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Vorbeanspruchter Träger Die Erfindung bezieht sich auf einen vorbeanspruchten
Träger, der aus Beton und Stahl zusammengesetzt ist.
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Heutzutage werden fast alle Bauwerke, seien es Wohnhäuser, industrielle
Bauten oder Uberführungen, Brücken, usw., mit einem Skelett aufgebaut, das beispielsweise
die Stockwerke trägt und gemischte Beton-Stahl-Träger enthält.
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Im folgenden sei insbesondere auf diese gemischten Träger Bezug genommen,
die man mit Stahiprofilen oder mit einem Betonguß erhält, der diese Profile umgibt.
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Diese so angefertigten Träger weisen im abgeladenen Zustand praktisch
keine Innenspannungen auf, während mit der Belastung negative Spannungen (Druck)
auf der neutralen Gesamtachse und positive Spannungen (Zug bzw. Traktion) unter
dieser neutralen Achse auftreten. Hieraus folgt, daß die Belastung in dem Träger
nur Belastungen schafft, die vom Wert dieser Belastungen abhängig sind; während
Jedoch der Stahl sowohl mit Zug als auch mit Druck arbeitet, so arbeitet der Beton
nur mit Druck, weshalb der Beton in der Stützkraft nur auf den oberen Schichten
der neutralen Achse mitwirkt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen aus Beton und
Stahl bestehenden gemischten Träger anzufertigen, der bereits mit Spannungen vorbelastet
ist, die den Spannungen der Belastung entgegengesetzt sind.
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Erfindungsgemäß wird dies im wesentlichen dadurch erreicht, daß ein
Stahlträger in seinem unter der neutralen Achse liegenden, von Zugbelastungen beanspruchten
unteren Teil mit einer Betonstruktur und mit wenigstens einer Spannungs-Zugstange
in der Weise versehen ist, daß sowohl der Stahlträger als auch die Betonstruktur
oder nur der Beton durch die Zugstangen eine Vorspannung erhalten, die den von den
Belastungen hervorgerufenen Spannungen entgegengesetzt ist.
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Der Stahlträger wird in seinem unteren Teil zusammen mit einer Zugstange
oder mit mehreren Zugstangen in eine Betonstruktur einbetoniert. Wenn nach dem Abbinden
dieses Trägers die Zugstangen gespannt werden, so rufen sie - da sie sich im unteren
Teil des Trägers befinden - Spannungen (im Stahl) hervor, die den Spannungen der
Belastungen entgegengesetzt gerichtet sind; im Beton treten ebenfalls nur Druckspannungen
auf, wobei auch diese den Spannungen der Belastungen entgegengesetzt sind, die im
unteren Zugabschnitt wirken. Selbstverständlich werden solche negativen Vor-Druckspannungen
des Betons von größerem Wert sein, so daß der Beton stets mit Vorspannung und nie
mit Zug oder mit beschränkten Zugspannungen arbeitet.
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Von den bekannnten vorgespannten Trägern läßt sich dies nicht sagen.
Es sind zwar vorgespannte Träger im Ifandel, doch handelt es sich hierbei um einfache
Betonträger mit ausgebauchten Zugstangen. Es gibt zwar auch vorgespannte Träger
aus
Stahlprofil mit Betonstruktur, Jedoch werden diese anders hergestellt, indem ein
Träger zunächst in den Bindungen bzw.
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Halterungen verformt wird, und zwar in entgegengesetzter Richtung
zu der Verformung der Belastungen, worauf dann die Betonstruktur gegossen wird.
Nach dem Austrocknen des Betongusses wird der Träger von den Bindungen befreit.
Demzufolge ruft der Stahlträger auf den Beton eine entgegengesetzte Spannung hervor,
und zwar entgegengesetzt zu den Spannungen, die von den Belastungen hervorgerufen
werden; es bleiben dagegen im Stahl restliche Spannungen von demselben Vorzeichen
wie die, die von den Belastungen hervorgerufen werden. In solchen bekannten vorgespannten
Trägern wird daher der Widerstand des Betons verbessert, im Gegensatz dazu verschlechtert
sich jedoch der Widerstand des Trägers.
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Bei der erwähnten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird dagegen
die Widerstandsfähigkeit sowohl der Betonstruktur als auch des Stahlträgers verbessert,
da die Vorspannung in beiden Fällen entgegengesetzte Belastungspannungen hervorruft.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung lassen sich aus der folgenden
Beschreibung sowie aus der Zeichnung einiger Ausfuhrungsbeispiele entnehmen. Es
zeigen Fig.1 eine Seitenansicht eines vorbeanspruchten, zusammengesetzten Beton-Stahl-Trägers
mit einem iiormalen Doppel-T-Träger; Fig.2 einen Querschnitt durch den zusammengesetzten
Träger gemäß Fig.1;
Fig. 3 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, mit einem zusammengesetzten Träger, der einen Doppel-T-Breitflanschträger
enthält; Fig. 4 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
mit einem T-StahltrSger; Fig. 5 und 6 Querschnitte durch erfindunsgemäß zusammengesetzte
Träger mit Doppel-T-Stahlträgern und unsymmetrischen Flanschen; Fig. 7 einen Trägerquerschnitt
und die dazu gehörigen Spannungsdiagramme eines in Stahl und Beton vorgespannten,
zusammengesetzten Trägers; Fig. 8 einen weiteren Trägerquerschnitt und die dazu
gehörigen Spannungsdiagramme eines zusammengesetzten, nur im Beton vorgespannten
Trägers; Fig. 9 einen anderen Trägerquerschnitt und die Spannungsdiagramme, ähnlich
wie Fig. 7, Jedoch mit einem zusammengesetzten Träger, der mit einem Ergänzungsguß
ausgestattet ist; Fig.lO einen Trägerquerschnitt mit den dazu gehörigen Spannungsdiagrammen
für einen Trager ähnlich Fig.7, der Jedoch mit einer mitarbeitenden Stahlbetonsohle
ausgestattet ist.
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Der in den Fig.1 und 2 veranschaulichte zusammengesetzte Träger umfaßt
ein Stahlprofil A (das in diesem Falle ein Doppel-T-Profil ist), um dessen unteren
Teil ein Betonguß C vorgesehen ist. Durch zweckmäßige Sprossen, Bügel oder dgl.
ergibt sich aus dem Stahlträger mit dem Beton ein einstückiges Element.
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In dem Beton wird eine Zugstange oder zwei oder mehrere Zugstangen
T aus Stahldrahtseilen angeordnet, die zum Zusammendrücken des Ganzen in einer Phase
oder in zwei Phasen dienen. Die Zugstangen T können mit dem Ende des Stahlträgers
oder mit dem Ende der Betonstruktur verbunden werden.
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Im erstgenannten Fall wird sich die Vorspannung sowohl auf den Stahlträger
als auch auf den Beton auswirken; i zweiten Falle sind zwei Lösungen denkbar, und
zwar: a) Wenn der Beton mit dem Stahlträger verbunden ist, dann erzeugen die Zugstangen
Spannungen sowohl im Beton als auch im Träger; b) ist der Beton nicht mit dem Stahlträger
verbunden, dann erzeugen die Zugstangen nur im Beton Spannungen, während der Träger
ohne Vorspannungen bleibt.
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Bei dieser Lösung werden die Verbindungen zwischen Beton und Träger
nach den Spannungen hergestellt, was praktisch beim Anbringen erfolgt.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Zugstangen anstatt mit den Enden
des Trägers auch mit Zwischenstellen zu verbinden.
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Aufgrund des oben Gesagten dürfte klar sein, daß mit der Vorspannung
in dem Träger ZU£- und Druckspannungen erzeugt werden, die den von den Belastungen
hervorgerufénen
Spannungen entgegengesetzt sind, und daß auf dem
tiefer angebrachten Beton Druckspannungen erzeugt werden, die höher und den Zugspannungen
entgegengesetzt sind, die von den Belastungen hervorgerufen werden.
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Diese Wirkung wird in den Fig. 7 bis 10 näher erklUrt, wobei mit
a und c die beim Vorspannen auftretenden Spannungen auf den Profilstahl A bzw. den
Beton C angegeben werden; bei a', c' und g' handelt es sich um die von den Belastungen
hervorgerufenen Spannungen auf den Profilstahl, den Beton bzw. auf einen Ergänzungsguß
G oder auf die Sohle G; bei a", c" und g" handelt es sich um Endspannungen, die
auf den Stahl, auf den Betonguß (Betonstrukturguß) bzw. auf den Ergänzungsguß oder
auf den Sohlenguß hervorgerufen werden.
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Mit n ist die neutrale Achse des Stahlträgers bezeichnet, n' gibt
die neutrale Achse des zusammengesetzten, vorgespannten Beton-Stahl-Trägers an,
während mit n" die neutrale Achse des zusätzlich mit Zusatzgüssen G und G' zusammengesetzten
Trägers bezeichnet ist.
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Die oben beschriebenen und in der Zeichnung im einzelnen veranschaulichten
Träger können für Jede beliebige Stahlkonstruktion verwendet werden, sofern eine
sich nicht über die ganze Länge des Trägers erstreckende Betonstruktur vorgesehen
werden kann, wobei dann die Enden des Stahlträgers frei bleiben, damit sie für Schraubverbindungen
bearbeitet, verschweißt oder vernagelt werden können.
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Wach dem zuvor Gesagten erfahren die Zugstangen nach Abbinden des
Betongusses eine Zugwirkung; es sei Jedoch festgestellt, daß erfindungsgemäß das
vorbestimmte Ergebnis durch Ausübung einer Zugwirkung auf die Zugstangen vor dem
Betongießen erzielt wird. Hierbei üben die von ihren Bindungen befreiten, unter
Zug stehenden Zugstangen nach dem
Abbinden des Betons eine Druckwirkung
auf die Betonstruktur und/oder auf den Träger aus.
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Die erfindungsgemäßen Träger, die bei Jedem beliebigen Konstruktionssystem
verwendbar sind, können in vorteilhafter Weise mit niedrigen Höhen (kleinsten Raumbedarf)
die vorgesehenen lichten Spannweiten überwinden und die erforderlichen Nutz- bzw.
Überlasten aufnehmen, was unter den Bedingungen der vorbestimmten Durchbiegungen
erfolgt. Diese erfindungsgemäßen Träger sind weiterhin imstande, gegenüber den bekannten
Ausführungen bei gleichen geometrischen Bedingungen größere überlastet aufzunehmen.
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Durch die Verminderung der Höhe oder des Gewichts eines solchen erfindungsgemäßen
Trägers können Kostenersparnisse und sonstige Verbesserungen erzielt werden. Dies
wirkt sich beispielsweise in einer Verringerung der Länge und des Gefälles von Zugangsrampen
zu Brücken und Überführungen aus.
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Hierdurch ergibt sich indirekt eine Ersparnis bei den Erdarbeiten,
bei den zugehörigen Stützmauern für Erdwälle, bei den Kosten für die Bodenbeschaffung
usw. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit, die lichte Weite der Träger bei Bauwerken
zu vergrößern, ohne daß die TrUgerhöhe vergrößert wird; außerdem. ergibt sich eine
Verminderung der Gesamthöhe von Bauwerken. Auf den Säulen, den Schultern und den
Fundamenten im allgemeinen werden die Gesamtbelastungen ebenfalls vermindert.
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Im Vergleich zu den traditionellen Trägern können bei einem Bausystem
mit den erfindungsgemäß ausgeführten Trägern vor allem folgende Vorteile erzielt
werden: - Kleinere Höhe bei gleicher lichter Weite und Belastung; - größere Biegesteifigkeit;
- durch Vorbeanspruchung erzielte Gegendurchbiegung anstelle von Warmebearbeitung
oder Kaltbearbeitung in einer Werkstätte;
- Schutz gegen Feuer und
Oxydationen des am meisten beanspruchten unteren Randes, wobei diese Schutzwirkung
- wie bereits angedeutet - auf den mittleren Teil und oberen Teil des Trägers durch
einen etonmantel ausgedehnt werden kann; - vereinfachtes Anbringen, Montieren und
Verbinden mit anderen Bauelementen (aufgrund der leichteren Ausführung); - bessere
Wirtschaftlichkeit bei der Materialverwendung; - der sich ergebende Veränderungsbereich
des Spannungszustandes des Stahles wird unter der Wirkung zufällig auftretender
Belastungen beträchtlich herabgesetzt, woraus sich eine beträchtliche Verminderung
der Gefahren durch Überbeanspruchung ergibt; - bei gleichbleibenden Verhältnissen
zur lichten Weite und zur Höhe des Trägers ergibt sich ein größerer Wert im Verhältnis
zwischen der Nutzbelastung und dem Eigengewicht; - es besteht die Möglichkeit der
Verwendung von Stählen mit niedrigerer Kerbschlagzähigkeit (bessere Wirtschaftlichkeit),
da die Betonstruktur den Stahlträger vor thermischen Sprüngen mit niedriger Temperatur
schützt; - es besteht die Möglichkeit einer schnelleren Fertigung (z.B. durch schnelleres
Abbinden); - wenn die Länge des Trägers einen Transport auf der Straße ausschließt,
so kann der Träger auf dem Bauplatz gefertigt werden, wobei in diesem Falle dann
die Betonsturktur und die Vorspannung an Ort und Stelle ausgeführt werden; - die
Breite der Betonstruktur gestattet schließlich einen weiten Stützsitz zum Anbringen
von Stützbogenkrümmungen beim Guß einer evtl. oberen Sohle.
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Die oben beschriebene und mit ihren Einzelheiten in der Zeichnung
veranschaulichte Erfindung kann bei allen möglichen Trägern verwendet werden, die
in Bauwerken gebräuchlich sind, wobei für den Jeweiligen Anwendungsfall der Träger
den Erfordernissen angepaßt werden kann.