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Die
Erfindung betrifft die Herstellung von vorzugsweise zylindrischen
Behältern aus Stahlfaserbeton mit einer Höhe von
1 bis 12 m, einer Wandstärke von 0,1 bis 0,3 m und einem
Innendurchmesser von 1 bis 50 m.
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Bisher
wird im Stahlbetonbehälterbau im Allgemeinen so verfahren,
dass nach Errichtung des Fundamentes auf dieses eine Schalung für
die aufstrebende Wand errichtet wird. Es wird eine Armierung (Bewehrung)
eingebracht und anschließend die Schalung mit Beton ausgegossen.
Nach genügendem Aushärten des Betons wird die
Schalung entfernt. Dieser Prozess ist sehr kosten- und zeitintensiv und
soll durch die vorliegende Erfindung wesentlich vereinfacht werden.
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Der
Stand der Technik bezüglich Stahlfaserbeton ist wie folgt
zu charakterisieren.
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Laut
dem Verband deutscher Stahlfaserhersteller, http://www.vdsev.de,
werden seit über 20 Jahren zunehmend die verschiedensten
Bauteile in Stahlfaserbeton hergestellt. Dabei wird Stahlfaserbeton
heute hauptsächlich eingesetzt bei:
- – Industrie-
und Gewerbeböden, Fahrbahndecken und Estrichen
- – Spritzbeton im Tief- und Tunnelbau sowie bei Tunnelinnenschalen
- – Fertigteilen, sowie Kellerböden und Kellerwänden.
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Die
Einsatzgebiete sind vielfältig und es werden sehr unterschiedliche
Verfahren verwendet. Eine Herstellung von vorzugsweise zylindrischen
Baukörpern aus Stahlfaserbeton und deren Nutzung in der Industrie
ist mit heute zur Verfügung stehenden Technologien noch
nicht möglich. Mit dem Einsatz von Stahlfasern verbessern
sich prinzipiell gegenüber einer reinen Betonlösung
wichtige Materialeigenschaften wie:
- – Zug-,
Spaltzug- und Biegezugfestigkeit
- – Schlagfestigkeit
- – Frühfestigkeit
- – Wärmeleitfähigkeit
- – Verschleißwiderstand
- – Bruchstauchung
- – Schwindrissreduzierung.
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Dem
Beton werden heute vor allem zur Verbesserung der Zugfestigkeit
und der Duktilität Fasern zugegeben. Die Fasern können
als Ersatz oder Ergänzung der Armierung eingesetzt werden.
Bei Zugbeanspruchungen, die über der Biegezugfestigkeit des
Betons liegen, treten Risse im Beton auf. Durch die Verwendung eines
Faserbetons bleibt die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit
des Bauteils aber erhalten. Dabei ist es heute möglich,
folgende Faserarten zum Einsatz zu bringen:
- – Stahlfasern
- – Glasfasern
- – Kunststofffasern
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Bei
statisch bewehrten und bauaufsichtsrechtlich relevanten Betonbauteilen
(Ingenieurbauwerken) kann bisher mit Zustimmung im Einzelfall bzw.
bauaufsichtsrechtlicher Zulassung des DIBt auch Stahlfaserbeton
eingesetzt werden.
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Stahlfaserbeton
wird heute im Fundamentbau bereits häufiger verwendet.
So empfiehlt C. Pockes, Stahlfaserbeton, http://www.biw.fhd.edu/alumni/1999/pockes/einsatzmoeglichkeiten.htm Stahlfaserbeton
für monolithische flächenfertige Nutzflächen
gegen Erdreich gegründet, für Produktionsflächen
sowie für Lagerflächen mit Staplerverkehr sowie
als flächenfertigen Aufbeton auf vorhandene Betonbodenplatten
oder in Geschossbauten, auf Fertigteildecken oder als Tragplatte
für die Aufnahme von Fremdbelägen wie Estrichen
oder Betonsteinwerkplatten zu nutzen. Die Stahlfasern sollen aus
kaltgezogenem Material, vorzugsweise Draht sein. Wichtige Voraussetzung
ihrer Wirksamkeit ist das Verhältnis von Querschnitt zu
Länge, das mit 1:60 bis 1:75 als Optimum angegeben wird.
Eine zusätzliche Verformung der Faser, zum Beispiel Kröpfen
der Enden, stellt eine Verbesserung der Verankerung im Beton dar
und die Wirksamkeit der Faser für die Übertragung
von Zugkräften erhöht sich wesentlich. Bedingt durch
die dreidimensionale Bewehrung des Betons mit Stahlfasern erhält
eine Stahlfaserbodenplatte eine Zähigkeit, die eine herkömmliche
Betonbodenplatte nicht aufweisen kann. Grund: die Stahlfasern können
Zugkräfte übertragen, selbst in gerissenem Zustand
der Platte, beim sogenannten Betonversagen. Insgesamt wird dem Stahlfaserbeton
allerdings ein schlechtes Zeugnis ausgestellt. Bei einem heute üblichen
Zusatz von 10 bis 40 kg Stahlfasern pro m3 Beton
ist folgendes festzustellen:
- 1. große
Schwankungen der Festbetoneigenschaften
- 2. geringe Verbundwirkung der Stahlfasern, da sie bei Belastung
aus dem Betongefüge gerissen werden
- 3. maximal 50% der Biegezugfestigkeit werden erreicht gegenüber
normalem Beton
- 4. 3–7-fache Rissbreiten gegenüber Stahlbeton
- 5. erschwertes Einbringen aufgrund verdichtungshemmender Wirkung
von Stahlfasern in Beton
- 6. Stahlfaserbeton ist nur für druckbeanspruchte Bauteile
wie Industriefuß-böden oder Aufbeton eine Möglichkeit.
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Positiver
beurteilt eine Publikation der deutschen und Zement- und Betonindustrie (http://www.beton.org/Stahlfaserbeton)
die Situation und spricht dem Stahlfaserbeton bei praxisüblichen, noch
problemlos zu verarbeitenden Dosierungen von bis zu 1 Vol.-% eine
Steigerung der Druckfestigkeit, Verbesserung der Biegezug- und Schubfestigkeit und
das Verhindern von Rissbildung im Frisch- und Festbeton zu. Im frischen
Beton bilden sich im Grenzbereich zwischen Mörtel und Zuschlagstoffen
sogenannte Mikrorisse. Die Stahlfasern nehmen die dabei entstehenden
Spannungen auf und behindern die Rissbildung. Auch das Entstehen
von Schwindrissen wird minimiert. Stahlfasern wirken aber auch nach der
Rissbildung stabilisierend, denn sie ermöglichen eine Kraftübertragung über
die Risse hinweg. Ferner ist die Schlagfestigkeit von Stahlfaserbeton
bis zu 20 mal höher als bei stahl-faserfreiem Beton. Als
Anwendungsgebiete werden hauptsächlich Industriefußböden
genannt, ferner Betonstraßen und der Einsatz von Stahlfaserbeton
im Tunnel-bau sowie im Wohnungsbau bei Bodenplatten, Fundamenten
und Kellerwänden.
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Über
die Verbesserung der Eigenschaften von Beton nach Zugabe von Stahlfasern
informiert der Verband deutscher Stahlfaserhersteller e. V., http://www.vdsev.de/pubframe.html,
Hinweise zur Bauausführung, Seiten 2 und 5. Aus Qualitätsgründen
soll die Zumischung der Stahlfasern im Zwangsmischer erfolgen. Im
Fahrmischer soll die Mischzeit 1 min/m3 Beton
bei maximaler Drehzahl der Trommel nicht unterschreiten. Hergestellt
werden können plane Flächen bei entsprechender
Nachbearbeitung (zum Beispiel Schwindfugen).
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Systematisiert
wird in http://www.diestatiker.de/news/faserbeton der
Fasereinsatz in die Komplexe Stahlfasern, Glasfasern, Kunststofffasern.
Bei hohem Stahlfasergehalt ist die Druckfestigkeit um 20% gegenüber
reinem Beton verbessert, die Schubfestigkeit ist deutlich besser,
die Zugfestigkeit ist kaum verändert, die Biegezugfestigkeit
ist deutlich besser, nicht aber das Nachrissverhalten. Außerdem werden
Hinweise zur Kombination von Stahlbeton mit Stahlfaserbeton gegeben.
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Der
bekannte Stand der Technik beim Einsatz von Stahlbeton hat einige
wesentliche Nachteile. So ist das Einbringen der Armierung eine
mühsame und aufwendige Arbeit mit hohem manuellen Arbeitsanteil.
Des Weiteren sind hohe Materialkosten nachteilig, die auch durch
die ständig steigende Stahl- und Betonpreise bedingt sind.
Es ist ferner ungünstig, dass bei größeren
Behälterhöhen das Betonieren in mehreren Etappen
durchgeführt werden muss. Es wird entweder generell mit
sogenannter Kletterschalung gearbeitet oder es müssen aufgrund
des Auftretens von zu hohen Schalungsdrücken Betonierpausen
eingelegt werden. Zumeist wird gewartet bis der eingebrachte Beton
angezogen ist, bevor weiterer Frischbeton eingebracht werden kann.
Dieser Zeitverlust ist nachteilig und verteuert den Bau.
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Der
bekannte Stand der Technik beim Einsatz von Stahlfaserbeton hat
gleichfalls wesentliche Nachteile. In der Praxis wird Stahlfaserbeton
heute bei Bauteilen von nur untergeordneter Bestimmung eingesetzt,
nicht aber bei Ingenieurbauwerken wie beispielsweise zylindrischen
Behältern.
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Generell
könnten, bei einem teilweisen Verzicht auf eine herkömmliche
Bewehrung und einer ausschließlichen mehrdimensionalen
Bewehrung des Betons mit Stahlfasern, Zugkräfte ideal übertragen
werden. Problembehaftet ist bei einer Kombination mit herkömmlichem
Beton aber neben einer verstärkten Korrosionsbildung durch
eine fehlende Betondeckung insbesondere die zufällige mehrdimensionale
Ausrichtung der Stahlfasern.
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Bisher
konnte die Stahlfaseranordnung nicht an die Erfordernisse der Statik
angepasst werden, das heißt zur Aufnahme von vor allem
Zug- und Biegezugspannungen.
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Als
Folge des ungelösten Problems der Ausrichtung der Stahlfasern
und einer zusätzlich zumeist zu geringen Mengenzugabe (10–40
kg/m3) in Verbindung mit herkömmlichem
Beton treten die bereits beschriebenen Probleme auf. Insbesondere
die bei zylindrischen Rundbehältern auf Zug- und Biegezugspannungen
beanspruchte Längsbewehrung kann nicht durch sich zufällig über
die Gesamtwandbreite mehrdimensional anordnende Stahlfasern ersetzt werden.
Als Folge konnte die konstruktive Breite der Wand bisher nahezu überhaupt
nicht als statisch nutzbar angesetzt werden, da nur eine an die
Statikerforder nisse ausgerichtete Stahlfaseranordnung als Ersatz
der herkömmlichen Bewehrung dienen kann. Bei einer zufälligen
Ausrichtung und Anordnung der Fasern im Beton ist für die
Erstellung der Statik unbekannt, wie viele Fasern und damit welcher Stahlanteil
sich in der jeweils benötigten Lage, bei Zug- und Biegezugspannungen
horizontal zur Behälterwand, befindet.
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Als
Ergebnis wird der Einsatz von Stahlfaserbeton nur für druckbeanspruchte
Bauteile (z. B. Fundamente) empfohlen. Der Einsatz bei vor allem
auf Zug- und Biegezugspannungen beanspruchte Bauteile wurde bisher
nicht in Betracht gezogen. Zwar wurde dies teilweise von der Forschung
weiterverfolgt, ohne jedoch den gewünschten Erfolg zu erzielen.
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Die
Ursachen der Nachteile sind in den folgenden Umständen
zu sehen:
Im Stahlbetonbehälterbau verursachen die
steigenden Stahlpreise wegen der hohen Nachfrage nach Stahl auf
dem Weltmarkt, die sich in absehbarer Zeit nicht ändern
wird, ständig steigende Materialpreise. Die Eisenbiege-
und Flechtarbeiten lassen sich nur teilweise in die Phase der Vorfertigung
verlegen. Das Positionieren der Armierung mit einem Kran befreit nicht
von der manuellen exakten Positionierung. Dieser Prozess ist sehr
arbeitszeitaufwendig.
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Es
bestehen Vorurteile gegenüber der Herstellen von vorzugsweise
zylindrischen Behältern aus Stahlfaserbeton ohne Armierung.
Dem Stahlfaserbeton wird das Erreichen der notwendigen technischen
Parameter nicht zugetraut. Dies wird heute vor allem damit begründet,
dass die Stahlfasern nicht in der erforderlichen Menge eingebracht,
diese nicht nach den Erfordernissen der Statik ausrichtbar und insbesondere
das Beton-Stahlfaser-Gemisch durch das notwendige Verdichten des
Betons nach dem Einbringen zur Entmischung führt sowie
dass wesentliche Betoneinsparungen durch die Konstruktion der Armierung
mit Betondeckung und Rüttelgasse und somit eine Bauteilverschlankung
nicht zulässig sind.
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Nach DIN
1045-1 muss bei Stahlbetonbauwerken eine Mindestbetondeckung
(cnom) vorhanden sein, um einen Schutz der
Bewehrung gegen Korrosion und eine sichere Übertragung
von Verbundkräften zu gewährleisten. Bei Biogasanlagen
wird beispielsweise in bezug auf den Korrosionsschutz die Mindestexpositionsklasse
XC4 angesetzt. Dies entspricht einem cnom von
4,0 cm.
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Mit
der Erfindung ist beabsichtigt, die Erhöhung der Gesamtwirtschaftlichkeit
von vorzugsweise Biogas-, Klär- und Abfallbehandlung sowie
weiteren artverwandten Anwendungen zu erreichen. Dies soll durch
eine Investitionskostensenkung ermöglicht werden. Die Erfindung
hat das Ziel, die Errichtung von vorzugsweise zylindrischen Behältern
aus Beton wesentlich zu beschleunigen und zu vereinfachen. Der Einsatz
von Stahlfaserbeton soll bei vorzugsweise zylindrischen Behältern überhaupt
erst ermöglicht werden. Dabei soll der Gesamtaufwand an
Arbeitszeit vermindert werden, die technologischen Abläufe gestrafft,
der Stahleinsatz deutlich verringert und der Betoneinsatz durch
schlankere Bauteile vermindert werden, ohne wesentliche Abstriche
an Stabilität und Qualität der Behälter.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahrensweise und Technologie
anzugeben, bei welcher der technologisch aufwendige Schritt der Armierung
beim Bau von zum Beispiel Behälterwänden durch
eine neuartige Verfahrensweise weit-gehend abgelöst wird.
Es soll eine stabile, in laufender industrieller Nutzung belastbare
homogene Stahlfaserbetonkonstruktion, bestehend aus Wand- und/oder
Bodenstahlfaserbeton, entstehen. Dabei soll Stahlfaserbeton, bestehend
aus Beton, leicht verdichtender Beton (LVB) oder selbstverdichtender Beton
(SVB) als Grundmaterial sowie zugesetzte Fasern (Stahlfasern und/oder
Kunststofffasern und/oder Edelstahlfasern), eingesetzt werden können.
Das Verdichten des Stahlfaserbetons durch Rüttler muss entfallen,
weil es zum Entmischen der Stahlfasern und des Betons führen
kann. Ein notwendiges Verdichten entfällt bei Einsatz von
selbstverdichtenden Betonsorten. Eine Korrosion der Stahlfasern,
die insbesondere an Rissen entstehen kann, soll entweder vernachlässigbar
sein, da lediglich optische und keine statischen Auswirkungen vorliegen,
oder durch den Einsatz von Edelstahlfasern ausgeschlossen werden
können. Die Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine Ausrichtung
der Stahlfasern diese nach statischen Erfordernissen vollständig
nutzbar und einsetzbar zu machen, so dass auf eine Bewehrung bei
Ingenieurbauwerken nahezu verzichtet werden kann. Weiterhin soll
die Menge der Stahlfasern dergestalt präzisiert werden,
dass LVB als auch spezieller SVB als Stahlfaserbeton für
den Bau vorzugsweise zylindrischer Behälter eingesetzt
werden kann.
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Zudem
muss der Stahlfaseranteil je Kubikmeter Beton von derzeit 40 kg
deutlich gesteigert werden, da wahrscheinlich nur durch eine Mengenerhöhung
ein weitgehender Verzicht auf eine herkömmliche Armierung
möglich ist.
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, dem bei der Errichtung von Behältern
verwendeten Material (Beton, LVB, SVB oder dergleichen) vor dem
Einbringen in die Schalung Stahlfasern beizumischen. Dadurch wird
ein den statischen Erfordernissen entsprechendes Wandgefüge
erzeugt, das es erlaubt, auf die Armierung weitestgehend zu verzichten.
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Mit
der Erfindung wird die vorherrschende Meinung überwunden,
für das Herstellen von Behälterwänden
größerer Höhen aus Beton sei eine Armierung
unabdingbar. Der Einsatz von ausschließlich Stahlbeton
bei der Herstellung von Betonbehältern der beispielhaft
genannten Abmaße von 0,1 bis 0,3 m Wandstärke,
1 bis 12 m Höhe, 1 bis 50 m Innendurchmesser ist nicht
erforderlich, wenn Stahlfaserbeton, dessen Fasern aus Stahl, Kunststoff,
Edelstahl oder einer Kombination der Vorgenannten gefertigt sind, eingesetzt
werden.
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Die
Aufgabe wird demzufolge erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass im Verfahren zur Herstellung von zylindrischen
Behältern, die durch eine Betonwandung gekennzeichnet sind,
dem für den Aufbau der Behälterwand vorgesehenen
Beton Stahlfasern zugemischt werden. Der Eintrag der Stahlfasern in
den Beton kann bereits am Produktionsort (Betonlieferant), am Ausführungsort
(Baustelle) oder an einem unabhängigen dritten Ort, vollzogen
werden. Zumeist soll die Stahlfaser-Beton-Mischung im Zwangsmischer
hergestellt werden. Erfindungsgemäß wird die Mischung
erzeugt, indem die Stahlfasern dem Beton beim Einfüllen
in einen Fahrmischer zugesetzt werden, die Durchmischung während
der Fahrt durch Rotation der Transportbirne geschieht und das fertige
Gemisch nach einer Mindestverweildauer von etwa 10 min in der rotierenden
Birne am Ort der Verwendung in die Schalung gefüllt wird.
Das ist wesentlicher vorteilhafter als das Einmischen von Stahlfasern
beim entgültigem Einbringen des Betons. In diesem Falle
sind Spezialpumpen nach http://www.biw.fhd.edu/alumni/1999/pockes/einsatzmoeglichkeiten.htm einzusetzen.
Nach gründlichem Durchmischen wird dieses Gemisch in die
Schalung eingebracht. Das kann durch Einfüllen der Stahlfaser-Beton-Mischung
durch Pumpen von oben oder durch seitliches Einbringen durch die
Schalung geschehen.
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Die
zum Stand der Technik aufgeführten Problempunkte können
nur durch nach den statischen Erfordernissen ausgerichtete Stahlfasern
behoben werden. Insbesondere zylindrische Behälter, welche zumeist
auf Zug- und Biegezugspannungen beansprucht werden, benötigen
eine Stahlfaserausrichtung parallel zur fortlaufenden Wandfläche.
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Eine
Darstellung der Verhältnisse wird in 2 gegeben.
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Die
einzig zielführende und zudem ökonomisch praktikable
Lösung kann in einer mechanischen Ausrichtung der Stahlfasern
beim oder vor dem Eintrag in die Schalung bestehen. Die Stahlfasern
können beispielhaft dem Fahrmischer beigegeben und durch
fortlaufendes Drehen der Trommel gleichmäßig im
Beton verteilt werden. Durch beispielsweise eine Kolbenpumpe und
unter zu Hilfenahme eines entsprechend langen Förderendschlauches
im Anschluss an den Betonverteilermast wird der Stahlfaserbeton
in die Schalung eingebracht. An diesen Förderendschlauch
soll eine beispielhaft in der horizontalen fixierte mechanische
Verteilvorrichtung befestigt werden, die erfindungsgemäß eine Ausrichtung
der Stahlfasern gewährleistet.
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Die
Stahlfasern werden in der Vorrichtung durch mehrere in unterschiedlichen
Abständen angebrachte mechanische Widerstände
in die statisch erforderliche Richtung umgelenkt. Dies geschieht durch
zahlreiche runde Umlenkstäbe sowie Umlenkdreiecke. Die
erfindungsgemäßen technischen Möglichkeiten
dazu zeigt die 3.
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Um
eine Verstopfung durch die erzeugten Widerstände während
des Pumpvorganges zu vermeiden, soll die Vorrichtung vor dem Start
des Umlenkprozesses eine entsprechende Querschnittsvergrößerung
beinhalten. Eine Druckentspannung der Betonpumpe und eine Verringerung
der Fließgeschwindigkeit kann so erreicht werden. Zudem
können trotz Umlenkfunktion erheblich größere
Stahlfasermengen in den Beton eingetragen werden ohne ein Verstopfen
zu verursachen.
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Um
eine horizontale Ausrichtung und kontinuierlich gesteuerte Ausbreitung
des Betons zu ermöglichen, sollte die Verteilvorrichtung
zumeist waagerecht fixiert werden. Bedingt durch eine Wandhöhe auch
größer 6 m und einen ca. 8–10 m langen
Förderendschlauch aus Gummi kommt es durch das Eigengewicht
der Vorrichtung zur Krümmung des Förderschlauches.
Entsprechend muss dies durch die Verteilvorrichtung ausgeglichen werden,
so dass eine ausgleichende Krümmung die Vorrichtung in
der zumeist Horizontalen fixieren muss.
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Die
Möglichkeit einer technischen Realisierung ist in 4 dargestellt.
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Es
ist auch möglich die Vorrichtung direkt an die vorhandene
Krümmung einer zylindrischen Schalung anzupassen. So können
auch kleine Behälterdurchmesser erfolgreich mit Stahlfaserbeton
betoniert werden. Das zeigt 5.
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Zusätzlich
muss der Stahlfaseranteil pro Kubikmeter Beton deutlich erhöht
werden. Die Technologie soll erfindungsgemäß einen
Stahlfaseranteil wesentlich größer als 40 kg/m3 beinhalten, wobei 100 kg/m3 empfohlen
werden. Hierdurch können Rissbreiten deutlich minimiert
und die Dichtheit des Behälters gewährleistet
werden. Eine Erhöhung des Stahlfaseranteils bewirkt aber
eine erschwerte Pumpbarkeit des Betons sowie ein erschwertes Einbringen
aufgrund der verdichtungshemmenden Wirkung des Betons. Dieses Problem
kann durch einen leicht verdichtender Beton LVB oder selbstverdichtender
Beton SVB oder dergleichen gelöst werden. Dieser Beton
muss optimal das Gleichgewicht zwischen vor allem statischen, aber
auch konstruktiven und herstellungsprozessbedingten Faktoren herstellen.
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Zudem
können Stahlfaserbetonbauwerke mit einem deutlich verkürzten
Arbeitszeitaufwand, bedingt durch den Wegfall der Stahlflechtarbeiten, realisiert
werden. Schlankere Bauwerke bei einem deutlich verminderten Beton-
und Stahleinsatz sind das Ziel.
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Bei
Sicherstellung einer statisch bestimmten Stahlfaserausrichtung durch
die Erfindung und Lösung des Korrosionsproblems mittels
Edelstahlfasern kann nunmehr Stahlfaserbeton auch für Ingenieurbauwerke
genutzt werden. Mögliche Verfahren für das Herstellen
von Behältern aus Stahlfaserbeton sind bisher weder erforscht
noch publiziert worden. Die wirtschaftlichen und konstruktiven Verbesserungen
sind aber exorbitant hoch.
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Der
Einsatz von Stahlfasern wird auch in Biogasbehältern durch
die Karbonatisierung zur Korrosion der Stahlfasern führen.
Diese beschränkt sich jedoch auf die Oberfläche
und ist statisch unbedenklich. Eine Beeinträchtigung besteht
lediglich optischer Natur bei Sichtbetonflächen.
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Durch
den Einsatz von Fasern aus Edelstahl können bei Sichtbetonbauwerken
diese Problemfelder aber gänzlich vermieden werden. Die
Edelstahlfasern werden zum heutigen Zeitpunkt weder in Ingenieurbauwerken
noch in Bauteilen untergeordneter Bedeutung (z. B. Fußböden)
eingesetzt. Auch Edelstahlfasern sind bedingt durch einen verminderten Gesamtarbeitszeitaufwand,
einen geringeren Mengenanteil im Vergleich zu herkömmlicher
Bewehrung sowie durch den verminderten Gesamtbetoneinsatz (Bauteilverschlankung)
sehr wirtschaftlich. Der Edelstahlfasereinsatz und somit die Errichtung
komplexer zylindrischer Behälter aus Edelstahlfaserbeton
sind ebenfalls möglich. Dabei können Edelstahlfasern vergleichbare
Zugkräfte wie herkömmliche Stahlfasern aufnehmen.
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Der
herangezogene Beton, LVB oder SVB muss folgende Anforderungen erfüllen.
Der Beton muss selbständig ohne Eintrag von Energie durch das
Fließen voll-ständig entlüften und darf
nicht Sedimentieren. Ebenso müssen die Fasern vollständig untergemischt
und gleichmäßig in der Betonwand verteilt sein.
Durch die Behälterwandverschlankung und den Einsatz einer
Vorrichtung zur Ausrichtung der Fasern ist es notwendig, ein Größtkorn
von 8 mm und höchstens 16 mm anzusetzen. Die Erhöhung des
Zementleimgehaltes muss in bezug auf das Schwinden und die Hydrationswärmeentwicklung
auf ein Minimum reduziert sein.
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Bei
Einsatz eines selbstverdichtenden Betons ist eine Betonmischung
von circa 400 kg CEM II/B 32,5 N-LH/NA/HS und circa 120 kg Flugasche
für Beton pro Kubikmeter Beton, einem Fließmittel
und einem Stabilisator empfehlenswert und notwendig. Durch diese
Mischung wird eine verbesserte Fließfähigkeit,
eine höhere Stabilität des Frischbetons und eine
geringere Entmischungsneigung des Betons bei einem Einsatz im Stahlfaserbetonbehälterbau
erreicht.
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Es
bleibt festzuhalten, dass alle Probleme zum Stand der Technik durch
die zuvor beschriebenen Maßnahmen mit dieser innovativen
Erfindung gelöst werden könnten.
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Eine
Korrosion der Stahlfasern wird verhindert, indem erfindungsgemäß auch
Fasern aus Kunststoff oder Edelstahl eingesetzt werden. Durch die
Ausgestaltung als Linearfasern mit zumeist gekröpften Enden
oder in anderer an sich bekannter Weise, aber aus dem erfindungsgemäß benannten Edelstahl
kann die Haftung zwischen Fasern und Be ton gesichert werden. Durch
den Einsatz von Fasern aus Edelstahl können bei Sichtbetonbauwerken
diese Problemfelder aber gänzlich vermieden werden. Die
Edelstahlfasern werden zum heutigen Zeitpunkt weder in Ingenieurbauwerken
noch in Bauteilen untergeordneter Bedeutung (z. B. Fuß-böden)
eingesetzt. Auch Edelstahlfasern sind bedingt durch einen verminderten
Gesamtarbeitszeitaufwand, einen geringeren Mengenanteil im Vergleich
zu herkömmlicher Bewehrung sowie durch den verminderten
Gesamtbetoneinsatz sehr wirtschaftlich. Durch die Erfindung ist
auch der Edelstahlfasereinsatz und somit die Errichtung komplexer
zylindrischer Behälter aus Edelstahlfaserbeton abgedeckt.
Dabei können Edelstahlfasern vergleichbare Zugkräfte
wie herkömmliche Stahlfasern aufnehmen.
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Ebenso
möglich ist der Einsatz von Kunststofffasern. Entgegen
der vorherrschenden Meinung der Fachwelt, dass Kunststofffasern
keine Stabilitätsverbesserung von Beton, LVB oder SVB bewirken können,
trifft dies nicht auf alle Kunststoffarten zu. Eine Kombination
von Kunststofffasern in Verbindung mit Stahl- und/oder Edelstahlfasern
kann vergleichbare Rissbreitenbegrenzende Effekte wie Stahlfasern
haben und somit vorteilhaft eingesetzt werden.
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Bei
einer beispielhaften Stahlbetonbehälterwand (Verbundbauteil)
von 20 cm verbleibt wie in 1 dargestellt
nach Abzug der beidseitigen Betondeckung (cnom =
4,0 cm) sowie 4x Bewehrung ein Zwischenraum von ca. 8 cm, welcher
aus statischen sowie betontechnologischen Gründen nicht
beliebig reduziert werden kann. Durch den Einsatz von Stahlfaserbeton
(homogener Baustoff) entfällt diese, die minimale Bauteilbreite
bestimmende Beschränkung. Somit können, entsprechend
ausreichende zulässige Festigkeitskennwerte vorausgesetzt,
auch dünnere Bauteile (z. B. Wände bis minimal
12 cm Wanddicke) hergestellt werden. Im Stahlbetonbau werden heute bei
vorzugsweise zylindrischen Behältern als Richtwert circa
150 kg Stahl pro Kubikmeter Beton bei Wanddicken von circa 25 cm
verbaut. Diese Menge kann auf circa 100 kg Stahlfaser pro Kubikmeter
Beton reduziert werden.
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Das
Anwendungsgebiet der Erfindung ist nicht auf zylindrische Behälter
aus Beton beschränkt. Es können ebenso Halbzylinder
hergestellt und zu Zylindern zusammengefügt werden. Ausgedehnt werden
kann das erfindungsgemäße Ver-fahren auf das Herstellen
schmaler Wände großer Höhe, wobei vorerst
Wandstärken von 0,1 bis 0,3 m gemeint sind, eine Höhe
von 1 bis 12 m, ein Innendurch-messer von 1 bis 50 m. Einsatzbereich der
erfindungsgemäß hergestellten Zylinder mit Betonwänden
ohne/oder stark verminderter herkömmlicher Armierung ist
vorzugsweise die Biogas-, Klär- und Abfallbehandlung sowie
weitere Artverwandte Anwendungen. Der durch Stahlfasern möglicherweise
erhöhten Wärmedurch-lässigkeit kann in
an sich bekannter Weise durch Isolierung begegnet werden.
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Die
Erfindung bringt eine erhebliche Ressourceneinsparung, Arbeitszeitaufwandreduzierung und
somit Senkung der Investitionskosten bei gleichzeitiger Erhöhung
der Wirtschaftlichkeit für den Kunden.
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Bei
Behältern aus Stahlfaserbeton mit einer Höhe von
1 bis 12 m, einer Wandstärke von 0,1 bis 0,3 m und einem
Innendurchmesser von 1 bis 50 m können bis zu:
- – 25% an Wandstärke
- – 34% an Stahlmenge
- – 20% an Bauzeit
- – 30% an Arbeitszeitaufwand
eingespart werden.
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Die
neue Betontechnologie wird eine wesentliche Ressourceneinsparung
der Baustoffe Beton und Stahl beinhalten. Der Beton ist mit einem
hohen Zementgehalt sehr energieintensiv in der Herstellung, da bei
der Herstellung Temperaturen von mehr als 1450°C benötigt
werden. Diese Prozesse sind zwangsläufig sehr CO2 intensiv. Eine Verminderung der Behälterwandstärken
erbringt gleichzeitig eine deutliche Einsparung der Ressource Beton
und damit des Zementes. Ein wesentlicher Beitrag zur Einsparung
von CO2 Emissionen wird somit erreicht. Auch
eine Mengeneinsparung des Werkstoffes Stahl bewirkt zusätzlich
eine große Reduzierung des CO2 Anfalls.
Insbesondere die Erzeugung von Rohstahl ist sehr energie-intensiv,
da die metallurgischen Prozessschritte Temperaturen von 1.500–1.800°C
erfordern. Trotz verstärktem Engagement in den letzten Jahren
die technisch-physikalisch-chemischen Prozesse zu optimieren bleibt
die Stahlerzeugung auf absehbare Zeit ein hoher CO2 Produzent.
Zudem kann der aktuelle Rohstoffbedarf der Industrieländer momentan
kaum gedeckt werden. Als Folge haben sich die Preise für
Rohstoffe und Stahlprodukte vervielfacht. Durch die Stahlfaserbetontechnologie
ist es das Ziel bei vergleichbaren Festigkeitsauswirkungen den Stahlbedarf
pro Behälter um bis zu 34% zu verringern.
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Es
wird erwartet, dass diese Erfindung langfristig herkömmliche
Stahlbetonbauweisen im konstruktiven Ingenieurbau in weiten Teilen
ablösen wird.
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Legenden zu den Abbildungen:
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1:
Verringerte Behälterwandstärke
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2:
Erfolgversprechende Ausrichtung der Stahlfasern in einer vorzugsweise
zylindrischen Behälterwand
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3:
Umlenkfunktionen der Stahlfasern
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4:
Mögliche Typausführung zur mechanischen Ausrichtung
der Stahlfasern
-
5:
Mögliche gekrümmte Typausführung zur
mechanischen Ausrichtung der Stahlfasern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - http://www.vdsev.de [0004]
- - http://www.biw.fhd.edu/alumni/1999/pockes/einsatzmoeglichkeiten.htm [0008]
- - http://www.beton.org/Stahlfaserbeton [0009]
- - http://www.vdsev.de/pubframe.html [0010]
- - http://www.diestatiker.de/news/faserbeton [0011]
- - DIN 1045-1 [0020]
- - http://www.biw.fhd.edu/alumni/1999/pockes/einsatzmoeglichkeiten.htm [0026]