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Vorrichtung zur Verankerung von Zuggliedern aus
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hochfesten Werkstoffen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, bestehend
aus Ankerkörper und Ankerhülse, zur Verankerung eines Zuggliedes, das aus einem
oder mehreren Stäben, Strängen, Litzen oder Seilen aus hochfesten Werkstoffen besteht,
wobei die Stäbe, Stränge, Litzen oder Seile im Querschnitt des Ankerkörpers geordnet
geführt sind.
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Die Entwicklung hochfester Werkstoffe hat es ermöglicht, Konstruktionen
im Bereich des Ingenieurbaus zu erstellen, die freitragend große Spannweiten überbrücken
oder hohen Belastungen standhalten. Von besonderer technischer und wirtschaftlicher
Bedeutung sind in diesem Zusammenhang Stahl und faserverstärkte Kunststoffe. Bei
den faserverstärkten Kunststoffen haben sich insbesondere glasfaserverstärkte Kunststoffe
durchgesetzt; im Vergleich zu Stahl ist besonders deren geringes spezifisches Gewicht
und die Korrosionsbeständigkeit vorteilhaft.
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Bei der gebräuchlichen Verankerung von Zuggliedern aus Stahl lassen
sich nach gängigen Verfahren, z.B. Klemmverbindungen, sehr hohe Kräfte übertragen.
In allen Einsatzgebieten, wo diese Zugglieder der Witterung ausgesetzt sind, sind
jedoch regelmäßig sich wiederholende Korrosionsschutzmaßnahmen, z.B.
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in der Form von Anstrichen, erforderlich. Derartige Verankerungen
sind im allgemeinen aufwendige Konstruktionen und gewährleisten nicht immer eine
gleichmäßige Krafteinleitung.
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Obwohl faserverstärkte Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit,
ihrer hohen Festigkeit und ihres geringen Gewichtes für viele Einsatzgebiete besonders
vorteilhaft wären, sind einfache und wirtschaftliche Lösungen für die Verankerung
von Zuggliedern bisher nicht gefunden worden. Es ist z.B. nicht möglich, große Kräfte
in Faserverbundwerkstoffe über Klemmverbindungen einzuleiten, wie dies beim Stahl
üblich ist. Das gleiche gilt für Bolzenverbindungen, Verschraubungen und Verklebungen.
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Es genügt auch nicht, wie in der deutschen Offenlegungsschrift 2 515
423 beschrieben ist, daß zwischen jedem Verbundstrang und jeder ihm zugewendeten
Klemmfläche eine geschmeidige Zwischenlage angeordnet und mittels dieser der Klemmdruck
praktisch isostatisch auf den Verbundkörper bzw.
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dessen Mantel übertragen wird. Zwar können damit Spannungsspitzen
durch elastische oder plastische Zwischenlagen innerhalb der Klemmlänge abgebaut
werden, nicht aber die Spannungsspitzen an der Einspannstelle selbst.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Vorrichtung zur Verankerung
von Zuggliedern aus hochfesten Werkstoffen zu entwickeln. Die hohe Festigkeit, insbesondere
der faserverstärkten Verbundwerkstoffe, soll stärker als bisher ausnutzbar
sein.
Korrosionsbeständigkeit, wirtschaftliche Herstellung und Sicherheit der Verankerung
spielen eine wichtige Rolle.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Ankerkörper, der die Kraft
aus dem Zugglied übernimmt und an die ihn umgreifende und stützende Ankerhülse weiterleitet,
aus einem Bindemittel besteht, dessen Verformungs- und Festigkeitseigenschaften
derart auf die des Zuggliedes abgestimmt sind, daß der Ankerkörper den unterschiedlichen
Längsverformungen von Zugglied und Ankerhülse zu folgen vermag und dabei seine Haftung
zu beiden erhalten bleibt.
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Die erfindungsgemäßen Krafteinleitungselemente eignen sich für metallische
Werkstoffe. Beispielsweise lassen sich die Verankerungen von Abspannseilen oder
die Koppelung von Spanngliedern einfach und wirtschaftlich korrosionssicher herstellen.
Sie sind jedoch auch besonders geeignet für die Verankerung faserverstärkter Verbundwerkstoffe.
Für Faserverbundwerkstoffe ist kennzeichnend, daß die an der Oberfläche eingeleiteten
Kräfte über Schubspannungen in der Matrix vom Rand auf den ganzen Querschnitt des
Faserverbundwerkstoffes verteilt werden müssen. Dies war z.B. bei dnidirektionalem
Glasfaserkunststoff mit hohen Glasgehalten, bei den hochfesten Stählen vergleichbare
Bruchfestigkeiten erreicht werden, aufgrund der großen Festigkeitsunterschiede in
Faserrichtung und senkrecht dazu besonders schwierig. Durch die erfindungsgemäßen
Vorrichtungen werden die hohen Festigkeiten ausnutzbar. Hohe Kräfte können sicher
aufgenommen und weitergeleitet werden.
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Das Zugglied ist zumindest in dem Bereich, wo die Zugkraft eingeleitet
wird, in Einzelstränge aufgelöst. Diese Stränge werden geordnet in eine Substanz
eingebettet, die in ihren elastischen Eigenschaften auf den Werkstoff
des
Zuggliedes abgestimmt ist und eine ausreichende Haftfestigkeit gewährleistet. Die
Ankerhülse erfüllt einerseits eine Stützfunktion für die gießfähige Substanz und
die eingebetteten Stränge, außerdem ermöglicht sie die Weiterleitung der Zugkräfte
in die umgebende Konstruktion. Die geordnete Einbettung der Einzelstränge im Ankerkörper
und die aufeinander abgestimmten elastischen Eigenschaften der gießfähigen Substanz
- anschaulich als Einbettmasse bezeichnet - und der Stäbe, Stränge, Litzen oder
Seile des Zuggliedes verhindern den Aufbau sonst unvermeidlicher Spannungsspitzen,
die die Sicherheit gegen ein Versagen der Verbindung erheblich herabsetzen würden.
Ein gleichmäßiger Abstand der Stäbe (Drähte, Litzen oder Seile) sorgt für eine gleichmäßige
Spannungsverteilung über den Querschnitt des Ankerkörpers.
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Die Ordnung der Stäbe, Stränge, Litzen oder Seile im Querschnitt des
Ankerkörpers ist wesentlich. In den meisten Fällen stimmt die Ordnung mit der Symmetrie
des Zuggliedes überein. Der häufigste Fall dürfte Radialsymmetrie sein.
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Die Anordnung der Stäbe, Stränge, Litzen oder Seile im Bereich des
Ankerkörpers wird bei der Herstellung üblicherweise durch Schablonen gesichert.
Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn die Abstände untereinander größer sind
als etwa der 0,3-fache Durchmesser der Stäbe.
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Der Ankerkörper hat die Aufgabe, die Kraft aus dem Zugglied zu übernehmen
und an die sie umgreifende und stützende Ankerhülse weiterzuleiten. Dies ist dadurch
möglich, daß die Einbettmasse, aus der er aufgebaut ist, an Stab und Ankerhülse
haftet.
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Wesentlich ist die Verformbarkeit des Ankerkörpers; nur deshalb lassen
sich die unterschiedlichen Längsverformungen von Stab und Ankerhülse überbrücken,
ohne daß die Haftung zu beiden verlorengeht. Als Kraftübertragungselement muß der
Ankerkörper relativ hohe Druck- und Schubfestigkeiten aufweisen. Ein bevorzugter
Bereich der Druckfestigkeit des Ankerkörpers liegt bei etwa einem Zehntel der Zugfestigkeit
der hochfesten Werkstoffe.
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Die Ankerhülse stützt den Ankerkörper z.B. gegen Spalt-Zugkräfte und
übernimmt aus den Anzerkörper die Zugkräfte und leitet sie in das Bauwerk ein. Durch
geeignete Formgebung wird erreicht, daß die Sicherheit der Verbindung zusätzlich
erhöht wird und/oder das Krafteinleitungselement selbst kleiner gestaltet werden
kann. Bei erfindungsgemäßer Geonetrie der Ankerhülse z.B. als Konus wird sowohl
eine Stützung der Einbettmasse gegenüber der Ankerhülse als auch eine Stützung der
Stränge des Zuggliedes durch Druckvorspannungen erzielt.
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erst durch das Zusammenwirken der beschriebenen Einzeleffekte wird
die gestcllte Aufgabe gelöst. 3ci er£indungsgemaßer Aus-~ C-unb der Verankerungsvorrichtung
werden die Zugkräfte über die Verbindung zwischen Ankerkörper und Zugglied auf den
Ankert.örper übertragen. Die auf den Ankerkörper wirkenden Kräfte werden durch die
Haftverbindung zwischen Al.crlSörper und der als Kraftweiterleitungselement ausgebildeten
Ankerhülse in die Ankerhülse eingeleitet. Durch entsprechende Ausbildung der Ankerhülse
kann zusätzlich eine Abstützung des Ankerkörpers erreicht werden.
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Mögliche Einzelquerschnitte der Einzelstränge sind z.B. Kreis und
Dreirund. Bevorzugt werden regelmäßige euerschnittsforman,
die
bei gleicher euerschnittsfläche einen möglichst großen Unfang aufweisen.
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Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgenäßon Verankerungssorrichtung
ist die regelmäßige Anordnung der Einzelstran6e, die einen gleiciinäß.igen Kraftfluß
und eine vorteilhafte Einbringung des Ankerkörperwerkstoffs gewährleisten soll.
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Es ist vorteilhaft, die Innenoberfläche des Ankerkörpers durch eine
geeignete Profilierung zu vergrößern und/oder den Ankerkörper in Längsrichtung keilförmig
bzw. konisch oder trompetenförmig auszubilden.
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Die Weiterleitung der vom Zugglied über den Ankerkörper in die Ankerhülse
eingeleiteten Kräfte in ein Bauglied kann nach dem Stand der Technik z.B. durch
Schraubverbindungen, Bolzenverbindungen oder Schweißverbindungen erfolgen. Die Ankerhülse
kann auch integrierter Bestandteil des Bauteils, in das die Zugkraft eingeleitet
wird, sein.
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Die erfindungsgemäßen Verankerungsvorrichtungen eignen sich für beliebige
hochfeste Werkstoffe. Sie können mit besonderem Vorteil für Faserverbundwerkstoffe,
z.B. für unidirektionale Glasfaserkunststoffe, für die bisher noch keine praktikablen
Kraftübertragungsvorrichtungen bekannt sind, eingesetzt werden, um deren sehr hohe
Festigkeiten ausnutzen zu können.
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Als Werkstoffe für Ankerkörper eignen sich vornehmlich füllstoffhaltige
Systeme auf der Basis vernetzbarer Reaktionsharze, z.B. ungesättigte Polyester-,
Epoxyd- oder Polyurethan-Harze. Als Füllstoffe kommen alle inerten anorganischen
Materialien infrage, die mit dem jeweils verwendeten Bindemittel verträglich sind
und geeignet sind, dessen physikalische Eigenschaften, insbesondere Moduln und Festigkeiten
zu verbessern. Derartige Ankerkörperwerkstoffe
können darüber hinaus
noch weitere Zusatzstoffe, wie z.B.
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Verarbeitungshilfsmittel, Haftvermittler oder Flammschutzmittel enthalten.
Es eignen sich als Ankerkörperwerkstoffe auch noch andere Bindemittelsysteme, die
mit dem jeweils verwendeten Werkstoff des Zuggliedes verträglich sind, z.B.
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kunststoffmodifizierte füllstoffhaltige hydraulische Bindemittel.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und im folgenden näher erläutert.
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Die zylindrische Form des in Figur 1 dargestellten Ankerkörpers 1
ist durch eine metallische Ankerhülse 2 festgelegt. Die Stäbe 3 des Zuggliedes müssen
im Inneren des Ankerkörpers 1 geordnet sein. Üblicherweise werden bei der Herstellung
die Stäbe 3 durch Schablonen 4 im Ankerkörper 1 geführt, die nach dem Einfüllen
des Ankerkörperwerkstoffes am Ankerkörper verbleiben. Auf der anderen Seite der
Ankerhülse 2 ist zur Krafterweiterung ein Innengewinde 5 vorgesehen.
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Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Ankerkörper nach Figur 1.
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Die Ziffern haben die gleiche Bedeutung wie dort.
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In dem in Figur 3 dargestellten Ankerkörper sind die Stäbe 3 anders
angeordnet und die Querschnitte der Stäbe dreieckig.
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Figur 4 zeigt eine rechteckige Querschnittsform der Ankerhülse.
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In den Figuren 5 und 6 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verankerungsvorrichtung dargestellt. Die Ankerhülse 6 ist im Querschnitt rund und
im Längsschnitt konisch ausgeführt. Die Kraftweiterleitung erfolgt über ein
Außengewinde
7. Der Querschnitt der Stäbe ist kreisförmig. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform
ist die zusätzliche Stützung des Ankerkörpers durch Querdruckkräfte, die zu einer
besonders kurzen Bauform der Verankerungsvorrichtung führt.
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Figuren 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Spannverbindung
mit einem rechteckigen Querschnitt bei keilförmiger Ankerhülse 8. Der Querschnitt
der Stäbe 3 ist hier elliptisch. Die Ausführungsform ist sehr kompakt aneinanderzureihen
und erlaubt auch einfache Kopplungen durch Schraubverbindungen.
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In den Figuren 9 und 10 sind besonders vorteilhafte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Verankerungsvorrichtungen dargestellt. Zur Verbesserung der
Haftungsverhältnisse zwischen Ankerhülse 9 und Ankerkörper 10 wird die innere Oberfläche
der Ankerhülse 9 vergrößert. Durch eine wellenförmige Faltung der Mantelfläche der
Ankerhülse ist, wie in Figur 10 dargestellt, eine Oberflächenvergrößerung möglich.
Es ist auch, wie in Figur 9 gezeigt, eine konische Ausbildung der Ankerhülse in
der Form möglich, daß der Konus in Längsrichtung aus mehreren aneinandergereihten
Einzelkonen besteht, wodurch ebenfalls eine Stützung der Stäbe durch Querdruckkräfte
erreicht wird.
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Die beiden in Figur 9 und 10 angedeuteten Möglichkeiten der Oberflächenvergrößerung
und Stützung können natürlich auch kombiniert sein. Diese Ausführungen gewährleistet
eine hohe Sicherheit gegen Versagen der Verbindung bei besonders kleiner Bauform.
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Die Figuren 11 bis 13 zeigen die Verankerung eines Zuggliedes, in
einer bewehrten 13 Ankerhülse 11, die integrierter Bestandteil eines Bauwerkes ist.
Die einzelnen Stäbe 3 der Zugglieder haben angeformte Ankerkörper 12 aus einem füllstoffhaltigen
Reaktionsharz. Die Form der Ankerkörper ist in Figur 11 konisch, um zusätzlich zur
Haftung zum umgebenden Beton eine Stützwirkung mit Druckvorspannungen zu erzielen.
Die Bewehrung 13 dient zur Aufnahme von Spalt-Zugkräften. Bei Figur 13
sind
die Ankerkörper 14 zylindrisch. Zur Erhöhung der Belastbarkeit sind die Oberflächen
15 profiliert. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für die Verankerung
von Spannelementen bei Spannbetonkonstruktionen.
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Die Ankerhülse der erfindungsgemäßen Verankerungsvorrichtung kann
Bestandteil eines Spannbetonbauwerkes auch in der Form sein, wie es in den Figuren
14 und 15 dargestellt ist. Als Ankerkörper dient ein im Querschnitt rundes Formstück
16, z.B. aus füllstoffhaltigem, vernetztem, ungesättigtem Polyesterharz. Die Ankerhülse
besteht aus der Bewehrung 13 und dem den Ankerkörper umgebenden Beton 11. Ihre konische
Innenfläche ist in Einzelkonen aufgeteilt. Die Verankerung der Einzelstäbe 3 des
Zuggliedes kann bei der Ausbildung als festes Ankerende unmittelbar durch Vergießen
mit der Vergußmasse 18 erfolgen. Die gleiche Ausführung eignet sich auch für das
Vorspannende.
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Figur 15 zeigt konische Ankerkörper 12, die aus einem füllstoffhaltigen
Reaktionsharz bestehen und an die Einzelstäbe 3 eines Zuggliedes angeformt sind.
Sie ermöglichen das Aufbringen von Vorspannkräften, z.B. mit einer Spannvorrichtung
nach Figur 17. Sie sind besonders für Faserverbundwerkstoffe geeignet, die nicht
durch die bei Stahl üblichen Klemmvorrichtungen vorgespannt werden können. Nach
dem Aufbringen der Vorspannung wird der eigentliche und verbleibende Ankerkörper
in einem weiteren Arbeitsgang durch Vergießen mit dem gleichen oder einem anderen
füllstoffhaltigen Reaktionsharz hergestellt.
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Eine mehrschalige Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt
Figur 16. Sie besteht aus der äußeren Ankerhülse 19, einem Zwischenstück 20, das
gleichzeitig als Schablone ausgebildet ist und das mit der äußeren Ankerhülse verschraubt
ist, sowie aus der inneren Ankerhülse 21, die einerseits
das Zwischenstück
20 trägt und zum anderen mit dem Gewinde 22 zur Kraftweiterleitung dient. Innenschale
21 und Außenschale 19 weisen jeweils gleichsinnige Einzelkonen auf. Dieses Krafteinleitungselement
bietet eine vorteilhafte Kraftweiterleitung durch einen einfachen Gewindebolzen.
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Eine weitere mehrschalige Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die sich besonders für hochfeste Faserverbundwerkstoffe eignet und auch als temporäre
Spannvorrichtung verwendbar ist, ist in Figur 17 dargestellt. Sie besteht aus einem
metallischen Ring 23 mit konischen Bohrungen 24, der als Ankerhülse für die Einzelstäbe
3 des Zugelementes dient. An die Einzelstäbe 3 aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
sind Konen 12 aus einem füllstoffhaltigen Reaktionsharz angeformt. Die kraft- und
formschlUssige Verbindung zwischen Konen (Ankerkörpern) und Ankerhülsen kann durch
eine Zwischenschicht 25 aus dem gleichen oder aus einem anderen füllstoffhaltigen
Reaktionsharz verbessert werden. Die Weiterleitung der in die Ankerhülsen eingeleiteten
Kräfte wird in diesem Beispiel durch eine Tragschraube 26 erreicht.
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Beispiel Bei einer nach Figur 5 aufgebauten Verankerungsvorrichtung
bestand die Ankerhülse aus Baustahl; der Kegelwinkel betrug ca. 180; die Hülse war
75 mm lang. Sie faßte 7 Rundstäbe aus unidirektional glasfaserverstärktem Kunststoff
mit einer Zugfestigkeit von 1350 MPa. Der Durchmesser eines Stabes betrug 5 mm.
Der Ankerkörper bestand aus einem ungesättigten Polyesterharz aus propoxyliertem
Bisphenol A und Fumarsäure in Styrol gelöst, gehärtet mit Benzoylperoxid (2 %) und
aus 37,5 % Sand und 75 % Quarzmehl (Prozentzahlen sind auf den Harzanteil bezogen)
als Füllstoff. Die Druckfestigkeit betrug 135 MPa, die Biegezugfestigkeit 46 MPa.
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Im Versuch wurde eine Tragfähigkeit von 179 kN erreicht.
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Bei dieser Last sind die GFK-Stäbe gebrochen.