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Verfahren zur Herstellung von Bauwerksskeletten aus Beton oder anderen
mineralischen Stoffen und Skelett nach diesem Verfahren Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Skeletten, Gerippen od. dgl. aus Beton
und ähnlichen mineralischen Stoffen für Gebäude, Industrieanlagen usw. mittels vorfabrizierter,
an den Knotenpunkten verbundener und dabei gleichzeitig unter Vorspannung gesetzter
Elemente, wodurch bekanntlich auf die Zubereitung des Betons auf der Baustelle sowie
auf die Verwendung von Verschalungen verzichtet werden kann. Die Herstellung der
Skelette kann viel schneller und billiger durchgeführt werden als bei Anwendung
der bis, jetzt im Eisenbetonbau üblichen Verfahren. Es ist bereits bekannt, bewehrte
vorfabrizierte Bauelemente unter Verwendung von mineralischen Bindemitteln herzustellen
und diese Elemente vorzugsweise durch Schraubenbolzen od. dgl. zu verbinden, welche
zumeist an den hervorragenden Bewehrungsenden. angreifen.
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Bekanntlich haben die Betonbauten durch die Verwendung des Stahlbetons
den Charakter von monolithischen Bauwerken erhalten, wobei der an Ort und Stelle
zubereitete Beton ebenfalls auf der Baustelle in zu diesem Zweck aufgestellten Verschalungen
geformt wird. Der hauptsächliche \-achteil dieser Bauweise besteht darin, daß längere
Ausführungszeiten erforderlich sind, einerseits, weil die Stahlbetonherstellung
auf der Baustelle selbst in mehrere Arbeitsvorgänge unterteilt werden muß (Herstellung
der Verschalung, der Stahlbewehrung und der Betonmischung), und anderseits, weil
das
Entfernen der Verschalung erst nach Ablauf einer hinreichenden
Zeitspanne erfolgen kann, um das Abbinden und Härten des Betons zu ermöglichen.
Diese Bauweise wird auch durch die Verwendung einer großen, zur Herstellung der
Verschalungen erforderlichen Menge Holz kostspielig.
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Man hat selbstverständlich versucht, diese Nachteile zu vermindern
oder abzustellen durch die Verwendung von vorfabrizierten Bauelementen. So hat man
beispielsweise verschiedene Arten von Hourdis oder von verspannten Wandkonstruktionen
hergestellt, die zum Einsetzen auf bzw. in ein Skelett aus Stahl oder Stahlbeton
oder auf Tragmauern aus Mauerwerk bestimmt waren. Ferner hat man bereits leichte
Bauten, wie Garten- und Wochenendhäuser, ganz oder teilweise aus vorfabrizierten
Teilen hergestellt. Schließlich ist es .auch bekannt, Gebäude aus Fertigteilen aus
Stahlbeton zu errichten, bei denen die einander zugewandten Enden der Bewehrung
gegebenenfalls unter Zwischenschaltung anderer Bauteile miteinander zu verschrauben
sind, -wobei durch entsprechendes Anziehen der Schraubenbolzen auch eine gewisse
Spannung an den Verbindungsstellen bewirkt -werden kann. Wenn es sich aber um schwere
oder um mehrstöckige Bauten handelt, so können nach denn heutigen Stand der zur
Verfügung stehenden Mittel vorfabrizierte Elemente zur Herstellung eines Skeletts
nicht verwendet werden, und zwar infolge der Schwierigkeit, den Knotenpunktverbindungen
eine ausreichende Stabilität zu verleihen, so daß sie den an ihnen in verschiedenen
Richtungen angreifenden Kräften gewachsen sind.
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Diese Schwierigkeiten. werden durch die vorliegende Erfindung überwunden.
, Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren; bei welchem die vorfabrizierten Elemente
an den Knotenverbindungsstellen dadurch untereinander verbunden werden, daß eines
oder mehrere der dort endenden Elemente von ihrem dem Knoten entgegengesetzten Ende
oder Teil her unter Vorspannung gesetzt -werden, dergestalt, daß gleichzeitig auch
die Knoten unter Vorspannung gebracht -werden, wodurch eine bisher bei aus vorfabrizierten
Elementen. hergestellten Bauwerken noch nicht erreichte Formfestigkeit erzielt wird.
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Bei Skeletten zum Beispiel, die aus Säulen oder Balken bestehen, -werden
zu diesem Zweck, d. h. um die Knotenpunktverbindungen zwischen Säulen und Balken
unter Vorspannung zu bringen, die Säulen unter Vorspannung setzende Zuganker verwendet,
wobei diese die Verteilung der Vorspannung auf die Verbindungsstellen bewirken.
Bei einer solchen Bauausführung wird der Zuganker, der die Vorspannung auf eine
an einen Knoten angrenzende Säule ausübt, über diesen Knoten hinaus verlängert,
um die Vorspannung in senkrechter Richtung ebenfalls auf diesen Knoten auszudehnen,
und zwar indem der Zuganker den Knoten gänzlich durchdringt oder indem er in zwei
oder mehrere Stäbe unterteilt -wird, die den Knoten umfassen. In diesem und in jenem
Fall bewirkt die an den Knoten angrenzende Säule die Verteilung der Vorspannung
auf den Knoten mittels ihrer-Kontaktfläche mit dem oder den an ihr endenden Balken.
Die verschiedenen, an ein und demselben Knoten endenden Balken können anderseits
erfindungsgemäß miteinander verbunden werden mittels Schrauben oder sonstiger Vorrichtungen,
die eine Verbindung oder eine -waagerechte Vorspannung des Knotens ermöglichen.
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Wenn die Elemente des Skeletts Balken aus vorgespanntem Stahlbeton
(Stahlsaitenbeton) 'sind, so kann man, um den Knoten unter Vo.rs.pannung zu bringen,
in vorteilhafter Weise hierzu ein Kupplungsstück verwenden, das zwischen den Zugankern,
welche die 'Vorspannung auf die Balken ausüben, unter Spannung steht.
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Der in einer Säule oder einem sonstigen durchgehenden Teil des Skeletts
verwendete Zuganker kann in verschiedene Teilstücke unterteilt werden, wobei jeder
Knoten, an dem der Anschluß durch Erzeugung einer Vorspannung hergestellt werden
soll, durch und durch von einem Teilstück durchdrungen -wird. Auf diese Weise kann
der Bau allmählich vorangetrieben werden. Die Kupplungsstücke, der Teilstücke der
Zuganker können Ver-. wendung finden, um die Vorspannung auf bereits angebrachte
Teilstücke auszuüben und um das Ende des letzten gespannten Teilstücks vorübergehend
zu verkeilen, bevor die Spannung gegebenenfalls von dem nächstfolgenden unter Spannung
gesetzten Teilstück aufgenommen wird.
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D;ie Erfindung ermöglicht es also, Skelette aus Beton nach denselben
Konstruktionsprinzipien herzustellen, die bei Stahlskeletten zur Anwendung gelangen,
und zwar schneller, sicherer und leichter als- dies bei Stahlskeletten der Fall
ist.
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Gemäß der Erfindung können alle hierzu geeignete Balken oder Säulen
verwendet werden. Dieselben werden zuvor in der Werkstatt hergestellt, so daß ihre
Ausführung mit Sorgfalt vorgenommen werden, kann. Falls dies gewünscht wird, können
sie einzeln unter Vorspannung 'gesetzt werden, entweder in der Werkstatt oder auch
auf der Baustelle. Durch das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung erzielt man
nicht nur einen beträchtlichen Zeitgewinn, sondern man ist auch in der Lage, sämtliche
Zugwirkungen, die in den Säulen und in den Knoten zwischen Balken und Säulen unter
der Wirkung von: Biege- und Schermomenten auftreten können, auf ein erträgliches
Maß herabzudrücken.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Zuganker gegenüber
den durch sie versteiften Elementen in, eine exzentrische Lage gebracht werden,
wenn -es sich darum handelt, in diesen Elementen eine Vorspannung in entgegengesetzter
Richtung zu der Spannung herzustellen, die die von den Elementen getragene Last
an ihnen ausübt.
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Die Erfindung bietet weiterhin Vorteile, wenn es sich darum handelt,
die Gesamtstabilität des Skeletts an einigen Stellen durch Gelenkverbindungsstücke
zu vermindern zwecks Vereinfachung der Rechenarbeit, indem an diesen Stellen verkleinerte
Kontaktflächen angebracht werden, -wobei
die Stabilität des Ganzen
weiterhin gesichert bleibt durch den Zug, der von dem Zuganker ausgeübt wird; der
dia,Kontaktfläche durchdringt oder in der 1 älie der Kontaktfläche angebracht ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung werden einige Ausführungsbeispiele an
Hand der Zeichnung beschrieben. _ Im einzelnen zeigt Fig. i einen schematischen
Vertikalschnitt durch das Skelett eines Baues, Fig.2 in einem größeren Maßstab einen
senkrechten Schnitt durch eine Säule gemäß Linie II-II der Fig. 3, Fig. 3 einen
Horizontalschnitt gemäß Linie III-III der Fig. 2, Fig.:I einen Horizontalschnitt
gemäß Linie IV-IV der Fig. 2, Fig. 5 eine Abart der Anordnung gemäß Fig. 2 als Schnitt
gemäß Linie V-V der Fig. 6, Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie VI-VI der Fig. 5, Fig.
7, 8 und 9 Varianten der Anordnung gemäß Fig. i, Fig. io. und i i waagerechte Schnitte
von Knoten mit längs und quer verlaufenden Balken, Fig. 12 und 13 Ausführungsbeispiele
von .Kupplungsmuffen in einem größeren Maßstab und Fig. 14 eine Abart der Anordnung
gemäß Fig. s. Bei dem Bauskelett, von dem Fig. i einen Vertikalschnitt darstellt,
sind die Säulen mit i, die längs verlaufenden Ballten mit 2 und die querverlaufenden
Balken mit 3 bezeichnet. A sind Knotenpunkte, in welchen sich gleichzeitig längs
und quer verlaufende Ballten auf den Süuleri abstützen, und B sind Knotenpunkte,
in welchen sich ausschließlich längs verlaufende Balken auf den Säulen abstützen.
In dieser Figur ist absichtlich auf die Darstellung des eigentlichen füllenden Mauerwerks.
verzichtet, dessen Verbindung mit den Balken auf jede beliebige, an -sich bereits
bekannte Weise erfolgen kann.
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Eine Säule mit Knotenpunkten B ist in einem größeren Maßstab als Vertikalschnitt
in Fig. 2 und als Horizontalschnitt in Höhe der Linien III-III und IV-IV in den
Fig.3 und 4 dargestellt. Die gleichzeitige Vorspannung der Säulen i und der Knotenpunkte
B wird durch den Zuganker q. bewirkt, der sich auf die Gesamthöhe des Gebäudes erstreckt
und aus mehreren Elementen besteht, die mittels der Kupplungsmuffen 5 miteinander
verbunden werden.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird jeder Knotenpunkt B entsprechend
dem Stand der Bauarbeiten gleichzeitig mit der über ihm befindlichen Säule i unter
Vorspannung gebracht. Zu diesem Zweck wird der Zuganker A gerade über der Ebene
A" (v-1. Fig. 2) unterbrochen, und das Teilstück des Zugankers endet mit dem Rotationslt5rper
6 von konischem Querschnitt. Selbstverständlich könnten an Stelle dieser konischen
Verbreiterung ein mit einem Gewinde versehenes Ende oder irgendwelche andere Mittel
verwendet werden, die die Herstellung einer festen Verbindung mit dem anschließenden
Teilstück des Zugankers mittels einer Kupplungsmuffe ermöglichen.
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Während der Aufstellung der Säule erfüllt jede Muffe 5 nacheinander
folgende Aufgaben: a) Sie ermöglicht die Verbindung des Zugankers mit dem Angriffsorgan
einer Vorspannvorrichtung, mit der der Zuganker vorgespannt wird; b) sie ermöglicht
die vorübergehende Verkeilung des gespannten Zugankers, indem ihr die Rolle eines
Haltebolzens nach Einführung der Keile io zufällt, welche die Vorspannung des Zugankers
aufrechterhalten; c) sie stellt die Verbindung her zwischen einem Teilstück des
Zugankers mit dem nächsthöher gelegenen.
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Für die Anbringung der Kupplungsmuffe ist in der Säule direkt unter
jedem Knoten eine entsprechende Vertiefung vorgesehen, die sich längs der gesamten
Höhe der Säule in Form der Nut 8 und anderseits durch die Aussparungen 9 am Ende
der Ballten 2, welche auf die Säule zu liegen kommen, entlangzieht. Nachdem der
Zuganker vorgespannt worden ist, werden die Vertiefung 7 und Nuten 8 mit Zementmörtel
ausgefüllt, um den Zuganker gegen Oxydation zu schützen.
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Wenn die Knotenpunkte B Bestandteile eines Windverbandes sind, der
dem Gebäude die erforderliche Sicherung gegen Einsturz verleihen soll, dann wird
die Vorspannung des Knotens in verschiedenen Achsrichtungen, erzeugt, z. B. unter
der Wirkung waagerechter Zuganker, welche die einzelnen dort endenden Balken 2 verbinden.
Diese Zuganker bestehen entweder aus den Bolzen i i. durch welche die Enden der
Balken miteinander verbunden werden, oder aus sehr widerstandsfähigen Stahldrähten,
die durch Veränderung ihres ursprünglich gradlinigen Verlaufs gespannt werden, oder
aus irgendeiner anderen Vorrichtung, mit welcher eine Verbindung oder eine waagerechte
Vorspannung der Knoten erzeugt «erden kann.
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Um den unteren Innoten, mittels welchem die Säulen sich auf dem Fundament
abstützen (Fig. 2), kann man das untere Ende des Zugankers in einen ausgehöhlten
Spezialblock 12 einführen, der unterhalb der Fundamentsebene in den Boden. eingelassen
ist. Diesem Block fällt die Aufgabe zu, dieWirkung des Zugankers auf die Unterseite
des Knotens zu verteilen. Seine Höhe kann auf ein Mindestmaß beschränkt werden,
indem man zu diesem Zweck ein stahlbewehrtes Element verwendet. Der Block 12 ruht
auf einem Bloch 13, der die zur Aufnahme der Ankerköpfe notwendige Aussparung 7
schließt und die Metallteile gegen Korrosion schützt.
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Der obere Knoten des, Baues kann in ähnlicher Weise unter Vorspannung
gebracht werden, indem auf die oberen Ballten ein gegebenenfalls bewehrtes Säulenelement
14 aufgesetzt wird, das eine gute Verteilung der Vorspannung des nächstunteren Knotens
bewirkt. Das Element 1:l. kann mit einem Block 15 abgedeckt werden, der die Metallteile
gegen Korrosion schützt.
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Bei dem in den Fig. 2, 3 und .I dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Säulen und Knotenpunkte mittels zweier Zuganker 4., die beide je in einer
längs
der Säulen verlaufenden Nut untergebracht sind, unter Vorspannung gebracht.
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Wenn man die Vorspannung mittels eines einzigen Zugankers erzeugen
will, der in diesem Fall in der Mitte der Säule angeordnet ist, wird die Kupplungsmuffe
oberhalb der Ebene der unter Vorspannung zu bringenden Säule in der in den Fig.
5 und 6 dargestellten Weise angebracht, um das Einführen der bereits oben erwähnten
Keile zu ermöglichen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist angenommen, daß auf der
Höhe eines Stockwerkes die Säulen in mehrere Teile zerlegt wurden, um sie leichter
an Ort und Stelle bringen zu können. Dabei erfolgt das Spannten des Zugankers in
Höhe der Linie N-N und setzt gleichzeitig den Knotenpunkt B sowie die an ihn angrenzenden
Säulenteilstücke unter Vorspannung. Die Vertiefung 7 ist hier in dem Säulenelement
angebracht, das aufgestellt wird, .nachdem der Knoten B unter Vorspannung gebracht
worden ist, und kommt über die Muffe 5 zu liegen. Bei einer solchen Ausführungsart,
bei welcher die Säule in Elemente mit Zentralhöhlungen zerlegt wird, müssen diese
Elemente selbstverständlich über den Zuganker geschoben werden, nachdem letzterer
in die Muffe eingeführt worden ist.
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Die Fig. 7, 8 und 9 stellen mehrere Beispiele von in Teilstücke zerlegten
Säulen dar, die von dem Modell nach den Fig. i und 2 in bezug auf die Höhenebene
abweichen, in welcher die Muffen eingeführt werden und die Vorspannung erzeugt wird.
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Wie schon dargelegt, stellen die Fig. i und 2 einen Bau mit Säulen
aus. einem Stück in Höhe eines Stockwerkes dar. Die Muffen 5 sind unterhalb der
Balkenebene eines jeden Stockwerkes angebracht und sind in Höhlungen untergebracht,
die die unter Vorspannung zu setzende Säule aufweist. Jeder Knotenpunkt wird gleichzeitig
mit der nächsthöheren Säule unter Vorspannung gebracht.
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Die Fig. 5 und 7 stellen einen Bau mit über die Höhe eines Stockwerkes
in Teilstücke zerlegten Säulen dar. Der Knotenpunkt B wird gleichzeitig mit dem
Element ci der SäuleB' unter Vorspannung gebracht. Die Vertiefung 7' zur Unterbringung
der Muffe befindet sich am Teilstück a'. Der Knotenpunkt B" wird gleichzeitig mit
dem Element cä' der Säule i" unter Vorspannung gebracht, aber die Vertiefung 7 befindet
sich am Ende b" der Säule i".
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Fig: 8 stellt einen Bau mit auf die Höhe eines Stocknverkes in Teilstücke
zerlegten Säulen dar (die Säulen können ebenso ganz belassen werden), wobei die
Vertiefung 7 zur Unterbringung der Muffe nicht in den Elementen der Säule, sondern
an den Balkenenden angebracht ist, die auf den Säulen aufliegen.
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Fig. 9_ stellt einen Bau mit auf die Höhe eines Stockwerkes in Teilstücke
zerlegten oder auch nicht zerlegten. Säulen dar, wobei die Säulen und Knoten nur
in jedem zweiten Stockwerk unter Vorspannung gebracht werden. Tatsächlich erfolgt-
das -Vorspannen der Säulen i' und i" sowie der Knoten B' und B" auf der Höhe des
unteren Randes des Knotens B"'.
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Selbstverständlich kann man sich damit begnügen, das Verspannen erst
nach Erstellung einer beliebigen Stockwerkszahl vorzunehmen, sofern man über Zuganker
von genügender Länge verfügt und die Stabilität des Skeletts während der- Bauausführung
gesichert ist.
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Die Fig. io und ii stellen Horizontalschnitte von Knotenpunkten, wie
z. B. A (Fig. i), mit längs verlaufenden Balken 2 und quer verlaufenden Balken 3
dar. Bei Fig. io wird die Vorspannung durch einen zentralen Zuganker erzeugt, bei
Fig. i i durch vier Zuganker, wobei die Enden der Balken2 und 3 entsprechend geformt
sind. Selbstverständlich könnte die Vorspannung auch durch zwei Zuganker bewirkt
werden, wobei die Balken mit Nuten zum Durchlaß der Zuganker zu versehen wären.
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Die Bolzen i i dienen zur Erzeugung einer waagerechten Vorspannung
und bewirken einen vervielfachten Druckzustand im Knoten. Man kann auf sie verzichten,
wenn eine absolute Starrheit des Knotenpunktes nicht erforderlich ist. Falls dies,
gewünscht wird, kann an Stelle der Bolzen irgendeine andere zum Verbinden oder Verspannen
dienende Vorrichtung benutzt werden.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, nehmen die Bolzen i i gegenüber
den durch sie verbundenen Balken 2 eine exzentrische Lage ein, weil es von Vorteil
ist, sie in die Zone zu verlegen, wo die Verbindung auf Zug beansprucht wird, also
entweder oberhalb der Achse der Balken 2" wenn dieselben auf ihren Enden aufliegen,
oder unterhalb der Achse, wenn sie in ihrer ganzen Länge aufliegen, wie dies bei
den Fundamentballten 2' (Fig. 2) der Fall ist. Die Zuganker 4 können auch exzentrisch
zu deii Säulen angebracht werden, wenn dieselben einseitigen oder unsymmetrischen
Belastungen ausgesetzt sind.
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Anderseits ist es selbstverständlich, daß all das, was bezüglich der
Fig.2 bis 9 gesagt wurde, sich auch auf Knotenpunkte mit längs und quer verlaufenden
Ballten bezieht.
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Was die Form der verwendeten Ballten anbetrifft, so können sämtliche
übliche Balken, selbst solche aus Stahlbeton, bei dem oben beschriebenen Verfahren
verwendet werden, aber es ist selbstverständlich, daß sich vom wirtschaftlichen
Standpunkt aus hierzu am besten die ein besonders geringes Gewicht aufweisenden
Stahlsaitenbetonbalken eignen.
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Die feste Verbindung zwischen den Elementen, die die Zuganker bilden,
wird durch die Verwendung von Kupplungsmuffen bewirkt, von denen zwei Ausführungsbeispiele
in, den Fig. 12 und 13 dargestellt sind. Bei Fig. 12 bestehen dieElemente 4 aus
Rundstäben, deren Enden 6 kegelstumpfartig verbreitert sind. Das Einführen dieser
verdickten Enden 6 in die Muffe 5 und das nachträgliche Festkeilen des Zugankers-
in der Muffe wird durch Keile 16 bewirkt, die in verschiedene Teilstücke unterteilt
sind, um sie in die Muffe 5 einbringen zu können. Bei Fig. 13 ist die Muffe als
Spannschloß
ausgebildet und innen mit gegenläufigen Gewinden versehen,
in welche die mit Gewinde versehenen Enden 6' der Stäbe 4 festgeschraubt werden.
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Fig. 14 zeigt bei einer Säule gemäß der Erfindung die Anordnung eines
Gelenkes auf einer vorgegebenen Höhe, das den Zweck hat, die Überstabilität des
Skeletts herabzumindern. Der in der Säule i eingeschaltete Block 17 ist mit einem
`orsprung i8 von geringer Breite versehen, der eine (jelenkstelle bildet. Er kann
aus Beton oder irgendeinem anderen druckfesten Material hergestellt sein. Durch
seine Vermittlung wird die Vorspannung der Säule auf den Knotenpunkt übertragen.
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Die aus aufeinandergesetzten "Peilstücken bestehenden Säulen können
nicht nur aus Beton, sondern auch aus irgendwelchem druckfesten Material hergestellt
werden, wie Klinker, Naturstein, Kunststein, Holz od. dgl.
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Die Erfindung ist keineswegs auf die dargestellten und beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt, sei es hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeiten
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, I sei es hinsichtlich der für die Balken,
Säulen und dieZuganker verwendbarenMaterialien.