DE4011486A1 - Betonrippenstahl mit kaltgewalzten schraegrippen und dessen verwendung - Google Patents
Betonrippenstahl mit kaltgewalzten schraegrippen und dessen verwendungInfo
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- E04C5/01—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings
- E04C5/02—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings of low bending resistance
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Description
Die Erfindung betrifft einen Betonrippenstahl mit einem
Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,24 Gewichts-% und einem
Mangangehalt von 0,2 bis 1,2 Gewichts-%, der kaltgewalzte
Schrägrippen aufweist, die ohne die Ausbildung einer Längsrippe
in Form von wenigstens zwei, in Richtung der Stab
längsachse verlaufenden Rippenreihen angeordnet sind.
Die bisher üblichen gerippten Betonstähle (Betonrippenstähle,
DIN 488) haben als wesentliche Gebrauchseigenschaften
neben der Streckgrenze die Bruchdehnung A₁₀ oder A₅ sowie
eine Rippengeometrie die einen ausreichenden Verbund
mit dem Beton sicherstellt.
In der Bundesrepublik Deutschland ist die Bemessung durch
DIN 1045 festgelegt. Danach darf nur nach linearem Bemessungs
verfahren gearbeitet werden. Lediglich in Sonderfällen
ist eine sogenannte Momentenumlagerung bis zu maximal 15%
zulässig.
Im Rahmen der europäischen Harmonisierungsbestrebungen werden
nunmehr Regelwerke für die Bemessung von Stahlbeton
(Eurocode 2), für seismische Beanspruchung (Eurocode 9) und
für Betonstähle EN 10080 erarbeitet bzw. liegen im Vorentwurf
vor.
Bei den Bemessungsverfahren gestattet man neben den rein
linearen Verfahren zusätzlich auch Verfahren, die mit erhöhter
Momentenumlagerung oder gar weitgehender Plastizität
arbeiten. Ein Maß für die Momentenumlagerung ist die "Gelenkrotation"
plastischer Gelenke die durch den Rotationswinkel
R erfaßt wird (Literaturhinweis: Langer "Verdrehfähigkeit
plastifizierter Tragwerksbereiche im Stahlbetonbau",
Mitteilungen 1987/1, Institut für Werkstoffe im Bauwesen,
Universität Stuttgart).
Wird im Bereich eines großen Momentes, z. B. an der Momentenspitze
unter einer Einzellast oder über der Zwischenstütze
eines Durchlaufträgers die Fließgrenze im Stahl der
Zuggurtbewehrung erreicht, dann nimmt die Krümmung bei
steigender Last dort örtlich über eine kurze Länge bei fast
gleichbleibendem Moment rasch zu. Es bildet sich ein plastisches
Gelenk. Die Durchbiegung infolge der Gelenkrotation
wird durch den Rotationswinkel im Bereich des plastischen
Gelenkes erfaßt. Dieser Rotationswinkel, das heißt
die Verdrehung an dieser Stelle setzt sich zusammen aus einer
elastischen Verdrehung und einer plastischen Verdrehung.
In Anlehnung an den CEB-Vorschlag (Literaturhinweis:
Eurocode No. 2 "Design of Concrete Structure" Part 1, Final
Draft (December 1988)) werden die Verdrehungsanteile wie
folgt definiert:
Gesamtverdrehung R
Die Gesamtverdrehung entspricht den über die Trägerlänge aufsummierten Krümmungen im Bruchzustand und damit den in Versuchen am Einfeldträger gemessenen Verdrehungen der Endquerschnitte.
Die Gesamtverdrehung entspricht den über die Trägerlänge aufsummierten Krümmungen im Bruchzustand und damit den in Versuchen am Einfeldträger gemessenen Verdrehungen der Endquerschnitte.
Elastische Verdrehung Rel
Der Träger wird bis zum Streckgrenzmoment belastet und die Krümmungen über die Trägerlänge aufsum miert.
Der Träger wird bis zum Streckgrenzmoment belastet und die Krümmungen über die Trägerlänge aufsum miert.
Plastische Verdrehung Rpl
Die plastische Verdrehung umfaßt die zusätzlichen Krümmungen, die nach Überschreiten des Streck grenzenmomentes bis zum Bruch des Trägers auf treten.
Die plastische Verdrehung umfaßt die zusätzlichen Krümmungen, die nach Überschreiten des Streck grenzenmomentes bis zum Bruch des Trägers auf treten.
Bemessungsverfahren bei denen örtlich plastische Verformungen
der Bewehrung, das heißt eine Gelenkrotation ausgenutzt
werden, benötigen Gebrauchseigenschaften des Betonstahls
die von den bisherigen Konzepten für lineare Bemessungsverfahren
abweichen. Die Gebrauchsfähigkeit von Betonstählen
bei denen örtlich plastische Verformungen in die Bemessung
einbezogen werden, ist im wesentlichen bestimmt durch
- - die Gleichmaßdehnung Ag
- - das Streckgrenzenverhältnis Rm/Re und
- - den Verbund.
In Fig. 1 ist der Einfluß der Gleichmaßdehnung Ag auf die
Verdrehfähigkeit dargestellt. Auf der X-Achse ist die Länge
eines an den Enden aufliegenden Trägers und auf der Y-Achse
die Krümmung aufgetragen. Die gestrichelte Kurve stellt die
Verhältnisse für einen Stahl 1 mit einer Gleichmaßdehnung
Ag von 2% und die ausgezogene Linie die Verhältnisse für
einen Stahl 2 mit einer Gleichmaßdehnung Ag von 5% dar. Es
ist ersichtlich, daß bei einer Vergrößerung der Gleichmaßdehnung
die Verdrehfähigkeit wesentlich erhöht wird. In das
Diagramm sind auch die Rotationswinkel R der Gelenkrotation
für die beiden Fälle eingetragen.
Fig. 2 stellt den Einfluß der Stahlkennlinie auf mögliche
Momentenumlagerungen in Abhängigkeit vom Verhältnis Zugfestigkeit/
Streckgrenze dar. Auch hier ist ersichtlich, daß
bei einer Vergrößerung dieses Verhältnisses die Summe aus
Verkehrs- und Eigenlast wesentlich vergrößert werden kann.
In Fig. 3 ist die Dehnung ε eines Betonrippenstahls an einem
Betonriß in Abhängigkeit vom Verbund dargestellt. Die
ausgezogenen Linien charakterisiert einen harten Verbund,
wie er bei hohen Rippen, die nahezu senkrecht zur Stabachse
verlaufen und einen großen Abstand voneinander aufweisen,
vorliegt, wobei das Dehnvermögen des Betonrippenstahls auf
den Bereich des Risses begrenzt ist; die punktierte Linie
charakterisiert einen weichen Verbund, bei dem sich das
Dehnvermögen und die Verformung des Betonstahls nicht auf
den Bereich des Risses beschränkt, da sich bei Erhöhung der
Spannung an den beiden Rißufern der Beton leichter vom
Stahl löst. Hierdurch wird eine größere freie Dehnlänge ge
schaffen.
Das Verbundverhalten von Betonstählen wird üblicherweise
durch die Festlegung eines Wertes für die bezogene Rippenfläche
fR beschrieben. Dieser Wert erfaßt das Verbundverhalten
nur für den elastischen Bereich der Spannungs-Dehnungslinie
des Stahles. Hierbei wird der Einfluß von Rippenhöhe
und Rippenabstand auf die Sprengwirkung, d. h. auf
ein frühzeitiges Verbundversagen aufgrund auftretender Verschiebungen
zwischen Stahl und Beton nicht berücksichtigt.
Bei einer Bemessung des Bewehrungselementes unter Ausnutzung
örtlicher plastischer Verformungen können die Relativverschiebungen
zwischen Stahl und Beton nicht mehr unberücksichtigt
bleiben. Die Rippengeometrie muß im Hinblick
auf das Verbundverhalten im plastischen Bereich der Span
nungs-Dehnungslinie des Stahls so ausgebildet werden, daß
unter Vermeidung einer Sprengwirkung möglichst große Relativ
verschiebungen zwischen Stahl und Beton auftreten kön
nen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Betonrippenstahl verfügbar
zu machen, der sich gegenüber bekannten kaltgerippten
Betonstählen durch eine höhere Gleichmaßdehnung, ein
größeres Verhältnis Zugfestigkeit/Streckgrenze und einen
weicheren Verbund auszeichnet. Es soll auch bei den größeren
Relativverschiebungen die bei nicht linearen Bemessungs
verfahren unter Ausnutzung plastischer Verformungen
der Bewehrung zwischen Beton und Stahl auftreten können,
ein Absprengen des Betons vermieden werden. Die Richtfähigkeit
des Stabes mittels Richtrollen soll verbessert werden.
Der erfindungsgemäße Betonrippenstahl ist durch die Merkmale
des Anspruches 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen
dieses Betonrippenstahls sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
Der erfindungsgemäße Rippenstahl ist insbesondere als Be
wehrungselement für Stahlbetonbauteile geeignet, die unter
Ausnutzung örtlicher plastischer Verformungen (Gelenkrotation
R) der Bewehrung bemessen sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Betonrippenstahl sind im Vergleich
zu bekannten Betonrippenstählen die Rippenabstände
(c) und der Neigungswinkel β der Rippen gegenüber der Stabachse
verkleinert. Hierdurch wird der Materialfluß beim
Aufbringen der Rippen durch Kaltverformung begünstigt, so
daß der Verformungsaufwand für die Erzeugung des Endquerschnittes
reduziert werden kann. Die Folge ist eine Verbesserung
des Dehnvermögens und des Verhältnisses Zugfestigkeit/
Streckgrenze. Außerdem wird aufgrund dieser Rippengeo
metrie ein weicherer Verbund erzielt und es läßt sich eine
maximale Relativverschiebung zwischen Stahl und Beton ohne
Absprengen des Betons erreichen.
Betonrippenstähle, die mit 2, 3 oder mehr Rippenreihen gemäß
dieser Rippengeometrie ausgebildet sind, weisen eine nahezu
kreisförmige Einhüllende auf, wodurch sich der bei kaltgewalzten
Stählen übliche Richtvorgang vereinfacht.
Bildet man die Rippenreihen schraubenförmig aus, so erhält
man einen über Muffen stoßbaren Stahl.
Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von 8 Figuren
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 den Verlauf der Krümmungen infolge Biegung bei einem
Balken mit einer Einzellast in Feldmitte für
zwei unterschiedliche Werte der Gleichmaßdehnung,
Fig. 2 die Summe aus Verkehrs- und Eigenlast in Abhängigkeit
vom Verhältnis Zugspannung/Streckgrenze,
Fig. 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Einflusses
des Verbunds,
Fig. 4 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Betonrippenstahles
in einer Draufsicht,
Fig. 5 den Schnitt V-V von Fig. 4,
Fig. 6 in einer vergrößerten Darstellung den Schnitt VI-VI
von Fig. 4,
Fig. 7 in schematischer Darstellung die Abwicklungen eines
bekannten und eines erfindungsgemäßen Betonrippen
stahls,
Fig. 8 die Maximalwerte von ΔH in Abhängigkeit vom Neigungswinkel
β für verschiedene Reibungswerte tang ρ.
Der in den Fig. 4 bis 6 dargestellte kaltgerippte Betonstahl
1 weist einen in Fig. 5 schraffiert dargestellten etwa
kreisförmigen Kernquerschnitt 2, sowie 3 am Umfang verteilt
angeordnete Reihen von Rippen 3, 4 und 5 auf, die
Teile eines Gewindes zum Aufschrauben eines mit einem Gegengewinde
versehenen Verankerungs- bzw. Verbindungskörper
bilden. Die in gleicher Weise ausgebildeten Rippen 3, 4 und
5 erstrecken sich, wie Fig. 5 zeigt, in voller Höhe jeweils
nahezu über ein Drittel des Stabumfangs. Die Rippenreihen
verlaufen parallel zur Stabachse 6.
Zur Kennzeichnung der Rippenform und der Rippenanordnung
dienen die folgenden in den Fig. 4 bis 6 eingetragenen
Größen:
b = Fußbreite der Rippe
ds = Nenndurchmesser des Betonstahls
h = Rippenhöhe
R = Ausrundungsradius am Rippenfuß in Millimetern
α = Neigungswinkel der Rippenflanke in Altgrad
β = Neigungswinkel der Rippe gegenüber der Längsachse 6 des Betonrippenstahls in Altgrad
c = Abstand der Rippen, gemessen in Längsrichtung des Betonrippenstahls.
ds = Nenndurchmesser des Betonstahls
h = Rippenhöhe
R = Ausrundungsradius am Rippenfuß in Millimetern
α = Neigungswinkel der Rippenflanke in Altgrad
β = Neigungswinkel der Rippe gegenüber der Längsachse 6 des Betonrippenstahls in Altgrad
c = Abstand der Rippen, gemessen in Längsrichtung des Betonrippenstahls.
Für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel betragen die geometrischen
Größen der Rippen für Betonrippenstähle eines
Nenndurchmessers von 4 bis 16 mm:
In Fig. 7 sind schematisch jeweils die Abwicklungen eines
bekannten und eines erfindungsgemäßen Betonrippenstahls für
jeweils eine Rippenreihe dargestellt. Bei dem bekannten
Rippenstahl auf der linken Seite ist ein Neigungswinkel β
von 50° und ein auf den Stabdurchmesser bezogener Rippenabstand
von c/ds von etwa 1,00 zugrundegelegt. Bei dem
anmeldungsgemäßen Stahl auf der rechten Seite von Fig. 7
betragen die Werte β=35° und c/ds=0,5. Die Eignung für
das Richten des Stabes ist umso größer, je mehr sich dessen
Außenkontur der eines zylindrischen Körpers nähert. Wird
mit l die Rippenlänge bezogen auf die Längsrichtung des
Stabes, d. h. bezogen auf die Richtung in der der Richtvor
gang abläuft, bezeichnet, dann kann die Eignung für das
Richten durch das Verhältnis
Rippenlänge l/Rippenabstand c
näherungsweise beschrieben werden. Je größer dieses Verhältnis
ist, umso mehr wird als Anlagefläche für die Richtrollen
die Form eines Rundstabes angenähert. Der Sachverhalt
kann wie folgt erfaßt werden
Diese Gleichung ist unmittelbar aus der Skizze nach Fig. 7
ableitbar. Das Verhältnis l/c liegt für Stähle gemäß DIN 488
sowie Stähle gemäß vorliegender Erfindung innerhalb der
folgenden Bereiche:
Es ist ersichtlich, daß die Werte für l/c bei dem erfindungsgemäßen
Stahl deutlich höher liegen als bei dem bekannten
Stahl gemäß DIN 488.
Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß bei einer Bemessung
des Bewehrungselements unter Ausnutzung örtlicher
plastischer Verformungen örtlich größere Relativverschiebungen
zwischen Stahl und Beton auftreten können, als bei
einer linearen Bemessung. Trotzdem muß die Gefahr einer
Sprengwirkung, die zu einem Verbundversagen führt, vermieden
werden. Die Rippengeometrie des erfindungsgemäßen
Stahls ist auch im Hinblick auf diese Forderung optimal
ausgebildet, und zwar durch Verringerung der Rippenhöhe h
und des Rippenabstandes c gegenüber bekannten Stählen, sowie
durch einen Neigungswinkel der Schrägrippen zur Stabachse
im Bereich zwischen 30 und 40°.
Der Einfluß des Neigungswinkels läßt sich formelmäßig wie
folgt darstellen:
wobei
ΔH: Umfangskraft, die für Relativverschiebungen maßgeblich ist
ΔFR: Kraftanteil einer schrägen Rippe
tan ρ: Werkstoffgröße, Reibungsbeiwert
β: Neigungswinkel der Schrägrippen gegenüber der Stab achse.
ΔH: Umfangskraft, die für Relativverschiebungen maßgeblich ist
ΔFR: Kraftanteil einer schrägen Rippe
tan ρ: Werkstoffgröße, Reibungsbeiwert
β: Neigungswinkel der Schrägrippen gegenüber der Stab achse.
In Fig. 8 sind für verschiedene vorgegebene Reibungsbeiwerte
die Maximalwerte von ΔH/ΔFR, die ein Maß für die
zulässige Verschiebung darstellen, eingezeichnet. Es ist
ersichtlich, daß diese Maximalwerte d. h. die maximal zulässige
Verschiebung im Bereich von 30 und 40° des Neigungswinkels
β liegt.
Im folgenden sind die chemische Analyse, Verfahrensparameter
der Herstellung und die für die vorliegende Erfindung
wesentlichen Festigkeitskennwerte dreier Ausführungsformen
der Erfindung angegeben.
Istquerschnitt = 24,98 mm²
Zugfestigkeit Rm = 432 N/mm²
Chemische Analyse: C 0,06; Si 0,20; Mn 0,56; P 0,021; S 0,037
Zugfestigkeit Rm = 432 N/mm²
Chemische Analyse: C 0,06; Si 0,20; Mn 0,56; P 0,021; S 0,037
mechanisch entspannt
gerichtet
gealtert 100°, 60 min.
gerichtet
gealtert 100°, 60 min.
Endquerschnitt = 19,75 mm²
Querschnittsabnahme = 20,9%
Streckgrenze Re = 576 N/mm²
Rm/Re = 1,076
Gleichmaßdehnung Ag = 3,62%
c/ds = 0,76
c/h = 13,5
Querschnittsabnahme = 20,9%
Streckgrenze Re = 576 N/mm²
Rm/Re = 1,076
Gleichmaßdehnung Ag = 3,62%
c/ds = 0,76
c/h = 13,5
Die angegebenen Zahlen sind Mittelwerte aus 5 Einzelmessun
gen.
Istquerschnitt = 63,62 mm²
Zugfestigkeit Rm = 451 N/mm²
Chemische Analyse: C 0,05; Si 0,14; Mn 0,47; P 0,014; S 0,028; N 0,008
Zugfestigkeit Rm = 451 N/mm²
Chemische Analyse: C 0,05; Si 0,14; Mn 0,47; P 0,014; S 0,028; N 0,008
mechanisch entspannt
gerichtet
gealtert 110°, 30 min.
gerichtet
gealtert 110°, 30 min.
Endquerschnitt = 50,14 mm²
Querschnittsabnahme = 21,2%
Streckgrenze Re = 575 N/mm²
Rm/Re = 1,061
Gleichmaßdehnung Ag = 2,8%
c/ds = 0,5
c/h = 11
Querschnittsabnahme = 21,2%
Streckgrenze Re = 575 N/mm²
Rm/Re = 1,061
Gleichmaßdehnung Ag = 2,8%
c/ds = 0,5
c/h = 11
Die angegebenen Zahlen sind Mittelwerte aus 5 Einzelmessun
gen.
Istquerschnitt = 145,90 mm²
Zugfestigkeit Rm = 431 N/mm²
Chemische Analyse: C 0,08; Si 0,11; Mn 0,50; P 0,016; S 0,044; N 0,007
Zugfestigkeit Rm = 431 N/mm²
Chemische Analyse: C 0,08; Si 0,11; Mn 0,50; P 0,016; S 0,044; N 0,007
mechanisch entspannt
gerichtet
gealtert 100°, 60 min.
gerichtet
gealtert 100°, 60 min.
Endquerschnitt = 111,78 mm²
Querschnittsabnahme = 23,4%
Streckgrenze Re = 575 N/mm²
Rm/Re = 1,078
Gleichmaßdehnung Ag = 3,25%
c/ds = 0,49
c/h = 9,2
Querschnittsabnahme = 23,4%
Streckgrenze Re = 575 N/mm²
Rm/Re = 1,078
Gleichmaßdehnung Ag = 3,25%
c/ds = 0,49
c/h = 9,2
Die angegebenen Zahlen sind Mittelwerte aus 5 Einzelmessun
gen.
Die Stähle weisen ein Streckgrenzenverhältnis Rm/Re von
1,06 bis 1,08 auf, die Gleichmaßdehnung Ag liegt zwischen
2,8 und 3,6%.
Claims (8)
1. Betonrippenstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von
0,05 bis 0,24 Gewichts-% und einem Mangangehalt von 0,2 bis
1,2 Gewichts-%, der kaltgewalzte Schrägrippen aufweist, die
ohne die Ausbildung einer Längsrippe in Form von wenigstens
zwei in Richtung der Stablängsachse verlaufenden Rippenreihen
(3, 4, 5) angeordnet sind, und die folgende Geometrie
aufweisen:
- a) Neigungswinkel β der Schrägrippen gegenüber der Stabachse (6) 30°β<40°
- b) auf den Stabnenndurchmesser ds bezogener Rippenabstand c benachbarter Schrägrippen einer Reihe 0,4c/ds0,8
- c) auf die Rippenhöhe h in Rippenmitte bezogener Rippen abstand c 9,0c/h15.
2. Betonrippenstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis c/h abhängig
vom Stabdurchmesser ds in Millimetern die folgenden Werte
aufweist:
ds
c/h
4 bis 5|13 bis 15
6 bis 7,5 11 bis 13
8 bis 10 10 bis 11
11 bis 16 9 bis 10
3. Betonrippenstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel α der
Rippenflanken in Altgrad der Bedingung
40°<α<60°genügt.
4. Betonrippenstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis
Fußbreite b der Rippen zu Rippenhöhe h der Bedingung
1,5b/h3,3genügt.
5. Betonrippenstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß er drei
Schrägrippenreihen (3, 4, 5) aufweist.
6. Betonrippenstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl
einen Gehalt von
0,05C0,12
0,35Mn0,65
0,05Si0,35
Cu0,45
P0,04
S0,05Rest Eisen aufweist.
0,35Mn0,65
0,05Si0,35
Cu0,45
P0,04
S0,05Rest Eisen aufweist.
7. Betonrippenstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen
längs einer ein- oder mehrgängigen Schraubenlinie angeordnet
sind.
8. Verwendung eines Betonrippenstahls nach einem der
Ansprüche 1 bis 7 als Bewehrungselement für Stahlbetonbauteile,
die unter Ausnutzung örtlicher plastischer Verformungen
(Gelenkrotation R) der Bewehrung bemessen sind.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4011486A DE4011486A1 (de) | 1990-04-09 | 1990-04-09 | Betonrippenstahl mit kaltgewalzten schraegrippen und dessen verwendung |
EP91105623A EP0451798B1 (de) | 1990-04-09 | 1991-04-09 | Betonrippenstahl mit kaltgewalzten Schrägrippen |
DE59106565T DE59106565D1 (de) | 1990-04-09 | 1991-04-09 | Betonrippenstahl mit kaltgewalzten Schrägrippen. |
DK91105623.2T DK0451798T3 (da) | 1990-04-09 | 1991-04-09 | Betonarmeringskamstål med koldtvalsede skråkamme og dettes anvendelse |
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DE4011486A DE4011486A1 (de) | 1990-04-09 | 1990-04-09 | Betonrippenstahl mit kaltgewalzten schraegrippen und dessen verwendung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4011486A1 true DE4011486A1 (de) | 1991-10-10 |
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ID=6404087
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4011486A Withdrawn DE4011486A1 (de) | 1990-04-09 | 1990-04-09 | Betonrippenstahl mit kaltgewalzten schraegrippen und dessen verwendung |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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AT (1) | ATE128507T1 (de) |
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DK (1) | DK0451798T3 (de) |
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