DE102019126609A1 - Tubular reinforcement element, process for its production, use, global reinforcement, printer description file and concrete component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Bewehrungselement (1), das unter Verwendung wenigstens eines kontinuierlich angeordneten, kreuzenden Garns (2) gitterförmig ausgebildet ist. Nach der Erfindung sind die sich kreuzenden Abschnitte (3) des Garns (2) so miteinander verbunden, dass die Verbindung eine solche Scherelastizität aufweist, dass das Bewehrungselement (1) für eine vorgesehene Dehnbarkeit in Richtung einer Längsachse des Bewehrungselements (1) ausgerüstet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des rohrförmigen Bewehrungselements (1) durch Weben, Flechten oder Wickeln der Gitterstruktur aus einem Garn (2). Weitere Aspekte der Erfindung beziehen sich auf eine Globalbewehrung, eine Verwendung und eine Druckerbeschreibungsdatei.The invention relates to a tubular reinforcement element (1) which is designed in a grid-like manner using at least one continuously arranged, crossing yarn (2). According to the invention, the intersecting sections (3) of the yarn (2) are connected to one another in such a way that the connection has such a shear elasticity that the reinforcement element (1) is equipped for an intended extensibility in the direction of a longitudinal axis of the reinforcement element (1). The invention also relates to a method for producing the tubular reinforcing element (1) by weaving, braiding or winding the lattice structure from a yarn (2). Further aspects of the invention relate to a global reinforcement, a use and a printer description file.
Description
Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Bewehrungselement, das unter Verwendung wenigstens eines kontinuierlich angeordneten, sich kreuzenden Garns gitterförmig ausgebildet ist und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Globalbewehrung für ein Betonbauteil, umfassend wenigstens ein Bewehrungselement, eine Verwendung eines Bewehrungselements und eine Druckerbeschreibungsdatei zur Herstellung eines Bewehrungselements oder eines Teils des Bewehrungselements. Die Druckerbeschreibungsdatei umfasst auch eine Prozedur oder einen Algorithmus zur automatischen Garnablage. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Betonbauteil, mit dem beispielsweise ein Bauwerk gebildet werden kann.The invention relates to a tubular reinforcement element which is designed in a grid-like manner using at least one continuously arranged, intersecting yarn, and a method for its production. The invention further relates to a global reinforcement for a concrete component, comprising at least one reinforcement element, a use of a reinforcement element and a printer description file for producing a reinforcement element or a part of the reinforcement element. The printer description file also includes a procedure or algorithm for automatic thread deposition. The invention also relates to a concrete component with which, for example, a structure can be formed.
Aus der Druckschrift
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 die Notwendigkeit der Kraftübertragung zwischen den Bewehrungselementen und dem Matrixmaterial Beton. Die hohen Kräfte der Carbonbewehrung müssen zielgerichtet in den Beton eingeleitet werden, um das Potenzial der Carbonfasern effizient ausnutzen zu können. So werden auch mit der Verwendung von Carbonelementen kurze Verankerungslängen möglich, um einen wirtschaftlichen Einsatz gewährleisten zu können.The use of high-performance reinforcement elements of this type, in which carbon fibers are used and have strengths in the range of 2000 - 4000 N / mm 2 , results in the need for force transmission between the reinforcement elements and the concrete matrix material. The high forces of the carbon reinforcement must be introduced into the concrete in a targeted manner in order to be able to use the potential of the carbon fibers efficiently. Short anchoring lengths are also possible with the use of carbon elements in order to be able to guarantee economic use.
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 ist. 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, Formvariation der Carbonstäbe im Herstellprozess zur Verbundverbesserung oder die nachträgliche Fräsung zur Herstellung von negativen Rippen, auch als Nuten bezeichnet.In the case of rods, for example carbon rods, in order to improve the bond, analogous to the reinforcement steel, attempts are made to ensure a sufficient bond by means of suitable surface profiling. Various concepts are pursued to achieve a composite load-bearing capacity, since a rib structure, which is common in steel reinforcement elements, is not possible or inefficient due to the anisotropy of the carbon fibers. Carbon rods are therefore provided, for example, with an additional layer of sand, whereby the adhesive and friction bond can be improved compared to a smooth carbon rod. Further variants of carbon rods are the application of a subsequent rib structure, for example made of synthetic resin, the subsequent wrapping of individual fiber strands, shape variation of the carbon rods in the manufacturing process to improve the bond or the subsequent milling to produce negative ribs, also known as grooves.
Als Bewehrung kommen beim Carbon- bzw. Textilbeton verschiedene Elemente zur Anwendung. Dabei können sowohl Gelege, beispielsweise biaxiale, multiaxiale oder dreidimensionale Gelege, als auch Stäbe zum Einsatz kommen. Ein derartiges Gelege, das eine textile Bewehrung für ein Betonbauteil aus von polymeren Bindemitteln freiem Garn bildet, beschreibt die Druckschrift
Weitere dreidimensionale Strukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreiben die Druckschriften
Die Lösung aus der Druckschrift
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, ein rohrförmiges Bewehrungselement, das unter Verwendung wenigstens eines kontinuierlich angeordneten, sich kreuzenden Garns gitterförmig ausgebildet ist und einen verbesserten Verbund mit einem Matrixmaterial und eine verbesserte Steifigkeit ermöglicht, anzubieten.The object of the present invention is therefore to offer a tubular reinforcement element which is designed in a grid-like manner using at least one continuously arranged, crossing yarn and which enables an improved bond with a matrix material and improved rigidity.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein rohrförmiges Bewehrungselement, das unter Verwendung wenigstens eines kontinuierlich angeordneten, sich kreuzenden Garns gitterförmig ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Bewehrungselements z. B. über die Länge konstant oder veränderlich ist. Zwar kommen bevorzugt mehrere Garne zum Einsatz, die bei der Herstellung des Bewehrungselements von jeweils einer Spule zugeführt werden und wobei jeweils ein Garn einen „Gitterstab“ desjenigen Gitters ausbildet, das die Mantelfläche des rohrförmigen Bewehrungselements bildet. Es ist aber alternativ dazu vorgesehen, nur ein Garn von einer einzigen Spule einzusetzen und in der Weise umzulenken und abzulegen, dass ebenfalls die Gitterform gebildet wird. In dem Fall kreuzt sich das Garn mit sich selbst in unterschiedlichen Lagen.The object is achieved by a tubular reinforcing element which is designed in a grid-like manner using at least one continuously arranged, intersecting yarn, the diameter of the reinforcing element z. B. is constant or variable over the length. It is true that a plurality of yarns are preferably used, which are fed from a spool in each case during the production of the reinforcement element and with one yarn in each case forming a "lattice bar" of the grid that forms the outer surface of the tubular reinforcement element. As an alternative, however, it is provided that only one yarn from a single bobbin is used and deflected and deposited in such a way that the lattice shape is also formed. In that case the yarn crosses itself in different layers.
Nach der Erfindung sind die kreuzenden Abschnitte des Garns so miteinander verbunden, dass die Verbindung eine solche Scherelastizität aufweist, dass das Bewehrungselement für eine vorgesehene Dehnbarkeit in Richtung der Längsachse und zugleich quer zu der Längsachse, in Querrichtung, ausgerüstet ist. Die Scherelastizität beschreibt die Elastizität bei der gegenläufigen Rotations- bzw. Schwenkbewegung der sich kreuzenden Garne oder Garnabschnitte um den Kreuzungspunkt. Eine höhere Scherelastizität führt zu höherer Dehnbarkeit des Bewehrungselements, wobei die Verformung die in Richtung der Längsachse und zugleich quer zu der Längsachse, in Querrichtung, erfolgt.According to the invention, the intersecting sections of the yarn are connected to one another in such a way that the connection has such a shear elasticity that the reinforcement element is equipped for an intended extensibility in the direction of the longitudinal axis and at the same time transversely to the longitudinal axis, in the transverse direction. The shear elasticity describes the elasticity during the counter-rotating or pivoting movement of the intersecting yarns or yarn sections around the intersection point. A higher shear elasticity leads to higher extensibility of the reinforcement element, the deformation taking place in the direction of the longitudinal axis and at the same time transversely to the longitudinal axis, in the transverse direction.
Die Gitterform ist dazu bevorzugt gewebt, geflochten, gelegt oder gewickelt, wobei natürlich auch weitere Einflussfaktoren zu der letztendlich wirksamen Dehnbarkeit bzw. Steifigkeit führen. Im Ergebnis werden auch bei einer Überlastung Betonstrukturmodule noch zusammengehalten. Zu den Einflussfaktoren gehört auch das Matrixmaterial, in das das Bewehrungselement eingebettet und mit dem es ausgefüllt ist. Weiterhin sind die Dimensionen des Bewehrungselements von Bedeutung.For this purpose, the lattice shape is preferably woven, braided, laid or wound, with other influencing factors naturally also leading to the ultimately effective elasticity or rigidity. As a result, concrete structural modules are still held together even in the event of an overload. The influencing factors also include the matrix material in which the reinforcement element is embedded and with which it is filled. The dimensions of the reinforcement element are also important.
Vorteilhafterweise sind die kreuzenden Abschnitte des Garns im Bereich der Gitterkreuzungen durch stoffliche Mittel, wie z. B. Verkleben bzw. Verschweißen, oder mechanische Mittel, wie z. B. durch Vernähen, verbunden. Durch die Eigenschaften dieser Verbindungen, insbesondere ihre Scherfestigkeit gegenüber Torsion bzw. Verschwenken der kreuzenden Garnabschnitte gegeneinander, wird die Scherfestigkeit und darüber die Dehnbarkeit oder Steifigkeit des Bewehrungselements grundlegend und wesentlich bestimmt.Advantageously, the intersecting sections of the yarn in the area of the lattice intersections by material means, such as. B. gluing or welding, or mechanical means, such as. B. by sewing connected. The properties of these connections, in particular their shear strength against torsion or pivoting of the intersecting yarn sections against each other, fundamentally and essentially determine the shear strength and, moreover, the extensibility or rigidity of the reinforcement element.
Das Verkleben der Gitterkreuzungen, die Stabilisierung der Rohrform insgesamt und die Lastübertragung auch auf die innenliegenden Fasern kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Nach einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Stabilisierung mittels Fixierung durch ein aushärtbares Harz erreicht. Dieses kann nach der Garnablage, der Herstellung der Rohrform, aufgebracht werden oder das Garn wird vor der Garnablage mit dem aushärtbaren Harz imprägniert. Die Imprägnierung kann dazu unmittelbar vor der Garnablage erfolgen oder das Garn wird bereits imprägniert zugeliefert, wobei das enthaltene Harz in dem Fall vor einem unerwünschten, vorzeitigen Aushärten bewahrt werden muss.The gluing of the grid crossings, the stabilization of the pipe shape as a whole and the load transfer also to the internal fibers can be done in different ways. According to a first embodiment of the method according to the invention, the stabilization is achieved by means of fixing by means of a curable resin. This can be applied after the yarn has been laid down, after the tubular shape has been produced, or the yarn is impregnated with the curable resin before the yarn is laid down. For this purpose, the impregnation can take place immediately before the yarn is laid or the yarn is supplied already impregnated, in which case the resin contained must be protected from undesired, premature hardening.
Als aushärtbares Matrixmaterial kommen bevorzugt Reaktivharze, wie z. B. Epoxidharz, oder wässrige Dispersionen, z. B. auf Basis von Acrylat oder Styrolbutadien, in Betracht.The curable matrix material is preferably reactive resins, such as. B. epoxy resin, or aqueous dispersions, e.g. B. based on acrylate or styrene butadiene into consideration.
Nach einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Garn als ein Hybridgarn neben den tragenden Fasern zusätzlich mit thermoplastischen und dadurch thermisch aktivierbaren Kunstfasern versehen. Diese können durch Wärmeeinwirkung aktiviert werden, indem sie aufschmelzen, und sorgen nach dem Erhärten für eine Verbindung der zum Lastabtrag geeigneten Fasern des Garns miteinander, so dass dieselben Effekte erreicht werden wie beim Einsatz eines aushärtbaren Harzes.According to a second embodiment of the method according to the invention, the yarn, as a hybrid yarn, is provided with thermoplastic and thus thermally activated synthetic fibers in addition to the load-bearing fibers. These can be activated by the action of heat by melting them, and after hardening ensure a connection of the fibers of the yarn that are suitable for load transfer, so that the same effects are achieved as when using a hardenable resin.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bewehrungselements sieht vor, dass im Inneren des Bewehrungselements ein Matrixmaterial vorgesehen und in dieses eine weitere Längsbewehrung, wenigstens eine elektrische Leitung, wenigstens eine Fluidleitung und/oder ein Leerrohr, in das eine der vorgenannten Leitungen oder die Längsbewehrung mit oder ohne Vorspannung nachträglich eingezogen werden können, eingebettet sind.One embodiment of the reinforcement element according to the invention provides that a matrix material is provided in the interior of the reinforcement element and in this a further longitudinal reinforcement, at least one electrical line, at least one fluid line and / or an empty pipe, in one of the aforementioned lines or the longitudinal reinforcement with or without prestress can be withdrawn subsequently, are embedded.
Nach einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bewehrungselements ist ein innerer Hohlraum in dem Bewehrungselement vorgesehen, der von Matrixmaterial eines Betonbauteils freigehalten ist. Das Einführen eines Tows oder eines anderen lastabtragenden Elements in das Innere des Bewehrungselements durch den Hohlraum hindurch ermöglicht eine Globalbewehrung, die über die einzelnen bewehrten Betonstrukturelemente hinausreicht und als zusätzliche Sicherung im Falle eines Versagens Kräfte aufnehmen kann.According to an alternative embodiment of the reinforcement element according to the invention, an inner cavity is provided in the reinforcement element, which is kept free of matrix material of a concrete component. The introduction of a tow or other load-bearing element into the interior of the reinforcement element through the cavity enables global reinforcement that extends beyond the individual reinforced concrete structural elements and can absorb forces as an additional safeguard in the event of failure.
Als Globalbewehrung wird in Abgrenzung zur lokalen Bewehrung nachfolgend insbesondere auch eine Einsatzform des rohrförmigen Bewehrungselements bezeichnet. Ausgehend von der konventionellen Textilbetontechnologie wird mit Bewehrungsstrukturen eine lokale Basisbewehrung vorgesehen, mit der die Beanspruchungen unter den maßgeblichen Gebrauchslastzuständen, beispielsweise für ein jeweils bewehrtes Betonstrukturelement, sicher aufgenommen werden können. Zusätzlich sorgen übergeordnete globale Bewehrungsstränge, beispielsweise Tows mit einer netzförmigen Ummantelung, die gewickelt, geflochten, gewebt oder gelegt sein kann, für hohe Lastreserven unter Extremzuständen. Sie werden mit sehr hoher Dehnbarkeit konzipiert, sodass bei ihrer Aktivierung eine hohe Bauteilduktilität entsteht. Somit sorgt die Globalbewehrung dafür, dass auch nach einem möglichen Versagen der lokalen Basisbewehrung infolge einer möglichen Extrembelastung der Zusammenhalt der gesamten Tragstruktur gewährleistet bleibt. Die Globalbewehrung liegt auf den Lastpfaden der lokalen Bewehrungen und wirken bei Überlastung als ein zusätzliches Sicherheitselement. Unter normalen Lastbedingungen erhöhen die Globalbewehrungen die Steifigkeit des Betonbauteils.In the following, a form of use of the tubular reinforcement element is also referred to as global reinforcement, in contrast to local reinforcement. Based on the conventional textile concrete technology, a local basic reinforcement is provided with reinforcement structures, with which the stresses under the relevant service load conditions, for example for a reinforced concrete structural element, are safe can be included. In addition, higher-level global reinforcement strands, for example tows with a net-like sheathing, which can be wound, braided, woven or laid, ensure high load reserves under extreme conditions. They are designed with a very high elasticity, so that when they are activated, a high component ductility results. Thus, the global reinforcement ensures that the cohesion of the entire supporting structure is guaranteed even after a possible failure of the local basic reinforcement due to a possible extreme load. The global reinforcement lies on the load path of the local reinforcement and acts as an additional safety element in the event of overload. Under normal load conditions, the global reinforcements increase the rigidity of the concrete component.
Es hat sich für bestimmte Einsatzfälle als vorteilhaft erwiesen, wenn die Wand des Leerrohrs oder des Hohlraums in dem rohrförmigen Bewehrungselement luft- und wasserdicht ausgebildet ist, sodass Gase oder Flüssigkeiten darin transportiert bzw. durchgeleitet werden können. Eine weitere Abdichtung der Rohrwandung ist dann entbehrlich. Weitere funktionelle Beschichtungen sind optional vorgesehen. So kann eine innere und/oder äußere Beschichtung angebracht werden, die eine Anbindung an ein umgebendes Matrixmaterial steuert werden bzw. zumindest teilweise verhindert oder alternativ dazu die Anbindung verbessert werden kann. Dadurch lässt sich die Steifigkeit der Bewehrung und damit die des Bauteils dem Erfordernis entsprechend einstellen. Bei stärkerer Anbindung, insbesondere wenn das Matrixmaterial das Garn umschließen kann, ist die Steifigkeit am höchsten.It has proven to be advantageous for certain applications if the wall of the empty pipe or of the cavity in the tubular reinforcement element is made airtight and watertight so that gases or liquids can be transported or passed through therein. A further sealing of the pipe wall is then unnecessary. Further functional coatings are optionally provided. Thus, an inner and / or outer coating can be applied, which controls a connection to a surrounding matrix material or at least partially prevents it or, alternatively, the connection can be improved. This allows the stiffness of the reinforcement and thus that of the component to be adjusted as required. The stiffness is highest when the connection is stronger, especially when the matrix material can enclose the yarn.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bewehrungselements ist dieses selbst, bedingt durch die elektrischen Eigenschaften des eingesetzten Materials, elektrisch leitend, wie z. B. im Fall von Carbonfasern, oder wenn das Material mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist. Dann können eine Durchleitung von Elektroenergie oder von elektrischen Signalen unmittelbar durch das Bewehrungselement vorgenommen werden. Es kann über die so gebildeten elektrischen Leitungen aber auch eine elektrische Beheizung erreicht werden, v. a. bei entsprechend eingestelltem Widerstand. Zur Regelung der Heizung kann das Innere des Bewehrungselements außerdem mit einem Matrixmaterial ausgefüllt werden, das einen temperaturabhängig variablen elektrischen Widerstand aufweist. Zudem ist es nach einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform vorgesehen, das Innere des Bewehrungselements mit einem Elektrolyten auszufüllen, um eine kurzzeitige Energiespeicherung durch einen Kondensatoreffekt zu erreichen.In an advantageous embodiment of the reinforcement element according to the invention, this is itself, due to the electrical properties of the material used, electrically conductive, such as. B. in the case of carbon fibers, or if the material is provided with an electrically conductive coating. Electrical energy or electrical signals can then be passed directly through the reinforcement element. However, electrical heating can also be achieved via the electrical lines formed in this way, v. a. with an appropriately set resistance. To regulate the heating, the inside of the reinforcement element can also be filled with a matrix material that has an electrical resistance that is variable as a function of temperature. In addition, according to an advantageous further development of this embodiment, the interior of the reinforcement element is filled with an electrolyte in order to achieve short-term energy storage by means of a capacitor effect.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bewehrungselements, wie es zuvor beschrieben wurde. Die Herstellung erfolgt durch Weben, Flechten oder Wickeln der Gitterstruktur aus einem Garn, bevorzugt aus mehreren Garnen. Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kreuzungen des wenigstens einen Garns durch Verkleben, Verschweißen oder Vernähen fixiert werden. Dadurch können die sich kreuzenden Garne in definierter Weise in ihrer Beweglichkeit gegeneinander eingeschränkt und so die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Scherelastizität des Bewehrungselements insgesamt kontrolliert bzw. eingestellt werden.Another aspect of the present invention relates to a method for producing a reinforcing element as described above. The production takes place by weaving, braiding or winding the lattice structure from one yarn, preferably from several yarns. According to the invention it is provided that the intersections of the at least one yarn are fixed by gluing, welding or sewing. As a result, the mutually crossing yarns can be restricted in their mobility relative to one another in a defined manner and the mechanical properties, in particular the shear elasticity of the reinforcement element, can be controlled or adjusted as a whole.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Inneren des im Matrixmaterial eingebetteten Bewehrungselements ein Hohlraum geschaffen wird. Insbesondere wird der Hohlraum in der Weise geschaffen, dass in das Innere des Bewehrungselements ein luftdichter Schlauch eingelegt wird und der Schlauch durch einen angelegten Fluiddruck auf einen Durchmesser expandiert wird, der dem Durchmesser des zu schaffenden Hohlraums entspricht. Das Matrixmaterial, insbesondere Beton, wird danach aufgebracht und nach dem Aushärten des Matrixmaterials wird der Fluiddruck in dem Schlauch aufgehoben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei nicht auf einen Schlauch mit kreisförmigem Querschnitt beschränkt, es kommt vielmehr jede beliebige Querschnittsform in Betracht, die der gewünschten inneren Geometrie entspricht.One embodiment of the method according to the invention provides that a cavity is created in the interior of the reinforcement element embedded in the matrix material. In particular, the cavity is created in such a way that an airtight hose is inserted into the interior of the reinforcement element and the hose is expanded by an applied fluid pressure to a diameter which corresponds to the diameter of the cavity to be created. The matrix material, in particular concrete, is then applied and, after the matrix material has hardened, the fluid pressure in the hose is released. The method according to the invention is not limited to a hose with a circular cross-section; instead, any cross-sectional shape that corresponds to the desired internal geometry can be used.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient dem Vorhalten einer Lastreserve. Das Innere des Bewehrungselements ist zunächst mit einem ausgehärteten Matrixmaterial ausgefüllt. Bricht dieses bei Überlast und die Bruchstelle wird gestreckt, bildet sich eine Einschnürung aus und das Bewehrungselement aktiviert gleichzeitig eine Lastreserve, indem es eine duktile Trageigenschaft entfaltet. Die Streckung und die damit einhergehende Bewegung der Struktur sorgt für eine im Bauwesen geforderte Ankündigung des Strukturversagens durch Überschreiten der Traglast.Another embodiment of the method according to the invention is used to maintain a load reserve. The inside of the reinforcement element is initially filled with a hardened matrix material. If this breaks in the event of overload and the point of break is stretched, a constriction forms and the reinforcement element simultaneously activates a load reserve by developing a ductile load-bearing capacity. The stretching and the associated movement of the structure ensures a structural failure announcement, which is required in the building industry, by exceeding the load-bearing capacity.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Globalbewehrung für ein Betonbauteil gelöst, umfassend wenigstens ein Bewehrungselement, wie es zuvor beschrieben wurde. Erfindungsgemäß ist dazu das wenigstens eine Bewehrungselement mittels wenigstens einem Verbindungselement an eine lokale Bewehrung, wie z. B. eine Bewehrungsmatte, oder an ein weiteres Bewehrungselement gemäß obiger Beschreibung unmittelbar oder beabstandet angebunden. Durch das Leerrohr oder den Hohlraum in dem Bewehrungselement ist ein Element zur bauteilübergreifenden Kraftübertragung geführt, sodass das Betonbauteil mit einem weiteren Betonbauteil kraftleitend verbunden ist. Das Verbindungselement ist vorteilhafterweise als eine Bandschlaufe oder spiralförmig ausgebildet, wobei bevorzugt ein Einführhaken zur erleichterten Montage des spiralförmigen Verbindungselements umfasst ist.The object of the invention is also achieved by a global reinforcement for a concrete component, comprising at least one reinforcement element, as described above. According to the invention, the at least one reinforcement element by means of at least one connecting element to a local reinforcement, such as. B. a reinforcement mat, or connected to another reinforcement element as described above directly or at a distance. An element for cross-component force transmission is guided through the empty pipe or the cavity in the reinforcement element, so that the concrete component is connected to another concrete component in a force-conducting manner. The connecting element is advantageously designed as a tape loop or in the form of a spiral, an insertion hook preferably being included to facilitate assembly of the spiral-shaped connecting element.
Die Globalbewehrung ist eine Bewehrung, die das erfindungsgemäße Bewehrungselement, ausgeführt als netzförmiger, Flecht-, Web-, Wickel- oder Gelegeschlauch, insbesondere auf Basis von Carbonfasern, sowie weiterhin die integrierte Längsbewehrung aus Carbonstäben oder -tows umfasst. Die Globalbewehrung liegt bevorzugt auf den Betonschichtinnenseiten, damit im Bauteilinneren. Eine alternative Anordnung der globalen Bewehrung ist eine von der inneren zur äußeren Oberfläche wechselnde Lage und/oder umgekehrt. Das Bewehrungselement ist dazu mit der lokalen Bewehrung über Verbindungselemente, beispielsweise ausgeführt als Bandschlaufe oder Spirale, verbunden und während der Betonage mit einem dehnbaren, flexiblen und später entfernbaren Material gefüllt, wie oben beschrieben. Die Schläuche werden bei der Fertigung komplett von Beton umhüllt.The global reinforcement is a reinforcement that comprises the reinforcement element according to the invention, designed as a reticulated, braided, woven, wound or scrim tube, in particular based on carbon fibers, as well as the integrated longitudinal reinforcement made of carbon rods or tows. The global reinforcement is preferably located on the inside of the concrete layer, thus inside the component. An alternative arrangement of the global reinforcement is a position that changes from the inner to the outer surface and / or vice versa. For this purpose, the reinforcement element is connected to the local reinforcement via connecting elements, for example designed as a tape loop or spiral, and filled with an expandable, flexible and later removable material during concreting, as described above. The hoses are completely encased in concrete during manufacture.
Anschließend, nach der Betonage und Fertigung der Elemente lässt sich das Füllmaterial aus den Schläuchen entfernen. Nach dem Zusammensetzen und Verbinden der Elemente werden durch die Hohlräume die Carbonstäbe bzw. -tows gezogen, wodurch die Globalbewehrung funktionsfähig wird. Abschließend kann das Verpressen der verbleibenden Hohlräume mit einem Verpressmörtel erfolgen, wodurch ein Verbund zwischen dem Carbonstab bzw. -tow und der Betontragschicht hergestellt und das Gesamttragverhalten des Systems verbessert wird. Der Verbund zwischen den Carbontows und dem von Feinbeton umgebenen Flechtschlauch, dem erfindungsgemäßen Bewehrungselement, beeinflusst das Tragverhalten erheblich.Then, after concreting and manufacturing the elements, the filling material can be removed from the hoses. After assembling and connecting the elements, the carbon rods or tows are pulled through the cavities, making the global reinforcement functional. Finally, the remaining cavities can be grouted with grout, which creates a bond between the carbon rod or tow and the concrete base layer and improves the overall load-bearing behavior of the system. The bond between the carbon towers and the braided hose surrounded by fine concrete, the reinforcement element according to the invention, has a considerable influence on the load-bearing behavior.
Während Carbontows eine materialbedingt hohe Steifigkeit, Festigkeit und Sprödigkeit aufweisen, ist das erfindungsgemäße Bewehrungselement, ausgeführt als ein Flecht-, Web-, Wickel- oder Gelegeschlauch, insbesondere aus Carbonfasern, vor allem vergleichsweise weich und dehnfähig. Das Zusammenwirken der beiden Bewehrungen, der lokalen Bewehrung und der Globalbewehrung, stellt die benötigte Duktilität des Verbundwerkstoffes sicher und gewährleistet die im Bauwesen geforderte Ankündigung des Strukturversagens bei Überschreiten der Traglast. Die maximale Ausnutzung der Tragreserve des Materials geht mit großen Verformungen einher, die die erfolgte Überlastung anzeigen bzw. damit das bevorstehende vollständige Strukturversagen bereits ankündigen.While carbon tows have a material-related high rigidity, strength and brittleness, the reinforcement element according to the invention, designed as a braided, woven, wound or scrim tube, in particular made of carbon fibers, is above all comparatively soft and elastic. The interaction of the two reinforcements, the local reinforcement and the global reinforcement, ensures the required ductility of the composite material and ensures the announcement of structural failure, which is required in construction, if the load-bearing capacity is exceeded. The maximum utilization of the load-bearing reserve of the material goes hand in hand with large deformations, which indicate that overloading has occurred and thus already announce the imminent complete structural failure.
Ein besonders vorteilhafter Einsatz des erfindungsgemäßen Bewehrungselements entsteht somit, wenn durch das Leerrohr oder den Hohlraum ein Element zur bauteilübergreifenden Krafteinleitung und insbesondere Kraftübertragung, beispielsweise ein gebundener oder ungebundener Stab, Roving, Tow oder Strang, als Globalbewehrung geführt ist. Hierdurch ist das Betonbauteil mit einem weiteren Betonbauteil verbindbar und eine Globalbewehrung, wie zuvor beschrieben, entsteht.A particularly advantageous use of the reinforcement element according to the invention thus arises when an element for cross-component force introduction and in particular force transmission, for example a bound or unbound rod, roving, tow or strand, is passed through the empty pipe or the cavity as a global reinforcement. As a result, the concrete component can be connected to another concrete component and a global reinforcement, as described above, is created.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Bewehrungselements, wie es zuvor beschrieben wurde, als Führungskanal für eine ergänzende Bewehrung, insbesondere die Globalbewehrung, aber auch als Vorspannkanal, Duktilitätsbewehrung, als Fluidleitung oder als Führungskanal für eine Fluidleitung, eine Stromleitung oder eine Leitung für andere für elektrische Funktionen, wie z. B. eine Steuerungsleitung. Der Führungskanal dient insbesondere der Aufnahme eines innerhalb liegenden axial zu belastenden Bewehrungselements. Dieses stellt eine Ausführungsform der Globalbewehrung dar und kommt im Falle des Versagens des Betonbauteils bzw. des betreffenden Bauteils zum Einsatz.Another aspect of the present invention relates to the use of a reinforcement element, as described above, as a guide channel for supplementary reinforcement, in particular the global reinforcement, but also as a prestressing channel, ductility reinforcement, as a fluid line or as a guide channel for a fluid line, a power line or a line for others for electrical functions such as B. a control line. The guide channel serves in particular to accommodate a reinforcement element to be axially loaded lying within. This represents an embodiment of the global reinforcement and is used in the event of failure of the concrete component or the component in question.
Ebenso kann das Bewehrungselement eine Bewehrung aufnehmen, die vorgespannt wird und dauerhaft belastet ist. Es dient dann als Vorspannkanal. Beim Einsatz als Duktilitätsbewehrung kommen die mechanischen Eigenschaften des Bewehrungselements selbst zum Tragen, indem es bei Überlastung unter einem hohen Verformungsgrad eine Lastreserve entfalten kann. Weiterhin ist der innere Hohlraum zur Aufnahme der verschiedenen Leitungen über das gesamte Betonbauteil, über die Grenzen der Betonstrukturelemente hinweg, geeignet.The reinforcement element can also accommodate reinforcement that is prestressed and permanently loaded. It then serves as a preload channel. When used as ductility reinforcement, the mechanical properties of the reinforcement element itself come into play, as it can develop a load reserve in the event of an overload under a high degree of deformation. Furthermore, the inner cavity is suitable for receiving the various lines over the entire concrete component, over the boundaries of the concrete structural elements.
Die Erfindung betrifft auch eine Druckerbeschreibungsdatei zur Herstellung eines Bewehrungselements oder eines Teils des Bewehrungselements, wie zuvor beschrieben, in einem Verfahren der additiven bzw. generativen Fertigung, z. B durch einen 3D-Drucker. Insbesondere betrifft dies das Verbindungselement. Die Druckerbeschreibungsdatei umfasst auch eine Prozedur oder einen Algorithmus zur automatischen Garnablage.The invention also relates to a printer description file for the production of a reinforcement element or a part of the reinforcement element, as described above, in a method of additive or generative manufacturing, e.g. B by a 3D printer. In particular, this relates to the connecting element. The printer description file also includes a procedure or algorithm for automatic thread deposition.
Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
-
1 : schematisch in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements; -
2 : schematisch einen perspektivischen vergrößerten Ausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements; -
3 : schematisch in seitlicher und geschnittener Ansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements und dessen Einbettung in ein Matrixmaterial; -
4 : schematisch einen Abschnitt sich kreuzender Garne bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements; -
5 : schematisch in perspektivischer und seitlicher Ansicht drei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bewehrungselemente, die sich in der Ausbildung des Abschnitts sich kreuzender Garne unterscheiden; -
6 : schematisch verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bewehrungselemente und ihrer Einbettung in Matrixmaterialien; -
7 : schematisch in seitlicher Ansicht und Ansicht von vorn eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements mit Beschichtung; -
8 : schematisch in seitlicher Ansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements und die Aktivierung einer Lastreserve; -
9 : schematisch in perspektivischer und geschnittener Ansicht zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements und deren innere Hohlraumprofile; -
10 : schematisch die Verfahrensschritte zur Herstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements mit Hohlraum; -
11 : schematisch in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements beim Einsatz als Globalbewehrung; -
12 : schematisch in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements in einer Verbindung mit weiteren erfindungsgemäßen Bewehrungselementen; -
13 : schematisch in perspektivischer Ansicht und Ansicht von vorn eine Ausführungsform eines spiralförmigen Verbindungselements für erfindungsgemäße Bewehrungselemente; -
14 : schematisch in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform eines spiralförmigen Verbindungselements für erfindungsgemäße Bewehrungselemente; -
15 : schematisch in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements beim Einsatz als Globalbewehrung; -
16 : schematisch in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements mit variierendem Durchmesser; -
17 : schematisch in perspektivischer Ansicht ein Betonbauteil, umfassend eine Ausführungsform erfindungsgemäßer Bewehrungselemente und -
18 : eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betonbauteils.
-
1 : schematically in a perspective view an embodiment of a reinforcing element according to the invention; -
2 : schematically a perspective enlarged detail of an embodiment of a reinforcement element according to the invention; -
3 : schematically in side and sectional view an embodiment of a Reinforcement element according to the invention and its embedding in a matrix material; -
4th : schematically a section of intersecting yarns in an embodiment of a reinforcement element according to the invention; -
5 : schematically, in a perspective and side view, three embodiments of reinforcing elements according to the invention, which differ in the design of the section of intersecting yarns; -
6th : schematically different embodiments of reinforcement elements according to the invention and their embedding in matrix materials; -
7th : schematically, in a side view and front view, an embodiment of a reinforcing element according to the invention with a coating; -
8th : schematically in a side view an embodiment of a reinforcement element according to the invention and the activation of a load reserve; -
9 : schematically, in a perspective and sectional view, two embodiments of a reinforcing element according to the invention and their inner cavity profiles; -
10 : schematically, the method steps for producing an embodiment of a reinforcing element according to the invention with a cavity; -
11 : schematically in a perspective view an embodiment of a reinforcement element according to the invention when used as global reinforcement; -
12th : schematically in a perspective view an embodiment of a reinforcement element according to the invention in connection with further reinforcement elements according to the invention; -
13th : schematically, in a perspective view and view from the front, an embodiment of a spiral-shaped connecting element for reinforcing elements according to the invention; -
14th : a schematic perspective view of a further embodiment of a spiral connecting element for reinforcing elements according to the invention; -
15th : a schematic perspective view of a further embodiment of a reinforcement element according to the invention when used as a global reinforcement; -
16 : schematically in a perspective view an embodiment of a reinforcing element according to the invention with a varying diameter; -
17th : a schematic perspective view of a concrete component, comprising an embodiment of reinforcement elements according to the invention and -
18th : a schematic perspective illustration of an embodiment of a concrete component according to the invention.
In der bevorzugten Ausführungsform kreuzen sich jeweils unterschiedliche Garne, die jedes von einer eigenen Spule entnommen werden. Alternativ dazu ist es aber auch vorgesehen, dass nur ein Garn von einer einzigen Spule entnommen und in der gewünschten Weise (vgl.
Bei der Wickeltechnik, wie sie in der Darstellung unter Buchstabe b) gezeigt wird, liegen alle Garne
Die gleiche Art des Wickeln wie unter Buchstabe b) wird auch in der Ausführungsform unter Buchstabe c) gezeigt, hier allerdings ergänzt um eine Verbindung der Abschnitte 3` durch Nähstiche. Demzufolge handelt es sich hierbei um eine mechanische Verbindung der Abschnitte
Die zuvor beschriebene Beschichtung
Der Einsatz des inneren Matrixmaterials
Die gezeigte Ausführungsform einer Globalbewehrung kommt ohne zusätzliches Element, wie ein im Inneren des Bewehrungselements
Die Darstellung nach Buchstabe a) zeigt die Möglichkeiten, einen profilierten Hohlraum im Inneren des erfindungsgemäßen Bewehrungselements
Entsprechendes zeigt die Darstellung unter Buchstabe b), wo aber ein Hohlraum mit Kreisquerschnitt hergestellt wird. Dazu dienen ein Schlauch
Für die Herstellung der Globalbewehrung für hohe Lastreserven unter Extremzuständen und bei Überlastung werden in das fertige, aus den Betonstrukturmodulen zusammengesetzte Betonbauteil übergeordnete globale Bewehrungsstränge, beispielsweise Tows mit einer netzförmigen Ummantelung, die gewickelt, geflochten, gewebt oder gelegt sein kann, eingeführt. Dazu dient der durchgehende Hohlraum in dem Bewehrungselement
Die Globalbewehrung besteht aus Tows, d. h. sehr dicken Carbonfasersträngen mit Faserstrangdurchmessern von beispielsweise 15 mm2 (> 3000 kN), die die gesamte Baustruktur lastpfadgerecht überspannen. Im Falle einer plötzlichen Überbeanspruchung und einem Versagen der Primärbewehrung, der lokalen Bewehrung bzw. der Basisbewehrung, werden die aufzunehmenden Zugkräfte in die Globalbewehrung (bzw. Sekundärbewehrung) umgelagert, die dann die Tragfähigkeit der Gesamtkonstruktion sicherstellt.The global reinforcement consists of tows, ie very thick carbon fiber strands with fiber strand diameters of, for example, 15 mm 2 (> 3000 kN), which span the entire building structure in accordance with the load path. In the event of sudden overstressing and failure of the primary reinforcement, the local reinforcement or the basic reinforcement, the tensile forces to be absorbed are transferred to the global reinforcement (or secondary reinforcement), which then ensures the load-bearing capacity of the overall structure.
Alternativ zu der Durchführung globaler Bewehrungsstränge durch das Bewehrungselement kann auch das Bewehrungselement selbst über die Betonstrukturmodule durchgängig gestaltet und mit einbetoniert sein. Auch auf diese Weise wird ebenfalls eine Globalbewehrung erreicht.As an alternative to the implementation of global reinforcement strands through the reinforcement element, the reinforcement element itself can also be designed to be continuous via the concrete structure modules and also be concreted in. In this way, too, global reinforcement is achieved.
Um ein mögliches Strukturversagen frühzeitig und durch eine deutlich spürbare Verformungszunahme anzukündigen, wird die Globalbewehrung von einer Textilstruktur in Form einer schlauchförmig verflochtenen, verwebten oder auf andere Weise hergestellten erfindungsgemäßen Bewehrungselementen mit axialintegrierten Rovings, im Folgenden auch als Duktilitätsbewehrung bezeichnet, umgeben, die unter deutlicher Verformungszunahme die Belastungen der Tragstruktur aufnimmt. Unter Ausnutzung des hohen Energieaufnahmevermögens der Duktilitätsbewehrung bei großen Verformungen kann eine hohe Effizienz bei geringem Ressourceneinsatz erreicht werden, so dass hierfür deutlich geringere Garnquerschnitte (< 5 mm2) als bei der Globalbewehrung, die zudem gesonderte, in das erfindungsgemäße Bewehrungselement eingeführte zusätzliche Elemente wie Tows benötigt, erforderlich sind.In order to announce a possible structural failure early and through a clearly noticeable increase in deformation, the global reinforcement is surrounded by a textile structure in the form of a tubular, interwoven or otherwise manufactured reinforcement elements according to the invention with axially integrated rovings, hereinafter also referred to as ductility reinforcement, which with a significant increase in deformation absorbs the loads on the supporting structure. By utilizing the high energy absorption capacity of the ductility reinforcement in the case of large deformations, high efficiency can be achieved with little use of resources, so that for this purpose significantly smaller yarn cross-sections (<5 mm 2 ) than with the global reinforcement, which also has separate additional elements such as tows introduced into the reinforcement element according to the invention required, are required.
Die Bewegungen, wie sie beim Einbau des Verbindungselements
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betonbauteils
Weiterhin wird eine Querkraftbewehrung
Weiterhin ist das rohrförmige Bewehrungselement
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BewehrungselementReinforcement element
- 22
- Garnyarn
- 3, 3'3, 3 '
- kreuzender Abschnittcrossing section
- 44th
- Matrixmaterial (Betonbauteil)Matrix material (concrete component)
- 55
- BeschichtungCoating
- 66th
- inneres Matrixmaterialinner matrix material
- 77th
- LeerrohrConduit
- 88th
- LängsbewehrungLongitudinal reinforcement
- 99
- Strangstrand
- 1010
- FluidleitungFluid line
- 1111
- elektrische Leitungelectrical line
- 12, 12'12, 12 '
- spiralförmiges Verbindungselementspiral connector
- 1313th
- BandschlaufeTape loop
- 1414th
- EinführhakenInsertion hook
- 1515th
- DrehbewegungRotary motion
- 1616
- LängsbewegungLongitudinal movement
- 1717th
- Hohlraumcavity
- 1818th
- Schlauchtube
- 1919th
- lokale Bewehrunglocal reinforcement
- 2020th
- BetonbauteilConcrete component
- 2121
- BetonstrukturmodulConcrete structure module
- 2222nd
- BruchstelleBreaking point
- 2323
- EinschnürungConstriction
- 2424
- GummiprofilRubber profile
- 3434
- GarnschlingeLoop of yarn
- 3636
- QuerkraftbewehrungShear reinforcement
- 4040
- RandverbindungEdge connection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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