DE102007033557A1

DE102007033557A1 - Hybride Verbundkonstruktion

Info

Publication number: DE102007033557A1
Application number: DE102007033557A
Authority: DE
Inventors: Nguyen Viet Prof Dr. Tue; Kay Dipl.-Ing. Wille
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: Universitaet Leipzig
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hybride Verbundkonstruktion unter Verwendung von faserverstärktem ultrahochfestem Beton, die allgemein im Bauwesen einsetzbar ist, wobei die Sanierung und Verstärkung von älteren Beton- und Mauerwerkskonstruktionen, insbesondere von Brücken, das vorrangige Anwendungsfeld ist. Die Erfindung hat ebenfalls großes Potential für dünne Betonbauteile, da eine Verwendung konventioneller Bewehrung bei diesen Bauteilen wegen der geringen Betondeckung nicht möglich ist. Die erfindungsgemäße hybride Verbundkonstruktion besteht aus faserverstärktem ultrahochfestem Beton und einem oder mehreren Bewehrungselementen aus zugfestem Material. Der Beton ist mit einem Zusatz von Fasern fließfähig und zeigt ein blockierungsfreies und sedimentationsloses Verhalten. Das flächig ausgebildete Bewehrungselement weist eine im Verhältnis zu seinen Kantenlängen sehr geringe Dicke auf, in das Löcher mit aufgewölbten Perforationen eingebracht sind, wobei Lochabstand, Lochdurchmesser und Wölbhöhe abhängig vom Fasergehalt, der Länge der Fasern und der geometrischen Abmessungen des Bauteils sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine hybride Verbundkonstruktion unter Verwendung von faserverstärktem ultrahochfestem Beton, die allgemein im Bauwesen einsetzbar ist, wobei die Sanierung und Verstärkung von älteren Beton- und Mauerwerkskonstruktionen, insbesondere von Brücken, das vorrangige Anwendungsfeld ist. Die Erfindung hat ebenfalls großes Potential für dünne Betonbauteile, da eine Verwendung konventioneller Bewehrung bei diesen Bauteilen wegen der geringen Betondeckung nicht möglich ist.
Die Verwendung von ultrahochfestem Beton im Bauwesen ist mit und ohne Faserverstärkung bekannt. Die Druckfestigkeit des ultrahochfesten Betons liegt in der Größenordnung des Baustahls. Sein Gefüge ist sehr dicht. Die Dauerhaftigkeit und die Verschleißfestigkeit werden im Vergleich zu normal- und hochfestem Beton deutlich verbessert. Der ultrahochfeste Beton weist jedoch ein sprödes Verhalten auf und hat im Vergleich zur Druckfestigkeit nur geringe Zugfestigkeit. Die Zugabe von Fasern, vorzugsweise Stahlfasern, verbessert das Zugtragverhalten des ultrahochfesten Betons. Vor allem wird sein Verhalten duktiler. Die Faser verteilt sich in der Regel gleichmäßig und dreidimensional im Beton. Die Zusammensetzung von faserverstärktem ultrahochfestem Beton beschreibt beispielsweise die US 5,503,670 zur Herstellung von Formteilelementen. Die bekannte Lösung stellt hierbei auf einen Faseranteil von 1 bis 4, vorzugsweise 2 bis 3 Vol.-% ab. Des Weiteren sind in der Schweiz praktische Beispiele der Verwendung von ultrahochfestem Beton für die Sanierung und Verstärkung von Brücken bekannt, bei denen ein Stahlfasergehalt von bis zu 6 Vol.-% Verwendung findet [Nabel, K.; Denarié, E.; Brühwiler, E.: Bauteile aus ultrahochleistungsfähigem Faserbeton (UHPFRC) und traditionellem Stahlbeton, Eine innovative Lösung zur Instandsetzung und Veränderung bestehender Betonbauten, Beton- und Stahlbetonbau, 100 (2005), Heft 2]. Hohe Dichtheit und stabile Struktur bei Temperaturbeanspruchung verhindern eine Spurrillenbildung im Sommer sowie eine Versprödung im Winter. Allerdings stellt der hohe Anteil an Stahlfasern einen erheblichen Kostenfaktor dar, der einer größeren Verbreitung des ultrahochfesten faserverstärkten Betons in die Baupraxis bislang hinderlich ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Effizienz der Faserzugabe entscheidend von der Faserorientierung abhängt. Nur wenn sie annähernd in der Haupttragrichtung verläuft, nehmen die Fasern die bei Rissbildung vom Beton frei werdende Zugkraft am besten auf und verhindern effektiv die Rissöffnung.
Aus dem Aufsatz „Development of Reinforcement System made of Sheet Steel" von Stephan Mucha (Leipzig Annual Civil Engineering Report No. 8, 2003, Seite 165) ist ein gelochtes und perforiertes Blech aus Stahl bekannt, das für die Anwendung bei dünnen Bauteilen entwickelt wurde. Versuche mit derartigen Bewehrungselementen haben gezeigt, dass ein sehr guter Verbund zwischen Bewehrung und Beton erzielt wird. Mit zunehmender Verformung platzt die Betondeckung aber ab. Um dies zu verhindern, muss der Lochabstand verringert und die Wölbung der Perforationen erhöht werden. Dies führt zur Reduzierung der nutzbaren Fläche des Blechs und somit zur geringen Effizienz bei der Verwendung des Bewehrungselements.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines hybriden Verbundkonstruktes unter Verwendung von faserverstärktem ultrahochfestem Beton, bei dem die Kosten durch eine deutliche Reduzierung des Fasergehalts gesenkt werden, ohne dass dabei die mit diesem Beton verbundenen erwünschten Eigenschaften verloren gehen. Insbesondere soll das durch eine annähernd in der Haupttragrichtung verlaufende Anordnung der Fasern erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 dargestellte Verbundkonstruktion gelöst, die in weiteren Ansprüchen vorteilhaft ausgestaltet ist.
Die Aufgabe für eine hybride Verbundkonstruktion wird durch den Einsatz von faserverstärktem ultrahochfestem Beton mit einem oder mehreren Bewehrungselementen aus einem zugfesten Material gelöst. Erfindungsgemäß ist das Bewehrungsblech flächig ausgebildet und weist eine im Verhältnis zu seinen Kantenlängen sehr geringe Dicke von 0,3 bis 3,0 mm, vorzugsweise 1,0 mm, auf. Es ist mit aufgewölbten Perforationen einer Wölbhöhe von 1 bis 10 mm, einem Lochdurchmesser von 10 bis 100 mm sowie einem Lochabstand von 20 bis 200 mm versehen. Besonders vorteilhaft sind hierbei eine Wölbhöhe von 2 bis 5 mm, ein Lochdurch messer von 35 bis 45 mm sowie ein Lochabstand von 40 bis 80 mm. Der faserverstärkte ultrahochfeste Beton wird entsprechend dem Anwendungszweck im Zusammenhang mit dem flächigen Bewehrungselement in Bezug auf Frischbetoneigenschaften und Fasergehalt abgestimmt. Dabei sind Fasergehalte von 0,5 bis 5 Vol.-% zweckmäßig. Der Beton sollte mindestens die Fließeigenschaften der Konsistenzklasse F6 nach DIN 1045-2 besitzen [DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton; Teil 2: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität, Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1, 07/2001]. Die Fließeigenschaften sind abhängig von der Faserlänge und dem Fasergehalt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Beton mit selbstverdichtender Eigenschaft Stahlfasern verschiedener Längen zwischen 3 und 30 mm enthält, vorzugsweise mit einer Länge zwischen 6 mm und 13 mm. Hierbei beträgt der Fasergehalt vorteilhaft 1,5 Vol.-%.
Durch die Verwendung eines Bewehrungsbleches aus zugfestem Material in der erfindungsgemäßen Weise werden die Stahlfasern beim Gießen des Betons in die Haupttragrichtung umgelenkt, wodurch die Effektivität der Fasern deutlich erhöht wird und somit die Faserzugabe unter 3 Vol.-% gesenkt werden kann. Innerhalb der Perforationen des Bewehrungsbleches nehmen die Fasern eine zur Blechebene senkrechte Ausrichtung ein. Der Verbund zwischen dem Beton oberhalb und unterhalb des Bewehrungselements wird hierdurch verbessert, so dass ein vergleichsweise großer Lochabstand im Bewehrungsblech nicht zur Abplatzung der Betondeckung führt. Wegen der hohen Dichtigkeit von faserverstärktem ultrahochfestem Beton kann die Betondeckung gering gehalten werden. Die erfindungsgemäße Verbundkonstruktion kann mit sehr geringer Dicke ausgeführt werden. Dünne aber hochtragfähige Konstruktion ist sehr vorteilhaft bei Sanierung bzw. Verstärkung von bestehenden Bauwerken.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
1 einen schematisierten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verbundkonstruktion,
2 eine stilisierte perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bewehrungsblechs und
3 ein Bewehrungsblech in ausgeführter Form.
Die erfindungsgemäße Verbundkonstruktion besteht gemäß 1 aus einem ultrahochfesten Beton 1 mit verstärkenden Stahlfasern 3 und einem dünnen Stahlblech 2 als Bewehrung zur Zugspannungsaufnahme. Das Bewehrungsblech 2 ist mit Perforationen 21 versehen, die verschiedene Durchmesser aufweisen können. Die Perforationen 21 sind an den Rändern 22 gewölbt. Die Stahlfasern 3 sind durch das Bewehrungsblech 2 beim Gießen des Verbundteils ausgerichtet angeordnet, indem die Fasern 3 der Geometrie des Bewehrungsblechs 2 und insbesondere den Perforationen 21 folgen, so dass vier Bereiche unterscheidbar sind. Der volumenintensive Bereich A ist gekennzeichnet durch eine unregelmäßige Anordnung der Stahlfasern 3A. Er nimmt im Wesentlichen den gesamten oberen, von keinen Hindernissen beeinflussten Bereich der Verbundkonstruktion ein. In den Bereichen C und D sind die Fasern 3C und 3D aufgrund des Wandeffekts parallel zur Blechebene ausgerichtet, wobei der Bereich C oberhalb und unterhalb des Bewehrungsblechs 2 den Grenzbereich zum Bewehrungsblech 2 und der Bereich D den Grenzbereich zur Schalung bezeichnet. Im Bereich B indes zeigt sich eine Faserausrichtung 3B durch die Perforationen 21 tretend zur Blechebene.
Zur Verdeutlichung der Geometrie des Bewehrungsblechs 2 zeigt die 2 eine stilisierte perspektivische Ansicht und 3 ein Bewehrungsblech 2 in ausgeführter Form. Gemäß 2 weist das Bewehrungsblech 2 eine Anzahl Perforationen 21 auf, die als gestanzte Löcher mit aufgewölbtem Rand 22 ausgebildet sind. Die Perforationen 21 mit einem Durchmesser von 40 mm sind in einem Raster mit dem Lochabstand 4 zueinander angeordnet, in dessen Füllbereichen weitere Perforationen 21 mit geringem Durchmesser vorgesehen sind. Lochabstand 4 und Lochdurchmesser können anwendungsspezifisch gewählt werden. So zeigt 3 eine konkrete Ausführungsform mit relativ stark aufgelockerten Füllbereichen, indem die Füllbereiche zwischen jeweils vier großen Perforationen 21 auch vier kleine Perforationen 21 aufweisen und darüber hinaus die Brückenbereiche zwischen jeweils zwei großen Perforationen 21 eine kleine Perforation 21 aufweisen.
Entsprechend des Durchmessers der Perforation 21 sind die aufgewölbten Ränder 22 ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Verbundkonstruktion kombiniert die blechspezifischen Eigenschaften mit den Vorteilen eines ultrahochfesten Faserbetons, so dass die Wirtschaftlichkeit des Faserbetons verbessert sowie Tragfähigkeit und Duktilität des Bauteils erhöht werden, indem das Zugkraftaufnahmepotential durch die automatisch beim Gießen des Betons entstehende, dem Tragverhalten angepasste Ausrichtung der Stahlfasern vergrößert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5503670 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Nabel, K.; Denarié, E.; Brühwiler, E.: Bauteile aus ultrahochleistungsfähigem Faserbeton (UHPFRC) und traditionellem Stahlbeton, Eine innovative Lösung zur Instandsetzung und Veränderung bestehender Betonbauten, Beton- und Stahlbetonbau, 100 (2005), Heft 2 [0002]
- Leipzig Annual Civil Engineering Report No. 8, 2003, Seite 165 [0003]
- DIN 1045-2 [0006]
- DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton; Teil 2: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität, Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1, 07/2001 [0006]

Claims

Hybride Verbundkonstruktion, bestehend aus faserverstärktem ultrahochfestem Beton (1) und einem oder mehreren Bewehrungselementen (2) aus zugfestem Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton (1) mit einem Zusatz von Fasern fließfähig ist sowie ein blockierungsfreies und sedimentationsloses Verhalten zeigt und dass das flächig ausgebildete Bewehrungselement (2) eine im Verhältnis zu seinen Kantenlängen sehr geringe Dicke aufweist, in das Löcher mit aufgewölbten (22) Perforationen (21) eingebracht sind, wobei Lochabstand (4), Lochdurchmesser und Wölbhöhe abhängig vom Fasergehalt, von der Länge der Fasern und von den geometrischen Abmessungen des Bauteils sind.
Hybride Verbundkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Beton (1) zugesetzten Stahlfasern (3) unterschiedliche Längen in einem Bereich von 3 bis 30 mm aufweisen.
Hybride Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Beton (1) zugesetzten Stahlfasern (3) unterschiedliche Längen in einem Bereich von 6 bis 13 mm aufweisen.
Hybride Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz von Stahlfasern (3) im Beton von 0,5 bis 5,0 Vol.-% beträgt.
Hybride Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz von Stahlfasern (3) im Beton 1,5 Vol.-% beträgt.
Hybride Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Bewehrungselement in Haupttragrichtung des Bauteils angeordnet ist.
Hybride Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement (2) eine Dicke von 0,3 bis 3,0 mm aufweist und mit aufgewölbten (22) Perforationen (21) einer Wölbhöhe von 1 bis 10 mm, einem Lochdurchmesser von 10 bis 100 mm sowie einem Lochabstand (4) von 20 bis 200 mm versehen ist.
Hybride Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewehrungselement (2) eine Dicke von 1,0 mm aufweist und mit aufgewölbten (22) Perforationen (21) einer Wölbhöhe von 2 bis 5 mm, einem Lochdurchmesser von 35 bis 45 mm sowie einem Lochabstand (4) von 40 bis 80 mm versehen ist.
Hybride Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenräumen zwischen den Perforationen weitere Perforationen mit kleinerem Durchmesser angeordnet sind.