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Die Erfindung betrifft ein Filamente umfassendes, im Wesentlichen stabförmiges Bewehrungselement, wobei die Filamente zu wenigstens einem Filamentbündel zusammengefasst sind, das wenigstens eine Filamentbündel mit einem aushärtbaren Matrixmaterial versehen und einer Formgebung unterzogen und ausgehärtet ist.
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Der Baustoff Beton ist sehr gut geeignet zur Aufnahme von Druckbelastungen. Er besitzt jedoch nur ein geringes Aufnahmevermögen hinsichtlich einer Zugbeanspruchung und zeigt ein ausgeprägt sprödes Materialversagen. Daher benötigen Betonbauteile zur Aufnahme von Zugspannungen, beispielsweise resultierend aus Biegemomenten und aus Zwangsspannungen wie Schwinden oder Temperatureinfluss, eine Bewehrung. Durch die Kombination von Beton und zugkraftaufnehmender Bewehrung entsteht ein hochleistungsfähiger Baustoff. Die Bewehrung kann hierbei in verschiedenen geometrischen Anordnungen eingebaut werden und es kommen vor allem gitterförmige Strukturen und Stäbe zur Anwendung. Eine Stahlbewehrung kann im Beton rosten und zu erheblichen Bauwerksschäden führen, außerdem sind diese Bewehrungen durch die hohe Dichte von Stahl sehr schwer und unhandlich und fordern Betonüberdeckungen von bis zu 5,5 cm zum Schutz gegen Korrosion.
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Zur Reduzierung der erforderlichen Betonüberdeckungen ist der Einsatz korrosionsunempfindlicher Materialien wie Carbon oder alkaliresistenten Glases bekannt, beispielsweise ausgeführt als textile Flächengebilde (Gelege) oder stabförmige Bewehrungselemente. Diese bestehen zumeist aus Multifilamentgarnen auf Grundlage der Materialien Glas (insbesondere alkaliresistent), Carbon oder Basalt. Diese einzelnen Multifilamentgarne (Roving) bestehen wiederum aus mehreren tausend Filamenten mit einem Durchmesser von ca. 5 bis 8 µm (bei Carbon). Würden die Rovings unbeschichtet in den Beton eingelegt, würden sich lediglich die äußeren Filamente der Rovings mit dem Beton verbinden und die inneren Filamente des Rovings keine Verbindung zum Beton haben. Daher würden sich somit in erster Linie auch nur die äußeren Filamente an der Lastabtragung beteiligen.
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Zur weitgehenden Beteiligung aller Filamente am Lastabtrag wird der Roving bzw. das Textil mit einer Beschichtung versehen bzw. in eine Matrix eingebettet, die in die Struktur infiltriert. Dies sind meist Kunststoffe, wie beispielsweise Stryrolbutadien oder Epoxidharz. Durch diese Beschichtung werden zunächst alle Filamente eines Rovings miteinander verbunden. Dieser kompakte Roving ähnelt einem faserverstärkten Kunststoff. Wenn dieser Roving in den Beton eingelegt wird, verbindet sich der Beton wiederum nur mit den äußeren Filamenten. Der Kunststoff stellt aber sicher, dass sich ein Großteil der Filamente am Lastabtrag beteiligt. Die Tragfähigkeit der beschichteten Strukturen ist damit deutlich höher als die der unbeschichteten Rovings, hängt aber von der dauerhaften Belastbarkeit der Matrix ab.
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Filamente umfassende Bewehrungselemente mit profilierter Oberfläche, insbesondere Bewehrungsstäbe, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So sind aus den Druckschriften
EP 1 250 499 A1 und
DE 10 2015 100 386 A1 Bewehrungsstäbe für Betonstrukturen bekannt, die eine Vielzahl unterschiedlicher Querschnitte und Oberflächenstrukturen aufweisen. Die Bewehrungsstäbe bestehen aus einem Verbundmaterial, das in einer Kunstharzmatrix bzw. einer mineralischen Matrix eingebettete, in Längsrichtung orientierte Verstärkungsfasern aufweist. Die Ableitung der Kräfte, die an der Oberfläche in den Bewehrungsstab eingeleitet werden, zu den inneren Verstärkungsfasern erfolgt daher über die Kunstharzmatrix. Deren Belastbarkeit und die Kraftübertragung zwischen Verstärkungsfasern und Kunstharzmatrix stellen daher den begrenzenden Faktor für die Gesamttragfähigkeit des Bewehrungsstabs dar.
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Aus der Druckschrift
DE 101 21 102 A1 geht ein Bewehrungsstab aus faserverstärktem Kunststoff hervor. Dessen Oberfläche ist mit Rippen versehen, um die Krafteinleitung aus der nach dem Betonieren umgebenden Betonmatrix zu verbessern und einen Bewehrungsstab aus Stahl nachzubilden. Auch die Druckschrift
US 2013/ 0 239 503 A1 beschreibt einen Bewehrungsstab mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt, der parallel ausgerichtete, leicht gespannte Fasern aufweist, die in einer ausgehärteten Matrix eingebettet sind. Die Oberfläche wird vor oder während des Aushärtens deformiert. Bei der Kompositverstärkung gemäß der Druckschrift
EP 2 438 251 B1 wird eine äußere, strukturierte Schicht aus Nanokomposit-Kohlenstoff hergestellt, indem eine Polymermatrix durch Kohlenstoffnanostrukturen modifiziert wird. Auch bei diesen Lösungen haben die innen liegenden Fasern keinen unmittelbaren Kontakt mit der Betonmatrix nach dem Einbetonieren. Die Belastbarkeit und die Kraftübertragung zwischen den Fasern und der Matrix stellen in beiden Fällen den begrenzenden Faktor für Gesamttragfähigkeit des Bewehrungsstabs dar.
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Die Druckschrift
DE 101 08 357 A1 hat ebenfalls einen Bewehrungsstab, hier Armierungsstab genannt, für mineralische Baustoffe wie Beton zum Gegenstand, der aus einem faserverstärkten Stang aus Kunststoff gebildet wird. Ein tief geklüftetes, kreuzförmiges Querschnittsprofil ermöglicht es, dass eine Vielzahl von außenliegenden Fasern unmittelbar am Lastabtrag beteiligt werden kann. Ein noch stärker geklüftetes, blütenförmiges Querschnittsprofil, das zudem über die Länge leicht verdreht ist, wird in der Druckschrift
US 5 725 954 A vorgeschlagen. Dennoch werden die nach wie vor vorhandenen innenliegenden Fasern auch bei einem stärker geklüfteten Querschnittsprofil nicht unmittelbar am Lastabtrag beteiligt und die Nachteile des zuvor genannten Stands der Technik nicht überwunden. Die aufgrund von Anzahl und Zugfestigkeit der Filamente mögliche Tragfähigkeit wird dabei nicht ausgenutzt.
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Weitere Lösungen für ein Bewehrungselement mit einer verbesserten Oberflächenstruktur sind den Druckschriften
DE 10 2017 107 948 A1 und
DE 10 2016 111 176 A1 zu entnehmen. Auch in diesen Fällen ist eine unmittelbare Ableitung der an der Oberfläche angreifenden Kräfte nicht gewährleistet. Besonders problematisch ist, dass die kraftübertragende Kunstharzmatrix einer stärkeren Alterung und Änderung der Eigenschaften unterworfen ist als die Bewehrungsfaser, die Filamente, selbst. Die unterschiedliche Änderung der Eigenschaften erfolgt auch bei Wärmeeinwirkung, z. B. im Brandfall, wenn Kunstharzmatrix stark an Festigkeit verliert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein oberflächennahe und innenliegende Filamente umfassendes Bewehrungselement anzubieten, bei dem ein unmittelbarer Lastabtrag über die Oberfläche, jedoch nicht nur durch die oberflächennahen Filamente erfolgt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Filamente umfassendes, im Wesentlichen stabförmiges Bewehrungselement, wobei die Filamente zu wenigstens einem Filamentbündel zusammengefasst sind, das wenigstens eine Filamentbündel mit einem aushärtbaren Matrixmaterial versehen und einer Formgebung unterzogen und ausgehärtet ist. Nach der Erfindung verläuft das wenigstens eine Filamentbündel vor dem Aushärten wechselweise zwischen einem Oberflächenbereich und einem Innenbereich des Bewehrungselements. Dies wird nachfolgend auch als Positions-Variation der Einzelstränge bezeichnet.
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Das Bewehrungselement ist insbesondere zum Einbau in ein Betonbauteil vorgesehen, kann aber auch zur Bewehrung anderer Bauelement mit anderen Materialien der Bauteilmatrix als Beton verwendet werden. Es ist bevorzugt ausgeführt als ein Bewehrungsstab.
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Die Filamente können aus Carbon, Glas oder Basalt bestehen. Dies sind die am häufigsten verwendeten Fasern im Baubereich, da sie sich resistent gegenüber der alkalischen Umgebung in einem Betonbauteil erweisen oder entsprechend ausgebildet sind.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das wenigstens eine Filamentbündel zwischen dem Oberflächenbereich und dem Innenbereich des Bewehrungselements in der Weise geführt ist, dass bei Betrachtung im Querschnitt um einen Kern herum Bereiche ausgebildet werden, die von diesem teilweise isoliert sind. Die isolierten Bereiche sind nur teilweise mit dem Kern verbunden, nämlich über die zwischen Kern und isolierten Bereichen verlaufende Filamentbündel, und teilweise isoliert von diesem. Durch die isolierten Bereiche kann eine besonders gute Verankerung und damit eine optimale Kraftübertragung zwischen dem Material der Bauteilmatrix, insbesondere dem Beton eines Betonbauteils, gewährleistet werden. Der Beton oder eine andere Bauteilmatrix kann zwischen den Kern und die isolierten Bereiche fließen.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erweisen, wenn das wenigstens eine Filamentbündel zwischen dem Oberflächenbereich und dem Innenbereich des Bewehrungselements in der Weise geführt ist, dass ein Querschnitt in der Form eines Fraktals ausgebildet wird, weil das Verhältnis aus Umfang zu Querschnittsfläche im Fraktal sehr groß ist. Dies führt durch die große Fläche, die für eine Verbindung mit der Bauteilmatrix zur Verfügung steht, zu hoher Materialeffizienz.
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Vorteilhafterweise ist ein Ende des Bewehrungselements in der Weise gespreizt oder flachgedrückt ausgeführt, dass nach dem Einsetzen in eine entsprechende Ausnehmung eines Bauelements, die sich beispielsweise nach außen hin schwalbenschwanzartig verjüngt, eine Keilwirkung entsteht. Das Bewehrungselement wird in der Ausnehmung formschlüssig mit dem Bauelement verbunden. Dadurch kann die Verankerung mit einem bestehenden Bauteil erheblich verbessert und die bei Carbonfasern oder anderen nichtmetallischen Bewehrungsmaterialien üblicherweise große Verankerungslänge reduziert werden.
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Erfindungsgemäß wird das wenigstens eine Filamentbündel vor dem Aushärten wechselweise zwischen einem Oberflächenbereich und einem Innenbereich des Bewehrungselements mittels eines bekannten Verfahrens aus der Textiltechnik, wie z. B. durch eine Verflechtung, geführt. Dadurch erhält es den Verlauf, der die erfindungsgemäßen Vorteile mit sich bringt.
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Durch die Ausbildung einer großen Oberfläche, eine Oberflächenprofilierung oder eine Oberflächenbearbeitung werden die Oberfläche und der Umfang des Stabes im Verankerungsbereich erhöht. Dadurch kann ein besserer Verbund sichergestellt werden, da sich eine größere Oberfläche am Lastabtrag beteiligt. Durch die erfindungsgemäße Positions-Variation der Einzelstränge, deren Wechsel zwischen dem Innenbereich und dem Oberflächenbereich, wird der Querschnitt gleichmäßiger beansprucht.
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Die vorliegende Erfindung überwindet Nachteile von Bewehrungselementen ohne Profilierung. Bei diesen werden lange Verankerungslängen benötigt, was zur Verbindung mit bestehenden Bauteilen tiefe Bohrlöcher erfordert. Dies führt wiederum zu hohen Querdrücken und einer Spannungskonzentration am Lasteinleitungsbeginn. Die Bereiche werden unterschiedlich belastet und nur ein oberflächennaher Teil des Bewehrungsstabes wird beansprucht. Dies kann bei einer profilierten Oberfläche zum Abscheren von Rippen führen. Die resultierende Belastung ist teilweise nicht materialgerecht, vor allem wegen der hohen Querdruckempfindlichkeit von CFK (Carbonfaser verstärkter Kunststoff).
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Demgegenüber bietet die vorliegende Erfindung Vorteile, indem eine zuverlässige Verankerung durch größere Verbundoberfläche des Bewehrungsstabes gesichert wird. Sie führt zu einem besseren Verbund zwischen der erfindungsgemäßen nichtmetallischen bzw. filamentbasierten Bewehrung und der Bauteilmatrix des späteren Bauteils, insbesondere dem Beton des Betonbauteils. Eine gleichmäßige Spannungsverteilung im Querschnitt durch Filamentbündel, beispielsweise CFK-Stränge, welche ihre Position im Querschnitt variieren, wird erreicht. Die Einzelstränge verlaufen dazu vom äußeren Bereich in den inneren Bereich und wieder zurück in den äußeren Bereich. Dies hat zur Folge, dass der Querschnitt sich gleichmäßig am Lastabtrag beteiligt und keine lokalen Spitzen, z. B. im Randbereich, auftreten.
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Hieraus resultieren geringere erforderliche Verankerungslängen im Beton und eine bessere Ausnutzung des Materials wird ermöglicht, was zur Ressourceneffizienz beiträgt. Weiterhin resultieren eine bessere Spannungsverteilung entlang der Verankerungslänge und ein besserer Verbund zwischen nichtmetallischer und der Bauteilmatrix, in die die Bewehrung eingebettet wird.
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Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
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1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements 1, dessen Kern 8 von isolierten Bereichen 10 umgeben ist, die vom Kern 8 beabstandet sind. Die Schnittebene A-A ist in 2 angegeben. Eine Verbindung zwischen dem Kern 8 und den isolierten Bereichen 10 besteht durch Filamentbündel 2. Die isolierten Bereiche 10 umfassen gleichfalls im Wesentlichen Filamentbündel 2.
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Die Filamentbündel 2 verlaufen abwechselnd zwischen einem Oberflächenbereich 4 und einem Innenbereich 6, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel identisch mit dem Kern 8 ist. Dadurch wird erreicht, dass die Filamentbündel 2, auch wenn sie teilweise im Innenbereich verlaufen, dennoch an den Oberflächenbereich 4 zurückgeführt werden, teilweise dort verlaufen und eine unmittelbare Verbindung mit der späteren Bauteilmatrix eingehen können. Der Verlauf der Filamentbündel 2 ist beispielhaft für einzelne Filamentbündel 2 durch Strichellinien dargestellt. Die Filamentbündel 2 sind in ein Matrixmaterial 3 eingebettet.
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Durch die isolierten Bereiche 10 erfolgt außerdem eine sehr intensive, großflächige Anbindung an die Bauteilmatrix. Dies ermöglicht eine sehr hohe Kraftübertragung vom Bauteil auf das Bewehrungselement 1.
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2 zeigt das Bewehrungselement 1 im Querschnitt. Dadurch wird die Anordnung von Kern 8 und isolierten Bereichen 10 verdeutlicht. Die isolierten Bereiche 10 sind durch Filamentbündel 2 gebildet. In einem Bereich B sind diese schematisch dargestellt. Die Filamentbündel 2 sind in das Matrixmaterial 3 eingebettet.
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Eine andere Querschnittsform einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bewehrungselements 1' ist in den 3 bis 5 dargestellt. Die Querschnittsform zeigt verschiedene Fraktale, wobei ebenfalls eine Verankerung über eine größere Oberfläche ermöglicht wird.
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3 zeigt eine sogenannte Koch-Flocke, auch als Schneeflocke bezeichnet. Am Umfang des Ausgangskreisquerschnittes wird alle 60° ein kleinerer Kreis (1/3 des Ausgangsradius) ergänzt, in Summe also 6 weitere kleinere Kreise. Die neuen Kreise werden wiederum alle 60° durch einen neuen kleineren Kreis (1/3*1/3 des Ausgangsradius) ergänzt. Dieses Verfahren wird in der Art fortgesetzt, wobei mit jeder Dimension („Verkleinerung“) der Umfang vor allem in Bezug zur Querschnittsfläche stark zunimmt.
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In einem Bereich B sind die Filamentbündel 2 schematisch dargestellt.
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Die 4 und 5 zeigen Fraktale mit 90°-Aufteilung und 1:1/3 bzw. 45°-Aufteilung und 1:1/4 nach demselben Prinzip wie zu 3 beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1,1'
- Bewehrungselement
- 2
- Filamentbündel
- 3
- Matrixmaterial
- 4
- Oberflächenbereich
- 6
- Innenbereich
- 8
- Kern
- 10
- isolierter Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1250499 A1 [0005]
- DE 102015100386 A1 [0005]
- DE 10121102 A1 [0006]
- US 2013/0239503 A1 [0006]
- EP 2438251 B1 [0006]
- DE 10108357 A1 [0007]
- US 5725954 A [0007]
- DE 102017107948 A1 [0008]
- DE 102016111176 A1 [0008]
