DE10121021A1 - Bewehrungsstab aus faserverstärktem Kunststoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Bewehrungsstab aus faserverstärktem Kunststoff, der mit einer Rippung versehen ist. Der Bewehrungsstab weist Rippenflanken mit einer Steigung gegenüber der Stabachse von mehr als 45 DEG auf. Außerdem ist die axiale Breite der Rippen größer als der axiale Abstand zweier benachbarter Rippen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewehrungsstab aus faserverstärktem Kunststoff, an seiner Umfangsfläche versehen mit einer gegenüber der Stabmantelfläche radial nach außen vorstehenden Profilierung in Form von sich zumindest über einen Teil des Umfangs erstreckenden Rippen und/oder mit gegenüber der Stabmantelfläche radial nach innen sich erstreckenden Vertiefungen, wobei in diesem Fall die radial außen liegenden Stabmantelbereiche die sich zumindest über einen Teil des Um­ fangs erstreckenden Rippen bilden.

In der Vergangenheit wurden immer wieder Untersuchungen angestellt, um für be­ stimmte Anwendungsfälle eine Alternative neben den herkömmlichen aus Beton­ stahl oder Edelstahl bestehenden Metallstäben zu schaffen. Ein wesentlicher An­ reiz für Versuche mit Kunststoffbewehrungsstäben liegt in der geringeren Wärme­ leitfähigkeit bestimmter Kunststoffe (etwa Polyester, Vinylester etc.); auch lassen sich durch verschiedene Fasertypen wie etwa Glas-, Aramid- und andere Fasern die Zugfestigkeit und somit die Stabilität des Bewehrungsstabs sehr genau dem jeweiligen Anwendungsfall anpassen.

Ein wesentliches Problem der bekannten Kunststoffstäbe besteht jedoch in der Profilierung, die es im Gegensatz zu den gerippten Metallbewehrungsstäben nicht in zufriedenstellender Weise schafft, einen belastbaren Verbund mit dem den Kunststoffbewehrungsstab umgebenden Beton einzugehen. Denn die in der Regel aus der Stabmantelfläche herausgeformten radial nach außen vorstehenden Rip­ pen scheren schon bei relativ geringen axialen Zugbelastungen ab, da sie selbst bei in die Rippen mit hineinverlagerten Verstärkungsfasern nicht stabil genug sind, um die bei axialen Zugbelastungen wirksamen Kräfte von dem den Bewehrungs­ stab umgebenden Beton in den Bewehrungsstab bzw. umgekehrt zu übertragen. Demgemäß besitzen die gerippten Kunststoffbewehrungsstäbe in der Praxis keine ausreichenden Verbundeigenschaften.

Auf der anderen Seite besteht bei hinreichend flachen Rippen, welche nicht ab­ scheren, die Gefahr, dass sie ein sogenanntes Spaltzugversagen des mit ihnen bewehrten Betonbauteils verursachen, indem sie ähnlich einem Keil den form­ schlüssig den gerippten Bewehrungsstab umgebenden Beton bei Zugbelastungen einem immer größer werdenden Stabumfang aussetzten und ihn schließlich - so­ fern es nicht zuvor zu einem Abscheren der Kunststoffrippen kommt - aufspren­ gen. Ausgehend von der vom Bewehrungsstab gebildeten Bohrung im Beton er­ streckt sich hierbei ein Riss soweit, bis der Bohrungsdurchmesser zusammen mit dem Rissspalt groß genug ist, dass der Bewehrungsstab zusammen mit den Rip­ pen aus seiner ihm zugestammten Lage in Axialrichtung herausgezogen werden kann.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen faserverstärkten Kunststoffbewehrungsstab zur Verfügung zu stellen, dessen Rip­ pen ausreichend stabil sind, um deren Abscheren bei den üblichen Stabbelastun­ gen zu verhindern und der auf der anderen Seite aber auch den Effekt des Spalt­ zugversagens vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die den Übergangsbe­ reich zwischen radial innenliegendem Rippengrund mit Durchmesser d und radial außenliegendem Rippenscheitelbereich mit Durchmesser D bildenden seitlichen Rippenflanken zumindest in Teilbereichen eine Steigung von mehr als 45° gegen­ über der Stabachse aufweisen, und dass die axiale Breite der Rippenbereiche mit zumindest halber Rippenhöhe ½ × H = ½ × (D - d)/2 größer ist als der axiale Ab­ stand zwischen den zumindest die halbe Rippenhöhe aufweisenden Rippenberei­ chen zweier benachbarter Rippen.

Durch den stumpfen Winkel der Rippenflanken lässt sich verhindern, dass die Rip­ penflanken und die Rippen selbst wie ein Keil wirken und den den Bewehrungsstab umgebenden Beton aufsprengen. Vielmehr stellen die Rippenflanken in ihren stumpfwinkligen Bereichen eine Abstützfläche zur Verfügung, die sich bei axialen Zugbelastungen axial am Beton abstützen, ohne dass die radiale Steigungskom­ ponente den erwähnten Schaden anrichten kann.

Das zweitgenannte Merkmal bezieht sich auf die Stabilität der Rippen: Wenn mit einfachen Worten ausgedrückt die Rippe breiter ist als der Beton zwischen zwei Rippen, dann kann davon ausgegangen werden, dass die Rippen auch ausrei­ chend stabil sind, um den üblichen Zugbelastungen Stand zu halten. Hierbei ist der Verbund mit dem radial innenliegenden Bewehrungsstab auf einer so großen Flä­ che wirksam, dass ein Abscheren der Rippen auszuschließen ist.

Zweckmäßigerweise ist die Rippenbasis R, das ist die axiale Breite einer Rippe einschließlich der axialen Breiten der beiden seitlichen benachbarten Rippenflan­ ken, größer als die Betonkonsolenbasis B, das ist die axiale Breite eines unge­ rippten Rippengrundes einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflan­ ken. Auch dieser Annahme liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem großen Verbundbereich zwischen Rippe und Bewehrungsstab bei gleichzeitig kleinerem Verbundbereich zwischen Betonkonsole und angrenzendem Beton die Stabilitäts­ verhältnisse dahingehend ausfallen, dass ein Abscheren der Rippen zuverlässig verhindert werden kann.

Was die genannten Bemessungsregeln betrifft, so sind diese insbesondere dann anzuwenden, wenn die Rippen ähnlich wie Betonstahl eine Rippenhöhe H = (D - d)/2 in der Größenordnung von D/30 bis D/7 aufweisen.

Schließlich empfiehlt sich eine Rippenteilung T, das ist vergleichbar einer Wellen­ länge die axiale Breite einer Rippe einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken zuzüglich der axialen Breite eines benachbarten ungerippten Rip­ pengrundes, in der Größenordnung von zwischen 1/3 × D und 2 × D.

Die vorliegende Erfindung lässt sich auf beliebige Kunststoff- und Fasermaterialien anwenden, insbesondere bei Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Zweckmäßi­ gerweise sind die Verstärkungsfasern mit in die Rippen hineinverlagert, so dass der Verbund der Rippen mit dem darunterliegenden Bewehrungsstab im Sinne ei­ ner größeren Zugfestigkeit verbessert wird.

Was die Form der Rippen betrifft, so laufen diese zweckmäßigerweise schrauben­ gangförmig über den Stabumfang um, geneigt zur Stabachse und abweichend von der Senkrechten zur Stabachse.

Es liegt insbesondere aber auch im Rahmen der Erfindung, die Rippen "negativ" herzustellen, das heißt eine ungerippte Stabmantelfläche mit lokalen radialen Ver­ tiefungen zu versehen. In diesem Fall bilden die Vertiefungen jeweils den radial innenliegenden Rippengrund, während die radial außen liegenden Stabmantelbe­ reiche die Rippen bzw. die Rippenscheitelbereiche im Sinne der vorliegenden Er­ findung darstellen.

Nachfolgend wird die Erfindung noch einmal beschrieben unter Bezugnahme auf einen in der beigefügten Fig. 1 dargestellten Axialschnitt durch die Hälften zweier erfindungsgemäßer Bewehrungsstäbe.

Der in Fig. 1 dargestellte gerippte Bewehrungsstab 1 weist mehrere gleichmäßig über den Stabumfang verteilte radial innenliegende Rippengrundabschnitte 2, 12 auf sowie relativ zu diesen Abschnitten radial nach außen vorstehende Rippen 3, 13, wobei der Übergangsbereich zwischen den außenliegenden Rippenscheitelbe­ reichen mit Durchmesser D und den innenliegenden Rippengrundabschnitten mit Durchmesser d von seitlichen Rippenflanken 4, 14 gebildet sind, die eine Steigung gegenüber der Stabachse 5 in Form eines Winkels α, β von mehr als 45° aufwei­ sen. Die Rippenscheitelbereiche 3, 13 sind in beiden Ausführungsbeispielen aus Fig. 1 glattzylindrisch ausgebildet. Es wäre aber ebenso möglich, die Rippen bzw. die Rippenscheitelbereiche gekrümmt auszubilden und ansatzlos in die angren­ zenden Rippenflanken übergehen zu lassen.

Neben diesen zumindest in Teilbereichen stumpfwinkligen Rippenflanken sind die erfindungswesentlichen Größen des Bewehrungsstabs 1 folgende: Die Rippenhöhe H wird aus (D - d)/2 errechnet. Diejenigen Rippenbereiche, die zumindest die halbe Rippenhöhe (bzw. eine größere Rippenhöhe) aufweisen, erstrecken sich über eine axiale Breite A. Zwischen solchen Rippenbereichen mit zumindest halber Rippen­ höhe besteht ein Abstand B. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun vorge­ schrieben, dass A < B sein muss, wodurch sich die genannten Stabilitätsverhält­ nisse, also auf den Axialschnitt bezogen ein breiterer "Rippenzahn" als "Beton­ zahn" ergibt.

Einfacher handzuhaben und darüber hinaus ebenso gültig ist folgende Annahme: Die Rippenbasis R, das ist die axiale Länge eines radial außenliegenden Rippen­ scheitelbereiches 13 sowie der beiden angrenzenden Rippenflanken 14, muss grö­ ßer sein als die Betonkonsolenbasis B, das ist die axiale Breite eines ungerippten Rippengrundes 12 einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken 14.

Des weiteren soll die Rippenhöhe H, die sich aus (D - d)/2 errechnet, in der Grö­ ßenordnung von zwischen D/30 und D/7 und insbesondere zwischen 0,5 und 2 mm liegen. Und schließlich soll die Rippenteilung T, das ist die axiale Breite eines in­ nenliegenden Rippengrundes 2, 12 plus der axialen Breite einer Rippenflanke 4, 14 plus der axialen Breite eines Rippenscheitelbereiches 3, 13 plus einer weiteren Rippenflanke 4, 14, zwischen D/3 und 2 × D und insbesondere zwischen 5 und 15 mm groß sein.

Die beiden in Fig. 1 dargestellten Rippenformen unterscheiden sich dadurch, dass die in der oberen Bildhälfte dargestellte Rippung Rippenflanken 4 mit geradli­ niegem Verlauf aufweisen, während die Rippen 14 der unteren Bildhälfte sinus­ ähnlich gekrümmt sind, wobei der Wendepunkt der Steigung der Flanken 14 den maximalen Steigungswinkel β definiert, der größer als 45° sein muss. Der Stei­ gungswinkel α der oberen Rippung ist hingegen über die gesamte Flankenlänge gleich.

Es sei noch erwähnt, dass ein kleinerer Steigungswinkel α bzw. β aufgrund der geringeren Abstützfläche am Beton bei Zugbelastungen an sich weniger ein Ab­ scheren der Rippen hervorruft als ein stumpfer Winkel größer 45°, da die Rippen bei axialen Zugbelastungen nicht nur den Beton keilähnlich nach außen drücken, sondern gleichzeitig durch den Beton auch nach radial innen gedrückt werden.

Hingegen sorgen stumpfe Steigungswinkel, deren Rippenflanken sich ja besser am Beton abstützen und dessen resultierende axiale Kraftkomponenten größer sind als die nach innen gerichteten radialen Kraftkomponenten dafür, dass solche Flan­ ken mit stumpfem Steigungswinkel an sich eher abscheren als die mit spitzem Steigungswinkel. Insofern ist es für die vorliegende Erfindung mit stumpfem Stei­ gungswinkel umso wichtiger, dass die Rippen eine breite Rippenbasis und damit einen guten Verbund mit dem darunterliegenden Bewehrungsstab besitzen. Erst dann kann man beide gestellte Aufgaben durch ein und dieselbe Bauform erfüllen, nämlich einerseits das Abscheren von Rippen und andererseits ein Spaltzugversa­ gen verhindern.

Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass erstmals sta­ bile faserverstärkte Kunststoffbewehrungsstäbe vorgeschlagen werden können, deren Rippen weder bei den üblichen Zugbelastungen abscheren, noch aufgrund der stumpfen Steigungswinkel zu dem Effekt des sogenannten Spaltzugversagens führen.

Claims (10)

1. Bewehrungsstab (1), aus faserverstärktem Kunststoff, an seiner Umfangsfläche versehen mit einer radial nach außen vorstehenden Profilierung in Form von sich zumindest über einen Teil des Umfangs erstreckenden Rippen, dadurch gekennzeichnet, dass die den Übergangsbereich zwischen innenliegendem Rippengrund (2, 12) mit Durchmesser d und außenliegendem Rippenscheitelbereich (3, 13) mit Durchmes­ ser D bildenden seitlichen Rippenflanken (4, 14) zumindest in Teilbereichen eine Steigung mit einem Winkel (α, β) von mehr als 45° gegenüber der Stabachse (5) aufweisen, und dass die axiale Breite A der Rippenbereiche mit zumindest halber Rippenhöhe H/2 = ½ × (D - d)/2 größer ist als der axiale Abstand B zwischen den zumindest die halbe Rippenhöhe aufweisenden Rippenbereichen zweier benach­ barter Rippen.

2. Bewehrungsstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Breite der von einer Rippe (3, 13) einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken (4, 14) gebildeten Rippenbasis R größer ist als die axiale Breite der von einem ungerippten Rippengrund (2, 12) einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken (4, 14) gebildeten Betonkonsolenbasis B.

3. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen einen die Rippenhöhe H = (D - d)/2 bildenden radialen Abstand zwischen Rippengrund (2, 12) mit Durchmesser d und Rippenscheitelbereich (3, 13) mit Durchmesser D in der Größenordnung von zwischen D/30 und D/7 aufwei­ sen.

4. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenteilung T, das ist die Summe der axialen Breite der von einer Rip­ pe (3, 13) einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken (4, 14) gebildeten Rippenbasis R und der axialen Breite des benachbarten ungerippten Rippengrundes (2, 12) in der Größenordnung von zwischen D/3 und 2 × D liegt.

5. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Bewehrungsstabs (1) mit Glasfasern und/oder Kohlen­ stofffasern verstärkt ist.

6. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (3, 13) schraubengangförmig über den Stabumfang umlaufen.

7. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (3, 13) geneigt zur Stabachse (5) und abweichend von der Senk­ rechten zur Stabachse verlaufen.

8. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern mit in die Rippen (3, 13) verlagert sind.

9. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung des Bewehrungsstabes durch Einbringen von radialen Ver­ tiefungen gebildet ist, wobei die Rippen und die radial außen liegenden Rippen­ scheitelbereiche von der Stabmantelfläche gebildet sind und wobei die radialen Vertiefungen jeweils den radial innenliegenden Rippengrund bilden.

10. Bewehrungsstab nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Vertiefungen lokal und insbesondere über den Umfang des Be­ wehrungsstabes verteilt eingebracht sind.