CH696767A5 - Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an CFK-Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt sowie zugehörige CFK-Verstärkungsstäbe. - Google Patents

Description

  [0001] Diese Erfindung betrifft eine mechanische Klemm- und Spannhalterung für kohlefaserverstärkte Verstärkungsstäbe, welche einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und temporär gespannt werden sollen, sowie zu dieser Klemm- und Spannhalterung zugehörige Verstärkungsstäbe. Bei den Verstärkungsstäben ist vornehmlich an kohlefaserverstärkte Kunststoff-Verstärkungsstäbe gedacht, die als CFK-Verstärkungsstäbe bezeichnet werden, und welche zur Aufnahme von besonders grossen Zugkräften bei niedrigem Gewicht und geringer Dicke geeignet sind. Solche Verstärkungsstäbe auf Kohlefaser-Basis weisen ausserdem den Vorteil auf, dass sie absolut korrosionsfest sind. Mit all ihren Eigenschaften können sie hervorragend zum Armieren und Vorspannen von Betonteilen eingesetzt werden.

   Die technischen Probleme beim Einsatz solcher Verstärkungsstäbe bestehen darin, dass solche im Querschnitt kreisrunde Stäbe nicht wie Armierungs-Stahlstäbe endseitig einfach gekrümmt oder lokal plastisch verformt werden können, um eine Verkrallung mit dem Beton zu erzielen oder um über eine konventionelle Vorrichtung gespannt zu werden. Es handelt sich bei diesen Stäben auf Kohlefaserbasis nämlich um kerzengerade Stäbe mit glatter Oberfläche, und wenn solche zur Verstärkung und Vorspannung einbetoniert werden sollen, so besteht die Problematik darin, die von diesen Stäben aufbringbaren enormen Zugspannungen über irgendwelche temporär einsetzbaren Halterungs- und Spannmittel auf das damit zu verstärkende und vorzuspannende Betonteil zu übertragen und die wirkende Spannkraft während 1 bis 7 Tagen aufrechtzuerhalten.

   Weil die Verstärkungsstäbe glatte Oberflächen aufweisen, erschwert das zusätzlich die Übertragung hoher Zugkräfte auf den sie zu umgiessenden Beton. Viele Betonteile werden nicht bloss armiert, sondern nach dem Aushärten gezielt vorgespannt. Sie erweisen sich dann als viel weniger anfällig für Rissbildungen und es können mit solchermassen vorgespanntem Beton sehr steife, schlanke und formstabile Gebilde hergestellt werden.

[0002] Wenn für das Armieren oder Vorspannen in herkömmlicher Weise Armierungsstahl-Stäbe eingesetzt werden, so erfordern diese wegen der Korrosionsgefahr eine erhebliche Dicke an Überdeckung mit Beton, was die Dimensionierung der herzustellenden Gebilde mitbeeinflusst. Doch auch dann kann die Korrosionsgefahr nicht restlos gebannt werden.

   Könnte man Kohlefaser-Verstärkungsstäbe einsetzen, so wären dieselben bei gleicher Zugkraft viel weniger dick und weniger schwer, müssten wegen ihrer Korrosionsfreiheit viel weniger dick mit Beton überdeckt werden und würden somit bei gleichen Stabilitätswerten schlankere, leichtere und absolut dauerhafte Konstruktionen ermöglichen.

[0003] Als Beispiel für vorgespannte Betonbauteile seien etwa Kandelaber (Lichtmasten) erwähnt. Solche Kandelaber für den Einsatz im Apron-Bereich von Flughäfen erreichen stattliche Höhen von bis zu 60 m. Sie bestehen aus mehreren Stössen, welche miteinander verflanscht werden. Die einzelnen Stösse werden durch Zentrifugieren von Schleuderbeton in einer Form hergestellt, welche die Aussenkontur des Kandelabers als Negativform bildet.

   Durch das Zentrifugieren drängt der zuvor in die Form gefüllte Schleuderbeton an die Aussenwand der Form. Es bildet sich längs der Drehachse ein Hohlraum und durch das Aushärten schliesslich ein rohrförmiger Kandelaber oder Mast. Damit dieser Kandelaber oder Mast besonders steif und stabil wird, legt man in denjenigen Teil der Form, der vom Beton eingenommen wird, eine Armierung aus Stahl. Es handelt sich bei dieser Armierung um eine Anzahl Stahlstäbe, die sich in etwa axialer Richtung im Innern der Aussenwand längs des zu formenden Kandelabers erstrecken.

   Vor dem Aushärten des Betons können die Stahlstäbe mechanisch, etwa mittels Spannmitteln mit Schraubgewinden, vorgespannt werden, um nach dem Erhärten des Betons die Spannkräfte direkt aufzunehmen und auf das Betonbauteil zu übertragen.

[0004] Wenn nun diese Spannstäbe besonders dünn ausgeführt sein könnten, und ausserdem korrosionsfrei wären, wie das bei Verstärkungsstäben auf Kohlefaser-Basis der Fall ist, so könnten diese Kandelaber schlanker, leichter und erst noch ohne jegliche Korrosionsgefahr hergestellt werden, was deren Lebensdauer zuträglich wäre. Selbstverständlich würde der Einsatz von Verstärkungsstäben auf Kohlefaser-Basis viele weitere Anwendungen ermöglichen. Betonmasten wurden hier bloss als ein mögliches und sehr offensichtliches Beispiel erwähnt.

   Das Problem beim Einsatz von Kohlefaser-Verstärkungsstäben besteht grundsätzlich darin, diese temporär endseitig sicher zu verankern und die enormen Zugkräfte zuverlässig auf das vorzuspannende Betonteil zu übertragen.

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Klemm- und Spannhalterung für Verstärkungsstäbe aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) anzugeben, welche an beliebiger Stelle eines Verstärkungsstabes mit demselben verklemmbar ist und dort temporär die Aufnahme hoher Zugkräfte erlaubt. Zu dieser Klemm- und Spannhalterung gehören spezielle CFK-Verstärkungsstäbe, welche unter Zusammenwirkung mit derselben die gewünschten Spannkräfte ermöglichen.

   Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, solche für diese Klemm- und Spannhalterung geeignete kohlefaserverstärkte Kunststoff-Verstärkungsstäbe anzugeben.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst von einer Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an kohlefaserverstärkten Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemm- und Spannhalterung aus einer Hülse besteht, die einen Innenkonus bildet, sowie aus einem Klemmstück, welches einen in den Innenkonus der Hülse einsteckbaren Aussenkonus bildet und aus mindestens drei Klemmbacken zusammengesetzt ist, die je ein Konussegment bilden, welche Konussegmente den Verstärkungsstab unter Freilassung radialer Spalten zu umfassen bestimmt sind,

   wobei sie auf ihrer Innenseite ein Zylinderwandsegment mit kleinerem Radius als jenem des Querschnittes des Verstärkungsstabes aufweisen, sowie dass die zugehörigen Verstärkungsstäbe eine Oberfläche aus einer keramischen Sandbeschichtung aufweisen.

[0007] In den Figuren ist die Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz mit einem zugehörigen Verstärkungsstab dargestellt. Sie wird nachfolgend anhand dieser Figuren beschrieben und ihre Funktion wird erklärt.

[0008] Es zeigt:
<tb>Fig. 1:<sep>die Klemm- und Spannhalterung für temporären Einsatz mit dem zugehörigen Verstärkungsstab in einer perspektivischen Ansicht in Anwendungslage dargestellt;


  <tb>Fig. 2:<sep>die Klemm- und Spannhalterung für temporären Einsatz mit dem zugehörigen Verstärkungsstab in einem Längsschnitt längs der Achse des Verstärkungsstabes in Anwendungslage gesehen.

[0009] [0008] Die Fig. 1 zeigt die Klemm- und Spannhalterung in Anwendungslage bei ihrem temporären Einsatz in perspektivischer Darstellung, wobei hier der Verstärkungsstab noch nicht vorgespannt wurde. Die Halterung schliesst eine Hülse ein, hier in Form einer Stahlhülse 1, die einen hier nicht sichtbaren Innenkonus aufweist. In diesem Innenkonus steckt das Klemmstück 2, welches einen Aussenkonus bildet und hier noch aus der Hülse 1 herausragt. Dieses Klemmstück 2 besteht hier aus drei gleichgrossen Klemmbacken 3 in Form von Konus-Segmenten, die sich je um fast 120 deg. des Konus-Umfanges erstrecken.

   In ähnlicher Weise können auch vier Klemmbacken zum Einsatz kommen, die sich dann je um fast 90 deg. erstrecken, oder noch eine grössere Anzahl Klemmbacken. Diese Klemmbacken 3 umschliessen im Zentrum den Verstärkungsstab 4. Sie bilden auf ihrer Innenseite je einen Ausschnitt einer Zylinder-Innenwand 5, mit welcher sie satt auf dem Verstärkungsstab 4 aufliegen. Der Radius dieser Zylinderwände ist vorteilhaft um 10% kleiner als der Radius des Verstärkungsstabes 4. Zwischen den einzelnen Klemmbacken 3 bleibt stets ein ganz feiner Spalt 6 frei.

   Die Klemmbacken 3 setzen sich also bei sattem Anliegen auf dem Verstärkungsstab 4 nicht vollständig zu einem umlaufenden Konus zusammen, sondern lassen ein ganz minimales Spiel übrig, sodass sie auch in diesem Zustand immer noch durch Verspannen gegen das Zentrum hin eine Druck- und somit Klemmkraft auf den Verstärkungsstab 4 aufbringen können. Damit das Klemmstück 2 im Nichtgebrauchszustand nicht auseinanderfällt, weist es eine umlaufende Nut 12 auf, in welcher ein Haltering 13 verläuft, welcher die drei Klemmbacken 3 lose zusammenhält. Das Verspannen der Klemmbacken 3 gegen den Verstärkungsstab 4 hin erfolgt durch Überziehen des Klemmstückes 2 mit der Spannhülse 1, wobei dann das Klemmstück 2 im Innern der Spannhülse 1 verschwindet.

   Die Spannhülse 1 kann hierzu mit einem Aussengewinde 7 versehen sein, sodass eine Überwurfmutter 8, die auf einer Widerlager-Platte 9 lagert, sich beim Verdrehen auf dieser Platte 9 abstützt. Hinter der Widerlager-Platte 9 sind mehrere hydraulische Pressen 11 angeordnet, welche zwischen der Widerlagerplatte 9 und der Aussenseite der Form 10 wirken, in welcher das Betonteil 14 geformt wird. Die Überwurfmutter 8 wird bei eingefahrenen hydraulischen Pressen 11 festgezogen und nach dem Einfüllen von Beton in die Form werden die Hydraulikpressen 11 betätigt und drücken dabei die Widerlagerplatte 9 und Form 10 voneinander weg.

   Bis der Beton 14 ausgehärtet ist, muss die Klemm- und Spannhalterung die auf die Verstärkungsstäbe wirkenden Zugkräfte aufnehmen und an die Widerlager-Platte 9 abgeben.

[0010] Die Klemmbacken 3 des Klemmstückes 2 sind aus einem ganz speziellen Material hergestellt, nämlich aus einem mit Keramik versetzten Thermoplast, wodurch dieser Thermoplast kriechstabil und härter wird. Vorzugsweise werden 40 oder mehr Volumen-% Siliziumoxid mit Polyphenylensulfid (PPS) als Thermoplast gemischt. Dieser mit Keramik angereicherte Thermoplast weist dann einen Endwert des Elastizitätsmoduls E (bei t =     und einem Spannungsbereich sigma  = +- 100 MPa) von mehr als 10 000 MPa auf und ausserdem eine Kugeldruckhärte > 300 MPa.

   Diese materialspezifischen Werte erweisen sich als kardinal für das Erzeugen einer hinreichenden Klemm- und Spannkraft, die temporär über 1 bis 7 Tage aufgenommen wird.

[0011] In Fig. 2 sieht man die Klemm- und Spannhalterung mit dem zugehörigen Verstärkungsstab 4 in einem Längsschnitt längs der Achse des Verstärkungsstabes 4 gesehen, welcher selbst von der Seite her gesehen gezeigt ist, also nicht in einem Längsschnitt. Zunächst erkennt man, dass der Verstärkungsstab 4, hier ein kohlefaserverstärkter Kunststoffstab (CFK-Stab) 4 mit einem keramischen Granulat beschichtet ist. Als solches Granulat eignet sich ein Sand mit einem mittleren Korndurchmesser des Sandes von 1/10+-3/100 des Durchmessers des unbeschichteten kohlefaserverstärkten Kunststoffstabes.

   Der Stab 4 ist dabei praktisch lückenlos von diesem Granulat bedeckt und die einzelnen Körner bewirken, dass sich die Klemmbacken 3 mit ihren zylindrischen Innenflächen 5 mit diesen Körnern verkrallen und sich die Körner in gleicher Weise mit dem Verstärkungsstab 4 verkrallen. Diese Sandbeschichtung dient dem Erreichen einer gewissen Oberflächenrauigkeit des sonst glatten CFK-Verstärkungsstabes 4. Die Härte des Beschichtungsgranulats muss den Härtegrad 7 in der Mohs'schen Härteskala erreichen oder überschreiten. Der Verstärkungsstab 4 wurde hier zunächst von links nach rechts in eine Widerlagerplatte 9 eingeführt, welche Teil eines Spannbettes ist.

   Anschliessend wurde die Klemm- und Spannhülse 1 von links nach rechts über den Verstärkungsstab 4 gestülpt und hernach wurde das Klemmstück 2 in gleicher Richtung übergestülpt und dann mit leichtem Anpressdruck in den nach aussen bzw. hier nach links offenen Innenkonus 15 der Klemm- und Spannhülse 1 gesteckt. Die Aussenseite der Klemmhülse 1 bildet vorteilhaft ein Aussengewinde 7, über welches sodann eine hier nicht dargestellte Überwurfmutter geschraubt werden kann, die sich dann an die Widerlager-Platte 9 abstützt. Wird die Widerlagerplatte 9 nach links gezogen, so wird die Spannhülse 1 in der Zeichnung nach links verschoben und verspannt dabei das Klemmstück 2.

   Die infolge der Konizität von Hülse 1 und Klemmstück 2 wirkendenden Reaktionskräfte bewirken einen radialen Druck der Klemmbacken 3 auf den Verstärkungsstab 4, sodass mit zunehmender Zugkraft in Richtung gegen links in der Zeichnung die auf den Verstärkungsstab 4 wirkende Klemmkraft mitwächst. Wie man in der Zeichnung erkennt, ist der Winkel, welcher den vom Klemmstück 2 gebildeten Konus insgesamt einschliesst, wenig grösser als der den Innenkonus 15 an der Hülse 1 einschliessende Winkel. Der einschliessende Konuswinkel des Klemmstückes ist um 0.5 deg. bis 1.5 deg. grösser ausgelegt bzw. die Konusflächen weichen um einen Winkel von 1  +-0.5 deg. voneinander ab. Durch die gegen aussen zunehmende Zugkraft der Klemm- und Spannhülse 1 wird deshalb am hinteren bzw. äusseren Ende des Klemmstückes 2 eine grössere Druck- bzw. Klemmkraft auf den Verstärkungsstab 4 bewirkt.

   Diese Druckkraft nimmt gegen das vordere Ende des Klemmstückes 2 nach und nach ab. Damit wird die gesamte wirkende Zug- und Klemmkraft zwischen dem Verstärkungsstab 4 und dem Klemmstück 2 bzw. den Klemmbacken 3 über die axiale Länge des Klemmstückes 2 günstig verteilt. Damit sich die Klemmbacken 3 längs des Innenkonus 15 an der Klemm- und Spannhülse 1 leicht verschieben können, wird die Innenoberfläche der Stahlhülse mit Fett beschichtet. Das sichert ein stetiges und gleichmässiges Einziehen des mehrteiligen Klemmstückes 2 bzw. dessen Klemmbacken 3.

[0012] Die mit einer solchen Klemm- und Spannhalterung mit zugehörigem Verstärkungsstab 4 erzielbare Ziehgeschwindigkeit des CFK-Verstärkungsstabes beträgt zwischen 5 kN/min und 10 kN/min.

   Bei einer solchen aufgebrachten Ziehbelastung des CFK-Verstärkungsstabes erfolgt eine praktisch form- und kraftschlüssige mechanische Halterung des gezogenen Verstärkungsstabes über die sich verkeilenden Konusbacken 3 des mehrteiligen Klemmstückes 2. Die sich in der Spannhülse 1 bei Ziehbelastung nach innen bewegenden Konusbacken 3 üben gleichzeitig einen radialen Druck auf den Stab 4 aus, der zur Aktivierung der Haftung der rauen Staboberfläche auf den Innenseiten der Konusbacken 3 notwendig ist. Die Verkrallung des in der Härte und Korngrösse präzise definierten Beschichtungsgranulats in die Konusbacken 3 unterstützt die Haltewirkung des gezogenen und sich elastisch deformierenden CFK-Verstärkungsstabes. Bei einem Verstärkungsstab von 4.2 mm Durchmesser misst das Klemmstück in der Länge typischerweise 36 mm und der grösste Durchmesser beträgt 28 mm.

   Die damit erzielbare temporäre Spannkraft beträgt dauerhaft ca. 20 kN. Diese Spannkraft wird typischerweise 1 bis 7 Tage im Spannbett über die beschriebene mechanische Klemm- und Spannhalterung aufrechterhalten. Danach erfolgt das Übertragen dieser Spannkraft auf den erhärteten Beton durch zum Beispiel hydraulische Entlastung des Spannbettes. Das Betonbauteil ist somit durch die CFK-Verstärkungsstäbe verstärkt und vorgespannt.

Claims (10)

1. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an kohlefaserverstärkten Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemm- und Spannhalterung aus einer Hülse (1) besteht, die einen Innenkonus (15) bildet, sowie aus einem Klemmstück (2), welches einen in den Innenkonus (15) der Hülse (1) einsteckbaren Aussenkonus bildet und aus mindestens drei Klemmbacken (3) zusammengesetzt ist, die je ein Konussegment bilden, welche Konussegmente den Verstärkungsstab (4) unter Freilassung radialer Spalten (6) zu umfassen bestimmt sind, wobei sie auf ihrer Innenseite ein Zylinderwandsegment (5) mit kleinerem Radius als jenem des Querschnittes des Verstärkungsstabes (4) aufweisen, sowie dass die zugehörigen Verstärkungsstäbe (4) eine Oberfläche aus einer keramischen Sandbeschichtung aufweisen.

2. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmstück (2), welches einen in den Innenkonus (15) der Hülse (1) einsteckbaren Aussenkonus bildet, aus drei gleichen Klemmbacken (3) zusammengesetzt ist, die je ein Konussegment bilden, welches sich um weniger als 120 deg. erstreckt und welche Konussegmente den Verstärkungsstab (4) unter Freilassung radialer Spalten (6) zu umfassen bestimmt sind, wobei sie auf ihrer Innenseite ein Zylinderwandsegment (5) mit 10% kleinerem Radius als jenem des Querschnittes des Verstärkungsstabes (4) aufweisen.

3. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmstück (2), welches einen in den Innenkonus (15) der Hülse (1) einsteckbaren Aussenkonus bildet, aus vier gleichen Klemmbacken (3) zusammengesetzt ist, die je ein Konussegment bilden, welches sich um weniger als 90 deg. erstreckt und welche Konussegmente den Verstärkungsstab (4) unter Freilassung radialer Spalten (6) zu umfassen bestimmt sind, wobei sie auf ihrer Innenseite ein Zylinderwandsegment (5) mit 10% kleinerem Radius als jenem des Querschnittes des Verstärkungsstabes (4) aufweisen.

4. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (1) eine Stahlhülse mit Aussengewinde (7) und Überwurfmutter (8) ist, und das Klemmstück (2) aus einem kriechstabilen, mit mehr als 40 Volumen-% Keramik gefüllten Thermoplast besteht.

5. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmstück (2) aus kriechstabilem, mit mehr als 40 Volumen-% Siliziumoxid gefülltem Polyphenylensulfid (PPS) besteht.

6. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmstück (2) aus einem kriechstabilen, mit mehr als 40 Volumen-% Keramik gefüllten Thermoplast besteht, mit einem Endwert des Elastizitätsmoduls E, bei t = und einem Spannungsbereich sigma = +- 100 MPa, > 10 000 MPa und einer Kugeldruckhärte > 300 MPa.

7. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zugehörige Verstärkungsstab (4) ein kohlefaserverstärkter Kunststoff-Stab ist, dessen Oberfläche mit einem Sandgranulat von mindestens des Härtegrades 7 nach der Mohs'schen Härteskala beschichtet ist.

8. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zugehörige Verstärkungsstab (4) ein kohlefaserverstärkter Kunststoffstab ist, dessen Oberfläche mit einem Sandgranulat beschichtet ist, wobei der mittlere Korndurchmesser des Sandes 1/10 +- 3/100 des Durchmessers des unbeschichteten kohlefaserverstärkten Kunststoffstabes (4) beträgt.

9. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenkonus (15) der Hülse (1) und dem Aussenkonus des Klemmstückes (2) eine gesamte Winkeldifferenz von 2 deg. +- 1 deg. besteht, sodass der Winkel des gesamten Konus des Klemmstückes (2) um 1 deg. bis 3 deg. grösser ist als der Winkel des Innenkonus (15) der Hülse (1).

10. Klemm- und Spannhalterung für den temporären Einsatz an Verstärkungsstäben mit kreisrundem Querschnitt und zugehörige Verstärkungsstäbe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmstück eine in zusammengesetztem Zustand der Klemmbacken (3) rundumlaufende Nut (12) aufweist, in welcher ein Spannring (13) zum Zusammenhalten des Klemmstückes in Nichtgebrauchslage eingelegt ist.