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GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Formkörper gemäß den aufgeführten Patentansprüchen sowie dessen Verwendung gemäß den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen, der für spezielle tragende Konstruktionselemente im Bauwesen geeignet ist. Der Formkörper ist ein stabförmiges Bauteil mit wenigstens fünf Werkstoffen.
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STAND DER TECHNIK
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Statisch tragende stabförmige Konstruktionselemente aus verschiedenen Baustoffe sind in unterschiedlichen Ausführungen dem Stand der Technik nach bekannt.
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Angewendet werden beispielsweise Fachwerkkonstruktionen, deren Stäbe sind Druck- bzw. Zugstäbe. Abrupte Winkeländerungen der Tragglieder an den Knotenpunkten eines Fachwerks zeigen die für ein Fachwerk charakteristische Zerlegung in Zug- und Druckkräfte.
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Auch bei Rahmenbauteilen werden je nach Beanspruchung einzelne Stabelemente unterteilt in reine Druck- bzw. Zugstäbe.
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Konstruktionselemente in der Ausbildung als Träger oder Balken haben druck-, zug- und biegebeanspruchte Zonen, hier wirken zur Abtragung von Lasten Druck- und Zug- und Biegebeanspruchung zusammen.
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Je nach Art des eingesetzten Baustoffes, haben die tragenden stabförmigen Konstruktionselemente unterschiedliche Eigenschaften. Allgemein bekannt sind Konstruktionselemente und Bauteile aus den Baustoffen Stahl, Holz, Beton, Stahlbeton oder Aluminium sowie Konstruktionselemente und Bauteile aus einer Kombination dieser Baustoffe.
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Für Bauaufgaben des Ingenieurbaus werden in zunehmendem Maße anstelle von Konstruktionselementen aus herkömmlichen Baustoffen auch beispielsweise solche aus hochfesten Faserverbundwerkstoffen verwendet, wie beispielsweise veröffentlicht in
DE 431 32 27 A 1,
EP 1 253 259 A2 und in
DE 10 2006 018 407 A 1. Darüber hinaus sind auch Konstruktionselemente in spezieller Bauweise bekannt, wie beispielsweise veröffentlicht in
EP 0 628 675 A 1,
EP 0 621 381 A 1 oder mit der Verwendung von vorgespannten Bewehrungselementen aus der
DE-PS 74 99 27 sowie aus der
DE-PS 1140594 und der
FR-PS 1033005 . Beispielsweise ist aus
FR 2 192 231 eine Tragstruktur, bekannt, bei welcher ein Glasfaser- Kunstharz-Material ein leichtes, hohles Kernelement umhüllt. Im Inneren dieses Kernelements sind Verstrebungen eingeschlossen, welche zwei einander gegenüberliegende Wandteile des Kernelements verbinden.
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Es sind auch geschichtete Trageelemente bekannt, die Kombination der Schichten aus verschiedenen Materialien beinhalten. Gewöhnlich handelt es sich um ein Trageelement mit einem Metallmantel, der mit einer Füllung ausgefüllt ist, normalerweise mit Beton. CZ U 3980 beschreibt beispielsweise ein tragender geschichteter Säulentubus für Tragkonstruktionen mit Außenmetallmantel des Kreisquerschnitts und mit Innenmetallmantel des Kreisquerschnitts. Zwischen den beiden Metallmänteln befindet sich eine Ringfläche ausgefüllt mit tragendem Füllmaterial, das Beton ist. Der Außenmetallmantel ist mit dem Innenmetallmantel, und zugleich auch mit dem Füllmaterial, mittels Kuppelstahlbolzen fest miteinander verbunden.
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STAND DER TECHNIK - PROBLEME UND NACHTEILE
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Jeder Baustoff bzw. Werkstoff hat seine baustoffspezifischen Vor- und Nachteile, die bei Anwendung berücksichtigt werden müssen.
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Der Baustoff Beton beispielsweise ist sehr gut geeignet zur Aufnahme von Druckbelastungen, sein Aufnahmevermögen hinsichtlich einer Zugsbeanspruchung jedoch ist nur gering. Daher benötigen Betonbauteile zur Aufnahme von Zugspannungen eine Bewehrung, beispielsweise resultierend aus Biegemomenten oder aus Zwangsspannungen infolge Schwindens oder Temperatureinwirkung. Durch die Kombination von Beton und zugkraftaufnehmender Bewehrung entsteht ein hochleistungsfähiger Verbundwerkstoff Stahlbeton. Es ist auch bekannt, dem Beton Kunststofffasern oder Stahlfasern beizumischen. Stahlbeton hat ein sehr hohes Gewicht und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was für bestimmte Einsatzzwecke nachteilig sein kann. Ebenso nachteilig bzw. problematisch ist die Korrosion der Stahlbetonbewehrung, beispielsweise durch Carbonatisierung.
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Der Baustoff Holz hingegen nimmt Zugkräfte auf, ist jedoch brennbar und hat deshalb im Hinblick auf sein Brandverhalten nachteilige Eigenschaften für bestimmte Einsatzzwecke.
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Nachteilige Eigenschaften der metallischen Trageelemente abgesehen von den Kosten sind beispielsweise Korrosion, ihr hohes Gewicht, Gefahr der unerwünschten Verbiegung oder Verwindung sowie Elektronen- und Wärmeleitfähigkeit, was auch diesen Baustoff auf bestimmte Einsatzzwecke begrenzt.
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Die vorwiegend kompakten schweren und massiven Bauteile haben zudem meistens ein geringes „Nutzlast-zu-Eigengewicht“ -Verhältnis.
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Zu den beispielhaft genannten baustoffspezifischen Nachteilen zählt auch immer der Alterungsprozeß, der je nach Baustoff unterschiedlich schnell einsetzt. Dieser Nachteil ist bei Auswahl und Anwendung ebenfalls zu beachten.
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Der Nachteil des tragenden geschichteten Säulentubus, veröffentlicht in CZ U 3980, ist begrenzte Zugfestigkeit, Materialaufwand und der allgemeine Arbeitsprozeß ist aufwendig hinsichtlich der Anfertigung und der Bearbeitung der Verbindungen. Ein weiterer Nachteil ist die Korrosion des Metallmaterials des Außenmantels und die Elektronen- und Wärmeleitfähigkeit. Bei Herstellung von den Metallmänteln für diese Trageelemente ist ein nicht vernachlässigbares Problem auch in Form von unerwünschten Emissionen, die ein Begleiteffekt bei Verarbeitung und Herstellung von Eisen ist.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im Bauwesen ist es wünschenswert, Konstruktionselemente mit besonders hoher Tragfähigkeit und Festigkeit zu verwenden bei gleichzeitig geringem Gewicht und guten baustoffspezifischen Eigenschaften insbesondere bezüglich Brandverhalten, Temperaturbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Vor diesem Hintergrund ist es ein Ziel der Erfindung, die Nachteile der bekannten Baustoffe zu kompensieren und Konstruktionselemente zu schaffen, die den an sie gestellten Anforderungen gerecht werden und die insbesondere den Festigkeitseigenschaften und Werkstoffeigenschaften von Verbundwerkstoffen mit Kunststoffen Rechnung tragen.
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Die Erfindung hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, bevorzugt stabförmige, hochbelastbare Konstruktionselemente zur Verfügung zu stellen, die gegenüber herkömmlichen Baustoffen widerstandsfähiger gegen den Alterungsprozeß sind, um bezogen auf die Lebensdauer Material und Herstellungskosten zu sparen.
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Ebenfalls soll es erfindungsgemäß möglich sein, daß stabförmige Konstruktionselemente zu Flächentragwerken zusammengesetzt werden können.
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Ein weiterer wichtiger Erfindungsgedanke ist darin zu sehen, Konstruktionselemente zu schaffen, die bei hoher Tragfähigkeit eine hohe Feuerwiderstandsdauer besitzen.
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Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Konstruktionselemente zu schaffen, die bei hoher Tragfähigkeit eine hohe Witterungsbeständigkeit besitzen.
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Insbesondere soll die Erfindung auch die Zersetzungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen in Anwesenheit von Luft berücksichtigen
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Konstruktionselemente zu schaffen, die bei gleichzeitig höchster Zugfestigkeit möglichst unempfindlich sind gegenüber äußeren Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung oder chemisch aggressiven Medien.
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Es ist außerdem wünschenswert, Konstruktionselemente mit einem besonders großen Nutzlast-zu-Eigengewicht-Verhältnis zu haben, die im Vergleich zu alternativen Bauformen mit gleicher Festigkeit deutlich leichter sind. Dies würde beispielsweise erlauben, bei relativ geringem Eigengewicht der Konstruktionselemente relativ große Spannweiten zu überbrücken oder höhere Belastungen aufnehmen zu können und Transportkosten zu senken.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Konstruktionselemente zu schaffen, die eine einfache Fertigung der Konstruktionselemente ermöglichen und vielfältig anwendbar sind.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht jedoch insbesondere darin, die vorteilhaften Eigenschaften hochfester, synthetischer organischer Kunststoffasern zu nutzen, nämlich geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, hohe Feuerwiderstandsdauer und hohe Flexibilität, und ihn als Baustoff insbesondere für Sonderbauteile zu verwenden.
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Zur Lösung der gestellten Aufgaben schlägt die Erfindung ein stabförmiges Konstruktionselement vor, einen Verbundbaustab mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen und den zugehörigen Unteransprüchen. Die oben genannten Nachteile werden mit dieser entworfenen Lösung in beträchtlichem Maß beseitigt.
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Der Verbundbaustab ist ein Bauteil aus einem Verbundwerkstoff, darunter ist ein Element zu verstehen, das in Bezug auf die Ausübung seiner Tragfähigkeit und Funktionsfähigkeit aus mindestens zwei Materialien bzw. Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht. Das im folgenden behandelte Bauteil, der sogenannte Verbundbaustab, besteht erfindungsgemäß aus fünf Bauteilkomponenten bzw. Werkstoffen.
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Ein geschlossenes, zugfestes und nahtlos gewebtes schlauchförmiges Hüll-Element in der Form eines hexagonalen Querschnittes aus einer hochfesten, synthetischen organischen Kunststoffaser, vorzugsweise aus aromatischem Polyamid (Aramidfaser auch bekannt unter den Namen Kevlar™ und Twaron™), die so genannte Umhüllung des Verbundbaustabes (Ummantelung bzw. der Mantel) wird vorzugsweise mit einem verformungsunempfindlichen bzw. einem schwer komprimierbarem, feinkörnigem und in sich verzahntem und leichten Kunststoffmaterial befüllt. In die Mitte des Körpers befindet sich ein röhrenförmiges spreizbares Kernelement, ein Dübel. Die Befüllung wird unter Druck mit Bildung eines Vakuums in die schlauchförmige Ummantelung mit dem spreizbaren Kernelement (Dübel) eingebracht. Mit der anschließenden Einführung eines Spreizstiftes drehend, gleitend oder schlagend in das spreizbare Kernelement (Dübel) wird das Füllmaterial gepreßt und ein dadurch hoher Druck aufgebaut, der auf die schlauchförmige Umhüllung wirkt. Form und Struktur einzelner Körner des Füllmaterials ist derart beschaffen, daß Hohlräume minimiert sind und einzelne Körner sich untereinander gut verzahnen, wodurch der Formkörper mit dem inneren Druck seine Steifigkeit und Scherfestigkeit erlangt.
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Bei längeren Bauteilen kann dieser Vorgang fertigungstechnisch auch abschnittsweise erfolgen, d.h. die strumpfförmige Ummantelung wird dann fortlaufend gekrempelt.
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Abschließend wird der Formkörper mit der Ummantelung umlaufend dicht verschlossen. Zum Schutz wird die Ummantelung des Verbundbaustabes beschichtet, vorzugsweise mit einer Außenlage aus Kunstharz. Diese Außenlage dient vornehmlich als Schutz gegen Fremdkörper und Schäden und ist dafür geeignet, einer mechanischen und thermischen Fehlbenutzung sowie einer UV- Belastung und Belastung durch Chemikalien wie Öl, Säuren, Laugen oder Fette ohne Frühversagen zu widerstehen.
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In einer typischen Ausführungsform hat der Verbundbaustab bzw. der Formkörper einen hexagonalen Querschnitt. Die entworfene Lösung ist aber nicht nur auf diese Form begrenzt, sie ermöglicht eine Ausführung auch in anderen Formen, beispielsweise ein polygonförmiger oder ein rechteckiger Querschnitt oder aber auch ein röhrenförmiger bzw. oval förmiger oder kreisförmiger Querschnitt.
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Das Hüll-Element ist, wie oben beschrieben, ein vliesgelegter, zylindrischer Körper, er bildet eine schlauchartige Ummantelung, den sogenannten Mantel des Formkörpers. Dieser Mantel besteht erfindungsgemäß aus einem nahtlosen geflochtenen Hochleistungstextilgewebe aus Kett- und Schußfäden mit einer hohen Reißfestigkeiten und aus besonders hochfesten, abriebfesten, kantenfesten, schnittfesten, hitzefesten und/oder flammwidrigen Hochleistungsfasern mit geringsten Dehnungen. Hochleistungsfasern sind beispielsweise unter dem Handelsnamen Twaron, Nomex, Dyneema, Spectra, Zylon® oder Kevlar bekannt. Ebenfalls bekannt sind Karbonfasern, PTFE, PBO, dehnarme Polyester (PEN) Polyamid (PA). Alle Hochleistungsfasern haben Vor- und Nachteile. Glasfasern sind preiswert erhältlich und weisen eine hohe Zugfestigkeit auf, Polypropylenfasern sind relativ leicht und gut zu verarbeiten, Karbonfasern haben vorteilhafterweise eine hohe Festigkeit und sind sehr beständig gegen chemische Einflüsse.
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Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß für das Gewebe des Mantels vorzugsweise aromatische Polyamide verwendet werden, insbesondere Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPTA), die unter den Handelsnamen Kevlar oder Twaron bekannt sind. Kevlar® ist die Handelsmarke von E.I. du Pont de Nemours and Company (DuPont) für Poly(imino-1,4-phenyleniminocarbony1-1,4-phenylencarbonyl. Diese Stoffe werden in Form dünner Fasern zu Gewebe verarbeitet. Aramid wird seit Jahrzenten auch als Zugträgermaterial, vor allem als Stengelketten- oder Cord-Gewebe in Verbindung mit anderen Faserstoffen verwendet. Aramid weist Höchstzugkräfte von 3000 N/cm2 und mehr auf, so daß entsprechend hohe Belastungen ohne weiteres aufgenommen werden können.
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Mit der Aramid- Faser wird, wie dargelegt, ein textiler Maschenmantel - Gewebe bzw. Gittergewebe oder Vlies - gebildet, der seinerseits, je nach Belastung des Verbundbaustabes, aus Faserbündeln bzw. Filamentbündeln und Rovings besteht, wobei diese einzelnen Multifilamentgarne (Roving) bzw. ein Filamentbündel wiederum aus einer Vielzahl von einzelnen Filamenten, Einzelfäden oder Garnen gebildet wird. Der Faserschlauch wird demnach durch mehrere Faserbündel aus Einzelfasern definiert, wobei die einzelnen, die Faserstrukturen definierenden Faserbündel jeweils zueinander geneigt sind beziehungsweise entlang verschiedener Richtungen verlaufen. Die Faserbündel aus Einzelfasern, Kett- und Schußfäden, weisen eine netzähnliche Struktur auf und verlaufen grundsätzlich senkrecht bzw. parallel zur Längsachse des Formkörpers. Die Ausrichtung der Fasern auf bzw. innerhalb einer Mantelfläche des Faserschlauchs kann aber auch auf verschiedene Weise erfolgen. In einer Variante verlaufen einzelne Fasern des Faserschlauches alle parallel zu einander und quer zur Erstreckungsrichtung des Faserschlauches. Die einzelnen Fasern bilden damit eine Faserstruktur in Form eines unidirektionalen Geleges. Eine Verbesserung des Mantels kann durch die Anordnung der Fasern in der Form eines Multiaxialgeleges erzeugt werden. Hierbei verlaufen mehrere Faserlagen als Faserstrukturen in unterschiedlichen Winkeln zueinander mit jeweils zueinander parallelen Einzelfasern. Die in Formkörperlängsachse orientierten Fasern, die so genannten Längsfasern, nehmen im Wesentlichen die Belastung des Verbundbaustabes aus Zug.- und / oder Biegezug auf, während die querliegenden Fasern, die so genannten Querfasern, vorzugsweise die durch den Druck auf die Füllung erzeugten quer zur Längsachse verlaufenden Zugkräfte des Mantels aufnehmen.
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In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Fasern des Mantels aus zwei verschiedenen Materialien gewebt, den äußeren Fasern bzw. Fasersträngen und den so genannten Kernfasern, die aus einem Hochleistungstextilgewebe bestehen. Diese extrem hochfesten, den innenliegenden Mantelbereich bildenden Hochleistungsfasern - Kernfasern und/ oder Garnstränge - mit einer wesentlich verminderten Dehnung und höheren Reißfestigkeit sind beispielsweise aus Aramid. Um diesen innenliegenden Mantel befindet sich eine miteinander verflochtene außenliegende Faserschicht aus Monofilgarnen. Das Fasermaterial der außenliegenden Faserschicht ist in dieser Ausführungsform mit Kunststofffäden aus Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet, die eine lichtdichte und flüssigkeitsabweisende Umhüllung bilden. PTFE zeichnet sich durch eine überragende UV-Lichtbeständigkeit sowie weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber chemisch aggressiven Medien aus. Darüber hinaus besitzt PTFE feuchtigkeitsabweisende Eigenschaften. Insofern verhindert die erfindungsgemäß eingesetzte außenliegende Faserschicht aus verflochtenen PTFE-Fäden nahezu vollständig das Eindringen von Flüssigkeiten, z. B. chemisch aggressiven Medien, in den Kernbereich des erfindungsgemäßen Verbundbaustabes, so daß der Kern zuverlässig von einem entsprechenden Angriff eines chemisch aggressiven Mediums geschützt werden kann.
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Die hierzu verwendeten einzelnen Garnstränge und Fasern, die unterschiedlich in Dicke, Festigkeit und Farbe sein können, sind mit dem Gewebe praktisch nicht verschiebbar gegeneinander verbunden. Je nach Einsatzzweck kann die Stärke des Mantelgewebes verändert werden. Bei entsprechender Gewebestärke, Durchmesserstärke der Fasern bzw. Faserbündeln können unterschiedlich starke Belastungen aufgenommen werden. Hierdurch ergibt sich ein in sich formstabiles, zugfestes Hüllelement, welches sich zugleich leicht den äußeren Gegebenheiten anpassen läßt.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen schlauch- bzw. rohrförmigen Formkörpers (Gegenstandes), das das Weben eines nahtlosen schlauch- bzw. rohrförmigen Gewebes umfaßt, ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift
DE 69214270 T2 beschrieben. Der erwähnte textile Mantel kann in einer Alternative durch Rundstricken, aber auch durch Rundwirken realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Hüllelement mit einem schwer komprimierbarem leichten Kunststoffmaterial mit Druck befüllt, da die Gewichtsersparnis eine entscheidende vorteilhafte Eigenschaft des Formkörpers ist. Zum Einbringen des Füllmaterials in das Hüll-Element wird der auszufüllende Raum evakuiert, bzw. wird in dem vom Mantel umschlossenen Raum ein Unterdruck erzeugt. Dadurch werden Luft- oder sonstige Gaseinschlüsse minimiert und das Füllmaterial verdichtet. Struktur, Form und Eigenschaft einzelner Körner des Füllmaterials sind so beschaffen, daß sie aneinanderhaften bzw. sich untereinander gut verzahnen - wie beispielsweise bei einem Klettverschluß - und, daß der Hohlraum zwischen ihnen minimiert ist. Der Druck in der Füllung begünstigt vorgenannte Ziele.
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Je nach Anforderungen an die Anwendung sind aber auch Füllungen mit anderen Eigenschaften möglich, beispielsweise mit natürlichen Füllstoffen, wie beispielsweise Kork oder Kautschuk oder mit einem feinkörnigem und schwerem Material, wie beispielsweise Quarzsand o.dgl.
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In einer Ausführungsform kann entsprechend den Anforderungen zur Befüllung auch ein geeignetes Elastomer verwendet werden mit hoher Resistenz gegen Umweltdegradation, beispielsweise gegen Ozon. Geeignete Elastomere sind z.B. Isopren-, Polyurethan-, Styrol-Butadien-, Butadien-Nitril-EP(D)M-, Polybutadien- und Silikonelastomere, welche nach Wahl vulkanisiert werden können.
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Die Befüllung kann vorteilhafterweise auch in einer Ausführungsform aus einem nachquellenden Material bestehen, das expandiert und dadurch einen zusätzlichen Druck von innen auf den Mantel ausübt. Mit Hilfe eines solchen Quelleffektes kann also eine zusätzliche Verfestigung der Füllung zur Erlangung der Steifigkeit erzielt werden.
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In einer Ausführungsform ist innerhalb des Hüll-Elementes eine Füllung angeordnet, die bestimmte Eigenschaften erfüllen muß, mit der beispielsweise eine Erhöhung der Wärmedämmung und/oder eine Erhöhung der Schalldämmung und/oder eine Erhöhung der Feuerfestigkeit zusätzlich bewirkt werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform ist das Füllmaterial ein Harz, es kann das gleiche Harz sein, wie es für die Beschichtung des Mantels verwendet wird.
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Im Inneren der Befüllung befindet sich ein spreizbares Element aus einem ebenfalls schwer komprimierbaren synthetischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Polyamid, in der Funktion eines Dübels. In diesen Dübel wird zur Erzeugung eines inneren Druckes auf den Mantel und somit zur Erreichung einer hohen Steifigkeit ein Spreizstift gleitend eingeführt, oder er wird eingeschlagen bzw. ein (Gewinde-) Spreizstift eingedreht. Anschließend wird der Mantel umlaufend dicht verschlossen. Der Spreizstift besteht aus einem Werkstoff, der den Belastungen, die er in seiner Funktion erfährt, angepaßt ist, möglich sind beispielsweise Duroplaste aber auch entsprechend andere Werkstoffe.
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Das Hochleistungstextilgewebe des Verbundbaustabes, die Aramid - Faserschicht der Ummantelung, wird erfindungsgemäß mit einem schwerentflammbaren Harz beschichtet, womit der Mantel geschützt wird und vorteilhafterweise auch gleichzeitig eine verbesserte UV-Beständigkeit erreicht wird.
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Das Material der Beschichtung kann beispielsweise aus einem 50%igen Antimontrioxid- Pulver bestehen, das mit einem Polyesterharz als Bindemittel versehen ist. Es kann aber auch ein Duromer, ein Elastomer oder ein Thermoplast aufweisen. Als Duromer werden nicht nur überwiegend Epoxid(EP)-harze verwendet, sondern auch ungesättigte Polyester(UP)-harze und Vinylester(VE)-harze. Außerdem können je nach Anwendungszweck Phenol(PF)-harze, Polyamide und Bismaleinimide Verwendung finden.
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Die Konsistenz und Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials kann vorteilhafterweise unterschiedlich sein, beispielsweise können auch Beschichtungsmaterialien in pastöser Form verwendet werden.
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Mit einer lichtdichten und flüssigkeitsabweisenden bzw. nahezu flüssigkeitsdichten Umhüllung aus einem Epoxidharz beispielsweise wird nicht nur die UV-Strahlungsbeständigkeit erreicht, sondern auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber chemisch aggressiven Medien zusätzlich verbessert, was für die Anwendungen des Verbundbaustabes besonders vorteilhaft geeignet erscheint.
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Je nach Erfordernis kann der Verbundbaustab vorzugsweise in seiner Querschnittform unterschiedlich gestaltet sein. Unter Berücksichtigung seiner Gebrauchsfähigkeit - beispielsweise seiner Durchbiegung - ist das Verhältnis von Querschnitt zur Stützweite des Verbundbaustabes für die Verwendung maßgebend, das sich nach entsprechenden Anforderungen richtet.
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ANWENDUNG DER ERFINDUNG
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Der erfindungsgemäße Formkörper kann für die unterschiedlichen Zwecke Verwendung finden. Mittels der Erfindung können extrem leichte und dennoch stabile Konstruktionselemente geschaffen werden, die druck- zug- und biegebeansprucht werden und im Bauwesen im Hoch-, Brücken-und Tiefbau vielseitig einsetzbar sind.
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Gemäß einer Eigenschaft der Erfindung wird der Verbundbaustab überall dort eingesetzt, wo ein Konstruktionselement benötigt wird, das aus einem korrosionsbeständigen und einem witterungs-und alterungsbeständigem Werkstoff besteht. Besondere Anwendungen von Konstruktionselementen gemäß vorliegender Erfindung bieten sich demgemäß beispielsweise dort, wo oft aggressive Wässer auftreten, die für Konstruktionselemente aus Stahl eine Korrosionsgefahr bedeuten würden und die dementsprechend zu einem hohen Aufwand für einen Korrosionsschutz führen würden.
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Die entworfene Lösung ist beispielsweise für die Verwendung als Säulen, Sprossen, Geländer, Streben oder für Tragbalken u. a. mit optimalen brandschutztechnischen Eigenschaften bei höchstmöglicher Tragfähigkeit und Festigkeit geeignet.
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Eine weitere Anwendung ergibt sich für den Fall, daß Konstruktionselemente mit wetterbeständigen und optisch einwandfreien Bauteiloberflächen eingesetzt werden müssen, die auch unempfindlich sind gegen lokale Schwachstellen.
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In einer Ausführungsform ist das Konstruktionselement ein Bauelement für Hallentragwerke und Brückenbauten, beispielsweise als tragender Binder.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die für Baukonstruktionen vorgesehene Stäbe, die Verbundbaustäbe, zu einem Fachwerk zusammengesetzt werden.
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Im Erd- und Deponiebau können Verbundbaustäbe nach vorliegender Erfindung die heute vielfach verwendeten Geotextilien vorteilhaft ersetzen. Beispiele hierfür sind rückverankerte Böschungen, bewehrte Erde, Verstärkung von Isolierschichten im Deponiebau oder Erd- und Felsanker.
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Die stabförmigen Konstruktionselemente können zu Flächentragwerken zusammengesetzt werden, d.h. eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die Konstruktionselemente so zueinander angeordnet werden, daß dadurch Deckenplatten geformt werden. Diese Deckelemente können einschichtig oder mehrschichtig (sandwichartig) ausgebildet sein. Dadurch können sowohl tragfähige, als auch hitze- und brandschutzbeständige Matten konstruiert werden.
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Darüber hinaus sind auch weitere Industrieanwendungen denkbar, beispielsweise auch im Wassersport.
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Durch die vorteilhafte lastgerechte Ausdifferenzierung von Material und Strukturen in Verbindung mit digitalen Planungs-, Simulations- und Fertigungsverfahren, ermöglicht es die Erfindung, neue Konstruktionsformen und einzigartige, ausdrucksstarke, leistungsfähige weitspannende Leichtbaukonstruktionen für die Architektur zu entwickeln.
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Die Aufzählung der Einsatzmöglichkeiten der Formkörper erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Der Gedanke der Erfindung läßt sich vielfach variieren.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Durch die Erfindung werden die Nachteile des eingangs genannten Standes der Technik überwunden. Der Verbundbaustab mit seinen vorteilhaften komplexen Eigenschaften ersetzt Werkstoffe ohne Anwendungsparameter zu reduzieren. Er hat als Konstruktionselement gegenüber anderen Werkstoffen und Ausbildungen von Querschnittformen technische und wirtschaftliche Vorteile.
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Ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Tragelementen ist bei gleicher und erhöhter Tragfähigkeit bzw. bei gleicher Schub, Biege-, Scheiteldruck- und Torsionsbeanspruchung das geringe Gewicht des für Tragkonstruktionen geeigneten hochbelastbaren Formkörpers bzw. Verbundbaustabes. Die Bruchlast bzw. die mechanische Festigkeit und Abriebfestigkeit eines solchen Verbundbaustabes ist vorteilhafterweise sehr hoch. Die erfindungsgemäße Kombination der Werkstoffe schafft die Voraussetzung dafür, denn das Hochleistungstextilgewebe aus Kett- und Schußfäden aus Aramid weist Höchstzugkräfte von 3000 N/cm2 und mehr auf, so daß bei vergleichbarer Zugfestigkeit gegenüber anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl, mit einem geringeren spezifischen Gewicht entsprechend hohe Belastungen ohne weiteres aufgenommen werden können. Darüber hinaus wirkt sich besonders vorteilhaft aus, daß die optimalen Leistungsparameter der Fasern auch räumlich ausgenutzt werden. Damit ist es möglich, eine Drucklast für die auf Zug optimierten Fasern zu übersetzen. Eine senkrecht zur Längsrichtung im Verbundbaustab wirkende Kraft führt zu einer Aufwölbung und damit zu einer Vergrößerung des Durchmessers der Querschnittsform. Dieser Verformung wirken die auf Zug belasteten Fasern bis zum Zusammenbruch entgegen. Zugglieder aus Faserverbundwerkstoffen verhalten sich bei Belastung im Gebrauchszustand ähnlich wie solche aus Stahl, d. h. sie haben eine im Wesentlichen linear verlaufende Spannungsdehnungslinie. Im Gegensatz zu Zuggliedern aus Stahl haben sie aber keine Streckgrenze, sie brechen vielmehr bei Erreichen ihrer Zugfestigkeit ohne vorhergehende plastische Verformung. Der Formkörper bzw. Verbundbaustab kann also im Verhältnis zu seinem Gewicht wesentlich höhere Druck- und Zugbelastungen aufnehmen, was besonders vorteilhaft ist.
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Ein weiterer entscheidender Vorteil ist im Hinblick auf Tragverhalten und Lebensdauer die nachhaltige kostengünstige Bauweise des Verbundbaustabes. Diese wird durch eine industrielle Fertigung erreicht. Ebenso wird angesichts des geringeren Gewichts auch eine Transportkostensenkung ermöglicht.
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Aromatische Polyamide (Aramide) sind dafür bekannt, daß sie viele wünschenswerte Eigenschaften haben, wie beispielsweise gute Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur, ein hoher Schmelzpunkt, geringe Entflammbarkeit, hohe Steifigkeit und gute chemische Beständigkeit. Wichtige vorteilhafte Eigenschaften des erfindungsgemäßen Formkörpers, des Verbundbaustabes, sind demnach, die Hitzefestigkeit bzw. die Brandschutzeigenschaften, denn der Verbundbaustab besteht aus einem schwerentflammbaren Kunststoff, was für das im Hinblick auf seine Verwendung als Konstruktionselement im Hochbau wichtige Brandverhalten vorteilhaft ist. Er ist somit deutlich temperaturbeständiger sowie dauerhafter als die Mehrzahl der heute verfügbaren Konstruktionselemente.
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Der Verbundbaustab hat darüber hinaus den Vorteil, daß er gegenüber Feuchtigkeit unempfindlich ist und eine Korrosion nicht stattfinden kann, womit eine sehr lange Lebensdauer gewährleistet ist und Korrosionsschutzmaßnahmen, welche beispielsweise bei Stahl notwendig sind, hinfällig werden. Er ist vorteilhafterweise auch gegenüber chemischen und physikalischen Einwirkungen deutlich resistenter als beispielsweise Stahl. Somit wird ein wesentlich besseres Kosten- / Nutzenverhältnis erreicht.
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Gemäß einer anderen Eigenschaft des erfindungsgemäßen Formkörpers bzw. Verbundbaustabes weist dieser vorteilhafterweise eine kleinere Wärmeleitfähigkeit auf.
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Ebenso ist der Verbundbaustab vorteilhafterweise nicht elektrisch leitfähig.
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Der Verbundbaustab hat weiterhin einen erheblichen Vorteil in der Nachhaltigkeitsbetrachtung und ist auch dem Sinne auch ökologisch, weil bei der Produktion weniger unerwünschte Emissionen als beispielsweise bei der Stahlerzeugung entstehen. Seine Verwendung führt in der Betrachtung über den gesamten Lebenszyklus zu einer deutlichen Energie- und Kosteneinsparung.
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Vorteilhaft ist weiterhin die Möglichkeit, mit dem Verbundbaustab eine anwendungsspezifische Formgebung zu erzielen.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wird bei der folgenden erklärenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen, die nur beispielhaft angegeben sind und jeweils nur eine Ausführungsform der Erfindung darstellen, näher erläutert.
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Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich aus, durch ein stabförmiges Gebilde, den Verbundbaustab. Dieser besteht aus fünf Hauptkomponenten, nämlich einer Beschichtung (1), einer Ummantelung (2), welche dem Stab im Zusammenwirken mit der in den Hohlraum der Ummantelung eingepreßten Füllung (3) die Form und Steifigkeit verleiht. Die Ummantelung (2) besteht aus einem Kunststofftextil mit Fasern, beispielsweise Aramidfasern. In der Mitte der Füllung befindet sich der Dübel (4), der sich bei Einführung des Spreizstabes (5) spreizt und auf diese Weise den Druck auf die Füllung ausübt.
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Es ist außerdem im Erfindungsgedankenenthalten, daß einzelne Verbundbaustäbe miteinander zusammengefügt werden können und dadurch verschiedene Querschnittsformen entstehen.
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Figurenliste
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- Es zeigt 1a den Verbundbaustab mit seinen Hauptbestandteilen im Querschnitt.
- Es zeigt 1b den Verbundbaustab mit seinen Hauptbestandteilen in der Seitenansicht.
- Es zeigt 2 den Spannungsverlauf bei Gleichlast mit Druck.
- In 3 wird ein zweites Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt, die runde Form.
- Es zeigt 3a den Verbundbaustab in runder Form mit seinen Hauptbestandteilen im Querschnitt.
- Es zeigt 3b den Verbundbaustab in runder Form mit seinen Hauptbestandteilen in der Seitenansicht.
- In 4 wird eine Umhüllung bzw. Ummantelung - der Mantel - (2) dargestellt, in den eine nicht komprimierbare Füllung (3) unter Druck eingebracht worden ist. Der Spreizstift (5) wird in den Dübel (4) eingeführt, wodurch sich der Dübel (4) spreizt und einen Druck auf die Füllung (3) und die Ummantelung (2) ausübt. Unter dem Druck der Füllung (3) durch die Expansion des Dübels (4) und einer Belastung des Verbundbaustabes werden die einzelnen Fasern der Umhüllung auf Zug belastet.
- 5 veranschaulicht mit verschiedenen Varianten der Faserstruktur den Aufbau der Ummantelung (2)und zeigt Beispiele für eine Ummantelung.
- 6 zeigt Beispiele für balkenartige Tragelemente, die aus einzelnen Verbundbaustäben zusammengesetzt werden.
- 7 zeigt ein flächenartiges Konstruktionselement in einem Schnitt senkrecht zu der Längsachse. Es ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform möglich, aus mehreren Verbundbaustäben flächige Konstruktionselemente zu erstellen.
- 7 .1 zeigt ein flächenartiges Konstruktionselement für einen einachsigen Lastabtrag.
- 7 .2 zeigt ein flächenartiges Konstruktionselement für einen zweiachsigen Lastabtrag.
- 7 .3 zeigt ein flächenartiges Konstruktionselement für einen einachsigen Lastabtrag. In diesem Beispiel wird das Konstruktionselement in ein flächenartiges Bauteil aus unterschiedlichen Baustoffen integriert und dient als Bewehrung.
- 8 zeigt einen Verbundbaustab, der beispielsweise zum Bau von Tragwerken als Konstruktionselement verwendet werden kann.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie sie beispielhaft in 9 dargestellt ist, wird der Verbundbaustab als Binder bzw. Hauptträger für ein Brückenbauwerk verwendet.
- 10 zeigt einen Verbundbaustab, der beispielsweise in gebogener Form zum Bau von röhrenförmigen Konstruktionselementen verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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Beschichtung (1), Ummantelung (2), Füllung (3), Dübel (4), Spreizstab (5).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4313227 A [0007]
- EP 1253259 A2 [0007]
- DE 102006018407 A [0007]
- EP 0628675 A [0007]
- EP 0621381 A [0007]
- DE 749927 [0007]
- DE 1140594 [0007]
- FR 1033005 [0007]
- FR 2192231 [0007]
- DE 69214270 T2 [0037]
