auf die Herstellung derartig faserverstärkter Gitterrohre wird nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 6a bis 6c Bezug genommen.
Ausgegangen für die Herstellung solch laminierter Gitterrohre aus geflochtenen Strümpfen wird von einem strumpfartigen bzw. schlauchartigen geflochtenen Gewebe, wie in Fig. 5 dargestellt. Dabei bestehen die einzelnen Stränge, wie oben angeführt, aus sogenannten Rovings, aufweisend beispielsweise Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass es sinnvoll sein kann, mehrere Kohlenstofffaserrovings mit Glasfaserfäden zu binden, um zu flechten. Der gemäss Fig. 5 dargestellte Strumpf bzw. Schlauch wird nach dem Flechten auf Rollen aufgespult.
In den Fig. 6a bis 6c ist nun dargestellt, wie der für die Bewehrung zu verwendende Gitterkorb bzw. das Gitterrohr hergestellt wird. Von einer Rolle 27, umfassend den geflochtenen Endlosschlauch bzw. -strumpf 25, wird dieser abgerollt mit gleichzeitigem Überstülpen über eine längs ausgebildete Kernform 29 für die Formgebung. Der Schlauch wird dabei über eine abgerundete Spitze 31 der zylindrischen oder konischen Kernform 29 geschoben. Üblicherweise ist die Kernform aus Holz gefertigt, sie kann aber auch aus Metall oder aus Kunststoff gefertigt sein. Die Kernform 29 wird vorgängig zum Überstülpen mit dem Schlauch mit einer Plastikfolie geschützt oder aber mit einem üblicherweise in der Kunststofftechnik verwendeten Trennmaterial beschichtet, damit ein anschliessend einwandfreies Entformen des Gitterrohres nach dessen Herstellung möglich ist.
Möglich ist beispielsweise auch eine "flaschenförmige" Kernform etc. Ein grosser Vorteil bei komplizierten Formen besteht jeweils darin, dass sich der Strumpf an die jeweilige Form anpasst.
Nach dem Überstülpen öffnet sich der Schlauch 25 zu einer losen flexiblen Gitterform 33 und fällt infolge der Schwerkraft nur dann nach unten, wenn er leicht nach oben nachgeschoben wird. Ein Ziehen des Schlauches über die Kernform funktioniert weder vertikal noch horizontal; der Grund liegt wohl darin, dass beim Ziehen infolge Reibung sofort eine Einschnürung entsteht.
Im Weiteren konnte festgestellt werden, dass Kohlenstofffaserschläuche mit dicken Strängen, da steifer, robuster und weniger filigran, besser über die Form gestülpt werden können als feine. Durch das grössere Eigengewicht rutschen derartige Schläuche auch besser über die Form. Das Stülpen des Faserstrumpfes bzw. -schlauches über die Kernform 29 kann sowohl manuell wie auch maschinell erfolgen.
Nachdem die Gitterform 33 sich entlang der gesamten Oberfläche der Kernform 29 erstreckt, wird der Gitterkorb nun so hergestellt, indem das Gitter 33 mittels eines Harzes, wie beispielsweise Epoxidharz, Polyurethanharz, Polyesterharz und dergleichen, laminiert wird. Nach dem Aushärten des Harzes entsteht somit ein starres Gitterrohr, aufweisend entlang der ganzen Länge eine Gitterstruktur, wie dargestellt beispielsweise in Fig. 6b und bezeichnet mit der Bezugszahl 37. Nach dem Aushärten wird die Kernform 29 entfernt, und die Faserbewehrung für die Herstellung einer erfindungsgemäss definierten rohrförmigen Konstruktion ist somit fertiggestellt. Es bleibt somit nur noch, das Gitterrohr in die gewünschte Länge zu verkürzen.
Beim Herstellen des schlauchförmigen Gittergeflechtes ist es wichtig, bereits die endgültige Geometrie des zu erstellenden Rohres bzw. der Stütze oder des Mastes miteinzubeziehen, da sich selbstverständlich die Geometrie des Gitterkorbes danach zu richten hat. Aus diesem Grunde ist es beispielsweise sinnvoll, die Kernform bereits leicht konisch verlaufend auszubilden, da ja bekanntlich Masten ebenfalls konisch nach oben zusammenverlaufend ausgebildet sind. Bei der Herstellung von Leitungsrohren hingegen ist auf eine konische Ausbildung der Kernform zu verzichten.
Ebenfalls zu beachten ist, dass der Umfang des Schlauches und die Anzahl der Stränge nach dem Überstülpen der Kernform
a) den Steigungswinkel der gegeneinanderlaufenden Stränge bestimmen sowie
b) die Grösse der Gitteröffnungen zwischen den Strängen.
So hat es sich beispielsweise gezeigt, wie in Fig. 6c dargestellt, dass ein Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen von ca. 45 DEG zu bevorzugen ist, wobei selbstverständlich bei konisch verlaufenden Gitterkörben dieser Winkel von unten nach oben variiert bzw. zunimmt.
Die Herstellung der Faserschläuche bzw. -strümpfe erfolgt in der Regel nach herkömmlichen Methoden durch dafür spezialisierte Firmen. Bei der Herstellung von Strängen, bestehend aus mehreren Rovings, können diese eine Grund-Kohlenstofffaserstruktur aufweisen, welche mit einer Glasfaserschnur umwickelt werden. Diese Massnahme hat verschiedene Auswirkungen:
- Durch die Umwicklung der Kohlenstofffaserstränge entstehen relativ steife "Kordeln", welche sich einfacher und unproblematischer über den Formkern legen lassen.
- Werden Stränge mit einer Glasfaserschnur umwickelt, entsteht infolge der Einschnürung eine gerippte Strangoberfläche. Diese führt zu einer verbesserten Haftung bzw. zu einer verkürzten Verankerungslänge im Beton.
In den Fig. 7a bis 7f sind verschiedene Ausführungsvarianten von gewickelten, faserverstärkten Gitterrohren dargestellt, welche beispielsweise mittels Wickelmaschinen hergestellt sind. Das Wickeln von harzgetränkten Kohlenstoff- und/oder Glasfasern erfolgt in der Regel auf einen Wickelkern, welcher wiederum vorzugsweise mit einem Trennmittel beschichtet ist. Der Vorteil des Wickelns liegt in der maschinellen Herstellung und damit in der Herstellung von reproduzierbar exakten Formen. Es können lange Fasern verwendet werden. Auch der Fasereinsatz ist optimaler, da eine gezielte Winkeleinstellung je nach statischer Beanspruchung möglich ist. Die Gitteröffnung ist gezielt in Grösse bzw. Geometrie beeinflussbar. Schlussendlich ist es möglich, Aussparungen, Querschnittsverengungen etc. direkt beim Wickelprozess zu berücksichtigen.
In Fig. 7a ist ein gewickeltes Gitterrohr dargestellt, aufweisend diagonale Gitterstränge mit einem Gangwinkel von 45 DEG . In Fig. 7b hingegen ist der Gangwinkel relativ flach, und in Fig. 7c weist das Gitterrohr steil angewinkelte Gitterstränge auf.
In Fig. 7d weist das Gitterrohr eine konische Form auf, währenddem das Gitterrohr gemäss Fig. 7e eine Verengung 43 aufweist. In Fig. 7f, schlussendlich, ist eine Aussparung 45 vorgesehen.
Nach dem Wickelvorgang stellt sich das Gitterrohr beispielsweise dadurch ein, dass das in die einzelnen Stränge eingedrungene Harz bei Normaltemperatur aushärtet. Falls es sich um ein heiss härtendes Bindemittel handelt, muss das auf die Wickelform aufgewickelte Gitterrohr nachgetempert werden, um eine Aushärtung des Laminierharzes auszulösen. Nach Aushärten des Laminierharzes bzw. des Bindemittelharzes kann das Gitterrohr wiederum vom Wickelkern entfernt werden und auf die gewünschte Länge verkürzt werden.
Eine weitere Herstellungsmöglichkeit von gitterartigen Bewehrungen besteht beispielsweise im Punktschweissen von sogenannten thermoplastischen faserverstärkten Bändern. Diese Bänder, bestehend aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise mit einem Volumenanteil von 30% bis 40%, verstärkt mit beispielsweise 60 bis 70 Vol.-% Fasern, können durch Aufeinanderlegen, Anpressen und punktuelles Erwärmen der Matrix miteinander verschweisst werden.
Analog der Herstellmethode, dargelegt unter Bezug auf die Fig. 7a bis 7f, können mit dieser Punkt-Schweiss-Technik ebenfalls faserverstärkte Gitterkörbe hergestellt werden.
Wiederum eine weitere Möglichkeit besteht darin, schlaffe oder vorgespannte Längsstäbe mit einer Wendel bzw. mittels einer Spirale einzuhüllen, wobei die Wendel mit faserverstärkten thermoplastischen Bändern, beispielsweise verstärkt mit Kohlenstofffasern, hergestellt werden kann, welche mit der Längsbewehrung punktuell verklebt wird.
Es ist aber auch möglich, eine Wendel aus Faserrovings oder Fasersträngen herzustellen, wobei die Faserrovings auf eine Kernform unter Berücksichtigung des späteren Durchmessers der Längsbewehrung aufgewickelt werden, darauf das Laminieren und Aushärten der Wendel erfolgt, worauf diese entformt wird.
Unter Bezug auf die Fig. 8 und 9 soll nun das Vorspannen von Längsstäben, wie dargestellt in den Fig. 2 und 3, beispielsweise im Wesentlichen bestehend aus Fasern, beschrieben werden. Das Vorspannen von faserverstärkten Stäben ist mit verschiedenen Schwierigkeiten verbunden:
1. Die Verankerung von beispielsweise Kohlenstofffaserstäben in Beton lässt sich bis heute nur mit einer sogenannten "Panierung" befriedigend lösen, wobei eine derartige Oberflächenbeschichtung mit dem Bezugszeichen 51 in Fig. 9 schematisch dargestellt ist. Als geeignete Oberflächenbeschichtung haben sich mineralische und keramische Granulate erwiesen, welche beispielsweise mittels eines Epoxidharzes auf die Kohlenstofffaserdrähte geklebt werden.
2. Die Endverankerung für das Vorspannen der Kohlenstofffaserdrähte erfordert ein spezielles Verankerungssystem, wie beispielsweise in Fig. 8 dargestellt. Da die auf Querkräfte empfindlichen Kohlenstofffaserstäbe nicht durch Klemmen festgehalten werden können, wird die Veranke rungskraft mit einer Keilwirkung in einer zylindrischen Hülse 53 bewerkstelligt. Derartige Verankerungshülsen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung W095/29 308 beschrieben. Auf eine detaillierte Beschreibung derartiger Verankerungshülsen wird an dieser Stelle verzichtet und lediglich auf die oben erwähnte internationale Patentanmeldung verwiesen.
Die Herstellung der erfindungsgemäss definierten rohrförmigen und/oder stabförmigen Konstruktion erfolgt nun vorzugsweise mit dem sogenannten Schleuderverfahren, ein Verfahren, welches auch für Maste etc. mit Stahlbewehrung verwendet wird und sich bestens bewährt hat.
Zunächst wird die untere Schalungshälfte bereitgestellt, gereinigt und beispielsweise mit Schalungsöl bzw. einem Trennmaterial behandelt. Anschliessend wird der vorab beschriebene und vorbereitete Bewehrungskorb bzw. die Verstärkung in diese untere Schalungshälfte eingelegt. Nun erfolgt das Einfüllen des flüssigen bis weichplastischen Betons durch die Bewehrung hindurch in die bereitgestellte untere Schalungshälfte. Selbstverständlich kann an Stelle des Betons auch ein anderes Bindemittel-/Füllstoffgemisch in diese Schalungshälfte eingefüllt werden, wie beispielsweise eine gefüllte Kunstharzmasse.
Daran anschliessend erfolgt das Auflegen der oberen Schalungshälfte mit nachfolgender Verschraubung, Verkeilung etc. mit der unteren Schalungshälfte. Schlussendlich erfolgt die Herstellung des Rohres mit einer Zentrifugalkraft von ca. 30 g bis 50 g (30- bis 50facher Erdbeschleunigung) im Bereich des grössten Radius des Produktes. Nach erfolgter Aushärtung wird das so mittels Schleuderverfahren hergestellte Rohr aus der Schalung entformt.
Wie erwähnt, bedarf es für das Herstellen der Rohre mittels Schleuderverfahren keiner neu entwickelten Einrichtung, sondern es können bewährte und konventionelle Schleudereinrichtungen verwendet werden, wie sie auch für die Herstellung von mit Stahl bewehrten Betonrohren Verwendung finden.
Bei den in den Fig. 2 bis 9 dargestellten Rohren, Bewehrungen und Verstärkungen, Verankerung, Gitterkörben usw. handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, welche dazu dienen, die vorliegende Erfindung näher zu erläutern. Obwohl die Erfindung weitgehendst unter Bezug auf die Herstellung von bewehrten Betonrohren beschrieben ist, ist es selbstverständlich möglich, irgendein für das Herstellen von Rohren oder Stäben verwendetes Material mittels faserverstärkter Bewehrung zu verstärken. So ist auch die vorliegende Erfindung nicht auf runde Querschnitte beschränkt, sondern es lassen sich selbstverständlich auch Rohre oder Stäbe mit eckigen oder ovalen Querschnitten erfindungsgemäss verstärken.
Auch kann es sich beim für die Rohr- oder Stabherstellung verwendeten Material um mineralische Bindemittel, Kunstharze oder teilweise vernetzende thermoplastische Materialien handeln, welche gering oder relativ hoch gefüllt sind, wiederum beispielsweise mittels mineralischer Füllstoffe. Bei der Bewehrung handelt es sich vorzugsweise um eine solche, hergestellt aus Fasern. So ist es auch möglich, beispielsweise metallische Fasern für die Verstärkung zu verwenden und/oder Abmischungen mit den erwähnten Materialien Kohlenstoff und Glas.
Auch ist es an sich unerheblich, ob beispielsweise für die Herstellung der geflochtenen oder gewickelten gewebeartigen Körbe bzw. rohrförmigen Schläuche duroplastische oder teilweise vernetzende thermoplastische Bindemittel verwendet wer den, die geeignete Wahl des vorzugsweise laminierten Bindemittels richtet sich selbstverständlich auch nach der Wahl des Fasermaterials, welches für die Herstellung der Bewehrungsgitter bzw. schlauch- oder rohrförmigen Bewehrungsgewebe verwendet wird.
Erfindungswesentlich ist, dass für die Verstärkung von rohr- oder stabförmigen Konstruktionen eine aus Fasern hergestellte Bewehrung bzw. Verstärkung verwendet wird.
The present invention relates to a tubular and / or rod-shaped structure, in particular for supports, masts, conduits, a method for producing a tubular and / or rod-shaped structure and a method for producing a lattice-like or fabric-like reinforcement for a tubular and / or rod-shaped structure .
Poles, supports, etc. made of centrifugal concrete have been manufactured for decades. It is known that their cross sections can be very different. Concrete cross-sections as they are used today are relatively heavy to mechanically adequate steel tube cross-sections. The reasons for this are the high density of the steel reinforcement, the relatively large coverage of the same to ensure corrosion protection, and the moderate compressive strength of the concrete.
Although reinforced concrete structures, e.g. Concrete masts, supports etc., which have proven their worth in the past with regard to corrosion protection, usually exceed their mass due to the required minimum concrete coverage of the steel reinforcement that of mechanically equivalent pure steel structures.
It is therefore an object of the present invention to propose a tubular construction, for example for the aforementioned tubular concrete structures or for pipes made of other construction materials, which are lighter compared to the steel-reinforced concrete pipes used today and yet have largely equivalent mechanical strengths.
The object is achieved by means of a tubular construction or a full profile according to the wording of claim 1.
If the steel reinforcement is replaced by a polyethylene, polypropylene, boron, polyester fiber based reinforcement based on fibers such as carbon, glass, aramid, and normal concrete by high-performance concrete, it becomes possible, for example, in a centrifugal process, the steel pipe cross section mechanically equivalent and even taking into account the corrosion resistance even superior concrete pipe cross sections.
Tubular or rod-shaped components made of carbon fiber and / or glass fiber reinforced high-performance concrete are corrosion-resistant and significantly lighter than previous reinforced concrete structures. This modern material has the great advantage over steel that it does not have to be periodically subjected to complex, environmentally harmful corrosion protection treatment.
The possible uses of such tubular or rod-shaped components are, for example, in infrastructure buildings, such as masts for lighting, overhead lines, high-voltage lines, radio masts, etc. The advantage of the tubular components proposed according to the invention lies in their lower weight and thus in their easier assembly and in the absence of maintenance .
Another application is in DC railway systems, for example for the replacement of steel poles as a result of leakage current damage. In railway systems that have a direct current network, major damage to the steel poles is caused by leakage currents.
Another area of application is in high-voltage lines, since the production of weakly conductive pylons has the advantage that simpler suspension systems are possible for fastening the conductor cables.
Another area of application is in building construction for the manufacture of prefabricated supports. The advantage lies in better fire safety and the slenderness of the supports.
The areas of application given above are of course only examples which can be expanded or supplemented in any way. For example, it is also possible to use the tubular structures proposed according to the invention for pipelines or for pipes, for example consisting of a material other than concrete. It is also possible, for example, to use a synthetic resin, such as epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin and the like, as a matrix instead of cement, which resin can be filled with any mineral or non-mineral fillers. Pipes made of synthetic resin with fibrous reinforcement can also be produced using centrifugal technology.
The fiber-reinforced reinforcement or reinforcement can be, for example, reinforcing bars containing pultruded glass and / or carbon fibers, which are preferably arranged longitudinally in the tube or the tubular construction. These rods can be slack as well as pre-stressed in the tubular or rod-shaped structure.
The bars can be surface-coated at least along sections, preferably at their ends or in the anchoring area, preferably with aluminum oxide, quartz sand or other stable mineral or ceramic granules, which are applied, for example, to the surface of the reinforcing bars with an epoxy-resin-like material.
The bars mentioned are preferably arranged largely evenly along the pipe cross-section and can be encased on the outside by means of additional reinforcement, such as a lattice-shaped or ring-shaped reinforcement, for deriving the shear forces and improving the crack distribution.
Finally, the rods can be anchored at the end in conical anchor sleeves, pre-stressed in the tubular or rod-shaped construction, be it temporarily with the prestressed bed method or always with the tendon method.
The reinforcement or reinforcement can also be braided, woven or wound lattice baskets made of fiber strands, preferably so-called rovings. A fiber spiral or endless spiral, which extends along the entire length of the tubular construction, is also suitable as reinforcement.
Further preferred design variants of the reinforcement or reinforcement according to the invention are characterized in the dependent claims 2 to 16.
A method is also proposed for producing a tubular or rod-shaped structure, comprising the fibrous reinforcement or reinforcement, according to the wording, in particular according to claim 17.
Preferred embodiment variants of the method according to the invention are characterized in the dependent claims.
Finally, methods are described for producing a braided, woven or wound lattice-like reinforcement or reinforcement, such as is used in a tubular or rod-shaped construction according to the invention. These methods are characterized in one of the claims 19 or 20.
The various figures refer to the various tubular or rod-shaped constructions, manufacturing methods of the tubular or rod-shaped constructions and manufacturing methods for the production of the reinforcements or reinforcements. The invention will now be described in more detail with reference to these exemplary figures.
Show:
1 shows a pipe cross section with a steel reinforcement according to the prior art.
Figure 2 shows a pipe cross section with a reinforcement consisting of fiber-reinforced plastic.
3a to 3d tubular reinforcements in cross or longitudinal section, including a longitudinal reinforcement and a transverse reinforcement;
Fig. 4 in perspective, a braided lattice-like fiber-reinforced reinforcement;
5 shows a loosely braided fiber stocking for the production of a reinforcement according to FIG. 4;
6a to 6c schematically illustrate the production of a fiber-reinforced lattice tube from a braided stocking according to FIG. 4 for a tube reinforcement;
7a to 7f different wound grid tubes made of fiber-reinforced plastic in a longitudinal view;
Fig. 8 in longitudinal section a conical anchoring sleeve for the final anchoring of a longitudinal reinforcement bar and
Fig. 9 a reinforcement bar coated with granules.
1 shows a tube cross section of a tube 1 min with a steel reinforcement, comprising steel rods 9 min. Running longitudinally in the tube and a shear reinforcement enveloping the rods 11 min. Both inside and outside, the steel reinforcement is covered by a concrete cover for 3 min or 5 min as corrosion protection.
In contrast, FIG. 2 shows a pipe cross section with a fiber-reinforced reinforcement, comprising, on the one hand, longitudinal bars 9 and a shear reinforcement 11 enveloping the bars. Again, the reinforcement is covered with high-performance concrete, it also being possible to dispense entirely with a concrete cover. With a minimal concrete cover, the reinforcement made of carbon fiber reinforced plastic is protected from dynamic influences.
3a to 3d are common reinforcement patterns for reinforced concrete today. They are also suitable for carbon fiber reinforced plastic. 3a shows the reinforcement according to FIG. 2, comprising the longitudinal bars 9 and a transverse reinforcement 11. This transverse reinforcement 11 can, for example, as shown in FIG. 3b, consist of simple transverse brackets 11b, by means of which the longitudinal bars 9 are enveloped to connect them to the outside .
However, it is also possible for the transverse reinforcement to consist of a double-wound helix 11c, as shown in FIG. 3c.
3d shows a one-sided wound spiral or helix 11d, again enveloping the longitudinal rods 9 on the outside.
The relatively expensive carbon fiber material must be used as sparingly as possible, i.e. the corresponding constructions must be as optimal as possible. The diagonal reinforcement is both a longitudinal reinforcement and a transverse reinforcement, i.e. takes over bending-tensile stresses as well as shear from shear force and from torsion. For a pipe cross section with pure torsion, this is the most efficient reinforcement with an axis angle of +/- 45 °. With axial pressure, the concrete compressive strength increases with a marked increase in ductility as a result of the confining action.
Reinforcement cages according to Fig. 3c and Fig. 3d consist of longitudinal bars and cross bars.
The more closely meshed the baskets are, the better the crack distribution. In other words, close-meshed mesh baskets result in the finest possible crack distribution.
The corrosion-resistant reinforcement made of carbon and / or glass fibers allows minimal concrete cover (both outside and inside) and thus enables the production of thin-walled pipe cross sections. The minimal concrete cover is intended to protect the fiber-reinforced reinforcement from mechanical influences. The minimum concrete cover must be larger than the largest aggregate grain, due to the compression, for example, when spinning when manufacturing the tubular structure. Close-meshed reinforcement is preferred for thin-walled pipe cross sections for the above reasons. The cross sections shown in FIGS. 1 to 3 and subsequent figures can of course also be full profiles or rod profiles, since the measures proposed according to the invention are not limited to pipes.
4 shows a fiber-reinforced lattice tube 21 in a longitudinal perspective, consisting of diagonally braided so-called rovings 23. Of course, it can also be braided from several rovings, so-called strands. The manufacture of fiber-reinforced lattice tubes of this type is referred to below with reference to FIGS. 6a to 6c.
The starting point for the production of such laminated lattice tubes from braided stockings is a stocking-like or tubular braided fabric, as shown in FIG. 5. The individual strands, as mentioned above, consist of so-called rovings, for example comprising carbon fibers and / or glass fibers. In practice, it has been shown that it can make sense to tie several carbon fiber rovings with glass fiber threads in order to braid. The stocking or hose shown in FIG. 5 is wound up on rolls after braiding.
FIGS. 6a to 6c now show how the mesh basket or the mesh tube to be used for the reinforcement is produced. A roll 27, comprising the braided endless hose or stocking 25, unrolls it with simultaneous slipping over a longitudinally shaped core shape 29 for shaping. The tube is pushed over a rounded tip 31 of the cylindrical or conical core shape 29. The core shape is usually made of wood, but it can also be made of metal or plastic. The core mold 29 is previously protected with a hose with a plastic film for covering, or else coated with a separating material that is usually used in plastics technology, so that a subsequently perfect demolding of the space tube is possible after its manufacture.
For example, a "bottle-shaped" core shape is also possible. A great advantage with complicated shapes is that the stocking adapts to the respective shape.
After being slipped on, the hose 25 opens into a loose, flexible lattice form 33 and, due to the force of gravity, only falls down when it is pushed slightly upwards. Pulling the hose over the core shape does not work vertically or horizontally; the reason is probably that a constriction occurs immediately when pulling due to friction.
It was also found that carbon fiber hoses with thick strands, since they are stiffer, more robust and less filigree, can be slipped over the form better than fine ones. Due to the greater weight, such hoses also slide better over the form. The fiber stocking or tube can be placed over the core shape 29 both manually and mechanically.
After the grid mold 33 extends along the entire surface of the core mold 29, the grid basket is now made by laminating the grid 33 using a resin such as epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin and the like. After curing of the resin, a rigid lattice tube is thus produced, having a lattice structure along the entire length, as shown, for example, in FIG. 6b and designated by the reference number 37. After curing, the core mold 29 is removed, and the fiber reinforcement for the production of an inventive defined tubular construction is thus completed. The only thing left is to shorten the trellis tube to the desired length.
When manufacturing the tubular mesh, it is important to include the final geometry of the pipe, the support or the mast to be created, since the geometry of the mesh basket must of course be based on this. For this reason it makes sense, for example, to design the core shape to be slightly conical, since, as is well known, masts are also designed to converge conically upwards. In contrast, in the manufacture of conduit pipes, the conical shape of the core shape must be avoided.
It should also be noted that the circumference of the tube and the number of strands after putting on the core shape
a) determine the pitch angle of the opposing strands and
b) the size of the grid openings between the strands.
It has been shown, for example, as shown in FIG. 6c, that an angle of inclination of approximately 45 ° relative to the horizontal is preferred, with this angle of course varying or increasing from bottom to top in the case of conical mesh baskets.
The manufacture of fiber hoses and stockings is usually carried out according to conventional methods by specialized companies. When producing strands consisting of several rovings, these can have a basic carbon fiber structure, which is wrapped with a glass fiber cord. This measure has various effects:
- The wrapping of the carbon fiber strands creates relatively stiff "cords" which can be placed over the mold core more easily and without problems.
- If strands are wrapped with a glass fiber cord, the ribbed strand surface results from the constriction. This leads to an improved adhesion or to a shorter anchoring length in the concrete.
7a to 7f show different design variants of wound, fiber-reinforced lattice tubes, which are produced, for example, by means of winding machines. Resin-impregnated carbon and / or glass fibers are generally wound on a winding core, which in turn is preferably coated with a release agent. The advantage of winding lies in the mechanical production and thus in the production of reproducibly exact shapes. Long fibers can be used. The fiber use is also more optimal, since a targeted angle adjustment is possible depending on the static load. The size or geometry of the grille opening can be influenced in a targeted manner. Finally, it is possible to take gaps, cross-sectional constrictions etc. directly into account in the winding process.
In Fig. 7a, a coiled lattice tube is shown, having diagonal lattice strands with a pitch angle of 45 °. In FIG. 7b, on the other hand, the pitch angle is relatively flat, and in FIG. 7c the grating tube has grating strands that are steeply angled.
In FIG. 7d the lattice tube has a conical shape, while the lattice tube according to FIG. 7e has a constriction 43. 7f, finally, a recess 45 is provided.
After the winding process, the trellis tube is set, for example, by the resin which has penetrated into the individual strands curing at normal temperature. If it is a hot-curing binder, the lattice tube wound on the winding form must be re-annealed to trigger curing of the laminating resin. After the lamination resin or the binder resin has hardened, the lattice tube can in turn be removed from the winding core and shortened to the desired length.
Another possibility for producing lattice-like reinforcements is spot welding of so-called thermoplastic fiber-reinforced strips. These tapes, consisting of a thermoplastic material, for example with a volume fraction of 30% to 40%, reinforced with, for example, 60 to 70% by volume of fibers, can be welded to one another by laying them on, pressing them on and heating them in places.
Analogous to the manufacturing method, shown with reference to FIGS. 7a to 7f, fiber-reinforced mesh baskets can also be produced with this spot welding technique.
Another possibility is to encapsulate slack or prestressed longitudinal bars with a helix or by means of a spiral, the helix being able to be produced with fiber-reinforced thermoplastic tapes, for example reinforced with carbon fibers, which are glued to the longitudinal reinforcement at certain points.
However, it is also possible to produce a helix from fiber rovings or fiber strands, the fiber rovings being wound onto a core shape, taking into account the later diameter of the longitudinal reinforcement, whereupon the helix is laminated and hardened, after which it is removed from the mold.
With reference to FIGS. 8 and 9, the prestressing of longitudinal bars, as shown in FIGS. 2 and 3, for example essentially consisting of fibers, will now be described. Tensioning fiber-reinforced bars is associated with various difficulties:
1. The anchoring of, for example, carbon fiber rods in concrete can to this day only be satisfactorily solved with a so-called "breading", such a surface coating being shown schematically with reference number 51 in FIG. Mineral and ceramic granules, which are glued to the carbon fiber wires using an epoxy resin, for example, have proven to be a suitable surface coating.
2. The end anchoring for the prestressing of the carbon fiber wires requires a special anchoring system, as shown for example in FIG. 8. Since the carbon fiber rods sensitive to transverse forces cannot be held by clamping, the anchoring force is accomplished with a wedge effect in a cylindrical sleeve 53. Such anchoring sleeves are known from the prior art, as described, for example, in international patent application W095 / 29 308. A detailed description of such anchoring sleeves is omitted here and only reference is made to the international patent application mentioned above.
The tubular and / or rod-shaped construction defined according to the invention is now preferably produced using the so-called centrifugal process, a process which is also used for masts etc. with steel reinforcement and has proven itself to be very effective.
First, the lower half of the formwork is provided, cleaned and treated with formwork oil or a separating material, for example. The previously described and prepared reinforcement cage or reinforcement is then placed in this lower half of the formwork. Now the liquid to soft plastic concrete is poured through the reinforcement into the provided lower half of the formwork. Of course, instead of the concrete, another binder / filler mixture can be poured into this formwork half, such as a filled synthetic resin compound.
The upper half of the formwork is then attached, followed by screwing, wedging, etc. with the lower half of the formwork. Finally, the tube is manufactured with a centrifugal force of approx. 30 g to 50 g (30 to 50 times gravitational acceleration) in the area of the largest radius of the product. After curing, the tube produced in this way using a centrifugal process is removed from the formwork.
As mentioned, no newly developed equipment is required for the production of the pipes by means of centrifugal processes, but proven and conventional centrifugal devices can also be used, as are also used for the production of steel pipes reinforced with concrete.
The pipes, reinforcements and reinforcements, anchoring, mesh baskets, etc. shown in FIGS. 2 to 9 are of course only examples which serve to explain the present invention in more detail. Although the invention has been largely described with reference to the manufacture of reinforced concrete pipes, it is of course possible to reinforce any material used for the manufacture of pipes or bars by means of fiber reinforced reinforcement. Thus, the present invention is not limited to round cross sections, but of course tubes or rods with angular or oval cross sections can also be reinforced according to the invention.
The material used for pipe or rod production can also be mineral binders, synthetic resins or partially crosslinking thermoplastic materials which are filled to a low or relatively high degree, again, for example, by means of mineral fillers. The reinforcement is preferably one made of fibers. It is also possible, for example, to use metallic fibers for the reinforcement and / or mixtures with the materials carbon and glass mentioned.
It is also in itself irrelevant whether, for example, for the production of the braided or wound fabric-like baskets or tubular hoses, thermosetting or partially crosslinking thermoplastic binders are used, the suitable choice of the preferably laminated binder also depends, of course, on the choice of the fiber material is used for the production of the reinforcement mesh or tubular or tubular reinforcement mesh.
It is essential to the invention that reinforcement or reinforcement made of fibers is used for the reinforcement of tubular or rod-shaped structures.