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Die
Erfindung betrifft eine hybride Verbundkonstruktion unter Verwendung
von faserverstärktem ultrahochfestem
Beton, die allgemein im Bauwesen einsetzbar ist, wobei die Sanierung
und Verstärkung von älteren Beton-
und Mauerwerkskonstruktionen, insbesondere von Brücken, das
vorrangige Anwendungsfeld ist. Die Erfindung hat ebenfalls großes Potential
für dünne Betonbauteile,
da eine Verwendung konventioneller Bewehrung bei diesen Bauteilen
wegen der geringen Betondeckung nicht möglich ist.
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Die
Verwendung von ultrahochfestem Beton im Bauwesen ist mit und ohne
Faserverstärkung
bekannt. Die Druckfestigkeit des ultrahochfesten Betons liegt in
der Größenordnung
des Baustahls. Sein Gefüge
ist sehr dicht. Die Dauerhaftigkeit und die Verschleißfestigkeit
werden im Vergleich zu normal- und hochfestem Beton deutlich verbessert.
Der ultrahochfeste Beton weist jedoch ein sprödes Verhalten auf und hat im
Vergleich zur Druckfestigkeit nur geringe Zugfestigkeit. Die Zugabe
von Fasern, vorzugsweise Stahlfasern, verbessert das Zugtragverhalten des
ultrahochfesten Betons. Vor allem wird sein Verhalten duktiler.
Die Faser verteilt sich in der Regel gleichmäßig und dreidimensional im
Beton. Die Zusammensetzung von faserverstärktem ultrahochfestem Beton
beschreibt beispielsweise die
US 5,503,670 zur
Herstellung von Formteilelementen. Die bekannte Lösung stellt
hierbei auf einen Faseranteil von 1 bis 4, vorzugsweise 2 bis 3
Vol.-% ab. Des Weiteren sind in der Schweiz praktische Beispiele der
Verwendung von ultrahochfestem Beton für die Sanierung und Verstärkung von
Brücken
bekannt, bei denen ein Stahlfasergehalt von bis zu 6 Vol.-% Verwendung
findet [Habel, K.; Denarié,
E.; Brühwiler, E.:
Bauteile aus ultrahochleistungsfähigem
Faserbeton (UHPFRC) und traditionellem Stahlbeton, Eine innovative
Lösung
zur Instandsetzung und Veränderung
bestehender Betonbauten, Beton- und Stahlbetonbau, 100 (2005), Heft
2]. Hohe Dichtheit und stabile Struktur bei Temperaturbeanspruchung
verhindern eine Spurrillenbildung im Sommer sowie eine Versprödung im
Winter. Allerdings stellt der hohe Anteil an Stahlfasern einen erheblichen
Kostenfaktor dar, der einer größeren Verbreitung
des ultrahochfesten faserverstärkten
Betons in die Baupraxis bislang hinderlich ist. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, dass die Effizienz der Faserzugabe entscheidend von der
Faserorientierung abhängt.
Nur wenn sie annähernd
in der Haupttragrichtung verläuft,
nehmen die Fasern die bei Rissbildung vom Beton frei werdende Zugkraft
am besten auf und verhindern effektiv die Rissöffnung.
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Aus
dem Aufsatz „Development
of Reinforcement System made of Sheet Steel" von Stephan Mucha (Leipzig Annual Civil
Engineering Report No. 8, 2003, Seite 165) ist ein gelochtes und
perforiertes Blech aus Stahl bekannt, das für die Anwendung bei dünnen Bauteilen
entwickelt wurde. Versuche mit derartigen Bewehrungselementen haben
gezeigt, dass ein sehr guter Verbund zwischen Bewehrung und Beton
erzielt wird. Mit zunehmender Verformung platzt die Betondeckung
aber ab. Um dies zu verhindern, muss der Lochabstand verringert
und die Wölbung
der Perforationen erhöht
werden. Dies führt
zur Reduzierung der nutzbaren Fläche
des Blechs und somit zur geringen Effizienz bei der Verwendung des Bewehrungselements.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines hybriden
Verbundkonstruktes unter Verwendung von faserverstärktem ultrahochfestem
Beton, bei dem die Kosten durch eine deutliche Reduzierung des Fasergehalts
gesenkt werden, ohne dass dabei die mit diesem Beton verbundenen erwünschten
Eigenschaften verloren gehen. Insbesondere soll das durch eine annähernd in
der Haupttragrichtung verlaufende Anordnung der Fasern erreicht
werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die im Anspruch 1 dargestellte Verbundkonstruktion gelöst, die
in weiteren Ansprüchen
vorteilhaft ausgestaltet ist.
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Die
Aufgabe für
eine hybride Verbundkonstruktion wird durch den Einsatz von faserverstärktem ultrahochfestem
Beton mit einem oder mehreren Bewehrungselementen aus einem zugfesten
Material gelöst.
Erfindungsgemäß ist das
Bewehrungsblech flächig
ausgebildet und weist eine im Verhältnis zu seinen Kantenlängen sehr
geringe Dicke von 0,3 bis 3,0 mm, vorzugsweise 1,0 mm, auf. Es ist
mit aufgewölbten
Perforationen einer Wölbhöhe von 1
bis 10 mm, einem Lochdurchmesser von 10 bis 100 mm sowie einem Lochabstand
von 20 bis 200 mm versehen. Besonders vorteilhaft sind hierbei eine
Wölbhöhe von 2
bis 5 mm, ein Lochdurch messer von 35 bis 45 mm sowie ein Lochabstand
von 40 bis 80 mm. Der faserverstärkte
ultrahochfeste Beton wird entsprechend dem Anwendungszweck im Zusammenhang mit
dem flächigen
Bewehrungselement in Bezug auf Frischbetoneigenschaften und Fasergehalt
abgestimmt. Dabei sind Fasergehalte von 0,5 bis 5 Vol.-% zweckmäßig. Der
Beton sollte mindestens die Fließeigenschaften der Konsistenzklasse
F6 nach DIN 1045-2 besitzen [DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton
und Spannbeton; Teil 2: Beton-Festlegung, Eigenschaften, Herstellung
und Konformität, Anwendungsregeln
zu DIN EN 206-1, 07/2001]. Die Fließeigenschaften sind abhängig von
der Faserlänge
und dem Fasergehalt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen,
wenn der Beton mit selbstverdichtender Eigenschaft Stahlfasern verschiedener Längen zwischen
3 und 30 mm enthält,
vorzugsweise mit einer Länge
zwischen 6 mm und 13 mm. Hierbei beträgt der Fasergehalt vorteilhaft
1,5 Vol.-%.
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Durch
die Verwendung eines Bewehrungsbleches aus zugfestem Material in
der erfindungsgemäßen Weise
werden die Stahlfasern beim Gießen des
Betons in die Haupttragrichtung umgelenkt, wodurch die Effektivität der Fasern
deutlich erhöht
wird und somit die Faserzugabe unter 3 Vol.-% gesenkt werden kann.
Innerhalb der Perforationen des Bewehrungsbleches nehmen die Fasern
eine zur Blechebene senkrechte Ausrichtung ein. Der Verbund zwischen
dem Beton oberhalb und unterhalb des Bewehrungselements wird hierdurch
verbessert, so dass ein vergleichsweise großer Lochabstand im Bewehrungsblech
nicht zur Abplatzung der Betondeckung führt. Wegen der hohen Dichtigkeit
von faserverstärktem
ultrahochfestem Beton kann die Betondeckung gering gehalten werden.
Die erfindungsgemäße Verbundkonstruktion
kann mit sehr geringer Dicke ausgeführt werden. Dünne aber
hochtragfähige
Konstruktion ist sehr vorteilhaft bei Sanierung bzw. Verstärkung von
bestehenden Bauwerken.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
in
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1 einen
schematisierten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verbundkonstruktion,
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2 eine
stilisierte perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bewehrungsblechs
und
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3 ein
Bewehrungsblech in ausgeführter Form.
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Die
erfindungsgemäße Verbundkonstruktion besteht
gemäß 1 aus
einem ultrahochfesten Beton 1 mit verstärkenden Stahlfasern 3 und
einem dünnen
Stahlblech 2 als Bewehrung zur Zugspannungsaufnahme. Das
Bewehrungsblech 2 ist mit Perforationen 21 versehen,
die verschiedene Durchmesser aufweisen können. Die Perforationen 21 sind
an den Rändern 22 gewölbt. Die
Stahlfasern 3 sind durch das Bewehrungsblech 2 beim
Gießen
des Verbundteils ausgerichtet angeordnet, indem die Fasern 3 der
Geometrie des Bewehrungsblechs 2 und insbesondere den Perforationen 21 folgen,
so dass vier Bereiche unterscheidbar sind. Der volumenintensive Bereich
A ist gekennzeichnet durch eine unregelmäßige Anordnung der Stahlfasern 3A.
Er nimmt im Wesentlichen den gesamten oberen, von keinen Hindernissen
beeinflussten Bereich der Verbundkonstruktion ein. In den Bereichen
C und D sind die Fasern 3C und 3D aufgrund des
Wandeffekts parallel zur Blechebene ausgerichtet, wobei der Bereich
C oberhalb und unterhalb des Bewehrungsblechs 2 den Grenzbereich
zum Bewehrungsblech 2 und der Bereich D den Grenzbereich
zur Schalung bezeichnet. Im Bereich B indes zeigt sich eine Faserausrichtung 3B durch
die Perforationen 21 tretend zur Blechebene.
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Zur
Verdeutlichung der Geometrie des Bewehrungsblechs 2 zeigt
die 2 eine stilisierte perspektivische Ansicht und 3 ein
Bewehrungsblech 2 in ausgeführter Form. Gemäß 2 weist das
Bewehrungsblech 2 eine Anzahl Perforationen 21 auf,
die als gestanzte Löcher
mit aufgewölbtem Rand 22 ausgebildet
sind. Die Perforationen 21 mit einem Durchmesser von 40
mm sind in einem Raster mit dem Lochabstand 4 zueinander
angeordnet, in dessen Füllbereichen
weitere Perforationen 21 mit geringem Durchmesser vorgesehen
sind. Lochabstand 4 und Lochdurchmesser können anwendungsspezifisch
gewählt
werden. So zeigt 3 eine konkrete Ausführungsform
mit relativ stark aufgelockerten Füllbereichen, indem die Füllbereiche
zwischen jeweils vier großen
Perforationen 21 auch vier kleine Perforationen 21 aufweisen
und darüber
hinaus die Brückenbereiche
zwischen jeweils zwei großen
Perforationen 21 eine kleine Perforation 21 aufweisen.
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Entsprechend
des Durchmessers der Perforation 21 sind die aufgewölbten Ränder 22 ausgebildet.
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Die
erfindungsgemäße Verbundkonstruktion kombiniert
die blechspezifischen Eigenschaften mit den Vorteilen eines ultrahochfesten
Faserbetons, so dass die Wirtschaftlichkeit des Faserbetons verbessert
sowie Tragfähigkeit
und Duktilität
des Bauteils erhöht
werden, indem das Zugkraftaufnahmepotential durch die automatisch
beim Gießen
des Betons entstehende, dem Tragverhalten angepasste Ausrichtung
der Stahlfasern vergrößert wird.