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Die Erfindung betrifft einen Spannbetonkörper, in den Fasern in Form von Filamentgarnen einbezogen sind, sowie dessen Herstellung und spezielle Verwendungsmöglichkeiten.
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Spannbeton ist eine Variante des Stahlbetons mit einer zusätzlichen äußeren Längskraft. Diese wird durch gespannte Stahleinlagen aus hochfestem Spannstahl aufgebracht, welche den Beton „zusammendrücken“. Die Bauweise wird vor allem bei Balken und Brückenträgern eingesetzt und ermöglicht hier bei gleichen Konstruktionshöhen im Vergleich zu Stahlbeton größere Stützweiten.
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Spannbeton unterscheidet sich von sonstigem Stahlbeton durch eine planmäßige Vorspannung (= Vordehnung) der Stahleinlagen, der Spannglieder. Dabei stützen sich die gedehnten Spannglieder durch ihre Anker oder direkt durch Verbund mit dem Beton auf den Beton ab, wodurch dieser einer Druckbelastung sowie durch eine etwaige Exzentrizität der Verankerung gegenüber der Querschnittsschwerelinie eine Momentenbelastung erhält. Zusätzlich werden bei gekrümmten oder geknickten Spanngliedführungen Umlenkkräfte erzeugt. Das Bauteil ist durch die Vorspannung so belastet, dass bei Überlagerung mit den äußeren Einwirkungen wie Eigengewicht keine oder nur kleine Betonzugspannungen im Betonquerschnitt vorhanden sind. Da Beton nur geringe Zugspannungen aufnehmen kann (ca. 10% im Vergleich zur Druckspannung), bevor er reißt, aber hohe Druckspannungen, ist der vorgespannte (gedrückte) Beton besser nutzbar. Das Bauteil ist im Bereich der Gebrauchslasten aufgrund einer fehlenden oder stark reduzierten Rissbildung steifer und weist daher bei großen Stützweiten und hohen Lasten kleinere Verformungen (Durchbiegungen) auf. Ein Steigern der Traglast kann durch das Verwenden von Spannstahl erreicht werden, da dieser im Vergleich zu normalem Bewehrungsstahl eine höhere Festigkeit hat. Besonders beim Brückenbau, aber auch im Behälterbau oder im Hochbau bei Bindern, Hohldielen oder Spannbeton-Fertigdecken findet Spannbeton heute seine Anwendung.
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Die Spanndrähte oder Spannlitzen sind kraftschlüssig mit dem Beton verbunden, so dass eine Relativverschiebung zwischen beiden Werkstoffen praktisch nicht stattfindet. Bei der Vorspannung mit sofortigem Verbund ist ein direkter Verbund zwischen Spannstahl und Beton vorhanden. Diese Methode wird vor allem im Spannbett von Fertigteilwerken angewendet, bei dem gegen externe Widerlager gespannte Spanndrähte oder -litzen in das Fertigteil einbetoniert werden. Nach dem Betonieren und Erhärten des Betons wird die Vorspannung gelöst. Durch den Verbund zwischen Beton und Spannstahl sowie ein Verkeilen des entspannten Drahtes (oder der Litze) (Hoyer-Effekt) ist die Spannkraft im Fertigteil aufgebracht. Diese Art der Vorspannung ist nur bei einer geradlinigen Spannstahlführung möglich. Sie wird beispielsweise für die Herstellung von Eisenbahnbetonschwellen und Spannbetonhohldielen verwendet.
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Ein wesentlicher Nachteil des Standes der Technik ist die starke Korrosionsempfindlichkeit der verwendeten hochfesten Stähle:
- Da Kriechen und Schwinden des Betons die Vorspannkräfte der Spannglieder abbauen, sind besonders hohe Vordehnungen des Spannstahls erforderlich. Das bedeutet, bei einer vorgegebenen Spannkraft soll die Querschnittsfläche des Spannglieds möglichst klein sein. Dies ist nur durch Verwendung hochfester Stähle erreichbar. Die unter hohen Zugspannungen stehenden Stähle der Spannglieder der Spannbetonbauteile sind aber besonders korrosionsempfindlich. Der Korrosionsschutz durch Einpressmörtel, Beton ist daher besonders sorgfältig auszuführen.
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Die oben beschriebene Technik hat zu vielfältigen nachteiligen Erscheinungen geführt: Durch mangelnde Erfahrung mit der neuen Technik und Unterschätzung der Umwelteinflüsse kam es in der Nachkriegszeit zu Einstürzen, notwendigen Abbrüchen oder kostspieligen Instandsetzungen verschiedener Spannbetonbauwerke. Dabei spielten z.B. auch Probleme mit Spannungsrisskorrosion bei Spannstählen (z.B. Neptunstahl), Unkenntnis von Baustoffeigenschaften (unterschiedlichen E-Modulen von Beton je nach verwendeten Gesteinszuschlägen) und Imperfektionen der Berechnungsverfahren (Vernachlässigung von Temperaturgradienten im Querschnitt) eine wichtige Rolle. Eine Erkennung geschädigter Verstärkungselemente ist extrem aufwändig und kostenintensiv: Durch die Verwendung der austauschbaren externen Vorspannung soll im Brückenbau eine weitere Verbesserung der Robustheit und damit Verlängerung der Lebensdauer erreicht werden. Außerdem ist es möglich, durch das Verfahren der Spanndrahtbruchortung auch in den bereits vorhandenen, möglicherweise kritischen, Konstruktionen Risse der Spannstähle zu erkennen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben angesprochenen Nachteile des Standes der Technik zu beheben, insbesondere die angesprochenen Probleme mit der Spannungsrisskorrosion bei Spannbetonkörpern zu vermeiden und eine Verbesserung der Robustheit und damit Verlängerung der Lebensdauer von z.B. Brückenbauelementen zu erreichen. Zudem soll die Erfindung die Möglichkeit erschließen, auch in bereits vorhandenen kritischen Konstruktionen die Auswirkung von Rissbildung im der Spannbetonkörper zu beheben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Spannbetonkörper gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Spannbetonkörper vorgespannte Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder Cellulosederivaten enthält.
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Die Erfindung erfährt vielfältige Ausgestaltungen, die sich wie folgt darstellen: Es ist besonders vorteilhaft, wenn die den Filamentgarnen auferlegte Vorspannung etwa 0,5 kg bis 10,0 kg/4000 dtex, vorzugsweise etwa 1,0 kg bis 8 kg/4000 dtex, insbesondere etwa 2,0 bis 6,0 kg/4000 dtex beträgt. Auch der Feinheit der Einzelfilamente der vorgespannten Filamentgarne wird zweckmäßigerweise Aufmerksamkeit zugewendet. So ist es bevorzugt, wenn die Feinheit der Einzelfilamente der vorgespannten Filamentgarne etwa 0,4 bis 10,0 dtex (nach DIN EN 1973/Jahrgang 1995), vorzugsweise etwa 0,6 bis 6,0 dtex und insbesondere etwa 1,0 bis 3 dtex beträgt. Auch ist eine Mengenbemessung der im Spannbetonkörper enthaltenen vorgespannten Filamentgarne zweckmäßig. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Spannbetonkörper etwa 0,1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise etwa 0,5 bis 14,0 Gew.-% und insbesondere etwa 1,0 bis 6,0 Gew.-% vorgespannte Filamentgarne enthält. Zwar bleibt es zwingendes Merkmal der Erfindung, dass der Spannbetonkörper spezielle vorgespannte Filamentgarne enthält. Jedoch kann es in Einzelfällen vorteilhaft sein, wenn der Spannbetonkörper zusätzlich nicht vorgespannte Filamentgarne enthält, insbesondere in Form von Textilien, wobei man davon ausgehen kann, dass es sich hier auch um Fasern handeln kann, demzufolge nicht nur Endlosfasern, wie Filamente. Unter den Textilien haben sich Gewebe, Gewirke, Gelege, Vliese und/oder Gestricke als vorteilhaft erwiesen. Die Vorteile, die damit verbunden sind, erweisen sich darin, dass das Sprödbruchverhalten zusätzlich verbessert wird und eine Steigerung der Bruchdehnung erreicht wird.
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Zwar ist die Art der vorgespannten Filamentgarne für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht als kritisch zu bewerten. Dennoch hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die vorgespannten Filamentgarne auf Celluloseregeneratfasern beruhen, insbesondere hergestellt nach dem Viskose- oder dem Lyocell-Verfahren oder durch Verspinnen von Cellulose aus deren Lösung in ionischen Flüssigkeiten. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die vorgespannten Filamentgarne auf
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Viskosefasern beruhen, insbesondere in Form von Cordfasern. Die Vorteile, die beim Einsatz von Celluloseregeneratfasern als vorgespannte Filamentgarne zu sehen sind, zeigen sich insbesondere darin, dass die Garne im nassen Zustand vorteilhaft gedehnt werden können.
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Die Erfindung lässt sich nicht nur anhand von vorgespannten Filamentgarnen auf Basis von Cellulose verwirklichen, wie oben bereits angesprochen, sondern auch durch alleinigen oder gleichzeitigen Einsatz von Filamentgarnen, die auf Cellulosederivaten beruhen. Hierbei hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Spannbetonkörper vorgespannte Filamente auf Basis von Cellulosederivaten in Form von Celluloseestern, vorzugsweise von Celluloseacetat oder Celluloseallophanat, enthält.
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Zwar ist die Anordnung der Filamente insbesondere in Längsrichtung (Zugrichtung) des erfindungsgemäßen Spannbetonkörpers nicht kritisch zu bewerten. Es ist aber vorteilhaft, wenn die Filamentgarne in einer oder mehreren Ebenen parallel angeordnet sind.
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Der erfindungsgemäße Spannbetonkörper zeichnet sich aufgrund seiner strukturellen Merkmale dadurch vorteilhaft aus, dass der Spannbetonkörper ein Biegemodul von etwa 20 GPa bis 0,1 GPa, vorzugsweise von etwa 10 GPa bis 0,5 GPa, insbesondere von etwa 8 GPa bis 1 GPa (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005), eine Biegekraft von etwa 100 bis 0,2, vorzugsweise von etwa 80 bis 1, insbesondere von etwa 60 bis 3 MPa (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005), und/oder eine Bruchdehnung von etwa 5 bis 0,5, vorzugsweise von etwa 4 bis 0,8, insbesondere von etwa 3 bis 1% (nach DIN EN 14488/Jahrgang 2005) aufweist.
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Nachfolgend wird ein besonders vorteilhaftes Verfahren beschrieben werden, mit dem der erfindungsgemäße Spannbetonkörper zweckmäßigerweise hergestellt wird: Dabei wird so vorgegangen, dass 1.) Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder deren Derivaten in einen formgebenden Behälter eingespannt werden, 2.) die eingespannten Filamentgarne mit Wasser zu deren Quellen benetzt werden, 3.) die benetzten Filamentgarne mit einer Vorspannung von etwa 0,5 bis 10,0 kg/4000 dtex beaufschlagt werden, 4.) Flüssigbeton in den die vorgespannten Filamentgarne enthaltenden formgebenden Behälter eingefüllt wird, 5.) der im formgebenden Behälter enthaltene Flüssigbeton unter Aufrechterhaltung der beaufschlagten Vorspannung zum Fertigbeton ausgehärtet wird.
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Zunächst werden die oben bezeichneten Filamentgarne auf Basis von Cellulose und/oder deren Derivaten in einen formgebenden Behälter eingespannt. Dieser Behälter unterliegt keinen wesentlichen Einschränkungen. Dabei kann es sich beispielsweise handeln um einen rechteckigen Körper. Das Einspannen erfolgt dadurch, dass die Garne an einer Stirnfläche fixiert werden und durch eine Lochblende aus der anderen Stirnfläche austreten und dort die Zuglast aufgebracht wird. Nachdem die Filamentgarne eingespannt sind, werden sie mit Wasser, vorzugsweise mit Wasser einer Temperatur von 10 bis 60°C, zu ihrer möglichst weitgehenden Quellung benetzt. Als Regel könnte man hier angeben, dass auf 1 g Filamentgarn etwa 0,5 bis 2 g Wasser, das vorteilhafterweise auf eine Temperatur von 10 bis 40°C eingestellt wird, entfallen. Auf diese Weise wird das erforderliche Quellen erreicht.
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Anschließend werden die Filamentgarne im Schritt 3.) mit einer Vorspannung von 0,5 bis 10,0 kg/4000 dtex beaufschlagt. Im Einzelnen wird hier wir folgt vorgegangen: Die Filamentgarne werden nach der Lochblende zu einem Mastergarn zusammengeführt und über eine Rolle zur Zugmaschine geführt, über die kontrolliert Zugkraft ausgebracht wird.
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Schließlich wird in den die vorgespannten Filamentgarne enthaltenden formgebenden Behälter Flüssigbeton eingefüllt. Hierbei ist dem Fachmann klar, dass er beliebigen Zement heranziehen kann, insbesondere Portlandzement, eine Abmischung von Zement mit Sand oder/und Kies und dergleichen. Es bleibt zudem die Möglichkeit, Gesteinskörnung (früher Zuschlag) als Zuschlagstoff zuzusetzen. Das Zugabewasser (früher auch Anmachwasser) leitet den chemischen Abbindevorgang, die Erhärtung ein. Um die Verarbeitbarkeit und die weiteren Eigenschaften des Betons zu beeinflussen, können der Mischung auch Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel, fachmännisch zugänglich, beigegeben werden. Das Wasser wird im Rahmen der Zementabbindung zum größten Teil chemisch gebunden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vielfältig vorteilhaft ausgebildet werden: So ist es zweckmäßig, dass die Vorspannung bei dem Schritt 3.) auf etwa 1,0 kg bis 8,0 kg/4000 dtex, insbesondere etwa 2,0 kg bis 6,0 kg/4000 dtex eingestellt wird.
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Um einen optimalen Erfolg mit der Erfindung zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Feinheit zu bedenken. So ist es vorteilhaft, wenn die Feinheit der Einzelfilamente der vorgespannten und der fakultativen nicht-vorgespannten Filamentgarne etwa 0,4 bis 10,0 dtex, vorzugsweise etwa 0,6 bis 6,0 dtex und insbesondere etwa 1,0 bis 3,0 dtex beträgt (nach DIN EN ISO 1973).
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Zur Optimierung der Erfindung ist es sachdienlich, wenn der Menge der in dem erfindungsgemäßen Spannbeton enthaltenen vorgespannten Filamentgarne Aufmerksamkeit zugewandt wird. So ist es von Vorteil, wenn die vorgespannten Filamentgarne in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 20 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 0,5 bis 14,0 Gew.-% und insbesondere von etwa 1,0 bis 6,0 Gew.-% in dem im Schritt 4.) eingeführten Flüssigbeton enthalten sind.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, dass der erfindungsgemäße Spannbetonkörper allein vorgespannte Filamentgarne enthält. Vielmehr kann es in Einzelfällen zu besonderen Vorteilen führen, wenn nicht vorgespannte Filamentgarne, insbesondere in Form von Textilien, einbezogen werden, dies insbesondere vor dem Schritt 4.). Die Vorteile, die daraus erwachsen, wurden vorstehend bereits genannt, insbesondere dann, wenn die Textilien in Form von Geweben, Gewirken, Gelegen, Vliesen und/oder Gestricken eingesetzt werden.
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Auf die Art der besonderen Filamentgarne wurde vorstehend bereits eingegangen. Daher erweist es sich auch als zweckmäßig, wenn als Filamentgarne zur Bereitstellung vorgespannter Filamentgarne in dem Spannbeton Celluloseregeneratgarne eingesetzt werden, insbesondere solche, die nach dem Viskose- oder dem Lyocell-Verfahren oder durch Verspinnen von Cellulose aus ionischen Flüssigkeiten hergestellt wurde. Die Vorteile dieser Celluloseregeneratfilamentgarne liegen darin, dass die Garne aus Endlosfasern hergestellt sind und über diese Verfahren Fasern mit hohen Elastizitätsmodulen erhalten werden. Diese Vorteile werden insbesondere erreicht, wenn die Filamentgarne auf Basis von Viskosefasern Cordfasern („Reifencordfasern“) darstellen.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die eingangs geschilderten Nachteile des Standes der Technik erfindungsgemäß insbesondere dadurch gelöst werden, dass an Stelle von Stahl hochfeste spezielle Filamentgarne eingesetzt werden. Durch den Einsatz von in nassem Zustand dehnbaren Hochleistungsfilamentgarnen, wie insbesondere Filamentgarnen auf Basis von Cellulosereifencord, kann auf die Fasern bzw. auf die Garne Spannung gegeben, die im Beton beim Aushärten fixiert werden. In einer Ausführungsweise werden die Faserkabel in feuchtem Zustand in der Betongießform mit hohen Kräften gegeben. Dieser gedehnte Zustand führt zu einer Vorspannung im letztlich anfallenden Spannbetonkörper. Nach dem Aushärten und Trocknen des Frischbetons werden die vorgespannten Filamentgarne fixiert. Die gesamte Vorspannkraft wird auf das Betonelement übertragen. Besonders vorteilhaft sind technische Filamentgarne auf Basis von Cellulose, jedoch auch auf Basis von Cellulosederivaten oder beiden Materialien. Von besonderem Vorteil sind Rayonfilamentfasern, insbesondere solche, die auf Reifencord beruhen. Diese können sehr gut gedehnt werden und in den Spannbetonkörper eine wünschenswert hohe Spannkraft einbringen und dessen Arbeitsvermögen verbessern. Die Filamentkabel in dieser Ausführung sind vollständig alkalibeständig und absolut korrosionsbeständig. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn etablierte Techniken zum Spannen direkt verwendet werden können. Weiterhin ist die einfache Entsorgung und Recyclisierung der Betonteile, da ein aufwändiges Abtrennen von Stahl entfällt, von großem Nutzen.
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Auf der Grundlage der obigen Betrachtungen steht die Frage an, in welchen Bereichen der erfindungsgemäße Spannbetonkörper mit besonderem Vorteil verwendet werden kann. Es hat sich eine Verwendung des Spannbetonkörpers als besonders vorteilhaft erwiesen als Bauteil oder Bauelement geringer Sprödigkeit und/oder hoher Korrosionsbeständigkeit, insbesondere beim Brückenbau, bei Brückenträgern, beim Behälterbau, im Hochbau, bei Bindern, bei der Herstellung von Hohldecken, Hohldielen, Fertigdecken und zum Recyclisieren nach Ablauf der Nutzungsdauer durch Vermahlen zu Betongranulaten.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert werden:
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Beispiele 1 bis 4
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Celluloseregeneratgarne (hergestellt und vertrieben von Cordenka GmbH) Typ Cordenka 700 (1840 dtex) werden in eine Lochblende einer Zement-Gussform der Größe 15 x 6 x 3 cm in mehreren Reihen eingefädelt und mit einer Zuglast von 1 kg/4000 dtex gespannt. Die Fasern werden mit Wasser besprüht und gedehnt. Portland Kalksteinzement (hergestellt von der Firma Heidelberger Zement) EN 197 wird im Mischungsverhältnis 1 Teil Zement/0,4 Teile Wasser nach Vorgabe angerührt. Die Masse wird gleichmäßig in die Form gegossen. Die Gussproben werden 28 Tage bei 20°C ausgehärtet und getrocknet. Die Probe kann nach 28 Tagen Trocknungszeit aus der Form genommen werden. Die mechanische Messung wurde an einem Zwick-Prüfgerät entsprechend DIN EN 14488 ausgeführt.
Tabelle 1
| Beispiel | Fasergehalt [Gew.%] | Biegemodul [MPa] | Biegekraft [MPa] | Bruchdehnung [%] |
| 1 | 0 | 718 | 2,10 | 0,5 |
| 2 | 0,2 | 730 | 2,5 | 0,7 |
| 3 | 0,6 | 820 | 3,1 | 0,9 |
| 4 | 1 | 1200 | 4,2 | 1,1 |
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Beispiele 5 und 6
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Ausführung wie Beispiele 1-4 ohne Zuglast
Tabelle 2
| Beispiel | Fasergehalt [Gew.%] | Biegemodul [MPa] | Biegekraft [MPa] | Bruchdehnung [%] |
| 5 | 0,2 | 718 | 2,3 | 0,6 |
| 6 | 1 | 740 | 2,7 | 0,9 |
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Beispiel 7
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Ausführung wie Beispiele 1-4. Es wird zusätzlich ein Gewebe in Leinwandbindung, hergestellt aus Celluloseregeneratgarnen Cordenka 700 (1840 dtex), in die Gussform eingelegt. Flächengewicht 400 g/m
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| Tabelle 3Beispiel | Fasergehalt [Gew.%] | Biegemodul [MPa] | Biegekraft [MPa] | Bruchdehnung [%] |
| 7 | 1+Gewebe | 1350 | 4,6 | 1,1 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 1973/Jahrgang 1995 [0009]
- DIN EN 14488/Jahrgang 2005 [0014]
- DIN EN ISO 1973 [0020]