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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Bewehrungselement für Tragwerke
aus Stahlbeton, Spannbeton oder dergleichen nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Stand der
Technik
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Im
Bereich des Stahlbeton- und Spannbetonbaus kommen unterschiedlichste
Bewehrungsanordnungen zum Einsatz, die hauptsächlich dazu dienen, die im
Beton auftretenden Zugkräfte
aufzunehmen. Ein umfangreicher Überblick
grundlegender Bewehrungsanordnungen für unterschiedlichste Bauteile
ist beispielsweise in Leonhardt, Mönnig: Vorlesungen über Massivbau,
Teil 3, 3. Auflage, Springer-Verlag, 1977 enthalten.
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Bei
Bewehrungsanordnungen wird allgemein zwischen schlaffer und vorgespannter
Bewehrung unterschieden. Schlaffe Bewehrung hat den Vorteil, dass
sie vergleichsweise einfach eingebaut werden kann, da sie keine
Vorspannung erfordert. Allerdings ist die Wirksamkeit schlaffer
Bewehrung begrenzt. Demgegenüber
besitzt vorgespannte Bewehrung in aller Regel eine höhere Wirksamkeit
als schlaffe Bewehrung, was jedoch mit einem erhöhten Aufwand verbunden ist,
da die Bewehrung vor oder nach dem Aushärten des umgebenden Betons
vorgespannt werden muss. Ferner treten bei vorgespannter Bewehrung
durch zeit- oder temperaturabhängige
Verformungen des Betons in der Regel Spannkraftverluste auf, welche
die Wirksamkeit der Bewehrung beeinträchtigen können.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bewehrungselement
für Tragwerke
aus Stahlbeton, Spannbeton oder dergleichen bereitzustellen, das
sich mit geringem Aufwand einbauen lässt und gleichzeitig eine hohe
Tragfähigkeit
des Tragwerks ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Bewehrungselement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Besonders
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Bewehrungselement
mit einer vorspannungsähnlichen
Tragwirkung bereitzustellen, ohne dass das Bewehrungselement aktiv
vorgespannt werden muss. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass sich die Bewehrungsstäbe
jeweils spiralartig um eine Längsachse herum
erstrecken, und dass die Bewehrungsstäbe jeweils mit mindestens einem
anderen Bewehrungsstab verwoben sind.
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Unter „verwoben" ist im Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Bewehrungsstäbe einander
bevorzugt mehrfach kreuzen und dabei auch nach Art eines Gewebes
wechselseitig über-
und untereinander vorbeilaufen können.
Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Bewehrungsstäbe kraftschlüssig miteinander
verbunden (z. B. verschweißt)
sind. Vielmehr ergibt sich ein besonders vorteilhaftes Tragverhalten,
wenn die Bewehrungsstäbe
zumindest bei hohen Belastungen aneinander entlang gleiten können.
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Aus
einer derartigen Anordnung der Bewehrungsstäbe ergibt sich ein räumliches
Bewehrungselement, das gegenüber „normaler" (eindimensionaler)
Bewehrung, die vornehmlich zur Aufnahme von Zugkräften in
Stahl- und Spannbetonbauteilen verwendet wird, den folgenden Vorteil
bietet. Sobald die Bewehrungsstäbe
des Bewehrungselementes eine Zugbeanspruchung erhalten, führt dies
durch deren geometrische Anordnung zu einem „Zusammenziehen" des Bewehrungselementes
und damit zu Umlenkkräften,
die auf den vom Bewehrungselement umgebenen Beton drücken bzw.
mit dem Beton im Gleichgewicht stehen. Diese Wirkung entspricht
einer passiven räumlichen
Vorspannung, bei der keine äußeren Kräfte (Vorspannvorgang)
auf die Bewehrung aufgebracht werden müssen.
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Durch
das gezogene Bewehrungselement und die daraus resultierende mehraxiale
Druckbeanspruchung des Betons wird insbesondere die Schubtragfähigkeit
des Betons deutlich erhöht.
Dies führt selbst
bei geringen Bewehrungsmengen, aus denen das Bewehrungselement gefertigt
wird, zu deutlichen Tragfähigkeitssteigerungen
der Bauteile gegenüber üblichen
Bewehrungsanordnungen.
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Die
Bewehrungsstäbe
erstrecken sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie oben erwähnt, spiralartig
um eine Längsachse
herum. Dabei ist spiralartig nicht dahingehend zu verstehen, dass die
Bewehrungsstäbe
einen konstanten Krümmungsradius
besitzen müssen.
Vielmehr kann das erfindungsgemäße Bewehrungselement
beispielsweise in einem Querschnitt senkrecht zu der Längsachse vielfältige Formen
besitzen. Dabei ist es jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung
im Hinblick auf ein vorteilhaftes Tragverhalten bevorzugt, dass
das Bewehrungselement in dem Querschnitt senkrecht zu der Längsachse
einen im Wesentlichen kreisförmigen,
ovalen oder rechteckigen Querschnitt umschreibt.
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Die
verwobenen Bewehrungsstäbe
können einander
im Rahmen der vorliegenden Erfindung prinzipiell unter einem beliebigen
Winkel kreuzen. Eine besonders ausgeprägte Umschnürungswirkung des Betons durch
das Bewehrungselement erhält man
jedoch, wenn die verwobenen Bewehrungsstäbe einander gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung unter einem Winkel im Bereich
von 10° bis
80°, bevorzugt
im Bereich von 20° bis
70° kreuzen.
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Das
erfindungsgemäße Bewehrungselement kann
prinzipiell eine geradlinige Längsachse
besitzen, beispielsweise wenn es in linearen oder flächigen Bauteilen
wie Balken, Stützen,
Platten oder dergleichen eingesetzt werden soll. Für manche
Anwendungen, die untenstehend noch näher diskutiert werden, hat
es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, dass die Längsachse
gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung gekrümmt ist. Der Einsatz eines gekrümmten Bewehrungselements
ermöglicht
beispielsweise in Lasteinleitungsbereichen flächiger Bauteile eine vorteilhaftes
Tragverhalten. Dabei kann das Bewehrungselement gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung nach Art eines abgerundeten oder polygonalen
Torus ausgebildet sein, der bevorzugt in sich geschlossen ist. Hierdurch
ergibt sich ein Bewehrungselement, das eine Umschnürungswirkung nicht
nur in seinem Inneren, sondern auch in dem durch den Torus umgebenen
Bereich erzeugt, was ein entsprechend vorteilhaftes Tragverhalten
mit sich bringt.
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Die
Anzahl der verwobenen Bewehrungsstäbe ist im Rahmen der vorliegenden
Erfindung nicht besonders begrenzt. Ein ausgeprägter Anstieg der durch das
Bewehrungselement erzeugten Umschnürungswirkung lässt sich
jedoch beobachten, wenn das Bewehrungselement gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung mindestens vier verwobene
Bewehrungsstäbe
aufweist.
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Im
Bereich des Stahlbeton- und Spannbetonbaus kommen heutzutage üblicherweise
gerippte Betonstähle
zum Einsatz, da ein ausgeprägter
Verbund zwischen Bewehrungsstäben
und Beton erwünscht
bzw. bei herkömmlicher
Bewehrung erforderlich ist. Derartige gerippte Bewehrungsstäbe können auch
im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen. In völliger Abkehr
von der gegenwärtigen,
langjährigen
Praxis hat es sich in der vorliegenden Erfindung jedoch als vorteilhaft
erwiesen, dass mindestens einer der verwobenen Bewehrungsstäbe eine
im wesentlichen glatte Oberfläche aufweist.
Dies kommt daher, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein
völlig
anderes Tragprinzip vorherrscht als bei herkömmlicher Bewehrung. So ermöglicht eine
glatte Oberfläche
der Bewehrungselemente eine frühzeitige
und ausgeprägte
Aktivierung der Bewehrungselemente bei Zugbeanspruchung mit entsprechend
hoher Umschnürungswirkung
und vorteilhaftem Tragverhalten.
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Dabei
kann es sich bei den Bewehrungsstäben um bekannte, glatte oder
gerippte Betonstäbe handeln.
Im Hinblick auf eine hohe Tragfähigkeit
sowie eine frühe
und ausgeprägte
Aktivierung der Bewehrungselemente ist gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung ferner vorgesehen, dass mindestens einer der Bewehrungsstäbe aus einem Faserverbundwerkstoff
besteht. Selbstverständlich können die
Bewehrungselemente im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch aus
anderen geeigneten Materialien bestehen.
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Das
erfindungsgemäße Bewehrungselement kann
sowohl ab Werk als auch vor Ort auf der Baustelle vorteilhaft mit
anderen gegebenenfalls herkömmlichen
Bewehrungselementen kombiniert werden. Dabei ist gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass innerhalb
des Bewehrungselements Verbindungselemente, insbesondere S-Haken,
vorgesehen sind, die sich im wesentlichen senkrecht zur Längsachse
erstrecken.
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Hierdurch
ergibt sich eine Aussteifung des Bewehrungselements in Querrichtung,
was zu einer weiter verbesserten Umschnürung des innerhalb des Bewehrungselements
enthaltenen Betons führt.
Alternativ oder zusätzlich
kann das Bewehrungselement gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ferner mindestens einen Längsstab
aufweisen, der sich im wesentlichen parallel zur Längsachse
erstreckt. Diese Anordnung ermöglicht
eine verbesserte Verankerung der Bewehrungselemente senkrecht zur
Längsachse
und verleiht dem Bewehrungselement verbesserte Trageigenschaften
bei Biege- und Druckbeanspruchungen.
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Die
Verankerung des erfindungsgemäßen Bewehrungselements
im Beton kann an dessen freien Enden prinzipiell durch Einhalten üblicher
Verankerungslängen
erfolgen. Um jedoch die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Bewehrungselements
zu erhöhen
und eine frühzeitige
Aktivierung des Bewehrungselements und somit ein vorteilhaftes Tragverhalten
sicherzustellen, ist gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass mindestens
einer der verwobenen Bewehrungsstäbe im Bereich mindestens eines
freien Endes ein Enverankerungselement aufweist. Bei einem solchen
Endverankerungselement kann es sich beispielsweise um Kopfbolzen,
Kopfplatten, angeschweißte
Querstäbe oder
dergleichen handeln.
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Das
erfindungsgemäße Bewehrungselement eignet
sich prinzipiell für
den Einsatz in jeder Art von Tragwerk aus Stahlbeton, Spannbeton
oder dergleichen. Als besonders vorteilhaft hat sich das erfindungsgemäße Bewehrungselement
jedoch als Querkraftbewehrung und/oder Zugbewehrung in Stahlbeton-
oder Spannbetontragwerken erwiesen.
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In
dem jeweiligen Tragwerk kann das erfindungsgemäße Bewehrungselement einzeln
oder in Kombination mit anderen erfindungsgemäßen oder sonstigen Bewehrungselementen
eingesetzt werden. Dabei hat es sich im Hinblick auf das Tragverhalten als
vorteilhaft erwiesen, wenn das mindestens eine Bewehrungselement
mit mindestens einem benachbarten Bewehrungselement durch einen
Bewehrungsstab verbunden ist.
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Ein
besonders bevorzugtes Beispiel eines Tragwerks, bei dem das erfindungsgemäße Bewehrungselement
zum Einsatz kommen kann, ist eine sogenannte Flachdecke, d.h. eine
unterzugslose Konstruktion, bei der die Decke direkt auf den Stützen ruht.
Ein besonders kritischer Bereich derartiger Konstruktionen ist der Übergangsbereich
zwischen Decke und Stütze,
wo aufgrund der konzentrierten Krafteinleitung die Gefahr eines
sogenannten Durchstanzens besteht. Zur Vermeidung eines Durchstanzversagens
wurde eine Vielzahl unterschiedlichster Bewehrungselemente entwickelt,
wie beispielsweise Schrägstäbe, Kopfbolzen,
Stahlkrägen
etc. Das erfindungsgemäße Bewehrungselement
bietet hier eine Lösung
an, die Tragfähigkeit
einer Flachdecke im Bereich der Decken-Stützenverbindung
auf einfache und effiziente Weise deutlich zu erhöhen. Hierbei kann
das Bewehrungselement gegebenenfalls zwischen den jeweiligen Biegebewehrungslagen
angeordnet werden, wodurch sich ein besonders einfacher und zügiger Herstellungsvorgang
ergibt, der sich deutlich von den bekannten Herstellungsverfahren
abhebt. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass sich die Längsachse
des mindestens einen Bewehrungselements im wesentlichen parallel
zur Ebene der Flachdecke erstreckt. Ferner ergibt sich ein besonders
konzentrierter Spannungszustand und somit eine erhöhte Tragfähigkeit,
wenn sich das mindestens eine Bewehrungselement ringförmig um
die jeweilige Stütze
herum erstreckt. Allerdings ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ebenso möglich,
im Bereich der Stütze
mehrere geradlinige Bewehrungselemente in unterschiedlichsten, nicht
notwendigerweise symmetrischen Anordnungen vorzusehen.
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Gemäß einer
weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen,
dass innerhalb des mindestens einen Bewehrungselements zumindest
abschnittsweise Beton vorgesehen ist, der Quellzement enthält. Durch
das Vorsehen von Quellzement wird der oben diskutierte Effekt einer „passiven" Vorspannung besonders
ausgeprägt,
da das Bewehrungselement ohne die Aufbringung äußerer Kräfte durch den Quellzement in
einen vorgespannten Zustand versetzt wird und so bereits im unbelasteten
Zustand des Tragwerks diesem eine Umschnürungswirkung verleiht.
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Das
erfindungsgemäße Bewehrungselement kann
prinzipiell auf der Baustelle oder an jedem beliebigen Ort herstellt
werden. Als besonders wirtschaftlich und einfach hat es sich jedoch
erwiesen, wenn das Bewehrungselement werkseitig hergestellt („Meterware") und vor dem Einbau
(beispielsweise auf der Baustelle) auf die gewünschte Länge zugeschnitten wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch verschiedene Perspektivansichten einer ersten Ausführungsform
des Bewehrungselements gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
schematisch eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform
des Bewehrungselements gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 zeigt
schematisch eine teilweise Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform
des Bewehrungselements gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 zeigt
schematisch eine Perspektivansicht einer vierten Ausführungsform
des Bewehrungselements gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 zeigt
schematisch eine Perspektivansicht einer fünften Ausführungsform des Bewehrungselements
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 zeigt
schematisch eine Perspektivansicht einer sechsten Ausführungsform
des Bewehrungselements gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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7 zeigt
schematisch die Einbausituation erfindungsgemäßer Bewehrungselemente in einem Tragwerk;
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8 zeigt
schematisch die Einbausituation erfindungsgemäßer Bewehrungselemente in einem weiteren
Tragwerk;
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9 zeigt
schematisch die Einbausituation erfindungsgemäßer Bewehrungselemente in einem weiteren
Tragwerk.
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Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
schematisch verschiedene Perspektivansichten eines Bewehrungselements 1 als
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Bewehrungselement 1 dient
zur Bewehrung unterschiedlichster Tragwerke aus Stahlbeton, Spannbeton
oder dergleichen und umfasst in der vorliegenden Ausführungsform
fünf Bewehrungsstäbe 2.
Diese Bewehrungsstäbe 2 erstrecken
sich jeweils spiralartig um eine in 1 schematisch
eingetragene, gedachte Längsachse 4 herum.
Dabei sind die Bewehrungsstäbe 2 jeweils
miteinander verwoben, d.h. nach Art eines Gewebes wechselseitig über- und untereinander
gelegt.
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Das
in 1 gezeigte Bewehrungselement 1 umschreibt
in einem Querschnitt senkrecht zu der Längesachse 4 in der
vorliegenden Ausführungsform einen
im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt. Es ist jedoch zu beachten, dass die Querschnittsform des
erfindungsgemäßen Bewehrungselements
nicht hierauf beschränkt
ist, sondern auch andersartige Formen wie beispielsweise oval oder
rechteckig möglich
sind.
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Die
miteinander verwobenen Bewehrungsstäbe 2 kreuzen einander
unter einem Winkel α,
der in 1 unten veranschaulicht ist. Der Kreuzungswinkel α beträgt in der
vorliegenden Ausführungsform
ca. 60° und
sollte bevorzugt jedenfalls in einem Bereich von 10° bis 80°, besonders
bevorzugt 20° bis 70° liegen.
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Bei
den Bewehrungsstäben 2 kann
es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung prinzipiell um beliebig
ausgeformte Stäbe
aus einem beliebigen geeigneten Material handeln. In der vorliegenden
Ausführungsform
sind die Bewehrungsstäbe 2 jedoch aus
Betonstahl mit einer im wesentlichen glatten (jedenfalls nicht gerippten)
Oberfläche
gebildet.
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2 zeigt
schematisch Perspektivansichten eines Bewehrungselements 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform
einerseits durch die höhere
Anzahl von (sechs) Bewehrungsstäben 2,
insbesondere aber dadurch, dass die Längsachse (in 2 nicht ausdrücklich gezeigt)
bei dieser Ausführungsform gekrümmt ist.
Auf diese Weise kann das Bewehrungselement als teilweiser oder vollständiger (in sich
geschlossener) Torus ausgebildet sein. Wie eine in 3 gezeigte,
dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bewehrungselements
veranschaulicht, muss dieser Torus nicht kreisrund sein, sondern kann
beispielsweise auch eckig bzw. polygonal ausgeführt sein.
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Eine
vierte bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bewehrungselements
ist schematisch in 4 gezeigt. Dieses zeichnet sich
dadurch aus, dass innerhalb des Bewehrungselements 1 Verbindungselemente 6 vorgesehen
sind, die in der vorliegenden Ausführungsform die Form von S-Haken
besitzen (vgl. oben in 4). Dabei erstrecken sich die
S-Haken, wie unten
in 4 zu erkennen ist, im wesentlichen senkrecht zur
Längsachse
(die sich in 4 unten im wesentlichen senkrecht
zur Zeichenebene erstreckt) und steifen somit das Bewehrungselement
in Querrichtung aus.
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5 zeigt
eine Perspektivansicht einer fünften
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bewehrungselements.
Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass es in der vorliegenden Ausführungsform
zwei Längsstäbe 8 aufweist,
die sich im wesentlichen parallel zu der Längsachse (hier nicht gezeigt)
des Bewehrungselements 1 erstrecken. Bei diesen Bewehrungsstäben kann
es sich ebenfalls um glatte oder gegebenenfalls auch gerippte Betonstähle handeln.
In der in 5 oben gezeigten Variante sind
die Längsstäbe 8 am äußeren Umfang
des Bewehrungselements 1 angeordnet. Ebenso ist es im Rahmen
der vorliegenden Erfindung möglich,
die Längsstäbe 8 im
Inneren der miteinander verwobenen Bewehrungsstäbe 2 vorzusehen (vgl. 5 unten).
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6 zeigt
schematisch eine Perspektivansicht einer sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welcher mehrere Bewehrungselemente 1 miteinander
durch einen Verbindungsstab 9 verbunden sind. Bei dem Verbindungsstab
kann es sich ebenfalls um herkömmliche
Betonstähle
handeln. In 6 ist jedoch eine vorteilhafte
Variante gezeigt, bei der ein Flachstahlelement 9 als Verbindungsstab
zum Einsatz kommt.
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Das
erfindungsgemäße Bewehrungselement kann
in unterschiedlichsten Arten von Tragwerken zum Einsatz kommen.
Ein erstes Anwendungsbeispiel ist in 7 gezeigt,
die eine Stahlbetonstütze 10 (vgl. 7 unten)
veranschaulicht, die mit einem entsprechenden Bewehrungselement 1 (vgl.
oben in 7) bewehrt ist.
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Eine
weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform eines im Rahmen
der vorliegenden Erfindung herzustellenden Tragwerks ist in 8 veranschaulicht.
Bei dem gezeigten Tragwerk 10 handelt es sich um eine sogenannte
Flachdecke, d.h. um eine Decke, die ohne Unterzüge oder dergleichen unmittelbar
auf Stützen 12 ruht.
Dabei zeigt 8 unten einen Teilausschnitt
einer Flachdecke, die entlang von Symmetrieachsen durch die Stütze 12 hindurch aufgeschnitten
wurde. Die Lage der Bewehrungselemente 1 innerhalb der
Flachdecke sind in 8 unten durch die dort gezeigten,
teilringförmigen
Aussparungen gezeigt. Die Bewehrungselemente 1 selbst sind
in 8 oben gezeigt, und zwar zusammen mit zwei Biegebewehrungslagen 14.
Es ist zu erkennen, dass sich die Bewehrungselemente 1 im
wesentlichen parallel zur Ebene der Flachdecke erstrecken und im
wesentlichen ringförmig
bzw. ringsegmentförmig
um die Stütze 12 herum
angeordnet sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind jedoch auch
vielfältige
andere Bewehrungsanordnungen möglich,
bei denen die Bewehrungselemente 1 beispielsweise als mehrere
geradlinige Stücke
im Bereich der Stütze
angeordnet sind.
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Bewehrungselements ist
schematisch in 9 dargestellt, die einen Biegebalken 10 zeigt,
der mit zwei Bewehrungselementen 1 versehen ist. In einem
derartigen Biegebalken 10 wirkt das erfindungsgemäße Bewehrungselement 1 sowohl
als Biege- als auch als Querkraftbewehrung.