DE102005030409A1

DE102005030409A1 - Wendelförmiges Bewährungselement

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Publication number: DE102005030409A1
Application number: DE200510030409
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-07-01
Also published as: DE102005030409B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bewehren von Verbundbauteilen sowie die mit der Vorrichtung bewehrten Bauteile. DOLLAR A Bekannte Bewehrungselemente zeichnen sich entweder durch einen hohen Aufwand bei der Herstellung bzw. beim Verlegen aus oder weisen wegen einer unvorteilhaften Gestaltung eine geringe Wirksamkeit bzw. geringe Stabilität auf. DOLLAR A Die Vorrichtung ist als wendelförmiges Element (Bewehrungselement) so ausgebildet, dass eine optimale Wirksamkeit hinsichtlich der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit bei geringen Herstellungs- und Verlegekosten erreicht wird. Sie besteht aus zwei Arten von Stababschnitten und vereint damit die Vorzüge einer konventionellen Bügelbewehrung und einer Wendel. Die in einer Windung für die Aufnahme von Zugkräften infolge einer senkrecht zur Bauteillängsachse x in Richtung der Achse z wirkenden Querkraft Q geeigneten Stababschnitte (2) und (4) liegen wie bei einer Bügelbewehrung in einer Ebene, schließen jedoch mit der Bauteillängsachse einen von 90 DEG verschiedenen Winkel ein. Die übrigen Stababschnitte (1) und (3) einer Windung weisen eine Komponente in Richtung der Bauteillängsachse auf. Durch diese Anordnung der Stababschnitte können eine hohe Effizienz hinsichtlich der Querkrafttragfähigkeit, räumliche Stabilität und einfache Produktionsvorgänge erreicht werden. DOLLAR A Bewehrung von Verbundbauteilen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bewehren von Verbundbauteilen sowie die mit der Vorrichtung bewehrten Bauteile.

Verbundbauteile zeichnen sich dadurch aus, dass in einem Bauteil mindestens zwei verschiedene Baustoffe eingesetzt werden, die entsprechend ihren spezifischen Eigenschaften das Verhalten des Gesamtbauteils beeinflussen. Bei Bauteilen aus Stahlbeton und Spannbeton werden die Eigenschaften von Beton und Bewehrung in sinnvoller Weise kombiniert. Der Bewehrung, die vorwiegend aus Betonstahl und Spannstahl besteht, kommt im Wesentlichen die Aufnahme konzentrierter Kräfte zu, die infolge äußerer Beanspruchungen auftreten und vom Beton nicht oder nicht mit ausreichend geringer Versagenswahrscheinlichkeit dauerhaft aufgenommen werden können. Vor allem Zugkräfte, die vom Beton infolge seiner geringen Zugfestigkeit nicht abgetragen werden können, werden von der Bewehrung insbesondere nach der Ausbildung von Rissen aufgenommen.

Die Aufnahme von Zugkräften im Verbundbaustoff Stahlbeton bzw. Spannbeton infolge Querkraft und Torsion erfolgt derzeit in den meisten Fällen durch eine Bügelbewehrung. Nach den Regelungen der einschlägigen deutschen Norm DIN 1045-1, die sich hinsichtlich der Querkraftbemessung der Fachwerkanalogie bedient, darf die Querkraftbewehrung aus einer Kombination von Bügeln, die die Längszugbewehrung und die Druckzone umfassen, Schrägstäben und Querkraftzulagen in Form von Körben, Leitern usw., die ohne Umschließung der Längsbewehrung verlegt sind, bestehen. Dabei sind in Balken mindestens 50% der aufzunehmenden Querkraft durch Bügel abzudecken, welche die Längszugbewehrung und die Druckzone umfassen müssen. Darüber hinaus können bauaufsichtlich zugelassene Bewehrungselemente in Form von Gitterträgern als Querkraft- und Durchstanzbewehrung eingesetzt werden. Die Torsionsbewehrung ist nach DIN 1045-1 durch ein rechwinkliges Bewehrungsnetz aus Bügeln und Längsstäben zu bilden.

Vor allem die bei den nach DIN 1045-1 ausgeführten Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen obligatorische Bügelbewehrung ist nur mit einem großen Aufwand zu realisieren. Ein konventioneller Bügel wird meist aus einem Betonstabstahl nach DIN 488 oder bauaufsichtlich zugelassenem, gerichteten Ringmaterial mittels Biegemaschinen hergestellt. Im Bereich der Stabenden des Bügels wird dieser nach DIN 1045-1 durch einen Übergreifungsstoß mit Winkelhaken geschlossen oder mit Haken in der Betondruckzone eines durch Querkraftbiegung beanspruchten Trägers verankert. Im Bereich der Stabenden muss die Form des Bügels vor dem Einbau deshalb zunächst durch mindestens eine von Hand geknüpfte Drahtschlaufe stabilisiert werden oder durch Schweißung geschlossen werden. Um diesen Aufwand zu reduzieren und Material einzusparen werden in EP 1 029 138 ein- oder mehrzellige umlaufende Bügel vorgestellt, die bereits durch die werkmäßige Herstellung eine geschlossene Gestalt aufweisen.

Bei der Herstellung des orthogonalen Bewehrungsnetzes muss jeder einzelne durch Drahtschlaufen oder die werkmäßige Herstellung geschlossene Bügel meist an mehreren Punkten, vorzugsweise in den Ecken, an den Längsstäben durch von Hand geknüpfte Drahtschlaufen fixiert werden. Da die Drahtschlaufen keine biegesteife Verbindung von Längsstäben und Bügeln darstellen, sind vielfach zusätzlich aussteifende Diagonalen in Trägerlängsrichtung anzuordnen. Vielfach werden die Bewehrungsnetze direkt in den Schalungen hergestellt, da die nur durch Drahtschlaufen stabilisierten Körbe auf der Baustelle nicht transportiert werden könnten. Die Herstellung stabiler, robuster Bewehrungsnetze unter Verwendung von Bügeln ist folglich nur mit hohem Personalaufwand zu erreichen. Der Preis für verlegten Betonstahl in Bügelform ist je nach Querschnittsform um den Faktor 2,5 bis 4 höher, wobei etwa die Hälfte auf Personalkosten für das Verlegen entfallen, als der Preis für verlegten Betonstabstahl. Die hohen Verlegekosten führen dazu, dass für die Bügelbewehrung möglichst große Stabdurchmesser und große Bügelabstände gewählt werden, die sich nachteilig auf das Tragverhalten auswirken.

Außer der konventionellen Bügelbewehrung werden neben den bereits oben erwähnten Gitterträgern zur lokalen Aufnahme von hohen Querkraftbeanspruchungen z.B. bei Kragplattenanschlüssen oder in durchstanzgefährdeten Bereichen von Platten besondere bauaufsichtlich zugelassene Bewehrungselemente in Form von Fachwerken vorwiegend aus metallischen Werkstoffen sowie Kopfbolzendübel oder stahlbaumäßige Elemente angeordnet. Die Anordnung der bauaufsichtlich zugelassenen Bewehrungselemente ist mit hohen Kosten verbunden, da bei Ihrer Herstellung große Verformungsenergien aufgewendet werden müssen und/oder Schweißungen durchgeführt werden.

In US 4 119 764 wird ein spiralförmiger Bewehrungsstab mit hoher Streckgrenze beschrieben, der aufgrund thermischer Vorbehandlung im elastisch gestauchten Zustand transportiert werden kann und sich aufgrund der elastischen Verformung selbst vor dem Einbau auf der Baustelle zu einer wendelförmigen Bewehrung streckt.

In EP 0 956 406 bzw. WO 98/29618 werden mehrzellige antiseismische spiralförmige Bewehrungsbügel für tragende Strukturen beschrieben, die aus einem endlosen Stab mit gleich bleibendem Querschnitt gefertigt werden.

Darüber hinaus wird in EP 0 152 397 ein ein- oder mehrzelliges spiralförmiges Bewehrungselement für Betonbauteile wie Balken und Stützen aus einem endlosen Metalldraht oder -stab beschrieben, der in eine Anzahl spiralförmiger, aufeinander folgender Windungen gebogen wird und einen Abstand der Windungen in Trägerlängsrichtung aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bewehrungselemente. Die Windungen des Bewehrungselements bilden Ebenen, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Bauteilachse angeordnet sind und der Abstand der einzelnen Windungen durch einen Stababschnitt erreicht wird, der stets auf einer Seite des Bauteils angeordnet ist. 1 zeigt ein derartiges einzelliges Bewehrungselement für einen Rechteckquerschnitt. Die jeweils aufeinander folgenden Stababschnitte (1), (2), (3) und (4) bilden eine Windung. Die Stababschnitte (1), (2) und (4) liegen in einer Ebene senkrecht zur Bauteillängsachse x. Der Abstand der einzelnen Windungen wird durch Stababschnitt 3 erreicht, der eine Komponente in Trägerlängsrichtung und eine Komponente parallel zu der Ebene durch die Stababschnitte (1), (2) und (4) aufweist.

Die in den Schriften US 4 119 764 , EP 0 956 406 bzw. WO 98/2961 und EP 0 152 397 beschriebenen wendelförmigen Bewehrungselemente konnten die konventionelle Bügelbewehrung bislang nicht ablösen, da sie verschiedene Nachteile aufweisen. Die in US 4 119 764 und EP 0 956 406 bzw. WO 98/2961 beschriebenen Bewehrungselemente sind als Wendelbewehrungen mit abschnittweise geradlinig verlaufenden Stababschnitten nicht als Querkraftbewehrungselemente geeignet, da bei den im Massivbau üblichen Rechteckquerschnitten unter Umständen nur ein Stabelement einer kompletten Windung in Richtung der gemäß Fachwerkanalogie aufzunehmenden Zugkräfte verläuft und somit querkraftwirksam angeordnet ist. 2 zeigt ein einzelliges wendelförmiges Bewehrungselement für einen Rechteckquerschnitt. Entsprechend den Schriften US 4 119 764 , EP 0 956 406 bzw. WO 98/2961 weisen alle geraden Stabelemente eine Komponente in Trägerlängsrichtung auf. 3 zeigt die Ansicht eines mit einem derartigen Bewehrungselement bewehrten Bauteils, das als Einfeldträger durch die Streckengleichlast q beansprucht wird. Auch die Längsbewehrung (7), (8) ist dargestellt. Nur die als durchgezogene Linien dargestellten Stababschnitte (2) bzw. (4) sind hinsichtlich des Querkraftabtrags wirksam. Die gepunktet dargestellten Stababschnitte (2) und (4) verlaufen in Richtung der Druckstreben, die sich nach der Fachwerkanalogie einstellen und sind somit nicht oder nur eingeschränkt in der Lage, die im Falle einer Schubrissbildung entsprechend der Fachwerkanalogie auftretenden Zugkräfte aufzunehmen. Die in US 4 119 764 und EP 0 956 406 bzw. WO 98/2961 dargestellten Bewehrungselemente sind daher hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen Einsatzmöglichkeiten vor allem als Umfassungsbewehrung bei Druckgliedern wie z.B. Stützen zur Lagesicherung der Längsbewehrung und Umschnürung des Betonquerschnitts sowie als Torsionsbewehrung aufzufassen, weniger aber als Bewehrungselemente für Abtragung von Querkräften.

Zu dem in US 4 119 764 beschriebenen Bewehrungselement ist ferner anzumerken, dass die zielgerichtete Herstellung des Bewehrungsstabes nur durch ein technisch aufwendiges Verfahren möglich ist. Das Anheben der Streckgrenze durch die thermische Behandlung geht stets einher mit einem Verlust an Duktilität. Hinsichtlich der Bemessung, die sowohl Anforderungen an die Festigkeit des Bewehrungsstabes als auch an dessen Verformbarkeit stellt, ist die Einhaltung eng gesteckter Grenzwerte zwingend erforderlich. Mit der thermischen Behandlung beinhaltet das in US 4 119 764 beschriebene Herstellungsverfahren einen schwer beherrschbaren technischen Prozess, dessen erfolgreiche Anwendung in starkem Maße von den uneinheitlichen und streuenden Eigenschaften des Ausgangsmaterials abhängt. Diesen schwierigen Randbedingungen steht nur der in wirtschaftlicher Hinsicht relativ unbedeutende Vorteil gegenüber, dass das spiralförmige Bewehrungselement im elastisch komplett gestauchten Zustand transportiert werden kann. Anwendungen des in US 4 119 764 beschriebenen Bewehrungselements in größerem Umfang wurden bislang nicht bekannt.

Das in EP 0 152 397 beschriebene Bewehrungselement, bei dem drei Stababschnitte einer Windung in einer Ebene senkrecht zur Trägerlängsachse liegen, entspricht in seiner Wirkungsweise weitestgehend einer konventionellen Bügelbewehrung, bei der die Bügel rechtwinklig zur Bauteillängsachse x angeordnet werden. Es kann deshalb als Bewehrungselement für die Abtragung von Querkräften eingesetzt werden. Jedoch ist ein derartiges Bewehrungselement aufwendiger herzustellen, als die in den Patentschriften US 4 119 764 und EP 0 956 406 bzw. WO 98/2961 beschriebenen Wendeln, die sich für die im Stahlbetonbau üblicherweise gewählten Rechteckquerschnitte durch eine höhere Gleichförmigkeit auszeichnen. Durch die Verbindung der einzelnen Windungen über Stababschnitte, die nur auf einer Seite des Bauteils angeordnet sind, ist auch der entstehende Bewehrungskorb weniger stabil als die in US 4 119 764 und EP 0 956 406 bzw. WO 98/2961 beschriebenen Wendeln, so dass unter Umständen jede Windung manuell an den Längsbewehrungsstäben fixiert werden muss. Durch den in EP 0 152 397 dargestellten über die Trägerlänge konstanten Abstand der Windungen ist ferner eine Anpassung an den Querkraftverlauf nur durch den abschnittsweisen Einsatz mehrerer Bewehrungselemente möglich.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die derzeit bekannten Querkraftbewehrungselemente entscheidende Nachteile aufweisen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bewehrung von Verbundbauteilen und die mit der Vorrichtung bewehrten Bauteile so auszubilden, dass eine optimale Wirksamkeit des Bewehrungselementes hinsichtlich der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit bei geringen Herstellungs- und Verlegekosten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein wendelförmiges Bewehrungselement gelöst, das wie eine konventionelle Bügelbewehrung nahezu den gesamten Querschnitt oder Querschnittteile des Verbundbauteils umschließt und aus zwei Arten von Stababschnitten besteht. Stababschnitte, die aufgrund Ihrer Ausrichtung für die Aufnahme von Zugkräften infolge einer senkrecht zu Bauteillängsachse wirkenden Querkraft Q geeignet sind, liegen in einer Ebene, die mit der Bauteillängsachse einen von 90° verschiedenen Winkel einschließt, wodurch außerordentlich effiziente Anordnungen der querkraftwirksamen Stababschnitte erreicht werden können. Die übrigen Stababschnitte einer Windung weisen eine Komponente in Richtung der Bauteillängsachse x auf. Dadurch wird eine stabile Positionierung der querkraftwirksamen Stababschnitte erreicht. Außerdem führt diese Anordnung zur Ausbildung des planmäßigen Abstands s_w der einzelnen Windungen des Bewehrungselements in Trägerlängsrichtung. Ferner kann eine größere Gleichförmigkeit des Bewehrungselements erreicht werden, welche die Herstellung des Bewehrungselements vereinfacht. In gewissem Umfang dienen die nicht querkraftwirksamen Stababschnitte auch der Aufnahme von Kräften in Trägerlängsrichtung. Das erfindungsgemäße wendelförmige Bewehrungselement vereint damit die Vorzüge einer konventionellen Querkraftbewehrung aus einzelnen Bügeln mit den Vorteilen einer für die maschinelle Herstellung besonders geeigneten Wendel. Wie für alle Aussagen innerhalb dieser Schrift gelten für die oben genannten geometrischen Bedingungen hinsichtlich der praktischen Ausführung die üblichen in der Praxis erreichbaren Toleranzen.

4 zeigt den einfachsten Fall einer derartigen Wendelbewehrung für einen dreieckigen Querschnitt des Verbundbauteils. Für die baupraktisch bedeutenderen Rechteckquerschnitte führen die charakteristischen Merkmale des erfindungsgemäßen wendelförmigen Bewehrungselements dazu, dass die nicht aufeinander folgende Stababschnitte (1) und (3) eine Komponente in Richtung der Systemlängsachse x aufweisen, wodurch eine stabile Positionierung der querkraftwirksamen Stababschnitte (2) und (4) erfolgt. 5 zeigt den einfachen Fall mit konstanten Abständen (a = b) vertikal angeordneter querkraftwirksamer Stababschnitte (2) und (4). Die Stababschnitte (4) und (2) liegen in einer Ebene, welche die Trägerlängsachse im Gegensatz zu dem in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselement unter einem von 90° verschiedenen Winkel schneidet. In seiner Wirkungsweise entspricht das Bewehrungselement im Hinblick auf die Tragfähigkeit einer konventionellen Querkraftbewehrung in Form von zweischnittigen Bügeln, die im Abstand s_w angeordnet sind und den gleichen Stabdurchmesser d sowie die gleiche Oberflächenausbildung aufweisen, wie das erfindungsgemäße wendelförmige Bewehrungselement.
Bevorzugt soll das erfindungsgemäße Bewehrungselement aus einem Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit hergestellt werden. Besonders geeignet dafür sind plastisch verformbare metallische Werkstoffe oder Faserverbundwerkstoffe, die durch Laminieren in der Form des Bewehrungselements hergestellt werden. Die Oberfläche des Bewehrungselements ist entweder glatt, in bevorzugter Weise hinsichtlich des Verbundverhaltens aber aufgeraut, profiliert, gerippt oder mit umlaufenden bzw. unterbrochenen Gewindegängen versehen. Für die Bewehrung von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen besonders geeignet sind Bewehrungselemente aus Betonstahl mit gerippter Oberfläche, der als Ausgangsprodukt entweder in Form von Stäben oder als Ringmaterial vorliegen kann.
Zusätzlich weist das wendelförmige Bewehrungselement neben den geringen Verlegekosten und der geringen Anfälligkeit für Ausführungsfehler folgende Vorteile gegenüber einer konventionellen Querkraftbewehrung mit manuell oder werkmäßig nach EP 1 029 138 geschlossenen Bügeln auf:
Da konventionelle Bügel mit einem Übergreifungsstoß geschlossen werden müssen, weist das wendelförmige Bewehrungselement bei geringerem Materialverbrauch und gleicher Tragfähigkeit mindestens gleichwertige Eigenschaften hinsichtlich der auftretenden Rissbreiten auf. Bei einer konventionellen Bügelbewehrung werden im Hinblick auf die Minimierung der Verlegekosten große Stabdurchmesser d und große Bügelabstände s_w gewählt. Für das wendelförmige Bewehrungselement können kleine Stabdurchmesser d und geringe Abstände a bzw. b gewählt werden.
Kleinere Stabdurchmesser weisen wegen des günstigeren Verhältnisses von Umfang zu Stabquerschnitt kürzere Verankerungslängen auf und führen so zu kleineren Rissbreiten. Geringere Stababstände führen unter Umständen zu geringeren Rissabständen und somit ebenfalls zu geringeren Rissbreiten. Geringere Rissbreiten ermöglichen den Abtrag eines höheren Kraftanteils durch die Verzahnung der Rissufer, wodurch insgesamt ein geringerer Bewehrungsgrad erforderlich wird.
Die Wahl kleinerer Stabdurchmesser, die für das wendelförmige Bewehrungselement zu wirtschaftlichen Lösungen führen kann, ermöglicht einen geringeren Abstand der zu umschließenden Längsbewehrungsstäbe vom Bauteilrand und damit eine Vergrößerung des Hebelarms der inneren Kräfte, wodurch auch der Längsbewehrungsgrad gesenkt werden kann. Ferner ermöglicht die Wahl kleinerer Stabdurchmesser durch die geringeren auftretenden elastischen Rückstellkräfte beim Biegen eine maschinelle Herstellung der Bewehrungselemente mit höherer Maßgenauigkeit bzw. geringeren Produktionstoleranzen.
Geringe Stababstände können unter Umständen in Bereichen des Verbundbauteils, z.B. in der Platte eines Plattenbalkenquerschnitts zu einem dreiaxialen Spannungszustand und in der Folge zu höheren Tragfähigkeiten des Verbundbauteils und zu geringeren Bewehrungsgraden führen. Gegenüber dem in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselement weist die erfindungsgemäße Vorrichtung die folgenden Vorteile auf:
Das erfindungsgemäße wendelförmige Bewehrungselement zeichnet sich gegenüber dem in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselement durch eine ausgeprägte Gleichförmigkeit aus, die sich wie 5 für den baupraktisch bedeutensten Fall des Rechteckquerschnitts und regelmäßigen Stababständen (a = b = const.) zeigt, je Windung aus zwei gleichartigen, aufeinander folgenden Stabgruppen (1) (2) und (3) (4) zusammensetzt. Im Gegensatz dazu kann, wie aus 1 ersichtlich ist, eine Windung des in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselements nur aus zwei unterschiedlichen Stabgruppen z.B. (1) (2) und (3) (4) zusammengesetzt werden. Die Gleichförmigkeit ist von grundlegender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit der werkmäßigen Herstellung des Bewehrungselements. Je gleichförmiger das Bewehrungselement aufgebaut ist, desto weniger abweichende Produktionsschritte sind erforderlich und desto einfacher können die Produktionsmittel gestaltet werden.
Das erfindungsgemäße wendelförmige Bewehrungselement zeichnet sich gegenüber dem in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselement durch eine große räumliche Stabilität aus, da jeder der querkraftwirksamen vertikalen Stababschnitte (2), (4) bzw. der gegen die Bauteillängsachse vorteilhaft geneigten Stababschnitte (2'), (4'), (2''), (4'') jeweils durch zwei Stababschnitte (1) und (3) fixiert wird, die sowohl eine Komponente in Bauteillängsrichtung als auch eine Komponente senkrecht zur Bauteillängsachse aufweisen. Wie aus 1 und 5 ersichtlich ist, bedingt eine gleichartige Verdrehung der Stababschnitte (2) und (4) um die y-Achse bei dem in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselement Verformungen an einem Knoten (2)-(3) bzw. (3)-(4) je Stababschnitt, bei dem erfindungsgemäßen wendelförmigen Bewehrungselement Verformungen an zwei Knoten (1)-(2) und (2)-(3) bzw. (3)-(4) und (4)-(1) je Stababschnitt. Von besonderer Bedeutung ist die Räumliche Stabilität bei Transport und Einbau des Bewehrungskorbes in die Schalung bei kleinen Stabdurchmessern d. Eine unplanmäßige Verdrehung der Stababschnitte (2) und (4) nach der werkmäßigen Herstellung des Bewehrungselements kann dessen Wirksamkeit entscheidend beeinträchtigen.
Das erfindungsgemäße wendelförmige Bewehrungselement ermöglicht gegenüber dem in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselement die Ausführung geneigter querkraftwirksamer Stababschnitte die mit Parallelen zur Bauteillängsachse x einen von 90° abweichenden Winkel einschließen. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes wendelförmiges Bewehrungselement mit geneigten Stababschnitten (2) (4). Eine besonders vorteilhafte Anwendung zeigt 7, bei der sich geneigte Stababschnitte (2'), (4') bzw. (2''), (4'') bereichsweise mit vertikalen Stababschnitten (2), (4), die mit Parallelen zur Bauteillängsachse x einen Winkel von 90° einschließen, abwechseln. Diese Art der bereichsweisen Anordnung geneigter und vertikaler Stababschnitte kann dann zu besonders wirtschaftlichen Lösungen führen, wenn in Abschnitten des Verbundbauteils Querkräfte wechselnden Vorzeichens, beispielsweise infolge veränderlicher Einzellasten, auftreten können.
Das erfindungsgemäße wendelförmige Bewehrungselement zeichnet sich gegenüber dem in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselement durch eine Mitwirkung der Stababschnitte (1) und (3) an Aufnahme der in Bauteillängsrichtung wirkenden Zug- und Druckkräfte aus. Wie 1 für das in EP 0 152 397 beschriebene Bewehrungselement zeigt, kann sich Stababschnitt (3) bei diesem Bewehrungselement je nach seiner Anordnung nur in der Biegezugzone oder der Biegedruckzone eines durch Querkraftbiegung beanspruchten Trägers an der Längskraftaufnahme beteiligen. 5 hingegen zeigt, dass sich beim erfindungsgemäßen wendelförmigen Bewehrungselement sowohl Stababschnitt (1) als auch Stababschnitt (3) an der Längskraftaufnahme in der Biegezug- und Biegedruckzone beteiligen können. Besonders geeignet dafür sind wegen ihrer kurzen Verankerungslänge kleine Stabdurchmesser, die wie oben ausgeführt auch hinsichtlich der Querkraftabtragung zu wirtschaftlichen und außerordentlich effizienten Lösungen führen. 8 zeigt eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Bewehrungselements, bei dem durch die Anordnung mehrerer gleichartiger Elemente nach 5 eine Übergreifung der einzelnen Stababschnitte (1) bzw. (3) erreicht wird, so dass in allen Querschnitten die Mitwirkung von jeweils mindestens zwei Stababschnitten in der Biegezug- und Biegedruckzone eines durch Querkraftbiegung beanspruchten Verbundbauteils angesetzt werden kann. 8 verdeutlicht ferner, dass bei entsprechender Wahl eines geringen Stabdurchmessers d die erfindungsgemäßen wendelförmigen Bewehrungselemente durch die geringen Abstände der einzelnen Stababschnitte (1), (2), (3) bzw. (4) eine rissverteilende Wirkung erzielen und somit zu günstigen Eigenschaften des Verbundbauteils hinsichtlich der Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit beitragen können.
Das erfindungsgemäße wendelförmige Bewehrungselement zeichnet sich gegenüber dem in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselement durch die Möglichkeit von entlang der Bauteillängsachse veränderlichen Abständen der für die Querkraftabtragung nach der Fachwerkanalogie vorgesehenen Stababschnitte (2) und (4) bzw. (2') und (4') bzw. (2'') und (4'') aus. Ein wesentliches Merkmal des in EP 0 152 397 beschriebenen Bewehrungselements ist wie 1 zeigt der gleiche Abstand der einzelnen durch die Stababschnitte (4), (1) und (2) beschriebenen Windungsebenen, der durch Stababschnitt (3) erreicht wird, der stets auf einer bestimmten Seite des Bauteils angeordnet ist. Im Falle der baupraktisch stets auftretenden Streckengleichlasten resultieren über die Bauteillängsachse x veränderliche Querkräfte. Eine in wirtschaftlicher Hinsicht optimale Bewehrungsanordnung berücksichtigt diese Veränderlichkeit. Dies kann in sinnvoller Weise durch eine Abstufung der Abstände der einzelnen Windungen erfolgen. 9 zeigt den einfachen Fall eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements mit vertikalen Stababschnitten (2) und (4), die einen Winkel von 90° mit Parallelen zur Bauteillängsachse x einschließen und deren Abstand in Richtung Bauteillängsachse x bereichsweise abgestuft ist. 10 zeigt den Fall eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements mit vertikalen Stababschnitten (2) und (4), die einen Winkel von 90° mit der Bauteillängsachse einschließen, deren Abstand sich in Richtung der Bauteillängsachse x kontinuierlich verändert.
In den folgenden Abschnitten werden weitere besonders vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen wendelförmigen Bewehrungselements beschrieben.
11 zeigt eine weitere besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen wendelförmigen Bewehrungselements, bei dem zwei Bewehrungselemente mit unterschiedlichen Neigungen der Stababschnitte (2) und (4) bzw. (2') und (4') bzw. (2'') und (4'') gegen die Bauteillängsachse verwendet werden. Wie bei dem in 7 dargestellten Bewehrungselement können die vertikalen Stababschnitte (2) und (4), die mit einer Parallelen zur Bauteillängsachse x einen rechten Winkel einschließen, der Abtragung von Querkräften mit wechselndem Vorzeichen dienen, die sich beispielsweise infolge veränderlicher Einzellasten einstellen. Die gegen die Bauteilachse unter einem von 90° verschiedenen Winkel geneigten Stababschnitte (2') und (4') bzw. (2'') und (4'') hingegen dienen bei dieser Art der Bewehrungsausführung der Abtragung von Querkräften, die aus hinsichtlich ihrer Einwirkungsbereiche unveränderlichen äußeren Belastungen, z.B. Gleichlasten infolge Eigengewicht, resultieren. Im Gegensatz zu der in 8 dargestellten Anwendung weisen die beiden Bewehrungselemente hier unterschiedliche Außenabmessungen (h > h' und b > b') auf. Vor allem für kleine Stabdurchmesser ist eine derartige Anordnung sinnvoll, da einerseits der Hebelarm der inneren Kräfte, der aus der Position der Bauteillängsbewehrung resultiert, nur geringfügig reduziert wird und andererseits relativ gleichförmige Bewehrungselemente eingesetzt werden können, deren Produktion mit einem geringeren Aufwand möglich ist, als beispielsweise die Herstellung des Bewehrungselements nach 12.
Sofern die Anordnung von Bewehrungselementen mit unterschiedlichen Außenabmessungen nicht möglich ist, kann mit dem in 12 dargestellten Bewehrungselement, das sowohl vertikale Stababschnitte (2) und (4) sowie geneigte Stababschnitte (2') und (4') bzw. (2'') und (4'') aufweist, eine ähnliche Wirkung erzielt werden wie mit den in 7 bzw. 11 abgebildeten Anordnungen. Im Gegensatz zu den Anordnungen gem. 7 und 11 sind die vertikalen und geneigten Stababschnitte nicht bereichsweise über die Bauteillängsachse sondern abwechselnd paarweise angeordnet.
Eine Bewehrungswirkung wie bei dem in 15 dargestellten Bewehrungselement kann auch erreicht werden, wenn sich, wie in 13 und 14 dargestellt, ein Bewehrungselement aus jeweils zwei Stabelementen zusammensetzt, die sich durch abwechselnd angeordnete vertikale (2) und (4') bzw. (2''') und (4'') und geneigte (2') und (4) bzw. (2'') und (4''') Stababschnitte auszeichnen. Als eine Windung im Sinne der Erfindung sind hierbei die Stababschnittfolgen (1), (2''), (3'') und (4) bzw. (1''), (2), (3) und (4'') bzw. (1'), (2'''), (3''') und (4') bzw. (1'''), (2'), (3') und (4''') zu verstehen. In 13 ist die Anordnung von zwei derartigen Stabelementen dargestellt, die im Querschnitt unterschiedliche Abmessungen (h < h'' und b < b'') aufweisen. Die beiden Stabelemente in 14 hingegen weisen im Querschnitt gleiche Abmessungen (h = h'' und b = b'') auf, sind aber versetzt angeordnet.
15 zeigt eine weitere besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Bewehrungselements, bei der die Neigungen der Stababschnitte (2) bis (2^VIII) bzw. (4) bis (4^VIII) gegen die Bauteillängsachse x in Richtung der x-Achse bei unveränderlichem Abstand s_w der Windungen kontinuierlich abgestuft sind. Dadurch kann in Bereichen höherer Querkraftbeanspruchung, in welchen ein Vorzeichenwechsel der Querkraft ausgeschlossen werden kann, durch die geringere Neigung der querkraftwirksamen Stababschnitte gegen die Bauteillängsachse x ein hoher Wirkungsgrad der Querkraftbewehrung erreicht werden. In den Bereichen geringer Querkraftbeanspruchung hingegen ist wegen der großen Neigung der querkraftwirksamen Stababschnitte gegen die Bauteillängsachse x, die mit Parallelen zur x-Achse Winkel bis zu 90° einschließen, ein Vorzeichenwechsel der Querkraft infolge veränderlicher Stellung der äußeren Lasten auf dem Verbundbauteil möglich. Eine noch effizientere, hier allerdings nicht dargestellte Möglichkeit kann durch die Kombination von veränderlicher Neigung der querkraftwirksamen Stababschnitte und veränderlichem Abstand s_w erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßes wendelförmiges Bewehrungselement für einen sechseckigen Querschnitt des Verbundbauteils zeigt 16. Die querkraftwirksamen Stababschnitte (2) und (4) sind vertikal in Richtung der z-Achse angeordnet und weisen konstante Abstände s_w auf. In diesem Fall liegen die nur bedingt querkraftwirksamen Stababschnitte (5) und (6) nicht in der durch die Stababschnitte (2) und (4) derselben Windung festgelegten Ebene. Es sind jedoch auch Anordnungen für den gleichen Bauteilquerschnitt möglich, bei welchen die Stababschnitte (5) und (6) in derselben Ebene liegen wie die Stababschnitte (2) und (4). 17 zeigt eine im Querschnitt mehrzellige Bewehrungsanordnung bestehend aus den erfindungsgemäßen im Querschnitt einzelligen wendelförmigen Bewehrungselementen nach 5 und 17. Die querkraftwirksamen Stababschnitte beider Bewehrungselemente (2) und (4) bzw. (2') und (4') sind vertikal, parallel zur z-Achse ausgerichtet und weisen einen konstanten Abstand s_w = s_w' auf. Durch die Kombination mehrerer einzelliger Bewehrungselemente können beliebige Querschnittsformen des Verbundbauteils effektiv bewehrt werden. Vorteilhafte, nicht dargestellte Lösungen sind auch durch die Kombination mehrere einzelliger Bewehrungselemente mit geneigten querkraftwirksamen Stababschnitten und/oder veränderlichen Abständen der einzelnen Windungen oder unterschiedlichen Windungsabständen bei den einzelnen Bewehrungselementen möglich.
In 18 ist der Querschnitt der in 17 dargestellten Bewehrungsanordnung mit eingebauten Längsbewehrungsstäben abgebildet. Die Biegezug- bzw. Biegedruckbewehrung (7) bzw. (8) eines durch Querkraftbiegung beanspruchten Verbundbauteils ist wie die konstruktiv zugelegte Bewehrung (9) in den Ecken der in der Querschnittsprojektion entstehenden Zellen platziert und entspricht damit der baupraktisch üblichen Anordnung. Wegen der bereits vor dem Einbau des Bewehrungselements erfolgten exakten Positionierung der querkraftwirksamen Stababschnitte und der hohen räumlichen Stabilität des erfindungsgemäßen wendelförmigen Bewehrungselements müssen die Längsbewehrungsstäbe nur in wenigen Punkten durch Verrödelung, Schweißen, Löten oder mittels Verbindungselementen fixiert werden. Dies kann bereits im Herstellwerk oder auf der Baustelle vor bzw. nach dem Einbau des Bewehrungselements in die Schalung des Verbundbauteils erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz erfindungsgemäßer wendelförmiger Bewehrungselemente als Durchstanzbewehrung in hoch querkraft- und momentenbeanspruchten Bereichen von Flachdecken. 19 zeigt ein Bewehrungselement mit vertikalen und geneigten querkraftwirksamen Stababschnitten (2) und (4) bzw. (2') und (4') sowie (2'') und (4''). Im Unterschied zu der Anordnung nach 7 sind die querkraftwirksamen geneigten Stababschnitte (2') und (4') bzw. (2'') und (4'') von der Mitte oben des Bewehrungselements nach außen, unten geneigt. Die Anordnung nach 7 ist für einen Einsatz als Querkraftbewehrung in einem Verbundbauteil zwischen zwei Momentennullpunkten vorgesehen, so dass die Querkräfte von der Mitte des Bewehrungselements in Richtung der Bauteillängsachse x nach außen abgetragen werden müssen. Im Gegensatz dazu müssen die Querkräfte bei der Durchstanzbewehrung nach 19 von außen in Richtung der Bauteillängsachse x zum Mittelbereich des Bewehrungselements übertragen werden, der über der Stütze angeordnet wird. Wegen der bevorzugten Wirkungsrichtung der geneigten Stababschnitte (2') und (4') bzw. (2'') und (4'') empfehlen sich Bewehrungselemente nach 19 vor allem für rotationssymetrische Anordnungen um die Stütze entsprechend der in 20 dargestellten Draufsicht. Nicht dargestellt sind in diesem Bild die Längsbewehrungsstäbe. Die aus wirtschaftlichen Gründen notwendige Abstufung des Querkraftbewehrungsgrads ausgehend von der Stütze ergibt sich aus der rotationssymetrischen Anordnung mehrer Bewehrungselemente.
21 zeigt in Draufsicht eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Bewehrungselements nach 5 mit vertikaler Anordnung parallel zur z-Achse der querkraftwirksamen Stababschnitte (2) und (4). Da diese keine bevorzugte Wirkungsrichtung aufweisen können sie in allen Bereichen um die Stütze in gleicher Weise eingesetzt werden. Es empfiehlt sich deshalb eine Anordnung der Bewehrungselemente die entsprechend dem für Flächentragwerke baupraktisch üblichen Bewehrungsverfahren einen orthogonalen Verlauf der Längsbewehrungsstäbe (7) und (8) ermöglicht.

Claims

Wendelförmiges Element (Bewehrungselement) zum Bewehren von Verbundbauteilen mit zwei Arten von Stababschnitten, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Windung für die Aufnahme von Zugkräften infolge einer senkrecht zu Bauteillängsachse wirkenden Querkraft Q geeigneten Stababschnitte in einer Ebene liegen, die mit der Bauteillängsachse einen von 90° verschiedenen Winkel einschließt, und die übrigen Stababschnitte einer Windung eine Komponente in Richtung der Bauteillängsachse aufweisen.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Herstellung durch Aufbringung plastischer Verformungen auf einen quasi endlosen Stab an den Berührpunkten der einzelnen Stababschnitte erfolgt.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Herstellung durch Fügen einzelner Stababschnitte erfolgt.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus einem metallischen Werkstoff hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus einem mineralischen Baustoff hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus einem Kunststoff hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus einem Verbundwerkstoff hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus einem Stab mit profilierter Oberfläche hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus einem Stab mit gerippter Oberfläche hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus einem Stab mit Gewindeoberfläche hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus Betonstahl hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement aus Ringmaterial hergestellt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Herstellung verwendete Betonstahl einen Durchmesser von mindestens 3 mm und maximal 20 mm aufweist.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Aufnahme von Zugkräften infolge einer senkrecht zu Bauteillängsachse wirkenden Querkraft Q geeigneten Stababschnitte aufeinander folgender Windungen mit Parallelen zur Bauteillängsachse in Bereichen des Bewehrungselements den gleichen Winkel einschließen.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Aufnahme von Zugkräften infolge einer senkrecht zu Bauteillängsachse wirkenden Querkraft Q geeigneten Stababschnitte aufeinander folgender Windungen mit Parallelen zur Bauteillängsachse in Bereichen des Bewehrungselements einen abweichenden Winkel einschließen.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Windungen in Bereichen des Bewehrungselements in Richtung der Bauteillängsachse konstante Abstände aufweisen.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Windungen in Bereichen des Bewehrungselements in Richtung der Bauteillängsachse veränderliche Abstände aufweisen.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Bewehrungselements in gestauchtem Zustand erfolgt.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Bewehrungselements Bewehrungsstäbe in Bauteillängs richtung angeordnet sind.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungsstäbe aus metallischen Werkstoffen bestehen.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungsstäbe Betonstähle sind.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungsstäbe punktuell durch Verrödelung mit dem Bewehrungselement verbunden sind.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungsstäbe punktuell durch Fügen mit dem Bewehrungselement verbunden sind.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Querkraftbewehrung in Verbundbauteilen eingesetzt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es als Durchstanzbewehrung in Verbundbauteilen eingesetzt wird.
Wendelförmiges Bewehrungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stababschnitte einer Windung des Bewehrungselements in der Querschnittsprojektion auf eine Ebene senkrecht zur Bauteillängsachse eine einzellige polygonzugartige Figur mit Eckausrundungen beschreiben.
Verfahren zur Bewehrung von Verbundbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bewehrungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 27 Verwendung findet.
Verfahren zur Bewehrung von Verbundbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bewehrungselemente nach einem der Ansprüche 1 bis 27 Verwendung finden.
Verfahren zur Bewehrung von Verbundbauteilen nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bewehrungselemente durch Fügen miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Bewehrung von Verbundbauteilen nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwerpunkte der Querschnittsprojektionen der verwendeten Bewehrungselemente in eine Ebene senkrecht zur Bauteillängsachse identisch sind.
Bewehrtes Verbundbauteil hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31.