DE102010018348A1

DE102010018348A1 - Folded plate staircase, is made of ultra high fiber-reinforced concrete with preset slump flow, where fiber contents of concrete exhibit solidifying material characteristics, and concrete possesses preset cylinder tensile strength

Info

Publication number: DE102010018348A1
Application number: DE201010018348
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Nguyen Tue Viet; Dr.-Ing. Ma Jianxin; Dipl.-Ing. Gröger Johannes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2011-10-27

Abstract

The staircase is made of ultra high fiber-reinforced concrete with slump flow of 70 cms, where fiber contents of the concrete exhibit solidifying material characteristics according to a peak of a concrete matrix. The concrete possesses cylinder tensile strength of 120 mega Newton per square meter (MN/m2), and fiber additives e.g. steel fibers, polyvinyl alcohol (PVA) fibers, basalt fibers and carbon fibers, are provided in the concrete. The fibers of the concrete are oriented in a direction of main tensile stress. An independent claim is also included for a method for manufacturing a folded plate staircase.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Treppe als Faltwerk aus Faserbeton. Zum Einsatz kommen ultrahochfeste Betone, deren erhöhte Materialfestigkeiten die Verwendung von Stabstahl zur Aufnahme der auftretenden Zugkräfte unnötig machen. Zur Sicherstellung eines duktilen Bauteilversagens und zur Erhöhung der Tragreserven werden dem Beton Stahl- bzw. Kunststofffasern zugegeben. Die durch das Herstellungsverfahren erzeugten Materialeigenschaften garantieren, dass die eingesetzten Fasern mehrheitlich in Tragrichtung orientiert sind. Durch den Einsatz von Fasern anstelle von Stabstahlbewehrung ist eine deutliche Erhöhung der Schlankheit der Treppe möglich.The present invention relates to a method for producing a staircase as a fiber reinforced concrete slab. Ultra-high-strength concretes are used whose increased material strengths make the use of bar steel to absorb the tensile forces unnecessary. To ensure a ductile component failure and to increase the bearing reserves, steel or plastic fibers are added to the concrete. The material properties generated by the manufacturing process guarantee that the fibers used are predominantly oriented in the supporting direction. The use of fibers instead of steel reinforcement allows a significant increase in the slenderness of the staircase.

Stand der TechnikState of the art

Flächentragwerke, deren Ebenen zueinander abgewinkelt sind, werden als Faltwerke bezeichnet. Dabei wird die Plattentragwirkung senkrecht zur Mittelfläche und die Scheibentragwirkung parallel zur Mittelflächen aktiviert. Durch die Ausnutzung der Scheibentragwirkung verringert sich die Durchbiegung gegenüber einem äquivalent belasteten Bauteil, dass nur die Plattentragwirkung nutzt.Tensile structures whose planes are angled to each other are referred to as folding works. In this case, the plate carrying action is activated perpendicular to the central surface and the disc carrying action parallel to the central surfaces. By utilizing the disk bearing action, the deflection decreases with respect to an equivalent loaded component that utilizes only the plate carrying action.

Herkömmliche Treppen, die als Faltwerk verwirklicht werden sollen, können derzeit aus Beton, Stahl oder Holz hergestellt werden. Dabei sind schlanke Bauformen nur durch die Verwendung von Stahl oder Holz erreichbar.Conventional stairs, which are to be realized as a folding mechanism, can currently be made of concrete, steel or wood. In this case, slim designs can only be achieved through the use of steel or wood.

Faltwerktreppen aus Stahl oder Holz werden derzeit zwar hergestellt, ihre Ausführung ist jedoch sehr aufwändig und teuer, da jede Stufe mindestens einseitig mit einem Auflager ausgeführt werden muss. Die Lagerung dient zum einen der Reduzierung der Spannweite der Treppe zur Verminderung der auftretenden Spannungen und zum anderen zur Reduzierung der Schwingungsanfälligkeit.Faltwerktreppen made of steel or wood are currently produced, but their execution is very complex and expensive, since each stage must be performed at least on one side with a support. The storage serves on the one hand to reduce the span of the stairs to reduce the stresses occurring and on the other hand to reduce susceptibility to vibration.

Bei Faltwerktreppen aus Stahlbeton kann auf die Zwischenunterstützung der Treppen in den meisten Fällen verzichtet werden. Der Einsatz von Betonstahl zur Aufnahme der Zugkräfte führt jedoch zu einer erheblichen Steigerung der Herstellungskosten. Die Verankerung der Zugbewehrung muss zwingend in der Druckzone des Bauteils erfolgen, dies führt zu einer sehr aufwändigen Bewehrungsführung. Vor allem die Bewehrungsführung an den einspringenden Ecken an der Treppenunterseite stellt ein nur schwer zu lösendes Problem dar. Eingesetzt werden häufig vorgefertigte Bewehrungskörbe die zur Sicherstellung der Lagegenauigkeit verschweißt werden. Da die angesprochenen Arbeitsschritte sehr zeit- und damit kostenintensiv sind, werden Faltwerktreppen aus normalfestem Beton nur selten eingesetzt. Darüber hinaus weisen Faltwerktreppen aus gewöhnlichem Stahlbeton in der Regel eine geringere Schlankheit auf.In reinforced concrete folding staircases, the intermediate support of the stairs can be dispensed with in most cases. The use of reinforcing steel to absorb the tensile forces, however, leads to a significant increase in manufacturing costs. The anchoring of the tensile reinforcement must be done in the pressure zone of the component, this leads to a very complex reinforcement. Above all, the reinforcement at the re-entrant corners on the underside of the stairs represents a problem that is difficult to solve. Prefabricated reinforcement baskets are often used, which are welded to ensure the positional accuracy. Since the mentioned steps are very time-consuming and therefore cost-intensive, folding staircases made of normal-strength concrete are rarely used. In addition, folding staircases made of ordinary reinforced concrete usually have a lower slenderness.

Aufgabenstellungtask

Aufgabe ist es, ein Verfahren für die Herstellung von sicheren und schlanken Faltwerktreppen unter Verwendung eines Ultrahochleistungsbetons zu erfinden, das a) die Materialeigenschaften des Betons unter Beachtung der normativen Vorgaben ausnutzt, b) kostenoptimiert und qualitätsgesichert im Fertigteilwerk realisiert werden kann und c) den Herstellungsaufwand für Faltwerktreppen aus Beton reduziert.The object is to invent a process for the production of safe and slim folding staircases using an ultra-high performance concrete, which a) exploits the material properties of the concrete in compliance with normative specifications, b) cost-optimized and quality assured in the precast plant can be realized and c) the production cost reduced for concrete folding staircase.

Die Aufgabe wird durch eine Faltwerkkonstruktion mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a folding-structure with the features of claim 1.

Zur Herstellung der Faltwerke sind die folgenden zwei Aufgaben von besonderer Bedeutung. Zum einen ist eine, auf die Anforderungen abgestimmte Betonrezeptur erforderlich und zum anderen werden an die, zur Herstellung der Faltwerke nötige Schalung, spezielle Anforderungen gestellt.The following two tasks are of particular importance for the production of the folding units. On the one hand, a concrete formulation tailored to the requirements is required and, on the other hand, special requirements are placed on the formwork necessary for the production of the folding units.

Der wichtigste Aspekt der Betonentwicklung in diesem Zusammenhang ist die Fließfähigkeit. Um eine vollständige Verfüllung der anspruchsvollen Geometrie zu erreichen, ist die Fließfähigkeit gegenüber normalfestem Beton deutlich zu erhöhen. Es ist ein Setzfließmaß von 700 bis 1000 mm zu erreichen. Da mit der Fließfähigkeit die Gefahr der Entmischung steigt, ist die Einstellung der Viskositätseigenschaft des Betons von besonderer Bedeutung. Zur Einstellung der Konsistenz wird ein hochwirksames Fließmittel verwendet.The most important aspect of concrete development in this context is the fluidity. In order to achieve a complete backfilling of the demanding geometry, the flowability must be significantly increased compared to normal-strength concrete. It is possible to achieve a setting flow of 700 to 1000 mm. Since the flowability increases the risk of segregation, the adjustment of the viscosity property of the concrete is of particular importance. To adjust the consistency, a highly effective flow agent is used.

Neben der Fließfähigkeit sind hohe Betonfestigkeiten zur Herstellung der Faltwerke nötig. Dazu wird zum einen ein geringes Wasser-Zement-Verhältnis (w/z-Wert) verwendet und zum anderen der Größtkorndurchmesser begrenzt. Zur Erhöhung der aufnehmbaren Zugspannungen werden dem Beton Stahlfasern zugegeben. Der Fasergehalt ist überkritisch zu wählen und die Fasern müssen die richtige Schlankheit (Längen-Durchmesser-Verhältnis) besitzen. Es werden verschiedene Fasern kombiniert eingesetzt um neben der Zugfestigkeit ebenso die Kantenfestigkeit zu erhöhen.In addition to the flowability, high concrete strengths are necessary for the production of the folding units. For this purpose, on the one hand, a low water-cement ratio (w / c value) is used and, on the other hand, the largest grain diameter is limited. To increase the absorbable tensile stresses steel fibers are added to the concrete. The fiber content must be supercritical and the fibers must have the correct slenderness (length-diameter ratio). Various fibers are used in combination to increase not only the tensile strength but also the edge strength.

Da die Faltwerke im privaten ebenso wie im öffentlichen Bereich einsetzbar sind, sind dem Beton zur Sicherstellung der Tragfähigkeit unter Brandlast Kunststofffasern mit niedrigen Schmelzpunkten zuzugeben. Es eignen sich Polypropylenfasern (PP), Polyethylenfasern (PE) oder vergleichbare Kunststofffasern mit entsprechenden Materialeigenschaften.Since the folding units can be used in private as well as public areas, plastic fibers with low melting points have to be added to the concrete to ensure the load carrying capacity under fire load. Polypropylene fibers (PP), polyethylene fibers (PE) or similar are suitable Plastic fibers with corresponding material properties.

Die zur Herstellung der Faltwerke benötigte Schalungskonstruktion muss verschiedene Anforderungen erfüllen. Aufgrund der hohen Fließfähigkeit des Betons muss die Schalung Frischbetondrücke aufnehmen, die über den hydrostatischen Druckverhältnissen liegen können. Neben einer großen Stabilität der Schalung ist auf die Dichtheit besonderer Wert zu legen. Die Dichtungen zwischen den Schalungsteilen sind kraft- und formschlüssig auszubilden um einem Versagen aufgrund des enormen Frischbetondrucks während der Herstellung widerstehen zu können.The formwork construction required for the production of the folding units must meet various requirements. Due to the high flowability of the concrete, the formwork must absorb fresh concrete pressures which may be above the hydrostatic pressure ratios. In addition to a high stability of the formwork is to attach special importance to the tightness. The seals between the formwork parts are form-fitting and form-fitting to be able to withstand failure due to the enormous fresh concrete pressure during production.

Für eine hohe Oberflächenqualität des Faltwerks muss die Schalung sehr glatt ausgeführt werden. Hierzu eignen sich am besten Stahlschalungen, da bei diesen auch die nötige Stabilität und Dichtheit herstellbar ist.For a high surface quality of the folding unit, the formwork must be very smooth. For this purpose, steel formworks are best suited, as these also the necessary stability and tightness can be produced.

Ausführungsbeispielembodiment

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigt:Further advantages and details of the invention will be explained by way of example with reference to the following drawings. It shows:

1 eine Draufsicht auf das montierte Faltwerk. 1 a plan view of the mounted folding mechanism.

2 eine Seitenansicht des Faltwerks in Richtung A-A der 1. 2 a side view of the folding in the direction of the AA 1 ,

3 eine Detailansicht der Lagerung der Variante A, gekennzeichnet in 2, Detail I. 3 a detailed view of the storage of the variant A, characterized in 2 , Detail I.

4 eine Detailansicht einer Stufe, gekennzeichnet in 2, Detail II. 4 a detailed view of a step, marked in 2 , Detail II.

5 Schalungskonstruktion zur Herstellung einer geraden Faltwerktreppe. 5 Formwork construction for the production of a straight folding staircase.

6 Abbildung zur Beschreibung des Betonfließverhalten während der Betonage, gekennzeichnet in 4, Detail III. 6 Illustration for the description of concrete flow behavior during concreting, marked in 4 , Detail III.

7 Beispiele weiterer herstellbarer Treppenformen, dabei zeigt die linke Abbildung eine viertelgewendelte und die rechte Abbildung eine halbgewendelte Treppe über eine Geschoßhöhe. 7 Examples of other manufacturable staircase forms, while the left figure shows a quarter-turn and the right figure a half-spiral staircase over a storey height.

In den Darstellungen 1 und 2 wird der grundsätzliche Aufbau einer geraden gegenläufigen Faltwerktreppe mit Podesten dargestellt. An den Seitenflächen des Faltwerks entlang der Lauflinie ist keine Lagerung an die anschließenden Wände vorgesehen. So sind auch verglaste Treppenhäuser möglich, die die enorme Schlankheit der Faltwerke betonen. Die Ansicht wird in 2 dargestellt.In the illustrations 1 and 2 the basic structure of a straight counter-folding staircase with pedestals is shown. On the side surfaces of the folding mechanism along the running line, no storage is provided on the subsequent walls. Glazed staircases that emphasize the enormous slenderness of the folding units are also possible. The view is in 2 shown.

Um eine Trittschallübertragung zwischen Treppe und Gebäude zu verhindern, wird die Treppe in Ausführungsvariante A auf Elastomerstreifen gelagert. In Ausführungsvariante B wird die Treppe mit dem Podest am Austritt monolithisch hergestellt. Durch die erzielte Durchlaufwirkung kann die Spannweite der Treppe erhöht werden, jedoch ist es nötig die gesamte Podestplatte schallentkoppelt an die Wände des Treppenhauses anzuschließen.In order to prevent a footfall sound transmission between staircase and building, the staircase is stored in variant A on elastomeric strip. In embodiment B, the staircase with the pedestal at the outlet is made monolithic. Through the achieved Durchlaufwirkung the span of the stairs can be increased, however, it is necessary to connect the entire pedestal sound-decoupled to the walls of the staircase.

In der seitlichen Ansicht der 2 sind die Konstruktionsdetails der Faltwerktreppe ersichtlich. Die Unterseite folgt dem, durch das Verhältnis Steigung zu Auftritt, festgelegtem Verlauf der Treppenoberseite. Die Dicke des Treppenlauf 1 ist über den Verlauf der Setz- 3 und Trittstufen 4 konstant. Die durch den Einsatz von ultrahochfestem faserbewehrtem Beton erreichbare Schlankheit liegt im Bereich von Lid ≥ 40. Herkömmliche Treppen aus normalfestem Beton erreichen Schlankheiten von maximal L/d ≈ 20. Dabei entspricht L der Treppenspannweite und d der Treppendicke. Durch die geringe Treppenhöhe verringert sich das Eigengewicht des Faltwerks auf etwa ein Viertel gegenüber herkömmlichen Stahlbetontreppen.In the side view of the 2 the construction details of the folding staircase can be seen. The bottom follows that, by the ratio slope to appearance, fixed course of the stair top. The thickness of the staircase 1 is over the course of the settlement 3 and steps 4 constant. The slenderness achievable through the use of ultra-high-strength fiber-reinforced concrete is in the range of Lid ≥ 40. Conventional stairs made of normal-strength concrete reach slenderness of maximum L / d ≈ 20. Here, L corresponds to the stair span and d the step thickness. Due to the low height of the staircase, the weight of the folding unit is reduced to about a quarter compared to conventional reinforced concrete stairs.

Der in 3 gezeigte Auflagerpunkt entspricht der Lagerung der Treppe in Ausführungsvariante A. Das vorgefertigte Treppenelement kann hierbei sehr einfach in den Rohbau des Treppenhauses montiert werden, da die Treppen nur auf die Elastomerstreifen aufgelegt werden. Dies ermöglicht einen sehr raschen Baufortschritt durch den geringen Montageaufwand und eine sehr effektive Schallentkopplung. In Ausführungsvariante B wird das Faltwerk am Antritt äquivalent gelagert, am Austritt ist die Treppe und das Podest fest verbunden. Durch diese Konstruktionsweise ist es möglich die Spannweite des Faltwerks zu erhöhen, jedoch steigt auch der Montageaufwand deutlich und die Schallentkopplung wird aufwändiger.The in 3 support point shown corresponds to the storage of the stairs in variant A. The prefabricated stair element can hereby very easily be mounted in the shell of the staircase, since the stairs are placed only on the elastomeric strips. This allows a very rapid construction progress due to the low assembly costs and a very effective sound decoupling. In variant B, the folding mechanism is stored at the entrance equivalent, at the exit of the stairs and the pedestal is firmly connected. By this construction, it is possible to increase the span of the folding mechanism, but also increases the installation effort significantly and the sound decoupling is complex.

An der Treppenunterseite ist eine Ausrundung 5 am Übergang von der Setz- 3 zur Trittstufe 4 notwendig. Wie 4 zeigt, entspricht der Radius r der Ausrundung etwa die Hälfte der Treppenhöhe d. Die Ausrundung erhöht die statisch wirksame Höhe der Treppe und verringert somit die auftretenden Spannungen. Vor allem die an einspringenden Ecken auftretenden Kerbspannungen können sehr wirksam abgebaut werden.At the bottom of the stairs is a rounding 5 at the transition from the 3 to the tread 4 necessary. As 4 shows, the radius r of the rounding corresponds to about half of the staircase height d. The rounding increases the static effective height of the stairs and thus reduces the stresses occurring. In particular, the notch stresses occurring at re-entrant corners can be broken down very effectively.

Die Betonage einer Treppe zeigt die Darstellung 5. Zur einfacheren Handhabung der Treppe während des Vorbereitens und des Ausschalens ist es zweckdienlich die Schalung über ein Gelenk am Fußpunkt beweglich zu fertigen. Zwingend erforderlich ist die Möglichkeit, die Schalung während der Betonage aufzurichten, damit stets in einem Winkel von 45° gegen die Schalungsunterseite betoniert wird (siehe 6). Betoniert wird das Faltwerk über einen Anschluss am Fußpunkt der Treppe. Am oberen Ende der Schalung ist über die gesamte Breite eine Entlüftungsöffnung vorgesehen. Die gestrichelte Linie in 5 zeigt die Fließrichtung des Betons. Durch die Verfüllung von unten verringert sich die Gefahr von Fehlstellen bedingt durch Lufteinschlüsse im Beton. Die Betonage kann auf zwei Arten erfolgen. Zum einen ist die Verwendung einer Betonpumpe möglich, deren Leistung groß genug ist den Beton vom Fuß- zum Kopfpunkt der Schalung zu befördern. Zum anderen ist es möglich das Prinzip der kommunizierenden Gefäße auszunutzen. Dazu wird am Schalungsanschluss ein Schlauch/Rohr befestigt. Das andere Ende des Schlauchs/Rohrs wird so angeordnet, dass die Einfüllöffnung über der Entlüftungsöffnung der Schalung liegt. Wird nun betoniert, fließt der Beton zunächst durch den Schlauch/das Rohr zum Fußpunkt der Schalung und steigt dann in der Schalung entlang der Fließlinie zur Entlüftungsöffnung. Die Schalung ist komplett verfüllt wenn durch die Entlüftungsöffnung Beton entweicht. Beide Herstellungsarten und die große Fließstrecke verdeutlichen die Notwendigkeit, dass ein Beton mit einer sehr flüssigen Konsistenz verwendet wird.The concreting of a staircase shows the presentation 5 , For easier handling of the stairs during preparation and Ausschalens it is expedient to make the formwork via a hinge at the base movable. The possibility of erecting the formwork during concreting is essential, so that it is always concreted against the bottom of the formwork at an angle of 45 ° (see 6 ). The folding unit is concreted via a connection at the foot of the stairs. At the upper end of the formwork over the entire width of a vent opening is provided. The dashed line in 5 shows the flow direction of the concrete. By filling from below, the risk of defects due to air pockets in the concrete is reduced. Concreting can be done in two ways. On the one hand, the use of a concrete pump is possible, the power of which is large enough to transport the concrete from the foot to the head of the formwork. On the other hand, it is possible to exploit the principle of communicating vessels. For this purpose, a hose / pipe is attached to the formwork connection. The other end of the hose / tube is arranged so that the filler opening is above the vent opening of the formwork. If concrete is now poured, the concrete first flows through the hose / pipe to the base of the formwork and then rises in the formwork along the flow line to the vent opening. The formwork is completely filled when concrete escapes through the vent. Both types of production and the large flow path illustrate the need to use a concrete with a very fluid consistency.

In einem zähflüssigen Medium wie Beton richten sich die Fasern mehrheitlich entlang der Fließrichtung aus. Dieser Effekt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt. Die lange Fließstrecke innerhalb der Schalung begünstigt den Effekt der Faserausrichtung. Abbildung 6 zeigt den Fußpunkt der Schalung, an dem der Beton eingefüllt wird. Die Fließlinien in 6 bilden somit die mehrheitliche Faserausrichtung ab. Da die Fließlinien den Hauptzugspannungen infolge Treppenbelastung entsprechen und die Fasern den höchsten Wirkungsgrad besitzen wenn sie entlang der Zugrichtung ausgerichtet sind, werden durch das Verfahren die Materialeigenschaften des Materials bestmöglichst ausgenutzt.In a viscous medium such as concrete, the majority of the fibers are aligned along the direction of flow. This effect is exploited in the inventive method. The long flow path within the formwork favors the effect of fiber orientation. Illustration 6 shows the base of the formwork, where the concrete is filled. The flow lines in 6 thus reflect the majority fiber orientation. Since the flow lines correspond to the main tensile stresses due to staircase loading and the fibers have the highest efficiency when aligned along the pulling direction, the method makes the best possible use of the material properties of the material.

Grundsätzlich ist es möglich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jede beliebige Treppenform als Faltwerk herzustellen. Lediglich der Aufwand zur Herstellung der Schalung setzt den zu erreichenden Formen Grenzen. Zwei weitere Formen der Faltwerktreppe zeigt 7. Auf der linken Seite ist eine viertel- und auf der rechten Seite eine halbgewendelte Treppe abgebildet.In principle, it is possible with the method according to the invention to produce any staircase shape as a folding mechanism. Only the effort to produce the formwork limits the forms to be achieved. Two other forms of folding staircase shows 7 , On the left side is a quarter-turn and on the right side a half-turned staircase.

Claims

Faltwerktreppe of fiber concrete and a process for its production for the production of concrete stairs in the precast plant, characterized in that it dispenses with the use of reinforcing bars or welded steel mesh as reinforcement for absorbing the tensile stresses.

Faltwerktreppe according to claim 1, characterized in that the folded structure consists of ultra-high-strength fiber-reinforced concrete with a Setzfließmaß of at least 70 cm.

Faltwerktreppe according to at least one of the preceding claims, characterized in that a fiber-reinforced UHFB is used with a fiber content, which has a solidifying material behavior after the first crack of the concrete matrix.

Faltwerktreppe according to at least one of the preceding claims, characterized in that the production takes place in a casting with no or with compaction energy.

Faltwerktreppe according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ultra high performance concrete has a cylinder compressive strength of at least 120 MN / m ² .

Faltwerktreppe according to at least one of the preceding claims, characterized in that to improve the mechanical properties of the UHFB fiber additives, for. As steel, PVA, basalt or carbon fibers or a mixture of fiber additives (fiber mix) can be used.

Faltwerktreppe according to at least one of the preceding claims, characterized in that, by the manufacturing process, a majority orientation of the fibers in the direction of the main tensile stresses occurring is achieved.