EP0710313B1

EP0710313B1 - Verankerung für hochleistungsfaserverbundwerkstoff-drähte

Info

Publication number: EP0710313B1
Application number: EP95914260A
Authority: EP
Inventors: Urs Meier; Heinz Meier; Patrick Kim
Original assignee: Eidgenoessische Materialpruefungs und Forschungsanstalt
Current assignee: Eidgenoessische Materialpruefungs und Forschungsanstalt
Priority date: 1994-04-25
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 2000-05-03
Anticipated expiration: 2015-04-13
Also published as: US5713169A; NO955231D0; NO315951B1; NO955231L; AU2133795A; WO1995029308A1; ATE192528T1; JP3578219B2; JPH09501748A; EP0710313A1; AU686782B2; DK0710313T3; DE59508259D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein konisches Verankerungssystem zum Verankern von einem oder mehreren belasteten, gespannten oder vorgespannten Zugelement (-en), umfassend eine mindestens konische Ankerhülse und einen in die Hülse passenden, das oder die Zugelement(-e) haltenden Verankerungskörper, der eine entlang der Hülsenwandung im wesentlichen freigleitende Oberfläche aufweist, ein Verfahren zum Herstellen eines konischen Verankerungssystems sowie ein Verfahren zum Einhüllen bzw. Beschichten von Füllstoffpartikeln für die Verwendung in einem Verankerungssystem.

Seit den 50er Jahren hält die schweizerische Bauindustrie weltweit im Bereich der Vorspanntechnbik eine ausgezeichnete Position. Aus dieser Sparte wurde in den späten 60er Jahren das Spezialgebiet der Paralleldraht- bzw. Litzenbündel für abgespannte Konstruktionen entwickelt. Die Schrägseilbrücke Mannheim-Ludwigshafen und das Olympiadach in München sind Pionierbeispiele dafür. Die durch die Luft- und Raumfahrt ausgelöste technische Entwicklung der kohlenstoffaser-verstärkten Kunststoffe, sowie die starke Preisreduktion der Kohlenstoffasern in den vergangenen Jahren legten es nahe, den Einsatz von Paralleldrahtbündeln mit Kohlenstoffaser-Drähten im Bauingenieurwesen zu studieren. Insbesondere bot sich damit ein geeigneter Ersatz für die schweren und korrosionsanfälligen Stahlseile in vorgespannten bzw. abgespannten Konstruktionen an. Die Forderungen z.B. für Schrägseilbrückenkabel eines steifen, festen, leichten, korrosionsbeständigen und langfristig stabilen Materials mit hoher Ermüdungsfestigkeit als Ersatz für die Stahlseile führen sinnvollerweise zu kohlenstoffaser-verstärkten Epoxydharzen. Faserverbundwerkstoffe sind sehr vorteilhaft, da sie eine hohe Festigkeit und niedrige Rohdichte kombinieren, wobei gleichzeitig die Korrosionsanfälligkeit der Stahlseile entfällt.

Die grundsätzliche Problemstellung ist es, kohlenstoffaser-verstärkte Zugstäbe beim Ersatz von Stahlseilen in abgespannten Konstruktionen in Form von Drähten und Kabeln so zuverlässig zu verankern, dass die hohen statischen Festigkeiten und Ermüdungsfestigkeiten optimal genutzt werden können. Bei Zugversuchen soll der Bruch auf der freien Strecke stattfinden und nicht in der Verankerung. Grundsätzlich geht es hier also um ein Verbundproblem, und zwar speziell um den Verbund zwischen Draht und Verankerung, bzw. bei den in der Regel gewählten konischen Verankerungen um den Verbund zwischen Draht und Verankerungskörper.

In den letzten Jahren sind verschiedene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Verankerung von Verbundwerkstoff-Zugelementen gewidmet worden. Die meisten dieser Arbeiten haben sich auf glasfaserverstärkte Zugstäbe und Aramidstränge konzentriert, wobei als Zitate zu nennen sind: Mitchell et al, 1974; Kepp, 1985; Walton & Jeung, 1986; Burgoyne, 1988; und Dreessen, 1988. Für Haupttragelemente in nicht vorgespannten Bauteilen weisen Glasund Aramid-Verbundwerkstoffe aber eine zu niedrige Steifigkeit auf, und es ist dann nötig, kohlenstoffaser-verstärkte (CFK) Werkstoffe zu verwenden. Einige Arbeiten wurden an CFK-Zuggliedern durchgeführt, wobei zu nennen sind: Walton & Yeung, 1986, und Yeung & Parker, 1987. Jedoch scheinen die Ergebnisse nicht so erfolgreich zu sein, um sie zuverlässig auf Bauanwendungen im grossen Massstab zu übertragen.

Aus der FR-A-2 251 682 ist ein Verankerungssystem mit einem Festklemmkonus bekannt, mit kabelseitig angeordneten Rillen bzw. einem Schraubgewinde. Die Rillen bzw. Gewindegänge weisen einerseits von der Front- zur Rückseite des Festklemmkonus grösser werdende Abstände auf und/oder die Härte der vorstehenden, rundherum verlaufenden Gewindegänge oder Rillen nimmt von der Front- nach der Rückseite hin zu. Das vorgeschlagene Verankerungssystem ist in keiner Art und Weise für das Verankern bzw. Vorspannen von Kohlenstofffaser-verstärkten Verbundseilen bzw. Drähten geeignet, da die vorgeschlagenen Rillen bzw. Gewindegänge die zu verankernden Seile bzw. Drähte an ihrer Oberfläche verletzen, was an der Drahtoberfläche bzw. innerhalb des Drahtes zu Brüchen und Ausreissen des Drahtes führen kann.

Das Hauptziel beim Gestalten eines Ankersystems sind das Erreichen einer möglichst günstigen Spannungsverteilung, um im Zugversuch die Brüche der Drähte auf die freie Strecke zu verschieben und die Kriechneigung des Verankerungssystems zu reduzieren. Grundsätzlich können existierende Verankerungssysteme in drei Kategorien eingeteilt werden: Klemmverankerung, geklebte Verankerungen und konische Verankerungssysteme. Stahlkabel und Glasfaserstäbe können mit allen drei Systemen verankert werden, wobei in der Praxis Presshülsen für kleinere Zugelemente häufiger in Gebrauch sind, während Vergussankerungen meistens für grössere Kabel verwendet werden. Für die CFK-Stäbe und -Kabel werden in der Regel konische Vergussankerungssysteme bevorzugt.

Das Ankersystem besteht grundsätzlich aus vier Teilen:

1. der Ankerhülse, die durch Auflager oder Gewinde mit der Struktur verbunden ist,

2. dem oder den Zugelementen, das oder die zu verankern ist bzw. sind,

3. dem Verankerungskörper, der die Kraftübertragung von den Drähten zur Ankerhülse gewährleistet, und

4. dem Gleitfilm zwischen der Ankerhülse und dem Verankerungskörper.

Die Ankerhülse wird üblicherweise aus Stahl hergestellt. Sie kann jedoch auch aus Faserverbundwerkstoff oder als mit Faserverbundwerkstoffen verstärkte Stahlankerhülse gefertigt werden. Sie dient auch als Form für die Fertigung des Verankerungskörpers. Der Verankerungskörper selbst ist ein kritischer Teil des Systems. Er muss einen guten Verbund zum Zugelement bilden, um die eingeleitete Kraft voll auf die Ankerhülse zu übertragen. Belastungsversuche zeigen in der Regel erste Schädigungen im vorderen Teil des Ankers. Mit "vorn" wird jener Teil des Ankers bezeichnet, bei dem das Zugelement diesen in Richtung freie Strecke verlässt. So entwickeln sich z.B. bei einem ungenügenden Verbund zwischen Zugelement und Verankerungskörper laufende Risse entlang der Drahtoberfläche oder innerhalb des Drahtes, die zu Brüchen in der Grenzschicht zwischen Draht und Verankerungskörper führen und einen sog. Drahtschlupf verursachen. Beim Drahtschlupf verbreiten sich erste Risse am vorderen Teil des Ankers entlang der ganzen Länge des Drahtes. Ausser den mit dem Drahtschlupf verbundenen Schubbruchflächen konnten auch Zugbrüche beobachtet werden, welche im Verankerungskörper senkrecht zum Zugelement (-en) orientiert sind, wie in Fig. 1 der beigefügten Figuren dargestellt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verankerung von schlanken, drahtartigen Zugelementen in einem konischen Ankersystem vorzuschlagen, sodass beim Zugversuch Brüche der schlanken Zugelemente wie der Drähte auf der freien Strecke erfolgen und nicht im Ankersystem selbst. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels eines konischen Vergussankersystems gemäss dem Wortlaut insbesondere nach Anspruch 1 vorgeschlagen.

Untersuchungen an' Ankersystemen haben ergeben, dass im Falle einer konstanten Systemsteifigkeit über die ganze Länge der Verankerung der grösste Anteil der Zuglast am vorderen Teil des Ankers aufgenommen wird. Dies äussert sich in einer scharfen Spannungsspitze im Schubspannungsprofil, wie in Fig. 2 der nachfolgenden Figuren dargestellt. Für eine gleichmässigere Spannungsverteilung muss also der Verankerungskörper eine variierende Steifigkeit haben, mit einer am Vorderteil des Ankers sehr niedrigen und nach hinten, d.h. zum unbelasteten Ende des Zugelementes stark zunehmenden Steifigkeit. Die Variation in der Systemsteifigkeit des Ankers kann, wie erfindungsgemäss vorgeschlagen, auf verschiedene Weise gesteuert werden, durch

eine Variation der Steifigkeit, d.h. des E-Moduls, des Materials des Verankerungskörpers, sowie
eine Verjüngung des Ankerkonus nach vorne, d.h. beim Eintritt des Drahtes in den Anker, sowie
eine Variation der Steifigkeit der Ankerhülse.

Selbstverständlich gilt auch eine Kombination der drei vorgeschlagenen Massnahmen.

Entsprechend wird erfindungsgemäss ein konisches Vergussankersystem zum Verankern von einem oder mehreren belasteten, gespannten oder vorgespannten Zugelement (-en) vorgeschlagen, umfassend eine konische Ankerhülse und einen, in die Hülse passenden, das Zugelement bzw. die Zugelemente haltenden Verankerungskörper, der eine entlang der Hülsenwandung im wesentlichen frei gleitende Oberfläche aufweist. Der Verankerungskörper ist dadurch gekennzeichnet, dass seine Steifigkeit, d.h. sein E-Modul, vom Eintritt des Zugelementes oder der Zugelemente in den Konus, d.h. von vorne nach hinten zunimmt.

Damit kann erreicht werden, dass in der Verankerung des schlanken Zugelementes bzw. des Drahtes bzw. der Drähte eine möglichst gleichmässige Schubspannungsverteilung über die Ankerlänge erreicht werden kann, wobei die ideale Schubspannungsverteilung keine starken Spitzen oder Gradienten aufweist und zum freien unbelasteten Ende des Zugelementes bzw. der Zugelemente hin auf Null abfällt.

Zum Herstellen von Ankerkörpern für Paralleldraht- bzw. Parallellitzenbündel aus den verschiedensten Materialien eignen sich insbesondere Ankerfüllmassen, bestehend aus einer Bindemittelmatrix, wie insbesondere einem Kunststoffharz und mindestens einem Füllstoff, wobei sich die oben erwähnte erfindungsgemäss vorgeschlagene unterschiedliche Steifigkeit, d.h. E-Modul, des Verankerungskörpers durch unterschiedlichen Füllgrad, unterschiedliche Geometrie des Füllstoffes und/oder durch unterschiedliche Steifigkeit bzw. Härte des Füllstoffes ergibt. Allerdings kann die unterschiedliche Steifigkeit auch durch die Bindemittelmatrix erhalten werden, indem beispielsweise ein im wesentlichen duromeres Polymersystem, wie ein Kunstharz, mit im Frontbereich des Ankerkonus erhöhten Anteilen an Plastifiziermitteln, Flexibilisatoren, Weichmachern und/ oder in das Polymere eingebauten Elastomerblöcken versehen ist.

Insbesondere bei der Verwendung von Kohlenstoffaserdrähten muss ein metallischer Verguss oder Klemmvorrichtungen aus praktischen Gründen ausgeschlossen werden, da beide Verankerungstypen zu Schädigungen der Drähte führen würden, einerseits durch die Hitze der Vergusslegierungen und anderseits durch die hohe und nicht immer radiale Querpressung. In diesem Sinne ist ein Kunststoffankersystem vorzugsweise zu verwenden, wobei sich insbesondere Epoxydharzsysteme, Polyurethanharze aber auch die Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen, wie Polyätherätherketon, Polysulfon, Polykarbonat oder Polymethylmetacrylat als vorteilhaft erwiesen haben. Der Vorteil von Epoxydharzsystemen liegt darin, dass bereits durch das Harzsystem die Festigkeit durch das Verwenden von Flexibilisatoren, Plastifiziermitteln, usw., reduziert werden kann, währenddem anderseits durch die Verwendung von hochvernetzten Epoxydharzsystemen sehr hohe Festigkeitswerte erreicht werden können.

in der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steifigkeit des Verankerungskörpers in einem Vergussankerungssystem vom Frontbereich zum hinteren Abschluss um einen Faktor im Bereich von ca. 20 bis ca. 300, vorzugsweise um einen Faktor von ca. 80 bis 100 zunimmt.

Weiter hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ankerkonus einen möglichst kleinen Öffnungswinkel aufweist und zwar einen Winkel im Bereich von ca. 5° bis ca. 15°. Mit anderen Worten führt auch ein schlanker Konus zu einem günstigeren Spannungszustand, wobei die untere Grenze des Öffnungswinkels durch den maximal zulässigen Konusschlupf bzw. die maximale Verschiebung unter Belastung gesetzt wird. Wenn der Konuswinkel zu klein ist, besteht die Gefahr entweder des Ausreissens des gesamten Verankerungskörpers oder aber eines Bruches der Ankerhülse.

Ein weiterer Faktor zur Beeinflussung des Schubspannungsfeldes ist die Wahl des Radius der Ankeröffnung beim Eintritt des Zugelementes. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass die Differenz der Radien der Ankeröffnung und des Zugelementes bzw. des Zugelementbündels beim Eintritt des oder der Zugelemente(-s) einen Wert im Bereich von ca. 0,5 bis ca. 15 mm aufweist.

Als Zugelemente haben sich insbesondere Drähte, bestehend aus kohlenstoffaserverstärktem Epoxydharz als vorteilhaft erwiesen. Derartige Kohlenstoffaserdrähte können im sog. Strangziehverfahren (Pultrusion) hergestellt werden, wobei dieser Vorgang als Stand der Technik bestens bekannt ist, weshalb an dieser Stelle auf eine nähere Beschreibung der Herstellung von kohlenstoffaserverstärkten Drähten verzichtet werden kann. Anstelle der Epoxidharz-Matrix ist auch eine thermoplastische Matrix mit beispielsweise Polyätherätherketon möglich.

Als Füllstoffe im Verankerungskörper eignen sich selbstverständlich irgendwelche als Füllstoffe für Polymere verwendete Materialien, wobei insbesondere Stahl, Quarz, Glas, Gummi und/oder vorzugsweise Aluminiumoxyd in Form von Schrott, Sand, Kugeln, Fasern, Granulate und dgl. mehr vorgeschlagen werden. Je nach verwendetem Füllstoff und verwendeter Menge können die Festigkeit und die Steifigkeit im Verankerungskörper stark beeinflusst werden, wobei beispielsweise reines Epoxydharz einen E-Modul im Bereich von ca. 500 bis 4000 MPa aufweisen kann, währenddem bei Verwendung von Stahlschrott oder Aluminiumoxyd Werte bis über 100'000 MPa erreicht werden können.

In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Verankerungskörper im Ankerkonus mindestens zwei Zonen mit unterschiedlicher Steifigkeit aufweist, vorzugsweise jedoch ca. drei bis fünf Zonen. Dabei haben die Steifigkeitswerte der verschiedenen Zonen vom Frontbereich zum hinteren Bereich des Ankerkonus zuzunehmen. Selbstverständlich besteht der Idealfall darin, dass die Steifigkeit vom Frontbereich zum hinteren Abschnitt stetig bzw. kontinuierlich zunimmt, in der Praxis jedoch ist dies nur mit erhöhtem Aufwand möglich, und zudem bringt bereits die Wahl von drei bis fünf Zonen eine ausreichende Verteilung der Schubspannung, wie ebenfalls aus den nachfolgenden Beispielen und Figuren ersichtlich.

Weiter wird ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemässen konischen Verankerungssystemes gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 10 vorgeschlagen. Dabei hat es sich als problematisch erwiesen, den Füllstoff derart bei der Herstellung des Vergusses in den Konus einzufüllen, dass die mindestens drei bis fünf Zonen mit unterschiedlicher Steifigkeit, d.h. E-Modul, erzeugt werden können. Wird beispielsweise ein sehr feiner Füllstoff verwendet, so ist die Verteilung des Füllstoffes im relativ weichen Frontbereich schlecht, währenddem bei Verwendung eines relativ groben bzw. grossvolumigen Füllstoffes kaum eine weiche Zone hergestellt werden kann. Aus diesem Grunde wird weiter erfindungsgemäss vorgeschlagen, den Füllstoff vor dem Füllen der Ankerfüllmasse zur Herstellung des Verankerungskörpers unterschiedlich stark mit Bindemittel zu umhüllen bzw. zu beschichten. Anschliessend wird im Frontbereich des Ankerkonus stark eingehüllter bzw. beschichteter Füllstoff zusammen mit dem Bindemittel in die Ankerhülse bzw. den Hohlkörper eingefüllt, währenddem im hinteren Bereich nicht oder nur schwach eingehüllter oder beschichteter Füllstoff verwendet wird. Das Beschichten des Füllstoffes kann beispielsweise mittels Wirbelsintern erfolgen. Durch dieses Verfahren kann auch das Schwinden des Verankerungskörpers im vorderen Teil stark reduziert werden.

Gemäss einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Wirbelsintern des Füllstoffes in einem sog. Wirbelschichtgranulator oder einem Schüttel- oder Biaxialmischer durchzuführen, wobei beispielsweise Aluminiumoxydpartikel mit einem Epoxydharzsystem eingehüllt bzw. beschichtet werden.

Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1a schematisch, im Schnitt, einen Ankerkonus mit senkrecht zum Zugelement auftretenden Zugrissen im Verankerungskörper, wie sie typischerweise bei einer ungenügenden Steifigkeitsabstufung auftreten;

Fig. lb im Längsschnitt einen analogen Ankerkonus wie in Fig. la, jedoch schematisch dargestellt, auftretende Brüche in der Oberflächenschicht des Drahtes und der Grenzschicht zwischen Draht und Verankerungskörper;

Fig. 2 in Diagrammform, Schubspannungsverteilungen entlang einem Zugelement in einem Verankerungskörper;

Figuren 3a bis 3c den Einfluss von drei Steifigkeitsabstufungen im Verankerungskörper mit einer weichen Zone am Vorderteil der Verankerung auf die Schubspannungsverteilung an der Oberfläche eines Zugelementes;

Fig. 4a bis 4c den Einfluss der gradierten und damit idealen Steifigkeitsverteilung in der Verankerung auf die Schubspannungsverteilung an der Oberfläche des Zugelementes, und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Verankerungskörper, wobei der im Verankerungskörper verwendete Füllstoff unterschiedlich stark mit Bindemittel umhüllt bzw. beschichtet ist. Vorne wird der Füllstoff dicker beschichtet als hinten.

In den Figuren la und lb sind schematisch im Schnitt mögliche Schadensbilder dargestellt, wie sie bei Verankerungen von Kohlenstoffaserdrähten in einem Vergussankersystem auftreten können. Das Vergussankersystem 1 umfasst dabei eine Hülse 3 aus Stahl, welche axial innenliegend eine konisch verlaufende Bohrung aufweist. In diesen Konus eingelassen ist ein entsprechend konisch ausgebildetes Verankerungssystem 5, bestehend aus dem gradierten Verankerungskörper 7 und den in diesem zu haltenden Kohlenstoffaserdrähten 9, von welchen aus Gründen der Einfachheit nur ein einziger Draht dargestellt ist. An der Übergangsfläche 11 von Verankerungskörper 7 und Hülse 3 soll die Reibung möglichst klein sein, indem entweder auf der Innenseite der Hülse 3 ein Trennmittel aufgetragen ist, oder aber der Verankerungskörper 7 beispielsweise mit einer Teflonfolie beschichtet ist. Dies ist wesentlich, sodass die beiden Körper frei gegeneinander verschiebbar sind. Der Verankerungskörper 7 wird in der Regel an dieser Grenzfläche mit Geweben aus Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern verstärkt.

Beim Auftreten einer Zugkraft F auf die Kohlenstoffaserdrähte 9 ergeben sich in der Regel zwei mögliche Schadenbilder, welche schematisch in den Figuren la und lb dargestellt sind. In Fig. 1a zeigen sich Querrisse 13 im Verankerungskörper 7, welche in der Regel im Frontbereich des Verankerungskörpers auftreten. Eine andere Ursache des frühzeitigen Versagens der Verankerung kann im Auftreten eines sog. Gleitbruches liegen, indem an der Grenzschicht zwischen Draht und Ankerfüllmasse oder auch in der Oberflächenschicht des Drahtes Risse bzw. Brüche 15 resp. 17 auftreten. Der Bruchverlauf ist so, dass zunächst im ersten Bereich A erste Risse 15 auftreten, welche sich anschliessend im Bereich B relativ schnell beschleunigt fortsetzen. In beiden dargestellten Fällen, d.h. sowohl in Fig. la wie auch in Fig. lb treten die ersten Schäden im Frontbereich des Vergusskonus 5 auf, offensichtlich deshalb, da bei erhöhter Zugkraft F in diesem Bereich eine Spannungskonzentration auftritt.

Diese Vermutung wird anhand des Schubspannungsverteilungsdiagramms in Fig. 2 erhärtet, wo die Schubspannung auf die Länge des Verankerungskörpers 7 entlang der Oberfläche des Kohlenstoffdrahtes 9 dargestellt ist. Kurve 18 aus Fig. 2 zeigt die ermittelte Spannungsverteilung in einem herkömmlichen, nicht gradierten Vergussankersystem entlang der Oberfläche eines verankerten Kohlenstoffdrahtes. Demgegenüber zeigt Kurve 19 die ideale Spannungsverteilung, sodass im Frontbereich des Ankersystems keine erhöhte Anfälligkeit von Brüchen bzw. Rissen in der Ankerfüllmasse wie auch entlang der Oberfläche des Kohlenstoffdrahtes besteht. Für das Erreichen einer mehr oder weniger idealen Spannungsverteilung entlang der Oberfläche eines Kohlenstoffdrahtes oder des Kohlenstoffdrahtbündels wird nun erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Steifigkeit in der Ankerfüllmasse vom Frontbereich des Vergussankersystems zum hinteren Bereich zunimmt. Ein derart erfindungsgemäss vorgeschlagenes Vergussankersystem soll nun anhand der Figuren 3 und 4 näher erläutert werden.

Ausgegangen wurde von Drähten, bestehend aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxydharz, wobei die Drähte im sog. Strangziehverfahren (Pultrusion) hergestellt worden sind. Dabei werden Faserrovings beispielsweise von der Firma Toray Industries, Japan, Typ T 700, von Spulen abgerollt und durch ein Epoxidharzbad gezogen. Als Epoxidharzmatrixsystem wurde das System Araldit LY 556/HY 917 gewählt. Das Faser/Harzbündel wurde bei gleichzeitigem Gelieren des Harzes in einer Härtungsform zu dem gewünschten Profil geformt bzw. gezogen. Mittels einer Abziehvorrichtung wurden die Drähte durch den Härtungsofen gezogen und anschliessend in sechs Meter lange Abschnitte geschnitten. Jeweils sieben Drähte wurden in einem Bündel zusammengefasst und in einem Ankerkonus mittels einer gefüllten Epoxidharzmasse vergossen, wobei das Füllen des Ankerkonus mittels herkömmlichen Methoden erfolgen kann, wie beispielsweise durch Injektion unter Vakuum. Als Ankerfüllmasse wurde erneut ein Aralditepoxidharzsystem der Firma Ciba-Geigy verwendet mit den Harzkomponenten CY 205/CY 208, wobei bei verschiedenen Versuchen unterschiedliche Mengen eines Härters HY 917 und eines Flexibilisators DY 070 beigefügt wurden. Damit wurden im umgefüllten Epoxidharzsystem E-Modul-Werte erreicht im Bereich von 400 bis 800 MPa bis zu Werten von 3500 bis 4300 MPa. Als Füllstoffe wurden Stahlkugeln, Glasperlen sowie Aluminiumoxyd der Firmen Metoxit und vom Typ Alcoa verwendet, wobei der E-Modul von Stahl bzw. Aluminiumoxyd bis zu 300'000 MPa betragen kann.

Ziel der Versuche war nun, bei erhöhtem Zug einen allfälligen Bruch der Kohlenstoffaserdrähte auf die freie Strecke zu verlegen, wobei davon auszugehen ist, dass der Bruch auf der freien Strecke theoretisch bei einer Zuglast auftritt, welche ca. 94% der Summe der einzelnen Zuglasten der einzelnen Zugelemente beträgt. Bei den oben erwähnten kohlenstoffaserverstärkten Epoxidharzdrähten wurde eine Zugfestigkeit gemessen von bis zu 3'300 MPa.

Wie nun in Fig. 3a im Schnitt dargestellt, wurde ein Verankerungskörper 7 für die Verankerung des Kohlenstoffaserbündels 9 (als ein einziger Draht dargestellt) verwendet, wobei drei Zonen 21, 23 und 25 gewählt wurden mit unterschiedlicher bzw. von der Front zum hinteren Ende ansteigenden Steifigkeit, d.h. E-Modul, in der Ankerfüllmasse. Im Frontbereich 21 wurde ein flexibilisiertes resp. weichgemachtes Epoxidharz als Ankermatrix gewählt, mit einem Füllgrad (Kurzfasern oder andere Füllstoffe) in der Grössenordnung von ca. 3-10%, wobei der gewählte Füllstoff eine relativ kleine Korngrösse aufwies. Der so erhaltene E-Modul lag je nach gewählter Mischung und verwendeter weichgemachter Epoxidharzmatrix in der Grössenordnung von ca. 500 MPa.

Im daran anschliessenden Abschnitt 23 wurde als Ankermatrix ein nur unwesentlich weichgemachtes Epoxidharz verwendet, wobei der Füllgrad in der Grössenordnung von 10-20% lag, mit einer Korngrösse des verwendeten Aluminiumoxydes von 14-28 (Siebgrösse). Der so erhaltene E-Modul lag in der Grössenordnung je nach gewähltem Epoxidharz und gewählter Füllstoffmenge zwischen 5'000 und 15'000 MPa.

Der hintere Bereich 25 des Giesskörpers wurde gebildet durch eine nicht weichgemachte Epoxidharzmatrix, welche selbst bereits einen E-Modul in der Grössenordnung von 4000 MPa aufwies. Der Füllgrad in diesem Bereich lag zwischen 20 und 85%, wobei grobkörniges Aluminiumoxyd verwendet worden ist. Um einen sehr hohen Füllgrad zu erhalten, wurde relativ niedrig viskoses Harz Araldit F für die Herstellung der Epoxidharzmatrix verwendet. Der so im Bereich 25 erreichte E-Modul lag in der Grössenordnung von ca. 70'000 bis 300'000 MPa.

In Fig. 3b sind die entsprechenden E-Module in bezug auf die Gesamtlänge des Giesskörpers in relativer Grössenordnung dargestellt, wodurch die Zunahme der Steifigkeit vom Frontbereich zum hinteren Bereich des Ankersystems deutlich erkennbar wird.

In Fig. 3c ist die in den einzelnen Bereichen festgestellte Schubspannung τ in Abhängigkeit der Länge des Ankerkonus dargestellt, wobei nun deutlich im Vergleich zu Fig. 2 erkennbar wird, dass sich im Bereich 21 eine wesentlich niedrigere Spannungskonzentrationsspitze einstellt.

Fig. 4a zeigt erneut einen Ankerkonus 5, in welchem jedoch eine weitgehendst stufenlose Zunahme der steifigkeit, d.h. E-Modul, im Verankerungskörper vom Frontbereich zum hinteren Bereich des Ankerkonus erreicht wird. Dabei wird der Frontbereich 21 aus Fig. 3 durch die drei Einzelbereiche 21' gebildet, der daran anschliessende Bereich 23 durch die drei Zonen 23', währenddem der hintere Bereich 25 weitgehendst demjenigen entspricht aus Fig. 3.

Somit ergibt sich in Fig. 4b eine weitgehendst gleichmässige Zunahme des E-Moduls, der dargestellt ist durch die Kurve C. Die Abstufung B entspricht derjenigen aus Fig. 3b, währenddem A denjenigen Fall darstellt, wo der E-Modul bzw. die Steifigkeit entlang des gesamten Ankerkonus gleichbleibend ist, resp. die Ankerfüllmasse entlang der gesamten Länge homogen ist.

Die drei Fälle A, B und C sind nun in Fig. 4c in bezug auf die berechnete Schubspannungsverteilung τ_rz dargestellt, wobei im Falle einer konstanten Steifigkeit des Verankerungskörpers bzw. im Falle A sich die gleiche Schubspannungsverteilung ergibt, wie in Fig. 2 durch Kurve 18 dargestellt. Kurve B entspricht der Schubspannungsverteilung von Fig. 3c, währenddem nun Kurve C die Schubspannungsverteilung darstellt, wie sie sich aus der Ankerkonuskonstruktion ergibt, wie in Fig. 4a dargestellt.

Ein Vergleich insbesondere der Kurven B und C zeigt, dass durch den gleichmässigeren Anstieg des E-Moduls in den Bereichen 21 und 23 kaum eine wesentliche Verbesserung der Schubspannungsverteilung erzielt werden kann, womit ein erhöhter Aufwand bei der Herstellung des Verankerungskörpers bzw. Ankerkonus 7 bzw. 5 kaum gerechtfertigt ist.

Zugversuche an erfidnungsgemäss hergestellten Verankerungssystemen haben dann auch ergeben, dass bereits bei der Unterteilung des Ankerkonus 5 in drei verschiedene Festigkeitszonen, d.h. E-Modulzonen, des Verankerungskörpers 7 ein allfälliger Bruch der Kohlenstoffaserdrähte auf die freie Strecke verlegt wurde. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass der Verankerungskörper mindestens zwei bzw. vorzugsweise drei bis fünf Bereiche umfassen sollte, welche unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen.

Analoge Resultate konnten erzielt werden, indem beispielsweise der vordere Bereich 21 aus einem mit Polymergranulat gefüllten Epoxydharz mit einem relativ tiefen E-Modul aufgebaut worden ist. Der hinterste Bereich 25 hingegen wurde mit Keramikgranulat gefüllt, um so eine relativ hohe Steifigkeit und einen hohen Kriechwiderstand zu erhalten. Der mittlere Übergangsbereich 23 wurde mit einer Mischung von keramischen und polymeren Granulaten gefüllt.

Als Ankermaterial können anstelle von Epoxidharzsystemen selbstverständlich auch andere duromere oder thermoplastische Systeme verwendet werden, wie insbesondere Polyurethan- oder Polyesterharzmassen, wobei speziell im Falle von Polyurethanharzsystemen das Einstellen der Steifigkeit besonders einfach ist. Für alle duromeren Systeme gilt aber grundsätzlich, dass durch das Einbauen von Weichmachern, Flexibilisatoren oder gar elastomeren Blökken in das Polymersystem die Weichheit bzw. die Härte modifiziert werden kann, währenddem anderseits durch Erhöhung der Vernetzungsdichte beispielsweise durch Verwendung sog. Novolac-Harzen die Härte bzw. die Steifigkeit, d.h E-Modul stark erhöht werden kann.

Analoge Versuche, wie oben beschrieben, wurden übrigens auch mit vorgefertigten Verankerungskörpern aus thermoplastischen oder duromeren Polymeren durchgeführt, unter Verwendung der gleichen Füllstoffe wie insbesondere Glas, Stahl und Aluminiumoxyd. Insbesondere verwendet wurden Polyätherätherketon, Polymethylmetacrylat, sowie Polykarbonat, d.h. thermoplastische Polymere, welche einen relativ hohen E-Modul aufweisen im Bereich von ca. 2'000 bis 3'000 MPa. Allerdings ergaben sich trotz der erfindungsgemässen Ausgestaltung des Giesskörpers mit ansteigender Festigkeit sog. Sprödbrüche im Vorderteil der Verankerung bei der Verwendung von Polymethylmetacrylat und Polykarbonat.

Generell zur Wahl des Materials, der Füllstoffe und des Füllgrades im Verankerungskörper ist in Ergänzung zur Ausgestaltung der Steifigkeitsverteilung zu sagen, dass die bei auftretenden Zugkräften auf die Drahtoberfläche auftretenden Radialdrücke ausreichend sein müssen, um die interlaminare Scherfestigkeit der Drähte zu erhöhen und ein sog. Ausschlüpfen der Drähte aus dem Giesskörper zu verhindern. Andererseits aber darf die Steifigkeit im Verankerungskörper nicht zu hoch sein, da ansonsten die beim Zug auftretenden Radialdrücke vollständig vom Verankerungskörper aufgenommen werden und nicht auf die Drahtoberfläche übertragen werden. Bei den verschiedenen Versuchen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steifigkeitswerte von der sog. weichen Frontzone zum hinteren Bereich um einen Faktor von ca. 100 zunehmen. So wurden im Frontbereich Steifigkeitswerte von ca. 2 bis 3 GPa gemessen, währenddem die Steifigkeit im hinteren Bereich bis zu 300 GPa betragen kann.

Weitere Optimierungen der Ausreissfestigkeit der verankerten Kohlenstoffaserdrähte sind möglich durch unterschiedliche Dimensionierung bzw. Ausgestaltung des Ankerkonus. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel des Ankerkonus möglichst klein ist, da ein schlanker Konus zu einem günstigen Spannungszustand führt. Allerdings ist der Winkel nach unten durch den zulässigen Konusschlupf begrenzt bzw. durch die maximale Verschiebung unter Zugbelastung. Bei einem zu klein gewählten Konusradius werden die Radialspannungen zu klein, so dass ein Ausziehen des Ankerkonus aus der Ankerhülse möglich ist bzw. die Hülse im Frontbereich aufbrechen kann.

Eine weitere Optimierung ist möglich, indem der Radius beim Eintritt der Kohlenstoffaserdrähte in den Ankerkonus in bezug auf den Radius des Kohlenstoffaserbündels nur unwesentlich grösser gewählt wird.

Im übrigen hat es sich weiter gezeigt, dass die Oberfläche des Verankerungskörpers in der linear konisch verlaufenden Ankerhülse nicht entsprechend linear konisch zu verlaufen hat, sondern gegen den Eintritt hin gebogen verjüngend ausgebildet sein kann. Allerdings ändert diese gebogene Ausbildung des Giesskörpers nichts an der erfindungsgemässen Aussage, dass die Steifigkeit vom Frontbereich zum hinteren Bereich in der Ankerfüllmasse bzw. im Giesskörper zunehmen muss.

Beim Vergiessen der Kohlenstoffaserdrähte in der Ankerhülse und dem gleichzeitigen Erzeugen der unterschiedlichen Steifigkeit hat sich eine weitere Problematik ergeben, indem in der Regel zusammen mit den Kohlenstoffaser-drähten bereits die Füllstoffe des Verankerungskörpers in den Konus eingegeben werden, bevor das Füllen des Konus mit der Ankermatrix bzw. mit dem Epoxidharz unter Vakuum erfolgt. Auf diese Art und Weise ist es kaum möglich, im Frontbereich einen kleineren Füllgrad zu erzielen als im hinteren Bereich, da durch das Füllen des Konus mit Füllstoff vor dem Injizieren des Harzes in der Regel nur eine gleichmässige Verteilung des Füllstoffes im Verankerungskörper erhalten wird.

Erfindungsgemäss wird deshalb weiter vorgeschlagen, dass der Füllstoff bzw. die Füllstoffe vor dem Füllen in den Ankerkonus unterschiedlich mit Bindemittel eingehüllt bzw. beschichtet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die Füllstoffe mittels eines sog. Wirbelschichtgranulators oder eines Schüttel- oder Biaxialmischer mit einem Beschichtungsmaterial, wie beispielsweise dem als Bindemittel verwendeten Harz, zu beschichten. Dabei wird in einem Mischgutbehälter Aluminiumoxyd oder mineralisches Granulat durch Rotation eines Wirblerwerkzeuges aufgewirbelt und feinst homogenisiert. Anschliessend wird das Beschichtungsmaterial in den Mischgutbehälter eingegeben, welches Beschichtungsmaterial im Vergleich zum Granulat einen wesentlich geringeren Elastizitätsmodul aufweist, in der Grössenordnung von 10 bis 1000 mal kleiner. Das Beschichtungsmaterial kann, wie oben erwähnt, das Bindemittelharzsystem sein, welches als Ankerfüllmassematrix verwendet wird. Es kann sich dabei aber selbstverständlich um andere Materialien handeln, welche einen geringeren Elastizitätsmodul aufweisen. Das Beschichtungsmaterial wird in der Regel als trockenes oder klebriges Pulver oder in Lösung oder in Kombination in den Mischgutbehälter eingegeben. Je nach Verweilzeit im Wirbelschichtgranulator oder in einem Schüttel- oder Biaxialmischer wird eine kleinere oder grössere Wandstärke erzeugt, mit welcher der Füllstoff durch das Bindemittelharzsystem eingehüllt wird. Je nach eingesetzten Stoffen wird das beschichtete Füllstoffgranulat nachträglich in einem Ofen getrocknet oder ausgehärtet.

Die auf diese Art und Weise hergestellten Füllstoffe mit unterschiedlichen Beschichtungsstärken können nun, wie in Fig. 5 dargestellt, in den vertikal stehenden Ankerkonus eingegeben werden, wobei im hinteren Bereich praktisch unbeschichtete Füllstoffe eingefüllt werden, währenddem im Frontbereich des Konus Füllstoffe mit hoher Wandstärke an Bindemittelharz eingefüllt werden. Bei der Injektion des Bindemittelharzes bzw. der Ankermatrix besteht nun nicht mehr die Gefahr, dass der Füllstoff homogen im ganzen Ankerkonus verteilt wird, sondern, wie erfindungsgemäss gefordert, ist der Füllgrad im Frontbereich wesentlich kleiner als im hinteren Bereich. Damit wird, wie erfindungsgemäss gefordert, die Steifigkeit im Frontbereich geringer und im hinteren Bereich wesentlich erhöht. Der Verankerungskörper, dargestellt in Fig. 5, besteht somit aus einem sog. Gradientenwerkstoff.

Der Vorteil der Verwendung von beschichteten Füllstoffen, z.B von beschichtetem Aluminiumoxyd, besteht darin, dass beispielsweise die verwendeten empfindlichen Kohlenstofffaserdrähte im vorderen Abschnitt lokal nicht verletzt werden können. Zudem ergeben sich keine lokalen "Micro"-Spannungskonzentrationen.

Die Darstellung der Erfindung unter Miteinbezug der Figuren 1 bis 5 ist selbstverständlich nicht abschliessend beschrieben, da die Ausgestaltung des Verankerungssystems auf x-beliebige Art und Weise modifiziert, variiert oder verändert werden kann. So ist die oben beschriebene Erfindung selbstverstädnlich nicht auf die Verwendung von Kohlenstoffaserdrähten beschränkt, sondern lässt sich ebenfalls auf Ankersysteme anwenden, wo andere Zugelemente verwendet werden, wie beispielsweise Stahlseile, Zugelemente aus Aramidfasern, Glasfaserzugstränge, etc. Auch die Herstellung der Ankerfüllmasse kann auf x-beliebige Art und Weise erfolgen, und die verschiedensten Materialien können für die Herstellung des Verankerungskörpers verwendet werden. Praktisch sämtliche duromeren Polymersysteme eignen sich besonders gut, währenddem selbstverständlich auch thermoplastische Vergussmassen verwendet werden können. Als Füllstoffe eignen sich insbesondere Gummi, Stahl, mineralische Füllstoffe, Aluminiumoxyd, währenddem auch diesbezüglich sämtliche üblicherweise in polymeren Vergussystemen verwendeten Füllstoffe verwendet werden können.

Erfindungswesentlich ist, dass die Steifigkeit, d.h. das E-Modul, im Verankerungskörper eines Verankerungssystems vom Frontbereich zum hinteren Bereich des Ankerkonus zunimmt (Gradientenwerkstoff), um so die Schubspannungsverteilung entlang der Oberfläche der Zugelemente weitgehendst gleichmässig zu verteilen, d.h. um zu verhindern, dass im Frontbereich des Konus eine stark erhöhte Spannungsspitze auftritt.

Erfindungswesentlich ist auch in zweiter Linie, dass die Variation der Steifigkeit des Verankerungskörpers (Gradientenwerkstoff) durch Beschichten der Füllstoffe erreicht wird.

Claims

Konisches Verankerungssystem zum Verankern von einem oder mehreren belasteten, gespannten oder vorgespannten Zugelementen, umfassend eine konische Ankerhülse (3) und einen, in die Hülse (3) passenden, das oder die Zugelemente haltenden Verankerungskörper (7), der eine entlang der Hülsenwandung im wesentlichen frei gleitende Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das E-Modul des den Verankerungskörper (7) bildenden Gradientenwerkstoffes vom Eintritt des oder der Zugelemente (9) in den Konus, d.h. vom Frontbereich zum hinteren Teil des Konus (5) hin zunimmt.
Konisches Verankerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungskörper durch einen Gradientenwerkstoff gebildet wird, bestehend aus einer Bindemittelmatrix und mindestens einem Füllstoff, wobei sich das unterschiedliche E-Modul des Verankerungskörpers durch unterschiedlichen Füllgrad, unterschiedliche Geometrie des Füllstoffes und/oder durch unterschiedliches E-Modul bzw. Härte des Füllstoffes ergibt.
Konisches Verankerungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelmatrix des Verankerungskörpers ein im wesentlichen duromeres Polymersystem ist mit im Frontbereich des Ankerkonus erhöhten Anteilen an Plastifiziermitteln, Flexibilisatoren, Weichmachern und/oder in das Polymere eingebauten Elastomerblöcken, damit der Verankerungskörper in diesem Bereich ein niedrigeres E-Modul aufweist als im hinteren Bereich.
Konisches Verankerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das E-Modul um einen Faktor im Bereich von ca. 20 bis ca. 300 vom Frontbereich zum hinteren Abschluss des Ankerkonus, vorzugsweise um einen Faktor von ca. 100 zunimmt.
Konisches Verankerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerkonus einen Öffnungswinkel im Bereich von ca. 5° bis ca. 15° aufweist.
Konisches Verankerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Radien der Ankeröffnung und des Zugelementes bzw. Zugelementbündels beim Eintritt des Zugelementes einen Wert im Bereich von ca. 0,5 bis ca. 15 mm aufweist.
Konisches Verankerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Zugelement(-e) aus einem oder mehreren Drähten aus Kohlenstoffasern besteht(-en), wobei vorzugsweise als Bindemittelmatrix in den Drähten ein Epoxydharzsystem verwendet wird.
Konisches Verankerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff im Verankerungskörper durch Stahl, Quarz, Glas, Gummi und/oder vorzugsweise Aluminiumoxyd in Form von Schrott, Sand, Kugeln, Fasern, Granulate und dgl. vorliegt.
Konisches Verankerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungskörper mindestens zwei Zonen mit unterschiedlichen E-Modul aufweist, vorzugsweise ca. drei bis fünf Zonen, wobei das E-Modul der verschiedenen Zonen vom Frontbereich des Ankerkonus zum hinteren Bereich zunehmen.
Verfahren zum Herstellen eines konischen Verankerungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerhülse (3) oder ein Hohlkörper mit entsprechender Geometrie mit einem Trennmittel beschichtet wird, anschliessend das oder die Zugelemente (9) in die Hülse eingeführt werden, worauf die Hülse mit einem Gradientenwerkstoff ausgefüllt wird, wobei durch zunehmendes Füllen des Gradientenwerkstoffes mit Füllstoff mit hohem E-Modul vom Frontbereich zum hinteren Bereich des Konus (5) ein zunehmendes E-Modul des Verankerungskörpers (7) vom Frontbereich zum hinteren Teil erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff vor dem Füllen des Verankerungskörpers unterschiedlich stark mit Bindemittel umhüllt bzw. beschichtet wird, wobei im Frontbereich stark eingehüllter bzw. beschichteter Füllstoff zusammen mit dem Bindemittel in die Ankerhülse bzw. den Hohlkörper eingefüllt wird und im hinteren Bereich nicht oder nur schwach eingehüllter oder beschichteter Füllstoff.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff mittels Wirbelsintern beschichtet bzw. eingehüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel durch Wirbelsintern in einem sog. Wirbelschichtgranulator oder einem Schüttel- oder Biaxialmischer erfolgt, wobei vorzugsweise Aluminiumoxydpartikel mit einem Epoxidharzsystem eingehüllt bzw. beschichtet werden.