DE102005038541A1

DE102005038541A1 - Vorgespannte Flächentragwerke aus Faserbeton und textilbewehrtem Beton

Info

Publication number: DE102005038541A1
Application number: DE102005038541A
Authority: DE
Inventors: Johann Kollegger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-03-01
Also published as: ATE470028T1; EP1915487A1; WO2007019593A1; DE502006007115D1; EP1915487B1

Abstract

Dünnwandige Flächentragwerkelemente aus Faserbeton und textilbewehrtem Beton werden mittels Vorspannung zu Scheiben, Platten und Schalen zusammengefügt. Damit gelingt die Herstellung von dünnwandigen Strukturen, die sich bei Belastung wie monolithische Strukturen verhalten. Die Flächentragwerkelemente können eben oder räumlich gekrümmt sein. Als Spannverfahren werden die Vorspannung mit nachträglichem Verbund und die Vorspannung ohne Verbund eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft dünnwandige Flächentragwerke aus Faserbeton oder textilbewehrtem Beton. Scheiben, Platten und Schalen sind Flächentragwerke, wobei Lasten von Scheiben ausschließlich und von Schalen vorwiegend über Membranspannungszustände abtragen. Definitionsgemäß werden Platten normal zur Plattenmittelebene belastet und die Belastung wird über Biegespannungszustände abgetragen.
Derartige dünnwandige Flächentragwerke können Verwendung finden als Fassadenplatten, Lärmschutzwände oder Schalenkonstruktionen beispielsweise zum Bau von Messeständen.

Die Zugfestigkeit von Beton beträgt nur etwa 5% bis 10% der Druckfestigkeit. Das Einlegen einer Betonstahlbewehrung in dünnwandige Betonelemente ist nicht sinnvoll, weil bei einer Gesamtdicke von z.B. 4 cm eine Mindestbetondeckung von 2,5 cm bis 3 cm für die Bewehrung nicht ausführbar und damit kein Korrosionsschutz gewährleistet ist. Dünnwandige Betonfertigelemente werden deshalb mit nichtmetallischen Faserbewehrungen oder textilen Bewehrungen versehen, um die Zugfestigkeit zu steigern. Geeignete Werkstoffe für die Herstellung von textilen Bewehrungen und Faserbewehrungen sind beispielsweise alkaliresistente Glasfasern oder Kohlenstofffasern.

Am Markt erhältliche, vorgefertigte Flächentragwerkelemente aus Faserbeton und textilbewehrtem Beton werden als kleinformatige Elemente mit Abmessungen von beispielsweise 1,25 m mal 3,6 m auf Unterkonstruktionen befestigt. Größerformatige Anwendungen sind wegen der begrenzten Biege- und Zugtragfähigkeit der faserbewehrten oder textilbewehrten Elemente und in Ermangelung einer geeigneten Fügetechnik nicht möglich.

Zur Verbesserung der Biege- und Zugtragfähigkeit ist vorgeschlagen worden, die textile Bewehrung vor dem Einbringen des Betons vorzuspannen (siehe z.B. Markus Krüger: Vorgespannter textilbewehrter Beton, Dissertation, Universität Stuttgart, 2004). Diese so genannte Vorspannung mit sofortigem Verbund ermöglicht das Aufbringen einer kleinen Druckvorspannung des Betons von z.B. nur 1,5 MPa in der o.g. Dissertation, weil die Verankerung der textilen Bewehrung zum Aufbringen der Vorspannung problematisch ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Flächentragwerkelement aus Faserbeton oder textilbewehrtem Beton zu schaffen, das ein höheres Biege- und Zugvermögen als die bekannten Ausführungsformen aufweist und das eine geeignete Verbindungsmöglichkeit zur Schaffung von dünnwandigen Flächentragwerken aus mindestens zwei einzelnen Flächentragwerkelementen aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Flächentragwerkelement oder eine Struktur, die aus mehreren Flächentragwerkelementen besteht, mit Spanngliedern ohne Verbund oder mit Spanngliedern mit nachträglichem Verbund vorgespannt wird. Damit gelingt die Herstellung von Flächentragwerken als tragfähige Strukturen aus dünnwandigen, vorgefertigten Flächentragwerkelementen, die wesentlich größer sind als die bekannten Ausführungsformen. Die größte Spannweite von zweifach gekrümmten Schalenstrukturen aus erfindungsgemäßen Flächentragwerkelementen wird zwischen 20 m und 30 m liegen. Einfach gekrümmte Schalenstrukturen und ebene Strukturen werden kleinere Maximalspannweiten aufweisen, die im Einzelfall für die vorliegende Geometrie und die anzusetzenden Einwirkungen zu bestimmen sind. Der Bau von relativ großen einfach gekrümmten oder ebenen Strukturen wird möglich sein, wenn die anzusetzende Windeinwirkung gering ist, was beispielsweise bei der Errichtung eines Messestandes in einer geschlossenen Halle der Fall wäre.
Vorspannung wird im Ingenieurbau eingesetzt, um in der vorgespannten Betonstruktur einen Druckspannungszustand zu erzeugen. Dieser Druckspannungszustand muss durch Spannungen in Folge äußerer Belastungen erst abgebaut werden, bevor Zugspannungen entstehen und damit schließlich Rissbildung eintritt. Die Dehn- und Biegesteifigkeit eines ungerissenen, bewehrten Betontragwerks ist wesentlich höher im ungerissenen Zustand als nach der Rissbildung. Die höheren Steifigkeiten im ungerissenen Zustand bewirken, dass ungerissene Tragwerke viel kleinere Verformungen aufweisen als Tragwerke, die Risse aufweisen. Diese bekannten Vorteile der Vorspannung werden bei dem erfindungsgemäßen Flächentragwerkelemente ausgenützt, um mit Hilfe der Vorspannung dünnwandige Flächentragwerke zu bauen, die unter den äußeren Einwirkungen ungerissen bleiben und damit eine hohe Dehn- und Biegesteifigkeit und als Folge davon kleine Verformungen aufweisen. Gerade für dünnwandige Strukturen, deren Last-Verformungsverhalten nichtlinear ist und die bei geringen Materialspannungen in Folge von Stabilitätsproblemen versagen können, ist die hohe Steifigkeit der ungerissenen Struktur und das Vermeiden von großen Verformungen von hoher Bedeutung für die Tragsicherheit.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben und erläutert.
Es zeigt
1 eine Ansicht eines ebenen Flächentragwerkelements, das in einer Richtung vorgespannt ist
2 einen Schnitt längs der Linie II-II in 1
3 eine Ansicht eines von geraden Rändern begrenzten Flächentragwerkelements mit der Form eines hyperbolischen Paraboloids
4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in 3
5 ein ebenes Flächentragwerk, das aus mehreren einzelnen Flächentragwerkelementen besteht, die mittels Vorspannung miteinander verbunden sind.
6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in 5
7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII in 5
8 ein zweifach räumlich gekrümmtes Flächentragwerk mit der Form eines hyperbolischen Paraboloids, das aus mehreren einzelnen Flächentragwerkelementen besteht, die mittels Vorspannung miteinander verbunden sind
9 ein zweifach räumlich gekrümmtes Flächentragwerk mit der Form eines Hyperboloids, das aus mehreren einzelnen Flächentragwerkelementen besteht, die mittels Vorspannung miteinander verbunden sind
10 einen Schnitt längs der Linie X-X in 9
11 die auf einer geeigneten Unterkonstruktion angeordneten Flächentragwerke für den untersten Ring des Hyperboloids
12 die Flächentragwerkelemente des ersten und zweiten Rings des Hyperboloid
13 die Flächentragwerkelemente der ersten drei Ringe des Hyperboloid
Im Folgenden wird zunächst auf die 1 und 2 Bezug genommen.
Eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Flächentragwerkelements 10 ist in 1 dargestellt. Die dargestellte rechteckige Ausführungsform ist eben und in eine Richtung mit Spanngliedern 20 vorgespannt. Der Rand 30 des Flächentragwerkelements 10 besteht aus geraden Abschnitten, die normal zur Plattenmittelebene verlaufen.
Ein Detail mit einem Schnitt durch das Flächentragwerkelement 10 und das Spannglied 20 zeigt die 2. Das Spannglied 20 besteht aus einem Zugglied 22, einem Hüllrohr 24 und einer Verankerung 28.
Geeignete Werkstoffe für das Zugglied 22 sind beispielsweise Faserverbundwerkstoffe aus Kohlenstoff-, Aramid- oder Glasfasern in Verbindung mit einer Matrix aus Epoxidharz und nicht rostende Stähle. Für Faserverbundwerkstoffe existieren geeignete Verankerungssysteme (beschrieben z.B. in der DE 100 10 564 ). Drähte, Litzen und Stäbe aus nicht rostendem Stahl können mit den aus dem Spannbetonbau bekannten Systemen verankert werden, wobei für die hier vorliegenden kleinen Querschnittsabmessungen insbesondere Hülsenverankerungen für Litzen und Drähte sowie Muttern für Gewindestäbe geeignet sind. Die Zugfestigkeiten der Faserverbundwerkstoffe liegen derzeit zwischen 2000 MPa und 5000 MPa, Stähle in nicht rostender Qualität sind mit Zugfestigkeiten bis 1800 MPa erhältlich.
In 2 ist ein Hohlraum 26 dargestellt, der im Beton des Flächentragwerkelements 10 durch das Einlegen des Hüllrohrs 24 vor oder während des Betoniervorganges geformt wird. In diesem Hohlraum 26 wird vor oder nach dem Betonieren ein Zugglied 22 eingeführt. Dadurch wird der Hohlraum 26 verkleinert. Nach dem Erhärten des Betons wird das Zugglied 22 gegen den erhärteten Beton, üblicherweise mit hydraulischen Pressen, vorgespannt. Wird der verbleibende Hohlraum 26 anschließend mit einem Zementmörtel oder einem Epoxidharz verpresst, liegt eine Vorspannung mit nachträglichem Verbund vor.
Spannglieder ohne Verbund können nachträglich wieder entspannt und entfernt werden. Damit ist die Herstellung von demontierbaren Tragwerken möglich.
Nimmt man an, dass das Flächentragwerkelement 10 in 1 eine Dicke von 13 mm aufweist, die runden Zugglieder 22 einen Durchmesser von 4 mm und einen Abstand von 200 mm aufweisen und mit 1000 MPa vorgespannt sind, so entsteht in einem mittleren Bereich des Flächentragwerkelements 10, der nicht durch Spannungsspitzen an der Verankerung beeinflusst ist, eine Spannung von Spannkraft (Fläche mal Spannung = 12,6 mm² mal 1000 Mpa = 12570 N) durch Fläche (200 mm mal 13 mm = 2600 mm²) gleich 4,8 MPa. Bei einer Halbierung des gegenseitigen Abstandes der Spannglieder 20 von 200 mm auf 100 mm würde die Druckvorspannung des Betons auf den doppelten Wert (9,7 MPa) ansteigen.
Die Spannung an der Verankerung 28 beträgt bei angenommenen Abmessungen der Ankerplatte von 13 mm mal 30 mm 12570 N durch 390 mm² gleich 32,2 MPa, was von einem textilbewehrten und/oder faserbewehrten Beton problemlos aufnehmbar ist. Einaxiale Druckfestigkeiten von textilbewehrtem und/oder faserbewehrtem Beton liegen für 28 Tage alte Probekörper zwischen 40 und 160 MPa.
Eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flächentragwerkelements 10 ist in 3 dargestellt. Das Flächentragwerkelement 10 weist gerade Ränder 30 auf und hat die Form eines hyperbolischen Paraboloids 62. Das Flächentragwerkelement 10 wird mit zwei Spanngliedern 20 vorgespannt, die annähernd orthogonal zueinander angeordnet sind. In der 3 und im zugehörigen Schnitt in der 4 ist ein Zustand nach dem Erhärten des Betons und vor dem Einführen der Zugglieder 22 dargestellt. Durch die Hüllrohre 24 werden Hohlräume 26 zum späteren Verbinden von mehreren derartigen Flächentragwerkelementen 10 mittels Vorspannung geschaffen.
Ein ebenes Flächentragwerk 50, das erfindungsgemäß aus mehreren Flächentragwerkelementen 10 besteht, die mittels Spanngliedern 20 miteinander verbunden sind, ist in 5 und in Detailausschnitten in 6 und 7 dargestellt. Rechteckige, ebene Flächentragwerkelemente 10 mit Spanngliedern 20, die orthogonal zueinander angeordnet sind, werden mittels Vorspannung zu einem ebenen Flächentragwerk 50 zusammengefügt. Der Übersichtlichkeit halber sind in 5 nur einige der Spannglieder 20 eingezeichnet. Das ebene Flächentragwerk 50 könnte als Fassadenplatte oder als Lärmschutzwand eingesetzt werden. Die Spannglieder 22 verlaufen in Hüllrohren 24 und sind am Rand 30 des ebenen Flächentragwerks 50 mit geeigneten Verankerungen 28 verankert.
Der Rand 30 des ebenen Flächentragwerks 50 weist gemäß 6 eine Verdickung 32 zur besseren Aufnahme der Verankerungen 28 der Spannglieder 20 auf. Zwischen den einzelnen Flächentragwerkelementen 10 ist ein Streifen aus weichem Material 34, beispielsweise aus Epoxidharz oder extrudiertem Polystrol, das auf Grund eines geringen Elastizitätsmoduls und/oder auf Grund seiner ausgeprägten Kriecheigenschaften zu einer Reduzierung der Kantenpressungen führt, die beim Anspannen der Spannglieder 20, die die an den Rändern 30 der Flächentragwerkelemente 10 in Folge von Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Flächentragwerkelemente 10 auftretenden Spannungsspitzen abbauen.
Die 8 zeigt ein räumlich gekrümmtes Flächentragwerk 60 in der Form eines hyperbolischen Paraboloids 62 mit geraden Rändern 30. Zwei der vier Ränder 30 sind unverschieblich gestützt. Das hyperbolische Paraboloid 62, das als Veranstaltungshalle oder als Überdachung einer Ausstellungsfläche verwendet werden könnte, ist aus einzelnen Flächentragwerkelementen 10 zusammengesetzt, die ebenfalls die Form von hyperbolischen Paraboloiden 62 aufweisen und bereits in der 3 und 4 beschrieben wurden. Durch das Anspannen der Spannglieder 20 werden die einzelnen Flächentragwerkelemente 10 zu einem zweifach räumlich gekrümmten Flächentragwerk 60, das in seinem Tragverhalten einer monolithischen Struktur entspricht, verbunden.
Die 9 zeigt ein räumlich gekrümmtes Flächentragwerk 60 in der Form eines Hyperboloids 64. Entlang des Randes 30 ist das Hyperboloid 64 unverschieblich gestützt. Die einzelnen Flächentragwerkelemente 10 bzw. Scharen 11, 12, 13 von Flächentragwerkelementen 10 werden mit Spanngliedern 20 kraftschlüssig miteinander verbunden. Die der Übersichtlichkeit halber in 9 nicht dargestellten Spannglieder 20 befinden sich erfindungsgemäß in den Flächentragwerkelementen 10 und werden benützt, um die einzelnen Flächentragwerkelemente 10 miteinander zu verbinden. Die einzelnen Flächentragwerkelemente 10 können exakt nach der Form des zu bauenden Hyperboloids 64 geformt sein oder diese Form nur annähern. Werden zum Beispiel ebene Flächentragwerkelemente 10 zum Bau des Hyperboloids 64 verwendet, so entstehen entlang der Ränder 30 Winkel 36 zwischen Rand 30 und der Mittelebene des Flächentragwerkelements 10 die von 90° verschieden sind. Das Detail in 10 zeigt eine derartige Situation bei der zwei Flächentragwerkelemente 10 entlang eines Randes 30 unter Winkeln 36 aufeinander treffen, die größer sind als ein rechter Winkel.
Ein Verfahren zum Bau von zweifach räumlich gekrümmten Flächentragwerken 60 aus Flächentragwerkelementen 10 ist in den 11, 12 und 13 dargestellt. Gemäß 11 wird eine erste Schar 11 von Flächentragwerkelementen 10 auf einer geeigneten Unterstützung entlang eines Randes 30 fixiert.
Gemäß 12 wird eine zweite Schar 12 von Flächentragwerkelementen 10 mit Spanngliedern 20 mit der ersten Schar 11 kraftschlüssig verbunden. Der Übersichtlichkeit halber ist in 12 und 13 nur jeweils ein Spannglied 20 dargestellt.
Gemäß 13 wird anschließend eine dritte Schar 13 von Flächentragwerkelementen 10 mit Spanngliedern 20 mit der ersten Schar 11 und der zweiten Schar 12 verbunden. Bei diesem Vorgang sind die Spannglieder 20 entweder zu koppeln oder ein Teil der im zweiten Verfahrensschritt verlegten Spannglieder 20 ist zu entspannen und durch längere Spannglieder 20 zu ersetzen. Das Vorhalten von Hohlräumen 26 für alle später anzufügenden Flächentragwerkelemente 10 in den zuerst verlegten Scharen 11 und 12 gemäß dem Vorgehen bei dem Freivorbauverfahren im Brückenbau wäre auch möglich.
Durch das Anfügen von weiteren Flächentragwerkelementen 10, was in der Zeichnung nicht mehr dargestellt ist, wird schließlich die Schale in der Form eines Hyperboloids 64 fertig gestellt.
Günstig bei diesem Verfahren ist, dass die Verwendung eines Lehrgerüsts nicht erforderlich ist, weil das Gewicht der angefügten Flächentragwerkelemente 10 vorwiegend über Membranspannungen in dem vorgespannten räumlich gekrümmten Flächentragwerk 60, das durch die bereits verlegten Flächentragwerkelemente 10 gebildet wird, abgetragen wird.
In den Beispielen wurde die Herstellung eines ebenen Flächentragwerks 50, eines hyperbolischen Paraboloids 62 und eines Hyperboloids 64 beschrieben Die erfindungsgemäßen Flächentragwerkelemente 10 jedoch können auch für andere hier nicht gezeigte Schalentragwerke beliebiger Form verwendet werden.
In den gezeigten Beispielen wurden die Spannglieder 20 an den Rändern 30 der Flächentragwerkelemente 10 verankert. Weitere Möglichkeiten wie z.B. das Verankern von Spanngliedern 20 an Lisenen oder das Koppeln von Spanngliedern 20, die bewährte Techniken des Spannbetonbaus sind, können zu Vorspannung des erfindungsgemäßen Flächentragwerkelements 10 sinngemäß eingesetzt werden.

10: Flächentragwerkelement
11: erste Schar von Flächentragwerkelementen
12: zweite Schar von Flächentragwerkelementen
13: dritte Schar von Flächentragwerkelementen
20: Spannglied
22: Zugglied
24: Hüllrohr
26: Hohlraum
28: Verankerung
30: Rand
32: Verdickung
34: Streifen aus weichem Material
36: Winkel zwischen dem Rand und der Mittelebene des Flächentragwerkelements
50: ebenes Flächentragwerk
60: räumlich gekrümmtes Flächentragwerk
62: hyperbolisches Paraboloid
64: Hyperboloid

Claims

Flächentragwerkelement als vorgefertigtes Element aus Faserbeton oder textilbewehrtem Beton, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächentragwerkelement eine Dicke zwischen 8 mm und 36 mm aufweist und mit Spanngliedern ohne Verbund oder mit Spanngliedern mit nachträglichem Verbund vorgespannt ist.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächentragwerkelement vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 mm und 22 mm aufweist.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugglieder zur Vorspannung des Flächentragwerkelements aus Faserverbundwerkstoff bestehen.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugglieder aus nicht rostendem Edelstahl bestehen.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächentragwerkelement keine Krümmung aufweist.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächentragwerkelement eine einfache Krümmung aufweist.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächentragwerkelement eine zweifache Krümmung aufweist.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächentragwerkelement an mindestens einem Rand eine Verdickung zur Aufnahme der Verankerungen der Spannglieder aufweist.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rand des Flächentragwerkelements einen Winkel zur Mittelebene des Flächentragwerkelements aufweist, der von 90° verschieden ist
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllrohre zur Aufnahme der Spannglieder bereits beim Herstellen der Flächentragwerkelemente eingelegt werden.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Rand des Flächentragwerkelements geeignete Verankerungen zum Verankern der Zugglieder eingelegt sind.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Flächentragwerkelement Spannglieder verlegt sind, die annähernd parallel zueinander angeordnet sind.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Flächentragwerkelement Spannglieder verlegt sind, die annähernd orthogonal zueinander angeordnet sind.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Flächentragwerkelemente mit Spanngliedern kraftschlüssig zusammengefügt werden.
Flächentragwerkelement nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rändern der Flächentragwerkelemente Streifen aus einem weichen oder kriechfähigen Material angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer zweifach gekrümmten Schale mit Flächentragwerkelementen nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass a) in Flächentragwerkelementen in der Nähe der Mittelebene Hüllrohre gerade oder gekrümmt verlegt sind, so dass in den Flächentragwerkelementen Hohlräume mit annähernd kreisförmigem Querschnitt vorhanden sind und dass jeder Hohlraum ein an einem Rand des Flächentragwerkelements liegenden Anfang und ein an einem andren Rand liegendes Ende aufweist, b) das zweite Flächentragwerkelement mit dem ersten Flächentragwerkelement mittels mindestens einem in einem Hohlraum geführten und vorgespannten Zugglied, das an einem Rand des ersten Flächentragwerkelements und einem Rand des zweiten Flächentragwerkelements verankert ist, verbunden wird, c) weitere Flächentragwerkelemente angefügt werden, die jeweils mit mindestens einem vorgespannten Zugglied, das in den Hohlräumen von mindestens zwei Flächentragwerkelementen angeordnet ist und an den Rändern verankert ist, miteinander verbunden werden, d) dass die zweifach gekrümmte Schale, die durch das Zusammenfügen der Flächentragwerkelemente entsteht, in der Lage ist, das Gewicht eines weiteren anzufügenden Flächentragwerkelements vorwiegend über Membranspannungen in der zweifach gekrümmte Schale abzutragen.