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Technisches Gebiet und Stand der Technik mit Fundstellen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Betonteilen, insbesondere von vorgefertigten Betonelementen in Balkenform nach Anspruch 1. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von vorgefertigten Betonelementen, insbesondere von balkenförmigen Betonhalbzeugen durch Anordnung von großformatigen Verdrängungskörpern. Solche Verdrängungskörper sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, sie werden zur Gewichtsreduzierung und zur Erzielung günstigerer Querschnittswerte eingesetzt. Der Einsatz von Verdrängungskörpern aus Kunststoff, Holzwerkstoffen, Blechen, aufgeschäumten Materialien oder anderen Werkstoffen ist Stand der Technik [2], [3], [4]. Für Decken in Gebäuden sind kleinformatige Verdrängungskörper in verschiedenen Ausführungen bekannt. Die
WO 2005/080704-A1 beschreibt die Herstellung von Betondecken mit kleinformatigen Verdrängungskörpern,
DE 20 2006 002 540 U1 die Verwendung einer Vielzahl kleiner Verdrängungskörper,
EP 2075387 B1 eine vergleichbare Konstruktion mit oplaten Rotationsellipsoiden mit zwei abgeplatteten Polseiten zur verbesserten Lagesicherung, jeweils in einem Gitterwerk zur Lagesicherung.
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Es ist weiterhin bekannt, den Überbauquerschnitt von Brücken aus Fertigteilen oder Halbfertigteilen zusammenzusetzen. Zu den bekannten Konstruktionsformen gehören auch feldlange balkenförmige vorgefertigten Betonelemente mit und ohne Vorspannung, die in Brückenlängsrichtung positionsgenau nebeneinander angeordnet werden.
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Die bekannten Anwendungen sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Im Brückenbau wird für Hohlräume von Rohren und Hohlkästen hinreichende Zugänglichkeit aller Hohlräume für Inspektion und Wartung gefordert [1]. Durch vorgegebene Mindestabmessungen [1], die eine gute Inspizierbarkeit sicherstellen, erfordern Querschnitte in Form eines Hohlkastens Mindestabmessungen in der Höhe der Konstruktion von ca. 2,50 m. Daher scheidet die Anwendung von Hohlkästen für Spannweiten unterhalb etwa 30 m aus Gründen der Ästhetik (Schlankheit) und Wirtschaftlichkeit aus.
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DE 197 19 409 C2 beschreibt ein Tragelement aus vorgespannten Rohren, dass die Herstellung in Ortbetonbauweise ohne Lehrgerüst ermöglicht. Nebeneinander angeordnete stählerne Hohlkörper mit Querschotten als Verbindung werden durch Spanndrähte vorgespannt. Nach dem Verfüllen der Zwischenräume mit Beton soll die Verbindung zwischen stählernem Hohlkörper und Spanndraht gelöst werden. Nachteilig ist, dass bei dieser Ausführung praktisch keine Vorspannung auf den Beton übertragen wird. Durch den Verbund zwischen Spanndrähten, Rohr, Querschotten und Beton bleibt das Lösen der Verbindung der Spanndrähte an den Trägerenden praktisch ohne Wirkung, denn der Zugkraft in den Spanndrähten wirkt eine Druckkraft im stählernen Hohlkörper gleicher Größe entgegen. Durch die nur teilweise Einbettung des stählernen Hohlkörpers ist dieser unzureichend vor Korrosion geschützt.
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Problem (Angabe der Wirkung, die mit dem Patent erzielt werden soll)
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die bisher verwendeten Verdrängungskörper nicht hinreichend robust waren und eine Dichtheit gegen einlaufenden Beton während der Betonage oder Wasser während des Betriebs nicht zielsicher erreichbar ist [2]. Bei unzureichender Auftriebssicherung kam es zu Lageänderungen der Verdrängungskörper, was sich ungünstig auf die Trageigenschaften auswirkt. Der Innenraum von Verdrängungskörpern ist nicht zur Inspektion zugänglich. Bei Einsatz im Freien, z. B. bei Brücken, besteht jedoch die Gefahr, dass über unvermeidliche Risse im Beton und Undichtigkeiten im Verdrängungskörper belastete Wässer in die Hohlkörper eindringen. Dadurch geht der Effekt der Gewichtseinsparung teilweise verloren und die Tragwerke werden durch das einlaufende, oft taumittelbelastete Wasser ungeplant belastet und einem starken Korrosionsangriff ausgesetzt. Dies gefährdet die Standsicherheit und bleiben diese Vorgänge i. d. R. unbemerkt. Die Verwendung von Verdrängungskörpern ist deshalb nicht mehr zulässig [1].
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Lösung
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Diese Probleme werden durch die Ausbildung der Verdrängungskörper nach den Konstruktionsregeln für luftdicht verschweißter Kästen vermieden. Im konstruktiven Stahlbau ist die Anwendung luftdicht verschweißte Kästen für nicht inspizierbare Hohlräume in Tragwerken Stand der Technik. Zur Dichtheitsprüfung der Schweißnähte wird definierter Überdruck im Innern des Hohlkastens erzeugt und der Druckabfall innerhalb eines definierten Zeitraums als Dichtheitskriterium herangezogen [1]. Durch vorgeschriebene Mindestdicke der Stahlbleche wird eine hinreichende Robustheit erreicht.
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Erreichte Vorteile
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Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass
- 1. die Funktion des Verdrängungskörpers durch eine auf Dichtheit geprüfte und robuste Konstruktion dauerhaft gewährleistet wird,
- 2. Gewichts- und Kosteneinsparungen durch den im Bereich des Verdrängungskörpers entfallenen Bewehrungs- und Betoneinbau erreicht werden,
- 3. Der Querschnitt des Betonbauteils für die Bemessung günstigere Querschnittswerte aufweist als der entsprechende Querschnitt ohne Verdrängungskörper,
- 4. Durch günstigere Querschnittswerte zusätzliche Einsparungen von Spann- und Bewehrungsstahl möglich sind.
- 5. Durch geringer Gewichte sinken Aufwand und Kosten bei der Montage der Fertigteile.
- 6. Durch die Ausbildung als Halbzeug wird ein schneller Baufortschritt erreicht.
- 7. Durch die Herstellung unter industriellen Bedingungen in einem Fertigteilwerk sehr hohe Qualitätsstandards erreicht werden können, insbesondere eine exakte Lagesicherung der Verdrängungskörper.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung
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Eine Vorteilhafte Ausgestaltung im Zusammenhang mit der Anwendung der Vorspannung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die viskose Beschichtung (bspw. mit Bitumen) schützt das stählerne Verdrängungsrohr vor Korrosion und vermeidet weitgehend, dass eine auf den Betonquerschnitt aufgebrachte Vorspannung auch auf den Stahlquerschnitt des Verdrängungsrohres übertragen wird. Durch zeitabhängige Verformung der viskosen Beschichtung entzieht sich das stählerne Verdrängungsrohr der Wirkung der Vorspannung, was die Höhe der notwendigen Vorspannkraft günstig beeinflusst.
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Im Patentanspruch 3 ist die Variabilität der Querschnittsform des Verdrängungsrohrs beschrieben. Die Querschnittsformen unterscheiden sich bspw. in ihren Herstellungskosten, in ihrer Stabilität während der Bauzeit und in dem formbaren Betonquerschnitt. Unterschiedliche Querschnittsformen ermöglichen die Berücksichtigung unterschiedlicher Anforderungen aus Herstellungstechnologie, Tragfähigkeit und Herstellungskosten.
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Im Patentanspruch 4 ist die Variabilität der Querschnittsformen des vorgefertigten Betonelementes beschrieben, insbesondere deren Anpassung an konstruktive Erfordernisse.
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In den Patentansprüchen 5 bis 7 ist die Veränderlichkeit der Querschnittsform in Tragwerkslängsrichtung beschrieben, um konstruktive, gestalterische und statische Anforderungen zu erfüllen.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dazugehörigen Zeichnungen, in denen – beispielhaft – die Halbzeuge und ein daraus hergestellter Brückenüber erläutert wird.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines vorgefertigten Betonelementes (1) mit dem robusten Verdrängungskörper (2) in Form eines Stahlrohres entsprechend der Konstruktionsregeln aus [1] mit der viskosen Beschichtung (3) auf dem Verdrängungskörper zur Störung des Verbundes zwischen Verdrängungskörper (2) und Beton (4), der Betonstahlbewehrung (5, 6) und Spannstahlbewehrung (7) und einer möglichen Anordnung der Aussparung für die Vergussfugen (8) zwischen benachbarten Halbzeugen.
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2 Ausführungsformen für verschiedene Querschnittsformen des Verdrängungskörper.
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3 Ausführungsformen für verschiedene Querschnittsformen des Betonkörpers.
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4 Ausführungsformen für eine höhere Anzahl Verdrängungskörper im Querschnitt.
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5 einen Längsschnitt des vorgefertigten Betonelementes, der die Anordnung des Verdränungskörpers (2) entlang des Elementes zeigt.
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6 eine Ausführungsform mit veränderlichem Balkenquerschnitts in Balkenlängsrichtung.
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7 eine Ausführungsform mit veränderlichem Querschnitts des Verdrängungskörpers in Balkenlängsrichtung.
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8 eine Ausführungsform mit veränderliche Höhenlage des Verdrängungskörpers in Balkenlängsrichtung.
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9 die Anordnung mehrerer vorgefertigter Betonelemente (1) nach der vorherig beschriebenen Art, insbesondere unterschiedliche Querschnittsformen der Halbzeuge am Rand, und deren Verbindung über Vergussfugen (8) zu einem tragenden Querschnitt für einen typischen Brückenüberbau.
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Die Herstellung der vorgefertigten Betonelemente kann vorteilhaft in folgender Form erfolgen. In einer Schalung die dem Beton (4) die Form gibt, werden Betonstahlbewehrung (5, 6), Spannlitzen oder Spannglieder (7), Verdrängungskörper (2) und sonstige Einbauteile eingebaut. Der Verdrängungskörper (2) wird durch geeignete Hilfsmittel gegen die Auftriebskraft gesichert. Nach dem Vorspannen der Spannlitzen (7) gegen das Spannbett kann der Beton (4) eingebracht und durch geeignete Rüttler verdichtet werden. Nach dem Aushärten des Betons wird die Vorspannkraft durch das Lösen der Spannlitzen (7) vom Spannbett auf das Element übertragen. Die Elemente werden auf der Baustelle nebeneinander positionsgenau ausgelegt und durch den Verguss der Fuge (8) und Ortbetonergänzung an den Enden der Elemente zu einem Tragwerk verbunden, 9. Bei Spanngliedern (7) mit nachträglichem oder ohne Verbund wird die Vorspannung nach dem Aushärten des Betons aufgebracht. Je nach Nutzung der Brücke wird eine Fahrbahn für Straßen- oder Schienenfahrzeuge und den erforderlichen Ausstattungselementen (Geländer, Schutzeinrichtungen, Signalanlagen, Leitungsmasten usw.) angeordnet werden.
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Vorteilhaft kann es sein, je nach statischem Erfordernis Rohre oder andere Querschnittsformen für den Verdrängungskörper (2) zu verwenden oder mehrere Verdrängungskörper (2) nebeneinander anzuordnen (4).
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Aus statischen oder gestalterischen Gründen kann ein veränderlicher Balkenquerschnitt vorteilhaft sein (6), eine veränderliche Querschnittsform des Verdrängungskörpers (7), oder eine veränderliche Höhenlage des Verdrängungskörpers in Balkenlängsrichtung (8). Brücken sind sehr hohen Verkehrslasten ausgesetzt. Durch die aufgezeigte Veränderlichkeit der Geometrie des Balkenquerschnitts, des Verdrängungskörpers bzw. der Lage des Verdrängungskörpers im Balkenquerschnitt kann die Tragfähigkeit des Elementes den veränderlichen Kräfte und Momente angepasst werden. Beispielsweise werden Randträger typischerweise mit einer Kragplatte (3, 9) ausgeführt, auf die später die Kappe aufgebracht wird. In Längsrichtung kann aus statischen oder gestalterischen Gründen eine Voutung der Unterseite (6) vorteilhaft sein, während die Oberseite des Tragwerks der Gradiente des überführten Verkehrsweges angepasst werden kann. Die verschiedenen Ausführungsvarianten können auch kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- vorgefertigtes Betonelement
- 2
- stählerner Hohlkörper als Verdrängungskörper
- 3
- viskose Beschichtung
- 4
- Beton
- 5
- Bügelbewehrung
- 6
- Längsbewehrung
- 7
- Spannlitzen oder Spannglieder
- 8
- Vergussfuge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/080704- A1 [0001]
- DE 202006002540 U1 [0001]
- EP 2075387 B1 [0001]
- DE 19719409 C2 [0004]
