DE102019105493A1

DE102019105493A1 - Textile Bewehrungsstruktur für ein Bauteil, Herstellungsverfahren für eine Bewehrungsstruktur, Bauteil und Halbfertigteil

Info

Publication number: DE102019105493A1
Application number: DE102019105493.1A
Authority: DE
Inventors: Klaus Raps; Manfred Curbach; Alexander Schumann
Original assignee: Carbocon GmbH
Current assignee: Carbocon GmbH
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-09-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine textile Bewehrungsstruktur für ein Bauteil (1), umfassend ein Matrixmaterial (2), wobei die Bewehrungsstruktur (4) wenigstens eine offenmaschig aufgebaute Wand aufweist, die ein Durchdringen der Wand mit dem Matrixmaterial (2) ermöglicht. Nach der Erfindung weist die Bewehrungsstruktur (4) einen quer zur Längausdehnung geschlossenen Querschnitt auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Bewehrungsstruktur, ein Bauteil und ein Halbfertigteil.

Description

Die Erfindung betrifft eine textile Bewehrungsstruktur für ein Bauteil, umfassend ein zweites Matrixmaterial, wobei die Bewehrungsstruktur wenigstens eine offenmaschig aufgebaute Wand aufweist, die ein Durchdringen der Wand mit dem zweiten Matrixmaterial ermöglicht, sodass dieses in das Innere der Bewehrungsstruktur gelangen kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Bewehrungsstruktur sowie ein Bauteil und ein Halbfertigteil, umfassend eine Bewehrungsstruktur.
Ein offenmaschiger Aufbau zeichnet sich durch netzartig ausgebildete, für den vorgesehenen Zweck ausreichend große Öffnungen aus. Insbesondere ist die Mindestgröße der Maschen durch die granulometrischen Eigenschaften des zweiten Matrixmaterials bestimmt, dass bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der textilen Bewehrungsstruktur das zweite Matrixmaterial ungehindert hindurchdringen kann.
Der Verbundwerkstoff Stahlbeton ist heutzutage der meistverwendete Baustoff weltweit. Mit diesem werden und wurden in der Vergangenheit einzigartige Bauwerke errichtet. Jedoch besitzt der Werkstoff einen gravierenden Nachteil. Der Bewehrungsstahl, welcher im Verbundwerkstoff die auftretenden Zugkräfte aufnimmt, muss von einer mehreren Zentimeter dicken Betonschicht umgeben werden, damit der Stahl nicht korrodiert. Trotz dieser mehreren Zentimeter dicken Schutzschicht treten und traten immer wieder Schäden an Stahlbetonbauwerken auf, die auf die Korrosion der Bewehrung zurückzuführen sind.
Aus diesem Grund hat sich im Laufe der letzten Jahre der neuartige Verbundwerkstoff Carbon- bzw. Textilbeton entwickelt, welcher den rostenden Stahl durch nicht korrodierende Carbonfasern ersetzt. Ebenso kommen Glas,- Basalt und Aramidfasern zum Einsatz. Infolgedessen kann die beim Stahlbeton oftmals mehrere Zentimeter dicke Betonschicht, die zum Schutz der Stahlbewehrung vor Korrosion erforderlich ist, auf ein Minimum reduziert werden, wodurch Beton und folglich wichtige Ressourcen gespart werden können. Ein weiterer Vorteil, welcher sich durch die Verwendung von Carbon anstelle von Stahl ergibt, ist, dass die Leistungsfähigkeit von Carbon um ein Vielfaches höher ist als Stahl, wodurch ebenfalls an Bewehrung gespart werden kann. In Summe ermöglicht der Textil- bzw. Carbonbeton im Vergleich zum Stahlbeton filigrane und hochleistungsfähige Bauteile, die das Bauen nachhaltig beeinflussen.
Aus der Druckschrift DE 10 2015 100 386 A1 ist ein Bewehrungselement bekannt, das als Stab aufgebaut und im Wesentlichen eindimensional wirksam ist. Der Stab weist in ein Matrixmaterial eingebettete Filamente auf. Die Filamente liegen in einer Zugrichtung ausgerichtet vor und sind von einem mineralischen Matrixmaterial im Wesentlichen vollständig umgeben. Als Matrixmaterial ist Feinbeton oder eine Suspension mit Feinzement vorgesehen.
Durch die Verwendung von hochleistungsfähigen Bewehrungselementen dieser Art, in denen Carbonfasern zum Einsatz kommen und die Festigkeiten im Bereich von 2000 - 4000 N/mm² besitzen, ergibt sich das Problem der Kraftübertragung zwischen den Bewehrungselementen und dem Matrixmaterial Beton. Die hohen Kräfte der Carbonbewehrung müssen zielgerecht in den Beton eingeleitet werden, um das Carbon effizient ausnutzen zu können. So sollten auch mit der Verwendung von Carbonelementen kurze Verankerungslängen möglich sein, um einen wirtschaftlichen Einsatz gewährleisten zu können.
Als Bewehrung kommen beim Carbon- bzw. Textilbeton verschiedene Elemente zur Anwendung. Dabei können sowohl Gelege, beispielsweise biaxiale, multiaxial oder dreidimensionale Gelege, als auch Stäbe zum Einsatz kommen. Nachfolgend wird der Stand der Technik von Gelegen sowie Stäben dargestellt.
Gelege übertragen die Kräfte zum Beton über Haftung oder Reibung. Bei hartgetränkten Gelegen z. B. bei einer Tränkung mit Epoxidharz ergibt sich zusätzlich noch ein Formschluss des Geleges mit dem umgebenden Beton. Dieser Formschluss, der durch die Welligkeit der Textilien in der Ebene entsteht, führt oftmals zu großen Verbundspannungen und zum Spalten des Betons.
Bei weich getränkten Gelegen, z. B. bei einer Tränkung mit SBR (Styrol-Butadien-Rubber), erfolgt die Kraftübertragung überwiegend über Haftung und Reibung. Um jedoch den Verbund zwischen Beton und Gelege zu verbessern, werden die Gelege beispielsweise umgelenkt bzw. umgeklappt oder in die Form einer Schlaufe gebracht.
Weitere Möglichkeiten oder Bestrebungen zur Verbundverbesserung bestehen darin, dass nachträglich Verankerungselemente aufgebracht werden, die den Verbund verbessern und eine mechanische Kraftübertragung gewährleisten sollen. Außerdem kommen dreidimensionale Gelege zum Einsatz, welche durch die zusätzlichen Polfäden (Fäden, welche die flächigen Gelege miteinander verbinden) die Kraftübertragung zwischen Beton und Gelege verbessern.
Ein derartiges Gelege, das eine textile Bewehrung für ein Betonbauteil aus von polymeren Bindemitteln freiem Garn bildet, beschreibt die Druckschrift DE 10 2016 100 455 A1 , einschließlich eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erzeugung. Eine Verlegeeinrichtung ist vorgesehen, bei der eine Positionierreinrichtung oder ein Verlegeroboter zumindest zweidimensional relativ zu einer Garnabgabeeinrichtung beweglich angeordnet ist. Die Verlegeeinrichtung ist zur Ausbildung eines Spanngeleges aus von polymeren Bindemitteln freiem Garn innerhalb eines Grundrahmens ausgebildet. Der Grundrahmen weist Garnhalteeinrichtungen im Bereich von Außenkanten des Grundrahmens und/oder von Aussparungen auf, wobei die Garnhalteeinrichtungen zugleich Umlenkpunkte des Garns bilden.
Bei Stäben, beispielsweise Carbonstäben, wird zur Verbesserung des Verbundes analog zum Bewehrungsstahl versucht, durch eine geeignete Oberflächenprofilierung einen ausreichenden Verbund zu gewährleisten. Dabei werden verschiedene Konzepte zur Erzielung einer Verbundtragfähigkeit verfolgt, da eine Rippenstruktur, die bei Bewehrungselementen aus Stahl üblich sind, aufgrund der Anisotropie der Carbonfasern nicht möglich bzw. ineffizient sind. Daher werden Carbonstäbe beispielsweise mit einer zusätzlichen Sandschicht versehen, wodurch der Haft- und Reibverbund im Vergleich zu einem glatten Carbonstab verbessert werden kann. Weitere Varianten bei Carbonstäben sind das Aufbringen einer nachträglichen Rippenstruktur beispielsweise aus Kunstharz, das nachträgliche Umwickeln von einzelnen Fasersträngen (schlaff oder straff), Formvariation der Carbonstäbe im Herstellprozess zur Verbundverbesserung (z. B. Herstellen eines Stabes in Form einer Helix) oder die nachträgliche Fräsung zur Herstellung von negativen Rippen.
Die zuvor genannten Methoden verfolgen alle das Ziel, den Verbund zwischen Beton und Bewehrung zu verbessern, um die Bewehrungselemente effizient nutzen zu können. Bei Gelegen wird dies maßgeblich durch nachträgliche Verankerungskörper bzw. Umformungen, Schlaufen usw. erreicht. Diese Maßnahmen zur Verbesserung des Verbunds müssen aber immer in einem zusätzlichen Produktions- bzw. Arbeitsschritt erfolgen, was wiederum mit weiteren Kosten verbunden ist.
Analog zu den Carbongelegen werden die Maßnahmen zur Verbundverbesserung bei Carbonstäben ebenfalls nachträglich aufgebracht, was wiederum die Herstell- und Produktionszeiten verlängern und zu zusätzlichen Kosten führen. So werden Carbonstäbe nach dem Stand der Technik in einem Pultrusionsprozess hergestellt und anschließend wird eine Profilierung beispielsweise durch Fräsung, jedenfalls in einem weiteren Produktionsschritt, aufgebracht. Neben den Nachteilen der Produktionszeiten und Kosten werden aufgrund des Fräsens der Profilierung in den Carbonstab ebenfalls wertvolle Ressourcen verschwendet. Aktuell wird mit den genannten verbundverbessernden Maßnahmen ein Verbundverhalten zwischen Beton und Stab analog zum Stahlbetonbau erreicht. Jedoch ist dies nicht ausreichend, da die Carbonfasern Festigkeiten besitzen, die 4 - 6 mal leistungsfähiger sind als Stahl, wodurch sich rein rechnerisch auch 4 - 6 mal höhere Endverankerungslängen, unter Annahme gleicher Verbundfestigkeiten wie beim Betonstahl, ergeben. Dies ist jedoch für einen wirtschaftlichen und effizienten Einsatz der Carbonelemente unzureichend.
Weitere dreidimensionale Strukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreiben die Druckschriften DE 10 2014 200 792 B4 und EP 2 530 217 B1 Flächengebilde, die mittels einer Abstandsstruktur oder als bereits dreidimensional gefertigtes Abstandsgewebe oder -gewirke eine textile Bewehrungsstruktur ausbilden. Aus der Druckschrift DE 10 2016 124 226 A1 ist weiterhin ein Gitterträger bekannt, dessen Wirkung ebenfalls auf einem flächigen textilen Bewehrungselement beruht, das durch Scharen von faden- oder garnförmigen Einzelelementen gebildet wird, die als Abschnitte von einem Gurt und von Streben dienen. Allerdings ist in allen Fällen die großflächige Struktur nicht geeignet, um diskrete Bewehrungselemente wie Bewehrungsstäbe oder Bewehrungskörbe effektiv zu ersetzen.
Die Lösung aus der Druckschrift DE 10 2012 101 498 A1 sieht ebenfalls ein textiles Gitter vor, das leicht vom Matrixmaterial durchdrungen werden kann. Es dazu weiterhin vorgesehen, das zunächst als flache Struktur gefertigte textile Gitter in eine U-Form zu bringen und damit ein diskretes Bewehrungselement zu erhalten. Allerdings weist die offene U-Form gegenüber geschlossenen Querschnittsformen eine geringere Steifigkeit auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine textile Bewehrungsstruktur, die als ein dreidimensionales Gebilde mit offenmaschigen Wänden ausgebildet ist, und einen verbesserten Verbund mit dem Matrixmaterial und eine verbesserte Steifigkeit ermöglicht, anzubieten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine textile Bewehrungsstruktur für ein Bauteil, umfassend ein zweites Matrixmaterial, wobei die Bewehrungsstruktur wenigstens eine offenmaschig, beispielsweise netzartig mit durch Stege begrenzten Öffnungen aufgebaute Wand aufweist, die ein Durchdringen der Wand mit dem zweiten Matrixmaterial ermöglicht. Erfindungsgemäß weist die Bewehrungsstruktur einen geschlossenen Querschnitt, gesehen quer zu einer Längsausdehnung, auf. Ein Bauteil mit der erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur ist geeignet zur integrierten Aufnahme von Querkräften.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Bewehrungsstruktur aus insbesondere kreuzweise gewickelten textilen Fasern besteht, die bevorzugt durch ein erstes Matrixmaterial, ein Bindemittel, wie z. B. ein Epoxidharz, in der gewickelten Form gehalten werden. Die textilen Fasern, die beispielsweise als Garne, Rovings, Gefache oder Zwirne vorliegen können, werden in einer für einen optimalen Lastabtrag geeigneten Weise gewickelt. Wirken im Bauteil an einer Stelle geringe Lasten ein, wird dies mit einer geringeren Faserdichte beim Wickeln berücksichtigt. Umgekehrt werden bei hohen zu erwartenden Lasten mehr Fasern auf engerem Raum in dem Steg zwischen den Öffnungen aufgewickelt, ohne dabei die erfindungsgemäß erforderliche Größe der Öffnungen in der offenmaschig aufgebauten Wand zu vermindern.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Öffnungen in der offenmaschig aufgebauten Wand eine lichte Größe von wenigstens dem 1,5 bis 2-fachen der größten Partikel des zweiten Matrixmaterials aufweisen. Hierbei kommen als Partikel im Falle von Beton als dem zweiten Matrixmaterial die Zuschlagstoffe in Betracht.
Neben der Faserdichte in den Stegbereichen zwischen den Öffnungen hat sich eine weitere Möglichkeit gezeigt, wie eine lastgerechte Fertigung der Bewehrungsstruktur erfolgen kann. Diese besteht in einer Variation des Neigungswinkels der Fasern beim Wickeln. Wird eine starke Neigung gewählt, können die Fasern mehr Last in Längsrichtung aufnehmen, beispielsweise Zugkräfte, wie sie bei Biegebelastung des späteren Bauteils auf der Zugseite auftreten. Bei einer geringen Neigung können Druckkräfte, wie sie beim Auflager auftreten, besser kompensiert werden. Dies erfolgt durch Aufnahme der Zugkräfte in der Bewehrungsstruktur entsprechend den Hauptzugspannungen. Deshalb ändert sich die Orientierung der Fasern entsprechend dem Kraftfluss in Abhängigkeit von den am jeweiligen Ort auftretenden Hauptzugspannungen.
Bevorzugt sind als textile Fasern Carbonfasern vorgesehen, die insbesondere als ein Multifilamentgarn oder als Roving vorliegen. Es sind aber auch andere textile Fasern einsetzbar, wie z. B. Aramid-, Glas- oder Basaltfasern vor allem für Anwendungen im Betonbau.
Eine bevorzugt eingesetzte Bewehrungsstruktur ist mit inkonstant oder konstant rundem, ovalem oder rechteckigem Querschnitt oder anderen geschlossenen Querschnittsformen bzw. -geometrien gewickelt. Bei der Bewehrungsstruktur inkonstantem Querschnitt ändert sich der Querschnitt über die Länge, bei der Bewehrungsstruktur mit konstantem Querschnitt bleibt der Querschnitt über die Länge konstant. Das Wickeln erfolgt bevorzugt auf einen Kern, der bereits die vorgesehene Querschnittsform vorgibt und insbesondere bei inkonstantem Querschnittsverlauf auch teilbar ausgeführt sein kann.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein inkonstanter Querschnitt erwiesen, dessen Aufbau den späteren Lastabtrag widerspiegelt. Die bevorzugte Ausführungsform ist in der Weise ausgeführt, dass der Querschnitt an einem ersten und einem zweiten Ende aufgefächert ist und sich in einem Bereich zwischen den Enden verjüngt. Beim Einbau der Bewehrungsstruktur können die aufgefächerten Bereiche an Auflagern und der verjüngte Bereich an einer Zugseite des Bauteils angeordnet werden. Im Bauteil ergibt sich dadurch eine hohe Festigkeit gegenüber auftretenden Querkräften während über die freitragende Länge des Bauteils eine hohe Biegesteifigkeit erreicht werden kann. Zugleich wird durch den lastgerechten Einsatz der Bewehrungsstruktur das Bewehrungsmaterial effektiv und sparsam eingesetzt. Die erfindungsgemäße Bewehrung ist zudem wirksamer und effizienter alle bisher bekannten Bewehrungselemente, da es durch die Erfindung möglich wird, die Zugfestigkeit der Carbonfasern mit einer optimalen Krafteinleitung in das zweite Matrixmaterial, insbesondere Beton, und darüber hinaus einer hohen Steifigkeit der Bewehrungsstruktur zu kombinieren.
Eine weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bewehrungsstruktur wie zuvor beschrieben, wobei textile Fasern zu einer offenmaschigen hohlen Struktur gewickelt und die so erhaltene Struktur durch ein erstes Matrixmaterial, ein aushärtendes Fixiermittel, fixiert werden. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als Fixiermittel ein Kunstharz, bevorzugt Epoxidharz, vorgesehen ist, mit dem die textilen Fasern vor dem Wickeln imprägniert werden oder das nach dem Wickeln auf die zuvor gebildete Struktur aufgebracht wird. Die so gebildete stabile Struktur wird dann anschließend durch das Einbringen von Beton endgültig fixiert und kann Kräfte übertragen. Die Geometrie der erzeugten Wicklung kann z. B. durch zwei gegenläufige Spiralen beschrieben werden, die einen offenen Querschnitt ausbilden, der beispielsweise kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig, polygonal oder anders ausgeführt sein kann. Es ist weiterhin vorgesehen, den Faseranteil, die Stege zwischen den Öffnungen, in einer Vorfertigung vorzubereiten und zum Herstellen der Wicklung zu nutzen. Hier kommen, bevorzugt bandförmige, Faseranordnungen wie Gelege, Gewebe, Vlies etc. in Betracht. Die Öffnungen, durch die der Beton oder ein anderes zweites Matrixmaterial in das Innere der Bewehrungsstruktur gelangen kann, können dabei schon in den Faseranordnungen vorliegen oder erst durch den Wickelvorgang erzeugt werden. Bei dem Wickelvorgang können mit Harz laminierte Carbonfasern zum Einsatz kommen, die offenmaschig gewickelt werden und dann beispielsweise im Autoklaven ausgehärtet werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil, umfassend eine Bewehrungsstruktur wie zuvor beschrieben und ein zweites Matrixmaterial. Insbesondere ist als zweites Matrixmaterial Beton vorgesehen, da die erfindungsgemäße Bewehrungsstruktur im Betonbau ihre Vorzüge in besonderem Maße verwirklicht.
Schutz wird weiterhin für ein Halbfertigteil, umfassend eine Bewehrungsstruktur mit inkonstantem Querschnitt, wobei der Querschnitt an einem ersten und einem zweiten Ende aufgefächert ausgeführt ist und sich in einem Bereich zwischen den Enden verjüngt, beansprucht. Dabei ist die Bewehrungsstruktur im verjüngten Bereich vollständig und im aufgefächerten Bereich teilweise einbetoniert, so dass nach dem Einbau des Halbfertigteils eine Bewehrungslage und ein Aufbeton aufgebracht werden können. Dadurch wird die Fugentragfähigkeit zwischen Fertigteil und Aufbeton sichergestellt.
Wie bereits zuvor erwähnt, wird die Verbesserung der Verbundkraftübertragung durch die offenmaschigen Strukturen erreicht. Des Weiteren kann durch die Konzeption von offenmaschigen Rohren bzw. Hohlstrukturen mit anderem Querschnitt ein besseres Verhältnis von Querschnittsfläche zu Umfang erzielt werden, wodurch in der Kontaktfuge hohe Verbundkräfte übertragen werden. Zudem bieten geschlossene Profile eine verbesserte Steifigkeit im Unterschied zu offenen Profilen. Ein weiterer Vorteil besteht in der Aktivierung eines Scherverbundes, der im Gegensatz zum Stand der Technik nicht in einem zusätzlichen Produktionsschritt erfolgen muss. Ebenfalls werden im Vergleich zu den Carbonstäben, die eine Profilierung durch Fräsen haben, keine wertvollen und teuren Fasern zerstört, wodurch die erfindungsgemäße Methode auch hinsichtlich der Nachhaltigkeit Vorteile besitzt.
Durch die vorliegende Erfindung ist die Verwendung einer offenmaschigen und gewickelten Bewehrungsstruktur bzw. im besonderen Carbonstruktur möglich, woraus sich neue Möglichkeiten im Bauwesen ergeben. Durch die offenmaschige Struktur und die Verfüllung mit dem zweiten Matrixmaterial Beton, ergibt sich eine optimale Kraftübertragung zwischen Beton und Bewehrung, wodurch die derzeitigen Probleme der großen Endverankerungslängen oder Betonabplatzungen bzw. der Delamination nicht mehr auftreten.
Weiterhin ist nach der Erfindung eine spezielle Wickeltechnik vorgesehen, bei der die Fasern entsprechend den auftretenden Zugkräften angeordnet werden, wodurch ein Optimum zwischen dem Lastfluss und der Materialbeanspruchungen vorliegt. Zusätzlich können Betonbauteile mit Verwendung des hier vorgestellten vorgefertigten Bewehrungselementes effizient, zügig, sowie kostengünstig konzipiert und hergestellt werden können.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung für das eingangs dargelegte Problem mit dem Verbund von hochleistungsfähigen Carbonelementen mit dem zweiten Matrixmaterial Beton vorgestellt. Die Erfindung beruht auf einer stabförmigen bzw. dreidimensionalen Bewehrungsstruktur, die durch Umwickeln einzelner Faserstränge entsteht. Dabei können z. B. Carbonbewehrungselemente in Form von Rohren konzipiert und produziert werden, die offenmaschig sind und somit eine Eindringung des Betons in diese Zwischenräume erlaubt.
Durch die offenmaschige Anordnung der textilen Fasern zu einem Gesamtgebilde ist sichergestellt, dass eine ausreichende Penetration des Betons in die Hohlstellen stattfindet. Weiterhin bieten offenmaschige Strukturen, die im Wickelverfahren hergestellt wurden, den Vorteil, dass durch die allseitige Umschließung der Fasern mit Beton ein sehr guter Verbund besteht. Zusätzlich wird durch die Auffächerung der Bewehrungsstruktur in einen offenmaschigen Rohrquerschnitt eine große Oberfläche bei geringen Querschnittsflächen erzielt, wodurch in der Kontaktfläche ein großer Anteil der Verbundkräfte über Haftung und Reibung übertragen werden können. Weiterhin bietet das Verfahren den Vorteil, dass die offenmaschige Struktur neben den Haft- und Reibungskräften auch effizient Scherkräfte übertragen kann. Somit ergibt sich in Summe eine effiziente und zielgerechte Methode zur Übertragung der hohen Kräfte von der Bewehrung in den Beton ohne die üblichen Nachteile (z. B. Betonabplatzungen, Delamination usw.).
Der hauptsächliche Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der optimalen Verbundkraftübertragung zwischen der offenmaschigen und gewickelten Struktur und dem Beton. Infolgedessen können die vorgeschlagenen Bewehrungselemente bzw. die Bewehrungsstruktur effizient und wirtschaftlich im Bauwesen eingesetzt werden. Der begrenzende Faktor beim Einsatz von hochfesten Carbonfasern, die Kraftübertragung auf das zweite Matrixmaterial, insbesondere Beton, kann durch die vorliegende Erfindung überwunden werden. Denn die Kraftübertragung erfolgt nicht wie bei gelegen oder anderen als Bewehrung genutzten Strukturen über eine kraftschlüssige Verbindung mit den naturgemäß sehr glatten Carbonfasern, sondern auf gänzlich andere Weise. Die Öffnungen, insbesondere durch kreuzweises Wickeln in der vorteilhaften rhombischen Gestalt, bieten einen Formschluss zwischen den Öffnungen und damit der textilen Bewehrung bzw. Carbonbewehrung einerseits und dem zweiten Matrixmaterial, insbesondere dem Beton, andererseits.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich in der Herstellungsmethodik, da durch die Wickeltechnik nach dem Aushärten der Faserstränge ein vorgefertigtes Element vorliegt, welches auf der Baustelle einfach verlegt werden kann. Folglich können die Produktions- und Herstellzeiten auf der Baustelle verkürzt werden, was wiederum eine Reduktion der Kosten mit sich bringt. Neben den zuvor genannten Vorteilen können mit der hier vorgestellten Erfindungsmeldung lastoptimierte bzw. lastangepasste Formbewehrungen hergestellt werden, wodurch Ressourcen und Materialien gespart werden können.
Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

1: eine schematische perspektivische Darstellung eines Bauteils mit Beton als zweites Matrixmaterial und einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur;
2 und 3: eine schematische Frontansicht eines Bauteils mit Beton als zweitem Matrixmaterial und jeweils einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur;
4: eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Bauteils mit Beton als zweites Matrixmaterial und einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur;
5 und 6: jeweils eine schematische, vergrößerte Schnittdarstellung eines Bauteils mit Beton als zweites Matrixmaterial und einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur aus 4;
7: eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Halbfertigteils mit Beton als zweites Matrixmaterial, umfassend eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur und
8: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur, die zum Einsatz in einem Bewehrungselement gegen Durchstanzen Einsatz finden kann.

1 zeigt ein Bauteil 1 aus Beton 3 als zweites Matrixmaterial 2 und einer textilen Bewehrungsstruktur 4 mit einem runden, konstanten Querschnitt schematisch dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die textile Bewehrungsstruktur 4 in Form eines Rohrs aus textilen Fasern 5, im Speziellen Carbonfasern, konzipiert ist, nachfolgend auch als Carbonbewehrung bezeichnet.
Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die textile Bewehrungsstruktur 4 offenmaschig ist, was durch das Herstellverfahren „Wickeln“ besonders gut erreichbar und flexibel anwendbar ist und den guten Verbund zum umgebenden Beton 3 sicherstellt. Die maschenartigen Öffnungen der gewickelten Struktur sind ausreichend groß, damit in der späteren eingebauten Bewehrungsstruktur 4 die Matrix aus Beton 3 deren Wände penetrieren kann. Die Öffnungen, die die offenmaschige Struktur definieren, müssen daher größer sein als größte Partikel im Zuschlagstoff von Beton. Ist beispielsweise Betonkies Körnung 0/16 mm vorgesehen, müssen Öffnungen in der offenmaschig aufgebauten Wand größer als 16 mm sein. Entsprechendes gilt für Betonkies 0-8 mm (Öffnungen in der offenmaschig aufgebauten Wand größer als 8 mm) oder 0-32 mm (Öffnungen größer als 32 mm) oder andere, nicht genormte Körnungen. Die Größe der Maschen ist nach oben durch die Anforderungen an die Zugfestigkeit begrenzt, da mit abnehmender Faserdichte auch die Zugfestigkeit der Bewehrungsstruktur abnimmt. Bevorzugt ist die Größe der Maschen nicht mehr als das 1,5 bis 2-fache größer als die maximale Partikelgröße der Zuschlagstoffe.
Mit der dargestellten Bewehrungsstruktur 4 bzw. der Carbonbewehrung als der bevorzugten Ausführungsform können die hohen Zugkräfte, die die Carbonfasern abzutragen in der Lage sind, aufgrund der Auflösung des Vollstabes in einen gewickelten Hohlstab sicher in den Beton 3 eingeleitet werden, ohne dass dies zu Problemen hinsichtlich Betonabplatzungen oder Delamination führen würde. Weiterhin führt die dargestellte bevorzugte Ausführung der eines Bauteils 1 mit Beton 3 als zweites Matrixmaterial 2 und einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur 4 zu sehr kurzen Verankerungslängen, da die Kraftübertragung optimal erfolgt. Dabei kann die Bewehrungsstruktur 4 neben dem runden Querschnitt auch in anderen Formen hergestellt und konzipiert werden. Sie kann beispielsweise mit einem Querschnitt in Ellipsenform produziert werden, um eine bessere Auslastung des Bewehrungselements infolge Biegung zu erreichen.
Hierzu sind in den 2 und 3 verschiedene Konzeptionen dargestellt. Es können beim Querschnitt der Bewehrungsstrukturen 6, 7 runde Formen, aber auch elliptische Querschnitte kreiert werden. So sind last- und formoptimierte Bewehrungselemente aus Carbon möglich, die eine neue Art des Bauens ermöglichen.
In den 4, 5 und 6 ist eine Weiterentwicklung der Ausführungsform aus 1 dargestellt, wobei 4 eine schematische Seitenansicht und die 5 und 6 die zugehörigen Schnittdarstellungen zeigen, wobei jeweils die Lage der Schnitte in 4 angegeben ist. 4 zeigt das Bauteil 1 in Längsausdehnung L, durch die Schnitte in den 5 und 6 ist der Querschnitt A sichtbar. Ein Radius R an den Ecken unrunder Querschnittsformen hilft auf die textilen Fasern 5 wirkende, schädliche Querkräfte und Spannungen in der Bewehrungsstruktur 8 zu vermeiden. Die wird insbesondere durch eine entsprechende Gestaltung der Form, auf die die textilen Fasern 5 aufgewickelt werden, erreicht.
Das Herstellverfahren der Bewehrungsstruktur 8 durch Wickeln erlaubt die Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen mit veränderlichem bzw. inkonstantem Querschnitt.
Eine Variante für ein dreidimensionales Carbongelege, welches ebenfalls gewickelt und damit nicht vollflächig, jedoch im Querschnitt geschlossen ist, zeigt das vorliegende Ausführungsbeispiel. Dabei wurden die textilen Fasern 5 bzw. die Carbonfasern lastoptimiert angeordnet. In der Mitte des Bauteils 1 zwischen den Auflagern, wo die größten Biegebeanspruchungen auftreten, sind die Carbonfasern nahe der Bauteilunterkante angeordnet, um den größtmöglichen Hebelarm zu besitzen. Im Bereich der Auflager an den Enden 7, 7', dort treten die größten Querkraftbeanspruchungen auf, sind die Fasern 5 aufgefächert und nach oben geführt, wodurch das dreidimensionale Gelege, die Bewehrungsstruktur 8, zusätzlich als Querkraftbewehrung fungiert.
Eine weitere Variante, die mit dem erfindungsgemäßen Prinzip möglich ist, stellt das Bewehrungselement, die Bewehrungsstruktur 4, 6, 8 mit unterschiedlicher Dichte der Wicklung von Fasern 5 dar. So kann z. B. in höher belasteten Bereichen stärker gewickelt wird, wodurch auch lokale Höchstbeanspruchungen ausgeglichen werden können. In einem konkreten Fall könnte dies bedeuten, dass die im Ausführungsbeispiel dargestellte Bewehrungsstruktur 8 im Bereich des Auflagers, wo die größten Querkräfte auftreten, stärker gewickelt wird, um die Lasten effizient abzutragen.
Somit ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur 4, 6, 8 weitere Anwendungsbereiche und Potentiale, die zuvor nicht bestanden. Ein weiterer Vorteil einer dreidimensionalen und vorgefertigten Bewehrungsstruktur 4, 6, 8 ist, dass diese bei sehr niedrigem Gewicht einfach und ohne weitere Bearbeitungsschritte auf der Baustelle oder im Fertigteilwerk verbaut werden kann. Somit können zusätzliche Arbeitsschritte vermieden und Kosten gespart werden.
7 stellt eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß 4 dar. Mit der Verwendung von dreidimensionalen Strukturen können neben Vollplatten auch Halbfertigteile 10 produziert werden. Dabei wird die dreidimensionale Bewehrungsstruktur 4, 6, 8 in die Schalung eingelegt. Anschließend wird eine dünne Betonschicht eingebracht. Nach der Aushärtung des Betons wird das Halbfertigteil 10 auf die Baustelle angeliefert.
Dort wird wiederum eine zusätzliche Schicht Aufbeton 12 auf das Halbfertigteil 10 betoniert, bis die gewünschte Dicke des Bauteils 1 vorliegt. Dabei sorgt die dreidimensionale Bewehrungsstruktur 8 für eine ausreichende Verbundfugentragfähigkeit. Darüber hinaus kann die Bewehrungsstruktur 8 als Abstandhalter für eine nachträglich angeordnete obere Bewehrungslage 9 dienen, die z. B. zur Ausführung von Durchlaufträgern notwendig ist. Aufbeton 12 und Bewehrungslage 9 sind zwar nicht Bestandteil des Halbfertigteils 10, sind hier aber zum besseren Verständnis in die Darstellung des Halbfertigteils 10 bereits eingezeichnet bzw. angedeutet.
8 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewehrungsstruktur 13. Diese weist quer zu der Längsausdehnung L einen geschlossenen Querschnitt A auf. Dazu sind die textilen Fasern 5 im gezeigten Ausführungsbeispiel quer zu der Längsausdehnung L gewickelt und bilden den geschlossenen Querschnitt A aus. Darüber hinaus bildet die Bewehrungsstruktur 13 selbst in der Ebene E einen geschlossenen Querschnitt aus, d.h. die Enden sind miteinander zu einem geschlossenen Ring verbunden. Die Bewehrungsstruktur 13 damit bildet ein Bewehrungselement 15 gegen Durchstanzen aus, das zu einer entsprechenden Verwendung im Betonbau insbesondere an Orten einer diskreten Lasteinleitung geeignet und vorgesehen ist. In der Darstellung erscheint das zweite Matrixmaterial 2, der Beton 3, durchsichtig, sodass die Einbausituation der Bewehrungsstruktur 13 und wie diese das Bewehrungselement 15 ausbildet, erkennbar wird.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: zweites Matrixmaterial
3: Beton
4: Bewehrungsstruktur (runder Querschnitt, konstant)
5: textile Fasern
6: Bewehrungsstruktur (ovaler Querschnitt, konstant)
7, 7': erstes Ende, zweites Ende
8: Bewehrungsstruktur (inkonstant)
9: Bewehrungslage
10: Halbfertigteil
11: Zugseite
12: Aufbeton
13: Bewehrungsstruktur (doppelt geschlossen)
15: Bewehrungselement gegen Durchstanzen
A: Querschnitt
L: Längsausdehnung
E: Ebene
R: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015100386 A1 [0005]
DE 102016100455 A1 [0011]
DE 102014200792 B4 [0015]
EP 2530217 B1 [0015]
DE 102016124226 A1 [0015]
DE 102012101498 A1 [0016]

Claims

Textile Bewehrungsstruktur für ein Bauteil (1), umfassend ein zweites Matrixmaterial (2), wobei die Bewehrungsstruktur (4, 6, 8) wenigstens eine offenmaschig aufgebaute Wand aufweist, die ein Durchdringen der Wand mit dem zweiten Matrixmaterial (2) ermöglicht, sodass dieses in das Innere der Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) einen geschlossenen Querschnitt (A) senkrecht zu ihrer Längsausdehnung (L) aufweist.
Bewehrungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) aus gewickelten textilen Fasern (5) besteht, die durch ein erstes Matrixmaterial in der gewickelten Form gehalten werden, und wobei die textilen Fasern (5) in einer für einen optimalen Lastabtrag geeigneten Weise gewickelt werden, indem zumindest die Faserdichte und/ oder der Faserwinkel an die lokal erwartete Last angepasst werden.
Bewehrungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Öffnungen in der offenmaschig aufgebauten Wand eine lichte Größe des 1,5- fachen bis 2-fachen der größten Partikel des zweiten Matrixmaterials aufweisen.
Bewehrungsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei als textile Fasern (5) Carbonfasern vorgesehen sind.
Bewehrungsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) mit inkonstant oder konstant rundem, ovalem oder rechteckigem Querschnitt gewickelt ist.
Bewehrungsstruktur nach Anspruch 5, wobei der inkonstante Querschnitt an einem ersten Ende (7) und einem zweiten Ende (7`) aufgefächert ausgeführt ist und sich in einem Bereich zwischen den Enden (7, 7') verjüngt, sodass beim Einbau der Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) die aufgefächerten Bereiche an Auflagern und der verjüngte Bereich an einer Zugseite (11) des Bauteils (1) angeordnet werden können.
Bewehrungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bewehrungsstruktur (13) zusätzlich einen in der Ebene (E) geschlossenen Querschnitt aufweist.
Bewehrungsstruktur nach Anspruch 7, wobei die Bewehrungsstruktur (13) ein Bewehrungselement (15) gegen Durchstanzen ausbildet.
Verfahren zur Herstellung einer Bewehrungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass textile Fasern (5) zu einer offenmaschigen Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) mit einem geschlossenen hohlen Querschnitt (A) senkrecht zu ihrer Längsausdehnung (L) gewickelt werden und die so erhaltene Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) durch ein erstes Matrixmaterial fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei als Fixiermittel ein Kunstharz vorgesehen ist, mit dem die textilen Fasern (5) vor dem Wickeln imprägniert werden oder das nach dem Wickeln auf die Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) aufgebracht wird.
Bauteil, umfassend eine Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und ein zweites Matrixmaterial (2).
Bauteil nach Anspruch 11, wobei als zweites Matrixmaterial (2) Beton (3) vorgesehen und das Bauteil (1) ein Betonbauteil oder eine bewehrte Betonstruktur in einem Bauwerk ist.
Halbfertigteil, umfassend eine Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine dünne Schicht Beton (3), deren Dicke geringer als die Hälfte der Höhe der Bewehrungsstruktur (4, 6, 8, 13) ist, diese zumindest teilweise einbetoniert ist.
Halbfertigteil nach Anspruch 13, wobei eine Bewehrungsstruktur nach Anspruch 6 vorgesehen ist und diese durch die Schicht Beton (3) im verjüngten Bereich und im aufgefächerten Bereich an den Enden (7, 7') zumindest teilweise einbetoniert ist, sodass nach dem Einbau des Halbfertigteils (10) vor Ort eine Bewehrungslage (9) und ein Aufbeton (12) aufgebracht werden können.