DE10039830B4 - Use of annular fiber composites as reinforcing elements in concrete - Google Patents
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Abstract
Verwendung
von ringförmigen
Faserverbundwerkstoffen als Bewehrungselemente in Beton, wobei
– der Querschnitt
der Ringebene ellipsenförmig,
insbesondere kreisförmig,
oder der eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken ist und
– die Elemente
aus parallel angeordneten und in eine Kunstharzmatrix eingebetteten
Kohlenstoff- oder Aramidfasern bestehen.Use of annular fiber composites as reinforcing elements in concrete, wherein
- The cross section of the ring plane ellipse-shaped, in particular circular, or is a rectangle with rounded corners and
- The elements consist of parallel arranged and embedded in a resin matrix carbon or aramid fibers.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von ringförmigen Faserverbundwerkstoffen als Bewehrungselemente in Beton.The The present invention relates to the use of annular fiber composites as Reinforcement elements in concrete.
Unbewehrter Beton weist im Vergleich zur Druckfestigkeit eine niedrige Zugfestigkeit und eine geringe Dehnfähigkeit auf.unreinforced Concrete has low tensile strength compared to compressive strength and a low elasticity on.
Beton kann mit einer Bewehrung aus Betonstahl oder Spannstahl versehen werden. Der Verbundwerkstoff Stahlbeton bzw. Spannbeton ist in der Lage Zugspannungen aufzunehmen, weil die im Riss freiwerdenden Betonzugspannungen von der Bewehrung aufgenommen werden.concrete can be provided with reinforcement made of rebar or prestressing steel become. The composite reinforced concrete or prestressed concrete is capable of To absorb tensile stresses, because the released concrete tensile stresses in the crack be absorbed by the reinforcement.
Die
Bewehrung zur Verbesserung des Zugtragvermögens kann auch aus Stäben aus
Faserverbundwerkstoff bestehen. In der
Eine
weitere Möglichkeit
des Zugtragvermögens
von Beton zu verbessern, stellt das Aufkleben von textiler Bewehrung
dar. In der
Das Zugtragvermögen von Beton kann auch durch die Beigabe von geeigneten Fasern verbessert werden. Die Fasern sind im Beton gleichmäßig verteilt und weisen keine bevorzugte Wirkungsrichtung auf.The Zugtragvermögen Concrete can also be improved by the addition of suitable fibers. The fibers are evenly distributed in the concrete and have no preferred direction of action.
Als Faserbewehrungen sind Stahlfasern, Kunststofffasern, Glasfasern, Fasern aus Faserverbundwerkstoffen und natürliche Fasern bekannt.When Fiber reinforcements are steel fibers, plastic fibers, glass fibers, Fibers made of fiber composites and natural fibers known.
Hauptsächlich werden in der Baupraxis Stahlfasern eingesetzt. Stahlfaserbeton weist durch sein duktiles Verhalten eine zuverlässige Zugfestigkeit auch nach der Rissbildung auf. Die Zugfestigkeit nach der Rissbildung kann bei der Bemessung von Bauteilen aus Stahlfaserbeton angesetzt werden. Allerdings ist zu beachten, daß bei üblichen Fasergehalten das Tragvermögen des gerissenen Querschnitts kleiner ist als das Tragvermögen des ungerissenen Querschnitts.Mainly used in the construction practice of steel fibers. Steel fiber reinforced concrete shows through ductile behavior is a reliable one Tensile strength even after cracking. The tensile strength after The cracking can be used in the design of components made of steel fiber concrete be set. However, it should be noted that at conventional fiber contents, the buoyancy of the Cracked cross-section is smaller than the buoyancy of the non-cracked cross section.
Die Anhebung des Tragvermögens eines gerissenen Faserbetonquerschnitts auf das Tragvermögen des ungerissenen Querschnitts durch den Einsatz von sehr hohen Stahlfasergehalten ist deshalb nicht möglich, weil der Beton bei Fasergehalten über 120 kg/m3 nicht mehr zuverlässig verarbeitet werden kann.The increase of the buoyancy of a cracked fiber concrete section on the buoyancy of the non-cracked cross section through the use of very high steel fiber contents is therefore not possible because the concrete at fiber contents above 120 kg / m 3 can no longer be reliably processed.
Kunststofffaserbeton wird hergestellt, um das Brandwiderstandsverhalten zu verbessern, die Schwindrissbildung im jungen Beton zu reduzieren und um die Grünstandfestigkeit zu erhöhen.Plastic fiber concrete is manufactured to improve the fire resistance behavior, to reduce shrinkage cracking in young concrete and around the Green strength to increase.
Bei glasfasermodifiziertem Beton wird die Bildung von Schwindrissen verringert, die Grünstandfestigkeit verbessert und, abhängig von der Dosierung, die Biegezugfestigkeit erhöht.at Glass-fiber-modified concrete becomes the formation of shrinkage cracks reduces the green steadiness improved and, depending from the dosage, which increases flexural strength.
Faserbeton mit natürlichen Fasern wird wegen der meist geringen Alkalibeständigkeit der Fasern selten eingesetzt.fiber concrete with natural Fibers become rare because of the usually low alkali resistance of the fibers used.
Kohlenstofffasern weisen zwar eine sehr hohe Bruchfestigkeit auf, sind aber so dünn (Durchmesser 10 bis 20 Mikrometer), daß sie aus Gründen der Verarbeitbarkeit nur in kurzen Längen der Betonmischung beigefügt werden können und dadurch nur die Zugfestigkeit des Zementsteins erhöhen. Die Zugfestigkeit der Grenzschicht zwischen Zuschlagkorn und Zementstein ist aber kleiner als die Zugfestigkeit des Zementsteins, sodass das Nachrissverhalten durch die Beimengung von Kohlenstofffasern nur unwesentlich beeinflußt wird. Andere Fasern die mit größeren Durchmessern hergestellt werden wie z.B. Polypropylenfasern (Durchmesser bis 0,5 mm) haben wiederum einen so geringen Elastizitätsmodul, daß die mechanische Wirkung der Fasern im gerissenen Festbeton vernachlässigbar ist.Carbon fibers Although they have a very high breaking strength, but are so thin (diameter 10 to 20 microns) that they because of Workability only in short lengths attached to the concrete mix can be and thereby only increase the tensile strength of the cement paste. The tensile strength but the boundary layer between aggregate and cement stone is smaller than the tensile strength of the cement paste, so the Nachrissverhalten is influenced only insignificantly by the addition of carbon fibers. Other fibers with larger diameters be prepared as e.g. Polypropylene fibers (diameter up to 0.5 mm) again have such a low modulus of elasticity, that the mechanical effect of the fibers in cracked hardened concrete negligible is.
Mit der Beigabe von Kunststofffasern, Glasfasern und natürlichen Fasern wird keine nennenswerte Verbesserung des Nachrissverhaltens des erhärteten Betons erreicht.With the addition of plastic fibers, glass fibers and natural Fibers will not be a significant improvement in the Nachrissverhaltens of the hardened Concrete reached.
Fasern aus Faserverbundwerkstoff bestehen aus parallel angeordneten Fasern, die in eine Reaktionsharzmatrix eingebettet sind. Übliche Faserarten sind Kohlenstoff-, Glas-, und Aramidfasern. Für die Matrix können gemagerte Epoxidharze, ungesättigte Polyestherharze und Vinylestherharze verwendet werden. Die Fasern weisen ein elastisches und sprödes Werkstoffverhalten auf. Die Matrix bewirkt die Vergleichmäßigung der Faserkräfte und die Kraftüberleitung von gebrochenen zu intakten Fasern durch Verbund. Darüber hinaus reduziert die Matrix die Querdruckempfindlichkeit der Fasern.fibers made of fiber composite material consist of parallel fibers, which are embedded in a reaction resin matrix. Common types of fibers are Carbon, glass, and aramid fibers. For the matrix can lean Epoxy resins, unsaturated polyester resins and vinyl ester resins. The fibers have an elastic and brittle Material behavior on. The matrix causes the equalization of fiber forces and the power transmission from broken to intact fibers through composite. Furthermore the matrix reduces the transverse pressure sensitivity of the fibers.
Faserbeton mit Fasern aus Verbundwerkstoff weist nach der Rissbildung ein ähnliches Verhalten auf wie Stahlfaserbeton. Die Nachrisszugfestigkeit ist zwar geringer als die Betonzugfestigkeit, kann aber für statische Nachweise angesetzt werden.Fiber concrete with composite fibers exhibits similar behavior after cracking as does steel fiber reinforced concrete. The Nachrisszugfestigkeit is less than the concrete tensile strength can but be used for static evidence.
Die Verankerung von Stahlfasern und Fasern aus Faserverbundwerkstoff im Beton erfolgt über Verbund. Bei der Rissbildung kommt es in der Regel zu einem Herausziehen der Faser im gerissenen Querschnitt und damit zu einem duktilen Nachrissverhalten.The Anchoring of steel fibers and fibers made of fiber composite material in the concrete takes over Composite. Cracking usually causes it to be pulled out the fiber in the cracked cross section and thus a ductile Nachrissverhalten.
Zur besseren Verankerung von Stahlfasern sind Fasern mit geschlossenen Formen vorgeschlagen worden.to better anchoring of steel fibers are fibers with closed Forms have been proposed.
In
der
In
der
Das Schweißen von dünnen Stahldrähten ist für Stahlfestigkeiten bis ca. 500 MPa möglich, mit sehr großem Aufwand bis maximal 700 MPa. Das Verdrillen von Drahtenden ist ein aufwendiger Prozeß und auch nur mit Drahtfasern aus Stahl mit geringer Festigkeit möglich. Drahtfasern aus nahtlosen Stahlrohren sind auf Grund der lieferbaren Rohre ebenfalls auf niedrige Stahlfestigkeiten beschränkt.The welding of thin steel wires is for Steel strengths up to 500 MPa possible, with great effort up to a maximum of 700 MPa. The twisting of wire ends is a complicated Process and also possible only with wire fibers of steel with low strength. wire fibers made of seamless steel tubes are also due to the available tubes limited to low steel strengths.
Ein Nachteil bei der Verwendung von Stahlfasern kann sein, daß die Fasern an der Oberfläche und in der oberflächennahen Betonschicht korrodieren, damit wirkungslos werden und Rostspuren hinterlassen.One Disadvantage of using steel fibers may be that the fibers on the surface and in the near-surface Concrete layer corrode, thus ineffective and rust marks leave.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bewehrungselement zur Bewehrung von Beton zu schaffen, das gegenüber den bekannten Ausführungen von Fasern zur Herstellung von Faserbeton eine höhere Tragfähigkeit, eine wirkungsvollere Verankerung, und keine Korrosionsanfälligkeit aufweist sowie eine bessere Verarbeitbarkeit des Betons ermöglicht.The Object of the present invention is a reinforcing element to provide reinforcement of concrete, compared to the known designs of fibers for making fiber concrete a higher load capacity, a more effective Anchoring, and has no susceptibility to corrosion and a better processability of the concrete allows.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch die Herstellung von ringförmigen Bewehrungselementen aus Faserverbundwerkstoff.According to the invention the solution this task by the production of annular reinforcing elements made of fiber composite material.
Faserverbundwerkstoffe aus Kohlenstofffasern sind bereits mit Bruchspannungen von über 5000 MPa erhältlich. Ein ringförmiges Bewehrungselement kann durch das Aufwickeln der Kohlenstofffaser auf einer geeigneten Form und das Einbetten in eine Reaktionsharzmatrix erfolgen. Der Anfang und das Ende der Kohlenstofffaser sind über Verbundspannung im Reaktionsharz verankert.Composites made of carbon fibers are already with breaking stresses of over 5000 MPa available. An annular Reinforcement element can be made by winding up the carbon fiber on a suitable mold and embedded in a reaction resin matrix respectively. The beginning and the end of the carbon fiber are over composite tension anchored in the reaction resin.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von ringförmigen Bewehrungselementen aus Faserverbundwerkstoff besteht in der Erzeugung von dünnen Rohren aus Faserverbundwerkstoff und dem anschließenden Abtrennen von ringförmigen Elementen.A another possibility for the production of annular Reinforcement elements made of fiber composite material consists in the production of thin pipes made of fiber composite material and the subsequent separation of annular elements.
Der Querschnitt und die Form des Bewehrungselements aus Faserverbundwerkstoff wird entsprechend der Festigkeit des Betons festgelegt.Of the Cross-section and the shape of the reinforcing element made of fiber composite material is determined according to the strength of the concrete.
Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.details and embodiments of the invention are the following description can be found in the invention with reference to the illustrated in the drawing embodiment described in more detail and explained is.
Es zeigtIt shows
Im
Folgenden wird zunächst
auf die
Eine
Ansicht einer ersten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Bewehrungselements
Das
Bewehrungselement
Die
Verankerung des Bewehrungselements
Im
Gegensatz zu Stahl mit einem ausgeprägten Fließvermögen weisen Faserverbundwerkstoffe mit
Kohlenstofffasern ein linear elastisches Verhalten bis zum Bruch
auf. Für
die Verwendung als Bewehrungselement
Zur
Erreichung eines ausgeprägten
Rissbildes im Betonbauteil kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche
Zur
günstigen
Beeinflussung des Nachrissverhaltens wird es vorteilhaft sein, die
Abmessungen des Bewehrungselements
Der
wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Bewehrungselements
Unterstützt wird
dieses für
die Anwendung von Beton
In
Das
Bewehrungselement
In
Das
Bewehrungselement
- 1010
- Bewehrungselementreinforcing element
- 1313
- Breite des Querschnitts des Bewehrungselements (bei rechteckigem Querschnitt)width the cross-section of the reinforcement element (for rectangular cross section)
- 1414
- Höhe des Querschnitts des Bewehrungselements (bei rechteckigem Querschnitt)Height of the cross section of the reinforcement element (with rectangular cross-section)
- 1616
- Oberfläche des BewehrungselementsSurface of the reinforcement element
- 4040
- Betonconcrete
- 4242
- Zuschlagkornsurcharge grain
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