DE102006051083A1

DE102006051083A1 - Füllkörper für Feststoffe insbesondere Beton

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Publication number: DE102006051083A1
Application number: DE200610051083
Authority: DE
Original assignee: Parthy Kai Dipl-Ing
Current assignee: Parthy Kai Dipl-Ing
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-04-30

Abstract

Ineinandergreifende Füllkörper aus mehreren Schlaufen zur Armierung von Beton, welche zu einer hohen Gesamt-Konzentration zugemischt werden können. Die Füllkörper bilden im Beton eine zellartige regelmäßige Matrix.

Description

Stahlfasern zur Bewährung aushärtbarer Werkstoffe, wie etwa Beton sind seit langem in Gebrauch. Die meisten Patente (z.B. US 5.443.918 ) beschreiben Stahlfasern aus Drahtstücken mit Verformungen wie Kerben entlang des Drahtes oder Abknickungen oder Stauchungen an den Enden.
Diese länglichen Stahlfasern eignen sich gut für Betonmixe, die etwa für Tunnelauskleidungen verwendet werden, bekannt sind aber auch Versuche, die Festigkeitseigenschaften von faserarmiertem Beton für Zwischendecken, also anspruchsvollere oder sicherheitsrelevante Bauteile zu nutzen.
Als besonders nachteilig wird angesehen, das Stahlfasern in länglicher Ausführung nur in begrenzter Menge dem Beton zugemischt werden können, da diese ab einer Menge von ca. 60-100 Kg/Kubikmeter anfangen, während des Mischens zu verklustern/zu verigeln. D.H. sie behindern sich bei der regelmäßigen Verteilung im Beton. Höhere Konzentrationen führen insofern zu unregelmäßiger Verteilung der Stahlfasern.
Höhere Konzentrationen wären jedoch erwünscht, um durch den erhöhten Stahlanteil im Beton die Gesamtfestigkeit anzuheben. Pumpfähig sind solche verklusterten Mischungen ebenfalls nicht mehr.
Bekannt sind ebenso Elemente zur Erstellung einer 3-dimensionalen Matrix im Beton laut US 5,404,688 , wobei räumliche Körper mehreckiger Form, dem Beton zugegeben werden.
Laut Bild-Zitat greifen die die Eckpunkte eines dieser Körper in die räumliche Struktur des anderen Körpers ein und bilden so im Beton eine (bei entsprechender Füllmenge) regelmäßige Matrix.
Als nachteilig wird hier angesehen, daß die gerüstartigen Körper verhältnismäßig schwierig herzustellen und dementsprechend teuer sind.
Weiterhin bilden sich bei der Schüttung von rechteckigen Hohl-Körpern mit offenen Wandungen Zwischenräume zwischen den einzelnen Füllkörpern. Diese bilden dann Bereiche nicht stetiger Festigkeitseigenschaften.
Weiterhin hinderlich an der Bildung einer regelmäßigen Matrix sind hier die eckigen Außenkanten der Füllkörper. Wegen der Ecken findet beim Mischen ein spürbares „Einrasten" eines Körpers in den anderen statt. Gleiches Passiert wegen der in diesem Patent vorgeschlagenen Stäbe an jedem Füllkörper.
Bekannt ist ebenfalls US 4033,781 in welchem ein 4-armiges nicht-metallisches Strukturelement beschrieben wird. Dieses bildet in Verbindung mit anderen gleichen Elementen zwar eine Matrix, jedoch ist die Verklusterungsneigung bei diesem Füllelement extrem hoch.
Weiterhin bekannt ist US 5145,285
In welcher verschiedenste Füllkörper beschrieben werden. In 2b ist dort ein 4-armiges Element beschrieben. Dieses weißt an den Enden Verstärkungen auf. Auch dieser Füllkörper neigt zum Verklustern.
Weiterhin bekannt ist PCT SE 93/00392
In welcher ein kugelförmiger Füllkörper aus einem gebogenen Draht vorgestellt wird.
Die kreisförmigen Bögen des Körpers bilden eine Kugel und sind ineinander verschachtelt. Die Bögen sind nicht freistehend. Beispielsweise ist der Bogen A nicht freistehend, da er von Bogen C und B auf der Außenseite umhüllt wird.
Nachteil dieser Bauform ist die nur minimale Möglichkeit, daß die Kugeln Schnittmengen ihrer Hüllkörper bilden können. D.h. sie liegen in einer Schüttung nur nebeneinander wie Bälle.
Lösung:
Der hier vorgeschlagene 3-dimensionale Füllkörper soll in einer Mischung mit einem Beton eine regelmäßige, entmischungsfreie Matrix, ähnlich einer zellartigen Struktur bilden, wobei die Zellen regelmäßig ineinander greifen.
A) Beschreibung der Form:

1. Der Füllkörper besteht aus mehreren, vorteilhafterweise aus drei Schlaufen eines Drahtes, die um eine oder mehrere Achsen angeordnet sind.
2. wird um diesen Füllkörper mit seinen Schlaufen in Gedanken eine lockere Hüllform gelegt, so bildet diese einen einer Kugel oder Ellipsoiden ähnlichen Körper (2),
3. diese Form mit ihren weichen, fließenden Außenkanten (Außenkante Schlaufe) ermöglicht das Schütten der Füllkörper in eine gießbare, mischbare Masse, ohne dabei zu verklustern (ver-igeln),
4. die Schlaufen können ebenso aus mehreckigen Formen bestehen (13, 14), dennoch wird die runde Form wegen besserer Schütteigenschaften bevorzugt
5. fallen in einem engen Raum mehrere Füllkörper aufeinander oder nebeneinander, so bilden sich in Schnittmengen der (gedachten) Hüllkurven mehrer Körper heraus (3, 4), große Schnittmengen sind hierbei erwünscht,
6. günstigstenfalls berühren Schlaufen des Körpers 1 den Schlaufenursprung eines Körpers 2, dadurch wird eine besonders hohe Schüttdichte erreicht, was eine Erhöhung der Duktilität der Mischung zur Folge hat.
7. Der Draht wird vorteilhafterweise mit geriffelter oder anderweitig strukturierter Oberfläche versehen sein, um eine gute Verankerung im Beton zu ermöglichen. Dies ist besonders wichtig, da die Enden der Schlaufen (durch Abteilen aus einer Spirale entstanden) offen und nicht verstärkt sind. Diese Enden könnten ansonsten leichter aus der Mischung herausgezogen werden.

B) Eigenschaften:

1. Die Füllkörper verklustern nicht in der Schüttung, egal in welcher Gesamt-Konzentration sie dem Beton zugemischt werden,
2. der Beton durchdringt die Hohlräume
3. die geschwungenen schlaufenförmigen Formen gewährleisten eine Schüttbarkeit, die als rieselfähig bezeichnet werden kann,
4. zugabefähig zu Beton höher als 100-400 Kg/KbM,
5. deshalb sind Festigkeitskennwerte des Systems Beton/Stahl möglich, die mit länglichen Stahlfasern nicht erreichbar wären, da der Stahlanteil für die Eigenschaften der Durchbiegefestigkeit und Duktilität des Systems verantwortlich ist.
6. die im Beton wirkenden Zugspannungen werden durch die Schlaufen im Beton in Druckspannungen umgelenkt (15-16)

C) Verwendung:
Die erfindungsgemäßen Füllkörper finden Anwendung dort, wo bisher schon Metallfasern zur Bewehrung von Beton oder anderen aushärtbaren Materialien eingesetzt wurden. Sinnvoll scheint die Verwendung auch dort, wo eine herkömmliche Armierung aus Stahlstangen als zu arbeitsintensiv angesehen wird. Insbesondere auch bei komplizierten Schalungs-Formen.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind Stahlfasern oder mehrdimensionale Füllkörper wie hier beschrieben jedoch noch nicht zur Armierung von Geschoßdecken, Stützen oder Trägern zugelassen.
Verwendung findet der Füllkörper auch bei anderen spröden Materialien (Anspruch 15) deren Neigung zum Bruch wegen Sprödigkeit hoch ist. Keramische Fliesen würden erst bei stärkerer Belastung Risse zeigen und nicht in „tausend Teile" zerspringen. Materialien aus Glas könnten mit den Füllkörpern verstärkt werden und konstruktive Bauelemente bilden.
D) Herstellung:
Die erfindungsgemäßen Füllkörper werden sinnvollerweise erst am Ort des Betonmischens hergestellt, da die Füllkörper nicht platzsparend transportiert werden können.
Die nötige Biegevorrichtung ist jedoch verhältnismäßig einfach aufgebaut und beinhaltet folgende Arbeitsschritte (Seite 2).
Das kontinuierliche Biegen eines zugeführten Drahtes zu einer Endlos-Spirale in Form einer Zug-Feder. An der Stelle des Austritts der Feder ist eine Vorrichtung angebracht, welche die Windungen der Spirale in mehreren Schritten (5-6) zu Schlaufen verbiegt und abteilt (7)
Soll ein 3-schlaufiger Füllkörper nach 1 geformt werden, so findet der Biegevorgang um eine Achse A4 statt, die sich rechtwinklig zur Federachse A3 befindet.
Ein 2-schlaufiger Füllkörper nach 9, würde hingegen in einem Biegevorgang hergestellt, der auch um eine parallel zur Federachse A3 befindliche Achse stattfindet.
Mit einer variabel einstellbaren Maschine, die gleichzeitig aus einem Draht eine Feder formt, Schlaufen biegt und ablängt, können Füllkörper unterschiedlicher Schlaufendurchmesser aber auch verschiedener Drahtdurchmesser verarbeitet werden.
Das Resultat sind Füllkörper unterschiedlicher Hüllform-Volumen, als auch unterschiedlicher Hüllform-Dichte, hier Masse des Füllkörpers geteilt durch das Hüllform-Volumen.
Ob 2- oder 3-schlaufige Füllkörper verwendet werden, ist abhängig von der erwünschten Konzentration der Füllkörper in der Mischung.
Ein 2-schlaufiger Körper kann beispielsweise deutlich höhere Stahlkonzentrationen erzielen, da er aber eine theoretisch stapelbare Form (statistisch selten auftretend) aufweißt kann es in der Mischung zu gelegentlichen Häufungen (jedoch nicht zu Verklumpungen) des Körpers kommen.
Der Füllkörper kann auch in einem hier nicht dargestellten Vorgang aus einem Draht gebogen werden, wobei der Umweg der Herstellung einer Spirale entfällt.
Der Draht wird in diesem Falle einer mehrteiligen Umlenkeinrichtung zugeführt, die den geraden Draht zu mehreren Schlaufen formt und ablängt.
Ein Füllkörper kann aber auch aus einem Blechstreifen durch Stanzen und Drücken (ähnlich der Herstellung von Streckmetall) geformt werden. Dadurch entsteht ein Volumenkörper mit zwei geschlossenen Schlaufen in Form einer Acht, wobei die Bögen der Acht um 90° verdreht sind.

Auf diese Art (Stanzen und Drücken) läßt sich auch ein 3-schlaufiger Füllkörper formen, jedoch ist der Aufbau der Werkzeuge hierfür deutlich aufwendiger gestaltet. Legende mit zusätzlichen Erläuterungen

Fig. 1	3-schlaufiger Füllkörper, Schlaufen überlappen einander und sind um Achse A1 rotiert angeordnet. Wenn auch hier nicht dargestellt, kann beispielsweise die Schlaufe B auch zusätzlich um A2 gedreht werden. Alle Schlaufen sind freistehend.
Fig. 2	Illustrative Darstellung des Füllkörpers und einem gedachten, lockeren Hüllkörper. Die Schlaufen verlaufen durch den Schlaufenursprung E
Fig. 3	Füllkörper in einer Schüttung: Zwei auf einer Ebene liegende Füllkörper, deren Hüllkörper einander überschneiden, eine Schlaufe des Körpers 1 berührt den Schlaufenursprung des Körpers 2.
Fig. 4	Hier 3 Füllkörper, zusätzlich zu 1 und 2 kommt der Körper 3, von dem eine Schlaufe nach unten zeigend zwischen zwei Schlaufen der Körper 1 und 2 Platz nimmt.
Fig. 5	Aus einer Drahtspirale wird eine Windung W1 herausgebogen, ein keilförmiges Werkzeug führt dazu Bewegungen in Richtung der Pfeile aus.
Fig. 6	Die 2te Windung W2 wird gebogen.
Fig. 7	Der Füllkörper wird bei der 3ten Windung W3 der Spirale abgeteilt.
Fig. 8	Perspektivische Ansicht Spirale und Füllkörper
Fig. 9	2-schlaufiger Füllkörper, dessen Schlaufen K1 und K2 in 8-Form auf Achse A5 gegeneinander verdreht sind.
Fig. 10	Illustrative Darstellung) Füllkörper aus Fig. 9 mit eng anliegendem Hüllkörper
Fig. 11	Ein 2-schlaufiger Füllkörper entsteht aus einem länglichen Blechstreifen (F) durch Stanzen und Strecken in die Richtungen S1-S4, Blechstreifen hier mit zwei Schlitzen dargestellt.
Fig. 12	Füllkörper mit zwei geschlossenen Schlaufen, diese ineinander mündend, aus einem Blechstreifen durch Stanzen und Strecken entstanden.
Fig. 13	Andere Schlaufenform, hier 3 Schlaufen in Dreieckform
Fig. 14	3-schlaufiger Füllkörper mit 5-eckigen Schlaufen
Fig. 15	3 Schlaufen C1, C2 und C3 von drei verschiedenen Füllkörpern gebunden in einem Brocken Beton
Fig. 16	Wie Fig. 15, Darstellung wirkender Kräfte F1, F2, sowie F3 in entgegengesetzter Richtung und die wirkenden Druck-Kräfte F4 und F5 die innerhalb des Betonbrockens auf die Schlaufen wirken, F4 & F5 wirken auf die Schlaufe C3, weitere Kräfte wirken auch auf die Schlaufen C2 und C1 sind nur nicht dargestellt.
Fig. 17	2-schlaufiger Füllkörper mit voneinander entfernt liegenden Schlaufenursprüngen E1 und E2. Je größer der Abstand E1-E2, um so größer die Neigung zu verklustern. Größte Schlaufenausdehnung ist hier der größte Durchmesser der größten Schlaufe. Vorzugsweise haben alle jedoch den gleichen Durchmesser.
Fig. 18	Darstellung einer Schlaufe, deren Enden sich überlappen und sich im Schlaufenursprung E10 kreuzen
Fig. 19	Offene Schlaufe mit zwei Ursprüngen, E4 und E5
Fig. 20	Draufsicht: Mehrschlaufiger Füllkörper aus Fig. 22, dessen Schlaufen sich an keiner Stelle überlappen
Fig. 21	Ansicht wie Fig. 22 von der Seite
Fig. 22	Mehrschlaufiger Füllkörper aus Fig. 20 + 21 perspektivisch dargestellt, vier Schlaufen (K, L, M, N) entspringen den Ursprüngen E6-E9, alle Schlaufen sind offen und überlappen sich nicht. Schlaufe N und Schlaufe M teilen sich den gemeinsamen Ursprung E8. Dieser Füllkörper neigt wegen seiner offenen Schlaufen zu sehr starken Schnittmengen zweier Füllkörper, da deren Schlaufen je nach Durchmischungsergebnis einander durchdringen können.

A	Eine von drei Schlaufen eines Füllköpers
B	Eine von drei Schlaufen eines Füllköpers
C	Eine von drei Schlaufen eines Füllköpers
E	Schlaufenursprung
A1	Achse um welche die Schlaufen A, B, C durch Biegung gegeneinander verdreht sind
A2	Achse, um welche die Schlaufe B zusätzlich gedreht werden kann. Drehung hier nicht dargestellt.
A3	Achse parallel zur Hauptachse der Spirale
A4	Achse um welche die Schlaufen gedreht werden (rechtwinklig zu A3 stehende Achse)
A5	Achse eines 2-schlaufigen Füllkörpers
A6	Achse eines 2-schlaufigen Füllkörpers
F	Blechstreifen, hier mit zwei länglichen Schlitzen. An diesen greifen die Werkzeuge zum Strecken des vorgestanzten Bleches ein.
K1	Schlaufe
K2	Schlaufe
S1-S4	In diese 4 Richtungen wird der Blechstreifen beim Stanzen und Strecken verbogen, um zwei Schlaufen zu bilden.

Claims

Füllkörper für Feststoffe gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus mindestens zwei Schlaufen besteht.
Füllkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlaufen kreisförmig, ellipsoid oder vieleckig (mit mind. 3 Ecken) geformt sind,
Füllkörper nach Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlaufen um einen oder mehrere Schlaufen-Ursprünge, angeordnet sind,
Füllkörper nach Ansprüchen 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlaufen überlappend oder ineinander mündend durch einen Schlaufenursprung verlaufen.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlaufen freistehend um einen oder mehrere Schlaufen-Ursprünge angeordnet sind,
Schlaufen nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlaufen nicht von einem umhüllenden Draht (im Sinne eines Hüllkörpers) überdeckt werden
Schlaufenursprünge nach Ansprüchen 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß diese weniger als das dreifache der größten Schlaufenausdehnung aller Schlaufen voneinander entfernt sind.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-7, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlaufen aus Draht geformt sind.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-8, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlaufen durch Rotation um eine Achse (A1) im Schlaufenursprung angeordnet sind.
Schlaufen nach Ansprüchen 1-9, gekennzeichnet dadurch, daß einzelne Schlaufen des Füllkörpers durch Rotation um weitere Achsen angeordnet sind.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-10, gekennzeichnet dadurch, daß zwei Schlaufen auf einer Achse (A5) zueinander verdreht angeordnet sind.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-11, gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus mindestens zwei, vorzugsweise drei Windungen einer Spirale besteht.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-12, gekennzeichnet dadurch, daß dieser durch a) Verdrehen der Windungen aus der Längsachse der Spirale und b) Abteilen der Windungen, entsteht.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-7, 9-11, gekennzeichnet dadurch, daß dieser durch Stanzen und streckendes Verformen aus einem Stück Blech entsteht (11, 12).
Füllkörper nach Ansprüchen 1-14, gekennzeichnet dadurch, daß dieser in Mischung mit einem Werkstoff, wie etwa Beton, Porenbeton, Estrich, Gießharz, Glas, einer keramischen Masse oder einem Holzwerkstoff gebracht wird.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-15, gekennzeichnet dadurch, daß dieser zur Bewehrung in einem aushärtbaren Werkstoff verwendet wird, wobei die Duktilität der Mischung erhöht wird.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-16, gekennzeichnet dadurch, daß diese bis zur Sättigung (aufs Volumen bezogen) in die Gießmasse eingemischt werden.
Draht für einen Füllkörper nach Ansprüchen 1-17, gekennzeichnet dadurch, daß dieser eine geriffelte oder anderweitig strukturierte Oberfläche zur besseren Verankerung im Werkstoff aufweißt.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-18, gekennzeichnet dadurch, daß dieser die Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen herabsetzt.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-19, gekennzeichnet dadurch, daß diese entweder a) in einen Werkstoff eingemischt werden und die Mischung danach in eine Form gefüllt wird b) oder daß die Füllkörper lose in eine Form gegeben werden, wonach der Werkstoff aufgefüllt wird.
Füllkörper nach Ansprüchen 1-20, gekennzeichnet dadurch, daß die Schlaufen-Enden einer Schlaufe in ihrem Ursprung eng aneinanderliegen oder einen Abstand kleiner als der Drahtdurchmesser zueinander haben.