EP0865554A1 - Bauteil oder bauwerk mit verbundstruktur, zugehöriges verbundbauelement und herstellungsverfahren - Google Patents

Bauteil oder bauwerk mit verbundstruktur, zugehöriges verbundbauelement und herstellungsverfahren

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EP0865554A1
EP0865554A1 EP96939822A EP96939822A EP0865554A1 EP 0865554 A1 EP0865554 A1 EP 0865554A1 EP 96939822 A EP96939822 A EP 96939822A EP 96939822 A EP96939822 A EP 96939822A EP 0865554 A1 EP0865554 A1 EP 0865554A1
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EP
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component
composite
fiber
fibers
composite component
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EP96939822A
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Josef Scherer
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Individual
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    • Y10T428/249947—Polymeric fiber

Definitions

  • the invention relates to a component or structure which at least partially has a composite structure with a plurality of carrier fibers arranged essentially parallel to one another and a binder component in which the carrier fibers are embedded in a shear-resistant manner.
  • the subject matter of the invention also includes a corresponding composite component and a production method.
  • Composite structures of the type mentioned are widely used in a wide variety of fields of technology, in particular e.g. also for the repair or subsequent reinforcement of components or structures originally created without an additional composite component, especially those with a reinforced concrete base.
  • it is often desirable or necessary to adjust or adjust the elasticity properties and the strength values in particular also taking into account the properties of structures and connecting elements interacting with the composite component.
  • the fibers that are considered for this, especially glass and carbon fibers, but possibly also e.g. Boron fibers as well as fibers made of high-strength polymer plastics are available in a wide range of different module values, but generally only with large gaps in the value range and in combination with other material parameters, especially tensile strength. In practice, this results in a severe restriction of the selection and adjustment options.
  • a related problem area relates to the distribution of the load under load in a component or building with different composite structures, in particular in a composite between a concrete base body, which in turn contains steel reinforcement and thus its own composite structure, and one that is connected to this base body in a material or form-fitting manner Fiber composite component.
  • a component or building with different composite structures in particular in a composite between a concrete base body, which in turn contains steel reinforcement and thus its own composite structure, and one that is connected to this base body in a material or form-fitting manner Fiber composite component.
  • the object of the invention is therefore first of all to create a construction method for components, structures or composite components and a design for a production method by means of which an adjustment and adaptation of the elasticity and strength properties can be facilitated and improved, in particular also with regard to one high and even utilization of the carrier fibers.
  • the features of the invention according to the above-mentioned claims and preferably their combination with the features of the subordinate claims enable a largely complete setting range for the elasticity and strength properties as well as for the stress distribution in the component or building or in the composite component.
  • the path towards optimizing the degree of utilization and the load-bearing and deformation behavior of components is Structures or composite components opened.
  • the deformation behavior in stress conditions close to fracture can also be influenced and specifically improved.
  • the features of the invention according to claim 1 allow a largely complete setting range for the adaptation between the elastic properties of the composite-relevant sections of the base body on the one hand and the composite component on the other hand. This is expressed in a total elastic modulus to be defined on both sides, i.e. an average value, which is obtained for the base body from the respective base body cross-section according to known analytical methods and for the composite component from the sum of the elasticity modules of the various fiber components weighted with their cross-sectional fiber content.
  • the mentioned cross-sectional proportions are constructively or technically selectable with means known per se.
  • the fibers of the fiber components are to be arranged in the cross-section of the composite structure, at least in sections, in mutual mixing.
  • the ratio of the component cross-sectional components must be delimited against certain extreme values. This delimitation is expressed in the limit values of the cross-sectional proportion of the respectively tensile or tensile fiber component defined according to claim 1.
  • further developments of the invention result in minimum values for the cross-sectional proportions of the respectively more rigid or tensile fiber component of 18% and preferably of 25%.
  • cross-sectional proportion in the present context this is to be understood as a ratio variable relating to a total cross-sectional area. In principle, this ratio can relate both to a total fiber cross-sectional area of several or all of the fiber components and also to a total cross-sectional area of the composite component or within the same.
  • the last-mentioned definition of the total cross-sectional area also includes partial areas which are irrelevant or negligible for the tensile elasticity of the composite component, for example the partial area which is attributable to the binder component and in any case not decisive for the fiber components. In contrast, only dimensions of the fiber components themselves are included in the first-mentioned definition.
  • EO AI.El + A2.E2
  • EO is an elasticity parameter for the in the former case Combination of the jointly deformed fiber components, in the second case, however, one for the composite component with its respective overall cross-sectional design.
  • EO there are fundamentally different numerical values in both cases, namely in the second case generally a lower numerical value. This must be taken into account when using EO for evaluating calculations, for example for determining deformation under load.
  • the total cross-sectional area of the composite component which is determined by design specifications.
  • the latter may be desirable in practice, but may lead to unwieldiness, for example if cross-sectional components irrelevant in terms of elasticity and thus the total cross-sectional area vary along the composite component with constant fiber component cross-sections.
  • a further development essential to the invention provides a composite component which is integrally connected to a base body and thus resistant to shear, for example by gluing, the base body having a reinforcement which transmits tension, in particular a steel reinforcement, which is embedded in concrete as a base material to transmit shear stress.
  • the resulting total modulus of elasticity EO of the fiber components is then set according to the invention in accordance with the tensile modulus of elasticity of the reinforcement or within predetermined limits. In the normal loading situation of the overall arrangement, this enables the reinforcement and the composite component to participate advantageously in the load-bearing function. If - as can be achieved with available fiber materials - the combination of the fiber components has a higher tensile strength than the steel reinforcement, then overloading the steel reinforcement of the base body when the flow limit is exceeded does not yet lead to failure of the overall arrangement, but only to an excessive, but up to one certain higher load limit still allowable stress in the composite component. The overload is therefore noticeable before the failure by an increased deformation, which can be monitored if necessary using detection means known per se.
  • the deviation of the total elastic modulus of the fiber components from the reinforcement elastic modulus is at most 20%, in particular at most 10% of the latter.
  • the fiber components of the composite component may have different individual fiber components. Cross-sectional areas and / or have different mean values of these cross-sectional areas.
  • at least two fiber components of the composite component each have a plurality of fiber bundles, the fiber bundles of the two fiber components being arranged mixed in the overall fiber cross section.
  • An arrangement of the fibers or fiber bundles of the different fiber components of the composite component over the entire fiber cross-section or a part of the same in at least approximately uniform distribution will usually make sense.
  • the composite component belonging to the subject matter of the invention is mainly advantageously used in a component or building according to the invention, but in principle can also be used in another context.
  • it is a composite component which has at least one fiber component with a plurality of carrier fibers arranged essentially parallel to one another and at least one binder component in which the carrier fibers are embedded in a shear-resistant manner.
  • At least two fiber components are provided, with respect to which the ratio values of the elasticity modules on the one hand and the breaking stresses on the other hand have a difference of at most 0.25, but preferably of at most 0.15.
  • the ratio of the tensile stresses occurring in the fiber components to the same tensile deformation, owing to the shear bond essentially corresponds to the ratio of the elasticity modules of these fiber components.
  • the features of the aforementioned variant of the invention have the effect that the generally different fracture stresses or the permissible stresses in the fiber components concerned, which are determined as matching fractions of the same, are achieved essentially simultaneously with increasing stress or only with predetermined deviations. This means an optimal utilization of the load-bearing capacity of the different fiber components.
  • Another variant of the invention also relating to a composite component of the aforementioned type, which can be used in particular with the last-mentioned inventive features, but in principle also independently of them, provides for at least one fiber component, the fibers made of a material with a different composition and / or with respect to another fiber component Shows quality. Irrespective of or in combination with the selection of the cross-sectional proportions, this offers an advantageous expansion of the possibilities for different parameter setting of the different fiber components, and not only with regard to the elastic properties, but also the achievable bond strength. For example, glass fibers of different composition or different surface roughness can be used in this context with corresponding adhesion properties to the binder component.
  • fiber component it should be noted that in the present context, this should be understood to mean a component of a more extensive fiber arrangement consisting of fibers - possibly of different types in a local summary - but not a material component of individual fibers.
  • a plurality of fiber components with different values of the tensile fiber tensile strength can be provided and the prestresses of these fiber components can be dimensioned according to predetermined fractional values of the associated tensile strength values.
  • a pretensioning arrangement can, depending on the structure of the composite structure with different fiber components, that is to say also in the case of fibers of the same type, already bring about considerable progress according to the invention.
  • such a targeted fiber prestressing and a corresponding predetermined stress distribution in the loaded state can be realized within the composite structure of a larger component or building.
  • a fiber composite component or fiber composite component that is already provided independently of the connection to another component or a structure with internal fiber pretensioning brings special progress.
  • the compressive force required for this, acting in the opposite direction to the fiber tensile pretension, is taken over here by the matrix or a fiber portion bound in it and supported against kinking.
  • support fibers can have high levels due to rigid and, in particular, shear-resistant integration into a matrix Elastic modulus without risk of buckling or buckling absorb such compressive stresses, even over long lengths in slim, rod-shaped or lamellar composite components.
  • a composite component or composite component that is internally pre-stressed in this way can then in principle be connected without external pre-stressing to an unloaded or reduced load, possibly to a building or other component that is only under its own load, whereby the predetermined total stress distribution results under loads that are also to be specified.
  • Fig.l a section of a reinforced concrete structure according to the invention with a composite component in side view and
  • FIG. 2 shows a cross-sectional area of the composite component in FIG. 1 with an adjacent area of a building base body on a much larger scale with respect to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the load-expansion diagram of a first embodiment of a composite component according to the invention with reinforcement made only from highly elastic supporting fibers
  • FIG. 4 shows a diagram in the manner of FIG. 3, but for a composite component according to the invention with combined reinforcement of highly elastic supporting fibers and supporting fibers with plastic fracture deformation
  • 5 shows a clamping section of a composite component according to the invention with non-positive, heat-insensitive load introduction and with load transmission announcing breakage
  • FIG. 6 shows a block diagram of a continuous production plant for the production of composite components according to the invention.
  • a continuous beam 1 statically mounted on vertical supports with a concrete base body GK.
  • the support 1 contains, in the area of its underside, a steel reinforcement AR of the usual type illustrated only with a rod.
  • the continuous support is designed in a manner not shown for absorbing a bending stress, so that the reinforcing rod on the underside of the support in the Tension range of the carrier is.
  • a composite layer VBE according to the invention which is elongated in the longitudinal direction of the carrier and is otherwise flat, is attached to the lower side of the carrier by means of an adhesive layer 2 of known type and is connected to the base body GK in a shear stress-transmitting connection. Reinforcement AR and composite component VBE thus together form the tension part of the beam 1.
  • the composite component VBE comprises a multiplicity of fiber bundles FB running parallel to the longitudinal direction of the carrier 1, which in turn each comprise a multiplicity of individual carrier fibers F1 and F2, which lie close to one another.
  • the fiber bundles can optionally be provided with a sheath for the purpose of tight packing of the fibers F1, F2.
  • the fibers of the individual bundles are expediently joined in a shear-resistant manner by a binder.
  • the fiber bundles FB are embedded in a binder component BK, for example an epoxy resin, and are also cohesively connected to one another in a manner that transmits shear stress. Via the adhesive layer 2 and the concrete mass of the base body GK, a shear stress-transmitting connection is also made for the reinforcement AR.
  • the fiber bundles FB form two fiber components FK1 and FK2 with different elasticity modules E1, E2 of their fibers.
  • the selected cross-sectional proportions of the components FK1 and FK2 are achieved by different thicknesses of the fibers F1 and F2 with the same diameter of the fiber bundles, so that correspondingly different fiber packing densities within the bundles and thus different or specifically predetermined total fiber cross-sections result per bundle .
  • the desired cross-sectional proportions can be set in this way and optionally also in different bundle numbers per fiber component.
  • the fiber bundles are arranged alternately, so that the overall cross-sectional structure is comparatively low inhomogeneity.
  • support fibers can absorb such compressive stresses as a result of rigid and in particular shear-resistant integration into a matrix with their high modulus of elasticity without the risk of buckling or buckling, even over long lengths in slim, rod-shaped or lamellar composite components.
  • the pre-tensioning, and in the simplest case of a pre-tension covering more or less the entire fiber cross-section, also has significant advantages with a cross-section that is homogeneous with regard to the fiber material, for example by avoiding a change of sign in the case of an oscillating load (no tension zero crossings).
  • Targeted non-uniform prestressing distributions in the overall fiber cross section enable optimization of the stress distribution in the cross section under load, for example with regard to increased bending moment absorption. Furthermore, such a non-uniform cross-sectional distribution of the internal pretension can be used to bring a small cross-sectional portion close to its breaking point even at nominal load or an otherwise suitably predetermined load due to increased pretension. The incoming breakage of this small fiber component then leads to an abrupt deformation, for example an increased deflection, of the overall composite component and thus to a desired total breakage risk approaching pre-signaling.
  • FIG. 3 shows a special example in which a plurality of fiber components with different values of the tensile fiber tensile strength are provided and the prestresses of these fiber components are dimensioned according to predetermined fractional values of the associated tensile strength values.
  • FK1, FK2 different elasticity and fracture deformation characteristics are provided in the load-bearing cross section of at least a section of the composite component.
  • the latter are shown in the diagram according to FIG. 3 from the characteristics of the deformation or prestressing and loading force P denoted by FK1 or FK2 over the deformation e relating to the stress-free length.
  • El denotes the deformation of FK1, € 2 that of FK2 and eE that of the composite component.
  • FIG. 4 - a load-deformation diagram like FIG. 3 - there is at least one highly elastic fiber component FK1, in particular with carbon, glass and / or polymer fibers, and at least one fiber component FK2 with a relevant plastic fracture set of e.g. ⁇ at least 1% planned.
  • FK2 a metallic fiber component with a pronounced flow area and possibly even with subsequent strain hardening (steel characteristic curve) can optionally be selected with particular advantage.
  • the prestressing and deformation mechanism is the same as in FIG. 3, which is why a repeated illustration has been omitted.
  • a composite component VBE is anchored in a shear-resistant manner by an adhesive K on the underside of a building base body GK.
  • a composite component with at least one highly elastic fiber component is provided, in particular an arrangement of carbon, glass and / or polymer fibers.
  • this transmission element is designed as a sleeve and is seated on an anchor and stop bolt AS, which in turn is anchored in the base body with heat-resistant mortar or the like.
  • the power flow to the composite component continues via a thimble-like, self-locking clamping device KV with a wedge-shaped connecting element AE.
  • a signaling yielding of the connection and then again a rigid positive force transmission by touching the collar KR of the clamping device KV with the anchor and stop bolt AS, but also an emergency safety device against softening and failure of the matrix of the composite component due to possible exposure to heat, for example as a result of fire in or on the building.
  • the system indicated in the block diagram in FIG. 6 for carrying out an example of the production method according to the invention with a continuous material pass along a pass path DB operates as follows:
  • a large number of carrier fibers or carrier fiber bundles are provided in a feed station ZFS on a battery of feed coils ZS arranged coaxially or in a staggered manner. Each of these coils is provided with an individually adjustable brake device BV. Via an exit guide AFR, the fiber bundles arrive at a merging comb or hole arrangement KA, where they are brought into a two-dimensional cross-sectional distribution corresponding to the shape of the desired fiber reinforcement. This is carried out in a subsequent embedding and shaping station EFS, which has, for example, an extruder which receives the reinforcing fibers in a pass and is charged with the binder for the matrix Profile shaping of the strand-shaped composite blank.
  • the latter then reach a heating and hardening station HHS, in the exit area of which a processing and assembly station can also be integrated, for example for shaping the hardened blanks.
  • HHS heating and hardening station
  • the composite component arriving successively or continuously as continuous goods, provided that they are flat and sufficiently flexible, are continuously wound up together with the fiber reinforcement. It is essential here to generate sufficient tensile forces on the entire fiber reinforcement in the passage. This, in conjunction with the aforementioned individual braking of the reinforcing fibers or fiber bundles or fiber groups, enables the prestressing to be maintained until the matrix is embedded and hardened in a fixed shear bond with the fiber reinforcement.
  • composite components with more complicated cross-sectional and profile shapes can also be produced in this way, e.g. also multiple angle profiles and hollow profiles.
  • a method according to the invention therefore provides that the connection between the composite component and the base body is produced under a load or deformation of the component or building or a part thereof, which is set to be reduced in relation to a predetermined, maximum total load or total deformation, preferably in Reference to a predetermined, maximum total load or total deformation of at least about 40%, in particular at least about 75%, advantageously even under the mere own load of the building.
  • this is facilitated and in many cases made possible in that the connection between the composite component and the base body is at least partially produced by gluing with a fast-curing, high-strength polymer adhesive, in particular one based on acrylate.

Abstract

Erfindungsgattung: Bauteil oder Bauwerk mit einem zugspannungsübertragenden Verbundbauelement, das mit einem Betongrundkörper, in schubspannungsübertragender Verbindung steht. Das Verbundbauelemet umfasst dabei eine Vielzahl von zueinander parallel angeordneten Tragfasern und eine Binderkomponente, in der die Tragfasern miteinander schubfest verbunden eingebettet sind. Erfindungsaufgabe: Schaffung einer Konstruktion, die eine verbesserte Elastizitätsanpassung zwischen den tragenden Bestandteilen ermöglicht. Kennzeichen der Erfindungslösung: Für das Verbundbauelement (VBE) sind unterschiedliche Elastizitätsmodule aufweisende Faserkomponenten vorgesehen, deren Fasern im Querschnitt des Verbundbauelementes (VBE) in gegenseitiger Vermischung angeordnet sind. Der Anteil der jeweils zugsteiferen bzw. zugsteifesten Faserkomponente an der Gesamt-Faserquerschnittsfläche beträgt mindestens 12 % und höchstens 93 %. Anwendungen und Vorteile: Verstärkung und Instandsetzung von stahlarmierten Betonbauten. Verbesserte Gesamtfestigkeit der Kombination von Armierung und Verstärkung.

Description

Bauteil oder Bauwerk mit Verbundstruktur, zugehöriges Verbund- bauelement und Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Bauteil oder Bauwerk, das wenigstens teilweise eine Verbundstruktur mit einer Vielzahl von im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Tragfasern und eine Binderkomponente aufweist, in der die Tragfasern mitein¬ ander schubfest verbunden eingebettet sind. Zum Erfindungs¬ gegenstand gehört auch ein entsprechendes Verbundbauelement und ein Herstellungsverfahren.
Verbundstrukturen der genannten Art finden breite Anwendung in verschiedensten Gebieten der Technik, insbesondere z.B. auch bei der Instandsetzung oder nachträglichen Verstärkung von ursprünglich ohne ein zusätzliches Verbundbauelement erstellten Bauteilen oder Bauwerken, vor allem bei solchen mit einem Stahlbeton-Grundkörper. In diesem Zusammenhang ist oft eine Einstellung oder Anpassung der Elastizitätseigen¬ schaften und der Festigkeitswerte erwünscht oder erforderlich, insbesondere auch unter Berücksichtigung der Eigenschaften von mit dem Verbundbauelement zusammenwirkenden Bauwerken und Anschlusselementen. Die hierfür in Betracht kommenden Fasern, vor allem Glas- und Carbonfasern, gegebenenfalls aber auch z.B. Borfasern sowie Fasern aus hochfesten polymeren Kunststoffen, sind zwar in einem grossen Bereich unterschiedlicher Modulwerte verfügbar, jedoch im allgemeinen nur mit grossen Lücken im Wertebereich und in Kombination mit anderen Materialparametern, vor allem der Zug-Bruchfestigkeit. Dies hat in der Praxis eine starke Einschränkung der Auswahl- und Anpassungsmöglichkeiten zur Folge.
ORIGINAL UNTERLAGEN Ein verwandter Problemkreis betrifft die Verteilung der Beanspruchung unter Last in einem Bauteil oder Bauwerk mit unterschiedlichen Verbundstrukturen, insbesondere in einem Verbund zwischen einem Beton-Grundkörper, der seinerseits eine Stahlarmierung und damit eine eigene Verbundstruktur enthält, und einem mit diesem Grundkörper stoff- oder formschlüssig verbundenen Faser-Verbundbauelement. Auch in dieser Hinsicht besteht ein praktisches Fortschrittsbedürfnis.
Aufgabe der Erfindung ist daher zunächst die Schaffung einer Konstruktionsweise für Bauteile, Bauwerke oder Verbund¬ bauelemente sowie einer Gestaltung für ein Herstellungs¬ verfahren, mittels deren eine Einstellung und Anpassung der Elastizitäts- und Festigkeitseigenschaften erleichtert und verbessert werden kann, insbesondere auch im Hinblick auf einen hohen und gleichmässigen Ausnutzungsgrad der Tragfasern.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist bestimmt hin¬ sichtlich eines Bauteils oder Bauwerks oder Verbundbauelementes durch die Merkmale eines oder - in sinnvoller Kombination - gegebenenfalls mehrerer der selbständigen Ansprüche 1, 2, 12, 14 bis 16 bzw. 21 bis 23. Hinsichtlich des Herstellungs¬ verfahrens ist die erfindungsgemässe Aufgabenlösung bestimmt durch die Merkmale des Anspruchs 25 bzw. 27. Wesentliche Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfndung sind bestimmt durch die Merkmale der jeweils nachgeordneten Ansprüche.
Die Erfindungsmerkmale gemäss den genannten Ansprüchen und vorzugsweise deren Kombination mit den Merkmalen der nachgeord¬ neten Ansprüche ermöglichen einen weitgehend lückenlosen Einstellungsbereich für die Elastizitäts- und Festigkeits¬ eigenschaften sowie für die Spannungsverteilung im Bauteil oder Bauwerk bzw. im Verbundbauelement. Weiterhin wird erfindungs¬ gemäss der Weg in Richtung einer Optimierung des Ausnutzungs¬ grades sowie des Trag- und Verformungsverhaltens von Bauteilen, Bauwerken oder Verbundbauelementen eröffnet. Insbesondere kann ferner das Verformungsverhalten in bruchnahen Belastungs- zuständen beeinflusst und gezielt verbessert werden.
Die Erfindungsmerkmale gemäss Anspruch 1 ermöglichen einen weitgehend lückenlosen Einstellungsbereich für die Anpassung zwischen den Elastizitätseigenschaften der verbundrelevanten Abschnitte des Grundkörpers einerseits und des Verbundbau¬ elementes andererseits. Dies findet Ausdruck in einem beider¬ seits zu definierenden Gesamt-Elastizitätsmodul, d.h. einem Mittelwert, der sich für den Grundkörper nach bekannten analytischen Verfahren aus dem jeweiligen Grundkörperquer¬ schnitt und für das Verbundbauelement aus der Summe der mit ihrem Faser-Querschnittsanteil gewichteten Elastizitätsmodule der verschiedenen Faserkomponenten ergibt. Konstruktiv bzw. herstellungstechnisch mit an sich bekannten Mitteln kontinuier¬ lich wählbare Parameter sind dabei die genannten Querschnitts¬ anteile. Um einen ausreichend angenähert homogenen bzw. nicht zu stark inhomogenen Gesamt-Querschnittsaufbau zu erreichen, sind die Fasern der Faserkomponenten im Querschnitt der Verbundstruktur wenigstens abschnittsweise in gegenseitiger Vermischung anzuordnen. Aus dem gleichen Grund sowie im Hinblick auf die Vermeidung einer untragbar geringen oder ungleichmässigen Ausnutzung von Querschnittsanteilen ist das Verhältnis der Komponenten-Querschnittsanteile gegen gewisse Extremwerte abzugrenzen. Diese Abgrenzung findet ihren Ausdruck in den gemäss Anspruch 1 definierten Grenzwerten des Quer¬ schnittsanteils der jeweils zugsteiferen bzw. der zugstei¬ festen Faserkomponente. Im Zuge einer Optimierung hinsichtlich Homogenität bzw. Querschnittsausnutzung ergeben sich in Weiter¬ bildung der Erfindung Mindestwerte für die Querschnittsanteile der jeweils zugsteiferen bzw. zugsteifesten Faserkomponente von 18% und vorzugsweise von 25%.
Zur Definition des Begriffs "Querschnittsanteil" sei angemerkt, dass dieser im vorliegenden Zusammenhang als auf eine Gesamt¬ querschnittsfläche bezogene Verhältnisgrösse zu verstehen ist. Dabei kann diese Verhältnisgrösse grundsätzlich sowohl auf eine Gesamt-Faserquerschnittsfläche mehrerer oder aller Faser¬ komponenten als auch auf eine Gesamtquerschnittsfläche des Verbundbauelementes oder innerhalb desselben bezogen sein. In die letztgenannte Definition der Gesamtquerschnittsfläche gehen auch Teilflächen ein, die für die Zugelastizität des Verbund¬ bauelementes irrelevant oder vernachlässigbar sind, z.B. die auf die Binderkomponente entfallende und jedenfalls nicht für die Faserkomponenten massgebende Teilfläche. In die erst¬ genannte Definition gehen dagegen nur Massgrössen der Faser¬ komponenten selbst ein.
Nachdem sich der Gesamt-Elastizitätsmodul gemäss Vorstehendem für das Beispiel von zwei Faserkomponenten FK1, FK2 mit den Querschnittsanteilen AI, A2 und den Modulen El und E2 als EO = AI.El + A2.E2 ergibt, ist EO im erstgenannten Fall eine Elastizitätskenngrösse für die Kombination der gemeinsam verformten Faserkomponenten, im zweiten Fall dagegen eine solche für das Verbundbauelement mit seiner jeweiligen Gesamtquerschnittsgestaltung. Für EO ergeben sich in beiden Fällen grundsätzlich unterschiedliche Zahlenwerte, nämlich im zweiten Fall im algemeinen ein niedrigerer Zahlenwert. Dies ist bei der Verwendung von EO für auswertende Rechnungen, z.B. für eine Verformungsbestimmung unter Belastung, zu berücksich¬ tigen. Im ersten Fall wird - sofern keine weiteren elasti¬ zitätsrelevanten Komponenten vorhanden sind - nur mit den tatsächlichen Querschnittsflächen der Faserkomponenten gerechnet, im zweiten Fall mit der durch konstruktive Vorgaben bedingten Gesamtquerschnittsfläche des Verbundbauelementes. Letzteres kann in der Praxis gerade erwünscht sein, aber zu Unhandlichkeit führen, z.B. wenn elastizitätstechnisch irrelevante Querschnittsanteile und damit die Gesamtquer¬ schnittsfläche bei konstanten Faserkomponentenquerschnitten längs des Verbundbauelement variieren. Eine erfindungswesentliche Weiterbildung sieht ein an einen Grundkörper stoffschlüssig und damit schubfest, z.B. durch Klebung, angeschlossenes Verbundbauelement vor, wobei der Grundkörper eine zugspannungsübertragende Armierung, insbesondere eine Stahlarmierung aufweist, die schubspannungsübertragend in Beton als Grundmasse eingebettet ist. Der resultierende Gesamt-Elastizitätsmodul EO der Faserkomponenten wird dann erfindungsgemäss entsprechend dem Zug-Elastizitätsmodul der Armierung bzw. in vorgegebenen Grenzen von diesem abweichend eingestellt. Dies ermöglicht im Normal-Belastungsfall der Gesamtanordnung eine vorteilhafte Teilnahme der Armierung und des Verbundbauelementes an der Tragfunktion. Wenn nun - wie mit verfügbaren Fasermaterialien erreichbar - die Kombination der Faserkomponenten eine höhere Zugspannungsfestigkeit als die Stahlarmierung aufweist, so führt eine Ueberlastung der Stahlarmierung des Grundkörpers mit Ueberschreiten der Fliessgrenze noch nicht zum Versagen der Gesamanordnung, sondern nur zu einer überhöhten, aber bis zu einer gewissen höheren Belastungsgrenze noch zulässigen Spannung im Verbundbauelement. Die Ueberlastung macht sich also vor dem Versagen durch eine erhöhte Verformung bemerkbar, die gegebenenfalls mit an sich bekannten Detektionsmitteln überwacht werden kann.
In Optimierung dieser Erfindungsvariante kann vorgesehen werden, dass die Abweichung des Gesamt-Elastizitätsmodul der Faserkomponenten vom Armierungs-Elastizitätsmodul höchstens 20%, insbesondere höchstens 10% des letzteren beträgt.
Für die unterschiedliche Elastizitätseinstellng der Faser¬ komponenten und die Anordnung bzw. Verteilung und Ausbildung der Fasern kommen erfindungsgemäss verschiedene Optimierungen in Betracht. So kann es hinsichtlich der Verformungseigen¬ schaften bzw. der Tragfähigkeit je nach den Gegebenheiten des Anwendungsfalles vorteilhaft sein, wenn die Faserkom¬ ponenten des Verbundbauelementes unterschiedliche Einzelfaser- Querschnittsflächen und/oder unterschiedliche Mittelwerte dieser Querschnittsflächen aufweisen. Insoweit und auch hinsichtlich der Herstellungstechnik bietet es oft Vorteile, dass mindestens zwei Faserkomponenten des Verbundbauelementes jeweils eine Mehrzahl von Faserbündeln aufweisen, wobei die Faserbündel beider Faserkomponenten im Gesamt-Faserquerschnitt vermischt angeordnet sind. Meist wird eine Anordnung der Fasern bzw. Faserbündel der verschiedenen Faserkomponenten des Verbundbauelementes über den Gesamt-Faserquerschnitt oder einen Teil desselben in wenigstens annähernder Gleichverteilung sinnvoll sein.
Das zum Erfindungsgegenstand gehörende Verbundbauelement ist hauptsächlich vorteilhaft in einem erfindungsgemässen Bauteil oder Bauwerk, grundsätzlich jedoch auch in anderem Zusammen¬ hang einsetzbar. Dabei handelt es sich jedenfalls um ein Verbundbauelement, das mindestens eine Faserkomponente mit einer Vielzahl von im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Tragfasern und mindestens eine Binderkomponente aufweist, in der die Tragfasern miteinander schubfest verbunden eingebettet sind. Dabei sind mindestens zwei Faserkomponenten vorgesehen sind, bezüglich deren die Verhältniswerte der Elastizitätsmodule einerseits und der Bruchspannungen anderer¬ seits einen Differenzbetrag von höchstens 0,25, vorzugsweise jedoch von höchstens 0,15 aufweisen. Bei Kompositstrukturen der vorliegenden Art entspricht das Verhältnis der sich in den Faserkomponenten einstellenden Zugspannungen bei - wegen des Schubverbundes - gleicher Zugverformung im wesentlichen dem Verhältnis der Elastizitätsmodule dieser Faserkomponenten. Infolgedessen bewirken die Merkmale der vorgenannten Erfin¬ dungsvariante, dass die im allgemeinen unterschiedlichen Bruchspannungen bzw. die als übereinstimmende Bruchteile derselben bestimmten zulässigen Spannungen in den betroffenen Faserkomponenten mit zunehmender Belastung im wesentlichen gleichzeit bzw. nur mit vorgegebenen Abweichungen erreicht werden. Dies bedeutet eine optimale Ausnutzung der Tragfähig¬ keit der verschiedenen Faserkomponenten. Eine weitere, ebenfalls ein Verbundbauelement der vorgenannten Art betreffende Erfindungsvariante, die insbesondere mit den zuletzt erläuterten Erfindungsmerkmalen, jedoch grundsätzlich auch unabhängg von diesen anwendbar ist, sieht mindestens eine Faserkomponente vor, die Fasern aus einem Material von bezüglich einer anderen Faserkomponente unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder Beschaffenheit aufweist. Dies bietet unabhängig von bzw. in Kombination mit der Wahl der Quer¬ schnittsanteile eine vorteilhafte Erweiterung der Möglichkeiten zur unterschiedlichen Parametereinstellung der verschiedenen Faserkomponenten, und zwar nicht nur hinsichtlich der Elastizi¬ tätseigenschaften, sondern auch der erreichbaren Verbund¬ festigkeit. Z.B. können in diesem Zusammenhang Glasfasern unterschiedlicher Zusammensetzung bzw. unterschiedlicher Oberflächenrauhigkeit mit entsprechenden Haftungseigenschaten gegenüber der Binderkomponente eingesetzt werden. Weiterhin lässt eine Vereinigung von Fasern aus Materialien unterschied¬ licher Zusammensetzung und/oder Beschaffenheit in ein und derselben Faserkomponente interessante Einstellungsmöglich¬ keiten erwarten. Entsprechendes gilt für eine weitere wesent¬ lich Erfindungsvariante, nämlich die Bildung von Faserkompo¬ nenten aus von Komponente zu Komponente bzw. auch innerhalb ein und derselben Komponente unterschiedlichen Fasermateria¬ lien, nämlich Kohlenstoff, Glas und/oder Polymersubstanzen. Zum Begriff "Faserkomponente" sei angemerkt, dass darunter im vorliegenden Zusammenhang eine aus Fasern - gegebenenfalls solche verschiedener Art in einer örtlichen Zusammenfassung - bestehende Komponente einer umfassenderen Faseranordnung zu verstehen ist, nicht jedoch etwa eine Materialkomponente einzelner Fasern.
Die vorstehend allgemein erläuterten Erfindungsmerkmale ermöglichen es, aus vergleichsweise wenigen verfügbaren Tragfasertypen ein breites Spektrum von Kennwertpaarungen aus Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit zu erstellen. Allerdings ist dann im allgemeinen nicht davon auszugehen, dass die in verschiedenen im Querschnitt des Verbund¬ bauelementes vorhandenen Fasermaterialien hinsichtlich ihrer Festigkeit in einem definiert vorgegebenen Mass, insbesondere etwa annähernd gleich gut ausgenutzt sind bzw. jeweils vorgegebene Abstände zwischen den Nenn-Belastungsspannungen und Bruchspannung einhalten. Dem kann jedoch erfindungsgemäss durch Vorspannung der Fasern im Schubverbund abgeholfen werden, wobei mindestens ein Teil der Tragfasern unter Zugspannung steht. Der erforderliche innere Kräfteausgleich hat dann zur Folge, dass ein anderer Teil der Tragfasern und/oder die Matrix bzw. Teile derselben vor der Belastung unter Druckvorspannung stehen. Im Sinne einer Optimierung kann erfindungsgemäss eine Mehrzahl von Faserkomponenten mit unterschiedlichen Werten der Tragfaser- Zugfestigkeit vorgesehen und die Vorspannungen dieser Faser¬ komponenten entsprechend vorgegebenen Bruchteilswerten der zugehörigen Zugfestigkeitswerte bemessen werden. Dabei kann eine solche Vorspannungsanordnung gegebenenfalls auch unab¬ hängig von einem Aufbau der Verbundstruktur mit verschiedenen Faserkomponenten, d.h. auch im Falle von gleichartigen Fasern, bereits erfindungsgemäss erhebliche Fortschritte bringen.
Grundsätzlich kann eine solche gezielte Faservorspannung und eine entsprechende vorgegebene Spannungsverteilung im Belastungszustand innerhalb der Verbundstruktur eines grösseren Bauteils oder Bauwerks verwirklicht sein. In vielen Fällen bringt jedoch ein bereits unabhängg von der Verbindung mit einem anderen Bauteil oder einem Bauwerk mit interner Faser¬ vorspannung versehenes Faser-Verbundbauelement oder Faser- Verbundbauteil besonderen Fortschritt. Die hierzu erforder¬ liche, gegensinnig zur Faser-Zugvorspannung wirkende Druckkraft wird hier von der Matrix oder einem in deser gebundenen und gegen Knickung abgestützten Faseranteil übernommen. Erfahrungs- gemäss können Tragfasern infolge starrer und insbesondere schubfester Einbindung in eine Matrix mit ihrerseits hochem Elastizitätsmodul ohne Knick- bzw. Beulgefahr solche Druck¬ spannungen aufnehmen, und zwar auf grossen Längen auch in schlanken, Stab- oder lamellenförmigen Verbundbauelementen. Ein so intern vorgespanntes Verbundbauelement oder Verbundbauteil kann dann grundsätzlich ohne externe Vorspannung mit einem in unbelastetem oder vermindert belastetem, gegebenenfalls mit einem nur unter Eigenbelastung stehenden Bauwerk oder anderen Bauteil verbunden werden, wobei sich die vorgegebene Gesamt- Spannungsverteilung unter ebenfalls vorzugebenden Belastungen ergibt. Andererseits kann es je nach Anwendungsfall auch angebracht sein, das intern vorgespannte Verbundbauelement noch unter zusätzlicher externer mit dem Bauwerk oder anderen Bauteil zu verbinden. Anzumerken ist noch, dass in einfachen Fällen sogar die Verbindung eines nicht intern vorgespannten Verbundbauelementes mit einem Bauwerk oder anderen Bauteil unter externer Vorspannung ausreichend sein kann.
Die Erfindung wird ergänzend anhand der schematischen Darstellungen in den Zeichnungen erläutert. Hierin zeigt:
Fig.l einen Ausschnitt eines erfindungsgemässen Stahlbeton- Bauwerks mit einem Verbundbauelement in Seitenansicht und
Fig.2 einen Querschnittsbereich des Verbundbauelementes in Fig.l mit einem angrenzenden Bereich eines Bauwerk- Grundkörpers in bezüglich Fig.l wesentlich grösserem Massstab,
Fig.3 das Last-Dehnungsdiagramm einer ersten Ausführungs¬ form eines erfindungsgemässen Verbundbauelements mit Armierung nur aus hochelastischen Tragfasern,
Fig.4 ein Diagramm nach Art von Fig.3, jedoch für ein erfindungsgemässes Verbundbauelement mit kombinierter Armierung aus hochelastischen Tragfasern und Tragfasern mit plastischer Bruchverformung, Fig.5 einen Einspannabschnitt eines erfindungsgemässen Verbundbauelementes mit kraftschlüssiger, wärme¬ unempfindlicher Lasteinleitung sowie mit bruch¬ ankündigender Lastübertragung und
Fig.6 ein Blockdiagramm einer Durchlauf-Fertigungsanlage für die Herstellung erfindungsgemässer Verbund¬ bauelemente.
In Fig.l ist als Beispiel eines erfindungsgemässes Bauteils innerhalb eines ebensolchen Bauwerks ein auf Vertikalstützen statisch bestimmt gelagerter Durchlaufträger 1 mit einem Beton-Grundkörper GK angedeutet. Wie in einem Teilschnitt angedeutet, enthält der Träger 1 im Bereich seiner Unterseite eine nur mit einem Stab veranschaulichte Stahlarmierung AR üblicher Art. Der Durchlaufträger ist in nicht näher dargestellter Weise für die Aufnahme einer Biegebeanspruchung ausgebildet, so dass der Armierungsstab an der Trägerunter¬ seite im Zugspannungsbereich des Trägers liegt.
Zur Verstärkung dieses Spannungsbereiches ist an der Träger¬ unterseite mittels einer Klebschicht 2 bekannter Art ein erfindungsgemässes, in Trägerlängsrichtung langgestreckt und im übrigen flächenhaft ausgebildetes Verbundbauelement VBE in schubspannungsübertragender Verbindung mit dem Grundkörper GK angebracht. Armierung AR und Verbundbauelement VBE bilden also zusammen den Zugspannungsteil des Trägers 1.
Wie in Fig.2 angedeutet, umfasst das Verbundbauelement VBE eine Vielzahl von parallel zur Längsrichtung des Trägers 1 verlaufenden Faserbündeln FB, die ihrerseits je eine Vielzahl von einzelnen, in enger Packung aneinanderliegenden Tragfasern Fl bzw. F2 umfassen. Die Faserbündel können gegebenenfalls zwecks dichter Packung der Fasern Fl, F2 mit einer Hülle versehen sein. Die Fasern der einzelnen Bündel sind zweckmässig durch einen Binder schubfest zusammengefügt. Die Faserbündel FB sind in eine Binderkomponente BK, z.B. ein Epoxiharz, eingebettet und miteinander ebenfalls schub- spannungsübertragend stoffschlüssig verbunden. Ueber die Klebschicht 2 und die Betonmasse des Grundkörpers GK ist eine schubspannungsübertragende Verbindng auch zur Armierung AR hergestellt. Wie vorangehend ausführlich dargelegt, ist zwischen der Armierung AR und der Tragfaseranordnung des Verbundbauelementes VBE eine Anpassung ihrer Elastizitäts¬ module hergestellt. Dazu bilden die Faserbündel FB zwei Faserkomponenten FK1 und FK2 mit unterschiedlichen Elasti¬ zitätsmodulen El, E2 ihrer Fasern. Die gewählten Querschnitts¬ anteile der Komponenten FK1 und FK2 werden im Beispiel durch unterschiedlicher Dicke der Fasern Fl und F2 bei gleichem Durchmesser der Faserbündel erreicht, so dass sich entsprechend unterschiedliche Faserpackungsdichten innerhalb der Bündel und damit unterschiedliche bzw. gezielt vorgegebene Gesamtfaser¬ querschnitte pro Bündel ergeben. Hierdurch und gegebenenfalls zusätzlich durch unterschiedliche Bündelzahlen pro Faser¬ komponente lassen sich die gewünschten Querschnittsanteile einstellen. Die Faserbündel sind im Beispiel einzeln alter¬ nierend angeordnet, so dass sich eine vergleichsweise geringe Inhomogenität des gesamten Querschnittsaufbaues ergibt.
Mit Hilfe der im Beispiel veranschaulichten Faserkombination und Faserverteilung im Querschnitt des Verbundbauelementes lässt sich aus vergleichsweise wenigen verfügbaren Tragfaser¬ typen ein breites Spektrum von Kennwertpaarungen aus Elasti¬ zitätsmodul und Zugfestigkeit erstellen. Allerdings ist dann im allgemeinen nicht davon auszugehen, dass die verschiedenen im Querschnitt des Verbundbauelementes vorhandenen Faser¬ materialien hinsichtlich ihrer Festigkeit auch nur annähernd gleich gut ausgenutzt sind, d.h. jeweils vorgegebene Abstände zwischen den Nenn-Belastungsspannungen und der Bruchspannung einhalten. Dem kann jedoch erfindungsgemäss durch Vorspannung der Fasern im Schubverbund abgeholfen werden. Der erforderliche innere Kräfteausgleich hat dann zur Folge, dass ein anderer Teil der Tragfasern und/oder die Matrix bzw. Teile derselben unter Druckvorspannung stehen. Erfahrungsgemäss können Tragfasern infolge starrer und insbesondere schubfester Einbindung in eine Matrix mit ihrerseits hochem Elastizitätsmodul ohne Knick- bzw. Beulgefahr solche Druckspannungen aufnehmen, und zwar auf grossen Längen auch in schlanken, Stab- oder lamellenförmigen Verbundbauelementen. Die Vorspannung, und zwar bereits im ein¬ fachsten Fall einer mehr oder weniger den Gesamt-Faserquer¬ schnitt erfassenden Vorspannung, hat auch bei hinsichtlich des Fasermaterials homogenem Querschnitt wesentliche Vorteile, z.B. durch Vermeidung eines Vorzeichenwechsels bei schwingender Belastung (keine Spannungsnulldurchgänge). Gezielt ungleich¬ förmige Vorspannungsverteilungen im Gesamt-Faserquerschnitt ermöglichen Optimierungen der Spannungaverteilung im Quer¬ schnitt unter Last, z.B. hinsichtlich erhöhter Biegemoment¬ aufnahme. Weiterhin kann eine solche ungleichförmige Quer¬ schnittsverteilung der internen Vorspannung dazu ausgenutzt werden, einen kleinen Querschnittsanteil schon bei Nennlast oder einer sonst passend vorgegebenen Belastung durch erhöhte Vorspannung nahe an seine Bruchgrenze zu bringen. Der eintre¬ tende Bruch dieser kleinen Faserkomponente führt dann zu einer sprunghaften Verformung, z.B. einer erhöhten Durchbiegung, des Gesamt-Verbundbauelementes und damit zu einer erwünschten, Vorsignalisierung nahender Gesamt-Bruchgefahr.
In Fig.3 ist ein spezielles Beispiel wiedergegeben, bei dem eine Mehrzahl von Faserkomponenten mit unterschiedlichen Werten der Tragfaser-Zugfestigkeit vorgesehen und die Vorspannungen dieser Faserkomponenten entsprechend vorgegebenen Bruchteils¬ werten der zugehörigen Zugfestigkeitswerte bemessen sind. Im tragenden Querschnitt mindestens eines Abschnitts des Verbund¬ bauelementes sind dort zwei Faserkomponenten FK1, FK2 mit unterschiedlichen Elastizitäts- und Bruchverformungs-Kennwerten vorgesehen. Letztere gehen im Diagramm gemäss Fig.3 aus den mit FK1 bzw. FK2 bezeichneten Kennlinien der Verformungs- oder Vorspann- und Belastungskraft P über der auf die spannungslose Länge bezogenen Verformung e hervor. Mit el ist die Verformung von FK1, mit €2 diejenige von FK2 und mit eE diejenige des Verbundbauelementes bezeichnet. Im Nullpunkt der Verformung des Verbundbauelement, d.h. eE = 0, ist die Zug-Vorspannkraft P1V von FK1 entgegengesetzt gleich der Druck-Vorspannkraft P2V von FK2. Von eE = 0 ausgehend steigt die Belastungskennlinie von VBE an, bis FK1 mit seiner Bruch- Verformung eiB seine Bruchlast PIB erreicht. Der Gesamtbetrag /elB/ der Bruch¬ verformung von FK1 ist am oberen Diagrammrand eingetragen, ausgehend von der Nullverformung el = 0.
Da FK1 als die dehnungsweichere Komponente mit höherer Bruchdehnung sowie unter weit höherer Vorspannungsdehnung stehend angenommen ist, jedoch infolge entsprechend geringen Anteils am Gesamt-Faserquerschnitt nur einen kleinen Teil der Gesamtlast aufnimmt, fällt die Gesamt-Lastaufnähme des Verbund¬ bauelementes bei Erreichen von elB instationär nur relativ wenig ab, nämlich auf P2u, um sogleich - nur durch einen Trägheitsmechanismus verzögert - wieder auf PIB anzusteigen, jedoch nun auf dem allein noch wirksamen Kennlinienteil VBE = FK2, und zwar mit einem entsprechenden Vervormungssprung /eES/, der die Annäherung an den Gesamtbruch vorsignalisiert. Letzterer wird sodann mit dem Gesamtbetrag /e2B/ der Bruch¬ verformung von FK2 erreicht.
Insgesamt wird also mit dieser Faservorspannungskombination ein quasi-plastisches Bruchverhalten realisiert, allerdings mit einer oft u.U. als nachteilig zu bewertenden Stosserschei- nung beim Bruch der hochelastischen Signalisierungskomponente FK1. Im Beispiel gemäss Fig.4 - ein Last-Verformungsdiagramm wie Fig.3 - ist mindestens eine hochelastische Faserkomponente FK1, insbesondere mit Kohlenstoff-, Glas- und/oder Polymer¬ fasern, und mindestens eine Faserkomponente FK2 mit einem relevanten plastischen Bruchverformungsrest von z.B. minde¬ stens 1% vorgesehen. Für FK2 kann gegebenenfalls mit besonderem Vorteil eine metallische Faserkomponente mit ausgeprägtem Fliessbereich und gegebenenfalls sogar mit anschliessender Umformungsverfestigung (Stahlkennlinie) gewählt werden. Der Vorspannungs- und Verformungsmechanismus ist der gleiche wie in Fig.3, weshalb auf eine nochmalige Darstellung verzich¬ tet wurde.
Wesentlich ist jedoch in der Kennlinie FK1 eine ausgeprägte Fliessgrenze elF/PlF anstelle einer Bruchgrenze von Fkl wie in Fig.3. Im Anschluss an elF ist in Fig.4 beispielsweise in ausgezogener Linie ein relativ steiler Spannungsabfall mit nachfolgendem "schleichenden" Dehnbruch angedeutet, der jedoch beim Uebergang von der Kennlinie VBE zur Kennlinie VBE = FK2 eine deutliche "Beruhigung", d.h. eine wesentliche Stoss- dämpfung bewirkt. Wie rechts von elF feinstrichliert angedeutet, lässt sich durch entsprechende Materialwahl für FK2 sogar ein ausgeprägt "stahlähnliches" Fliess¬ und Bruchverhalten erzielen.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig.5 ist wieder ein Verbund¬ bauelement VBE durch eine Klebung K an der Unterseite eines Bauwerk-Grundkörpers GK schubfest verankert. Es ist auch hier ein Verbundbauelement mit mindestens einer hochelastischen Faserkomponente vorgesehen, insbesondere eine Anordnung von Kohlenstoff-, Glas- und/oder Polymerfasern. Zur Vermeidung eines durch keine merkliche Verformung sich ankündigenden Bruchs ist mindestens ein in der Kraftübertragung auf die Tragfasern angeordnetes, bei vorgegebener Grenzbelastung vor Versagen des Verbundbauelementes VBE nachgebendes Uebertragungselement UE vorgesehen, z.B. aus plastisch verformbarem Metall mit ausgeprägter Fliessgrenze. Dieses Uebertragungselement ist im Beispiel als Hülse ausgebildet und sitzt auf einem Anker- und Anschlagbolzen AS, der seiner¬ seits mit hitzebeständigem Mörtel oder dergl. im Grundkörper verankert ist. Der Kraftfluss zum Verbundbauelement erfolgt weiter über eine kauschenartige, selbsthemmende Klemmvorrich¬ tung KV mit einem keilförmigen Anschlusselement AE. Auf diese Weise wird nicht nur bei Ueberlastung des Verbundbauelement durch radiale Fliessverformung des Uebertragungselementes UE ein signalisierendes Nachgeben der Verbindung und anschliessend wieder eine starre Formschluss-Kraftübertragung durch Berührung des Kragens KR der Klemmvorrichtung KV mit dem Anker- und Anschlagbolzen AS erreicht, sondern auch eine Notsicherung gegen Erweichung und Versagen der Matrix des Verbundbauele¬ mentes durch etwaige Wärmeeinwirkung, z.B. infolge Brand im oder am Bauwerk.
Die in Fig.6 im Blockdiagramm angedeutete Anlage zur Durch¬ führung eines Beispiels des erfindungsgemässen Herstellungs¬ verfahrens mit kontinuierlichem Matrialdurchlauf längs einer Durchlaufbahn DB arbeitet wie folgt:
Eine Vielzahl von Tragfasern bzw. Tragfaserbündeln wird in einer Zuführstation ZFS auf einer Batterie von z.B. koaxial oder gestaffelt angeordneten Zuführspulen ZS bereitgestellt. Jede dieser Spulen ist mit einer individuell einstellbaren Bremsvorrichtung BV versehen. Ueber eine Ausgangsführung AFR gelangen die Faserbündel zu einer zusammenführenden Kamm- bzw. Lochanordnung KA, wo sie in eine der Form der gewünschten Faserarmierung entsprechende, zweidimensionale Querschnitts¬ verteilung gebracht werden. In einer anschliessenden Einbet- tungs- und Formgebungsstation EFS, die z.B. einen die Armie¬ rungsfasern im Durchlauf aufnehmenden und mit dem Bindemittel für die Matrix beschickten Extruder aufweist, erfolgt die Profil-Formgebung des strangförmigen Verbundrohlings. Letztere gelangen sodann in eine Heiz- und Härtestation HHS, in deren Ausgangsbereich auch eine Bearbeitungs- und Konfektionierungs- station integriert sein kann, beispielsweise für ein Form¬ schleifen der ausgehärteten Rohlinge. In der abschliessenden Abzugs- und Aufnahmestation werden die in Einzelstücken aufeinanderfolgend oder auch kontinuierlich als Endlosware eintreffenden Verbundbauelement, sofern sie flach gestaltete und genügend biegsam sind, zusammen mit der Faserarmierung kontinuierlich aufgewickelt. Wesentlich ist hierbei die Erzeugung ausreichender Zugkräfte auf die gesamte im Durchlauf befindliche Faserarmierung. Dies ermöglicht in Verbindung mit der bereits erwähnten individuellen Abbremsung der Armierungs¬ fasern bzw. Faserbündel oder Fasergruppen die Aufrechterhaltung der eingestellten Vorspannungen bis zur Einbettung und Aushärtung der Matrix im festen Schubverbund mit der Faser¬ armierung.
Grundsätzlich können in dieser Weise auch Verbundbauelemente mit komplizierteren Querschnitts- und Profilformen hergestellt werden, z.B. auch Mehrfach-Winkelprofile und Hohlprofile.
Insbesondere für Zwecke der nachträglichen Verstärkung und der Reparatur von Bauwerken durch Anbau oder Einbau von meist lamellenförmigen und langgestreckt ausgebildeten Faser- Verbundbauelementen ist es oft erwünscht, ohne oder mit vergleichsweise geringer Vorspannung des Verbundbauelementes zu arbeiten, wobei selbst im Falle der Vorspannungsmontage keine hohen Anforderungen hinsichtlich einer definierten Vorspannungseinstellung angebracht sind. Gleichwohl erfolgt die Herstellung des Verbundes zwischen dem Verbundbauelement und dem Grundkörper des Bauwerks - vor allem bei stark frequen¬ tierten Verkehrsbauten - oft unter Betriebslast. Dies hat im Hinblick auf die belastungsabhängige Verformung des Bauwerks eine an sich unerwünschte Begrenzung der Lastübernahme durch das Verbundbauelementzur Folge. Ein erfindungsgemässes Verfahren sieht daher vor, dass die Verbindung zwischen Verbundbauelement und Grundkörper unter einer Belastung bzw. Verformung des Bauteils oder Bauwerks bzw. eines Teils desselben hergestellt wird, die in Bezug auf eine vorgegebene, maximale Gesamtbelastung bzw. Gesamtverformung vermindert eingestellt ist, vorzugsweise in Bezug auf eine vorgegebene, maximale Gesamtbelastung bzw. Gesamtverformung um mindestens etwa 40%, insbesondere mindestens etwa 75%, vorteilhaft sogar unter der blossen Eigenbelastung des Bauwerks. Erleichtert und vielfach überhaupt ermöglicht wird dies gemäss Weiterbildung der Erfndung dadurch, dass die Verbindung zwischen Verbund¬ bauelement und Grundkörper wenigstens teilweise durch Verkle¬ bung mit einem schnellhärtenden, hochfesten Polymerkleber, insbesondere eines solchen auf Acrylatbasis, hergestellt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil oder Bauwerk, das wenigstens teilweise eine
Verbundstruktur mit einer Vielzahl von im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Tragfasern und eine Binderkomponente aufweist, in der die Tragfasern mitein¬ ander schubfest verbunden eingebettet sind, gekenn¬ zeichnet durch folgende Merkmale: b) die Verbundstruktur umfasst mindestens zwei zusammen¬ wirkende, die Gesamt-Zugfestigkeit dieser Verbund¬ struktur bestimmende Faserkomponenten (FK1, FK2) mit unterschiedlichem Zug-Elastizitätsmodul (El, E2); c) die Fasern
(Fl, F2) der beiden Faserkomponenten (FK1, FK2) sind wenigstens über einen Teil des Querschnitts der Verbundstruktur in abwechselnder Verteilung, insbesondere in gegenseitiger Vermi¬ schung, angeordnet; d) der Anteil (AI) der zugsteiferen Faserkomponente (FK1) an der Gesamt-Faserquerschnittsfläche der Verbundstruktur beträgt mindestens 12% und höchstens 93%.
Bauteil oder Bauwerk, das wenigstens teilweise eine Verbundstruktur mit einer Vielzahl von im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Tragfasern und eine Binderkomponente aufweist, in der die Tragfasern mitein¬ ander schubfest verbunden eingebettet sind, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundstruktur als mit einem Grundkörper, insbesondere einem Betongrundkörper, des Bauteils oder Bauwerks in stoff- und/oder formschlüssiger, insbesondere schub- spannungsübertragender Verbindung stehendes Verbund¬ bauelement (VBE) ausgebildet ist.
3. Bauteil oder Bauwerk nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Grundkörper in einem im wesentlichen unbelasteten bzw. nur unter Eigenbelastung stehenden Zustand mit mindestens einem unter vorgegebener Vor¬ spannung stehenden Faser-Verbundbauelement stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden ist.
4. Bauteil oder Bauwerk nach Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Verbundbauelement (VBE) langgestreckt und/oder flächenhaft ausgebildet ist.
5. Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) das Verbundbauelement ist stoffschlüssig mit einem Grundkörper (GK) verbunden, der mindestens eine zugspannungsübertragende, insbesondere mit Stahlelementen versehene Armierung (AR) aufweist, die schubspannungsübertragend in Beton als Grundmasse eingebettet ist; b) der resultierende Gesamt-Elastizitätsmodul (Eo) der Faserkomponenten (FK1, FK2) ist wenigstens annähernd entsprechend dem Zug-Elastizitätsmodul der Armierung (AR) bemessen.
6. Bauteil oder Bauwerk nach Anspruch 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Abweichung des Gesamt-Elastizitäts- moduls (EO) der Faserkomponenten vom Zug-Elastizitäts¬ modul der Armierung (AR) höchstens 20%, insbesondere höchstens 10% des letzteren beträgt.
7. Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundstruktur einen Anteil (AI) der zugsteiferen Faserkomponente (FK1) an der Gesamt-Faserquerschnittsfläche von mindestens 18% aufweist.
8. Bauteil oder Bauwerk nach Anspruch 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Verbundstruktur einen Anteil (AI) der zugsteiferen Faserkomponente (FK1) an der Gesamt-Faser¬ querschnittsfläche im Bereich zwischen 25% und 65% aufweist.
9. Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserkomponenten des Verbundbauelementes unterschiedliche Einzelfaser- Querschnittsflächen und/oder unterschiedliche Mittelwerte dieser Querschnittsflächen aufweisen.
10. Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Faser¬ komponenten des Verbundbauelementes jeweils eine Mehrzahl von Faserbündeln aufweisen und dass die Faser¬ bündel beider Faserkomponenten im Gesamt-Faserquerschnitt vermischt angeordnet sind.
11. Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern bzw. Faserbündel der verschiedenen Faserkomponenten des Verbundbauelementes über wenigstens einen Teil des Gesamt-Faserquerschnitts in wenigstens annähernder Gleichverteilung angeordnet sind.
12. Verbundbauelement mit mindestens einer Verbundstruktur, die wenigstens eine Faserkomponente mit einer Vielzahl von im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Trag¬ fasern und mindestens eine Binderkomponente aufweist, in der die Tragfasern miteinander schubfest verbunden einge¬ bettet sind, insbesondere für ein Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verbundstruktur mindestens zwei Faser¬ komponenten vorgesehen sind, bezüglich deren die Ver¬ hältniswerte der Elastizitätsmodule einerseits und der Bruchspannungen andererseits einen Differenzbetrag von höchstens 0,25 aufweisen.
13. Verbundbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass für die Verbundstruktur mindestens zwei Faserkomponenten vorgesehen sind, bezüglich deren die Verhältniswerte der Elastizitätsmodule einerseits und der Bruchspannungen andererseits einen Differenz¬ betrag von höchstens 0,15 aufweisen.
14. Verbundbauelement mit mindestens einer Verbundstruktur, die wenigstens eine Faserkomponente mit einer Vielzahl von im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Trag¬ fasern und mindestens eine Binderkomponente aufweist, in der die Tragfasern miteinander schubfest verbunden einge¬ bettet sind, insbesondere nach Anspruch 12 oder 13 und insbesondere für ein Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass minde¬ stens eine Faserkomponente der Verbundstruktur Fasern aus einem Material von bezüglich einer anderen Faserkomponente unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder Beschaffenheit aufweist.
15. Verbundbauelement mit mindestens einer Verbundstruktur, die wenigstens eine Faserkomponente mit einer Vielzahl von im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Tragfasern und mindestens eine Binderkomponente aufweist, in der die Tragfasern miteinander schubfest verbunden eingebettet sind, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und insbesondere für ein Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch mindestens eine Faserkomponente, die Fasern aus Mate¬ rialien unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder Beschaffenheit in sich vereinigt.
16. Verbundbauelement, insbesondere ausgebildet als zugspan- nungsübertragender Lamellen- oder Stabträger, mit einer Vielzahl von Tragfasern (Fl, F2) und mit mindestens einer als Binderkomponente (BK) wirkenden Matrix, in der die Tragfasern im Schubverbund eingebettet sind, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 15 und insbesondere für ein Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Tragfasern (Fl, F2) im unbelasteten Zustand des Verbund¬ bauelementes (VBE) innerhalb des Schubverbundes des Verbundbauelementes unter Vorspannung stehend angeordnet ist.
17. Verbundbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich¬ net, dass im tragenden Querschnitt mindestens eines Abschnitts des Verbundbauelementes (VBE) eine Mehrzahl von Faserkomponenten (FK1, FK2) vorgesehen ist, die innerhalb des Schubverbundes im unbelasteten Zustand des Verbundbauelementes (VBE) unter unterschiedlichen Vorspannungen stehend angeordnet sind.
18. Verbundbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich¬ net, dass im tragenden Querschnitt mindestens eines Abschnitts des Verbundbauelementes (VBE) eine Mehrzahl von Faserkomponenten (FK1, FK2) vorgesehen ist, die Fasermaterial mit jeweils unterschiedlichen Werten des Zug-Elastizitätsmoduls (E) und/oder der Zugfestigkeit (OB) aufweisen und die innerhalb des Schubverbundes im unbelasteten Zustand des Verbundbauelementes (VBE) unter jeweils unterschiedlichen Vorspannungen stehend angeordnet sind.
19. Verbundbauelement nach Anspruch 18, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass eine Mehrzahl von Faserkomponenten (FK1, FK2) mit unterschiedlichen Werten der Tragfaser- Zugfestigkeit vorgesehen ist und dass die Vorspannungen dieser Faserkomponenten entsprechend vorgegebenen Bruch¬ teilswerten der zugehörigen Zugfestigkeitswerte bemessen sind.
20 Verbundbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundstruktur eine Kombination von Kohlenstoff-, Glas-, Bor- und/oder Polymerfasern aufweist.
21. Verbundbauelement, insbesondere ausgebildet als zugspan- nungsübertragender Lamellen- oder Stabträger, mit einer Vielzahl von Tragfasern und mit mindestens einer als Binderkomponente wirkenden Matrix, in der die Tragfasern im Schubverbund eingebettet sind, wobei im tragenden Querschnitt mindestens eines Abschnitts des Verbundbau¬ elementes (VBE) eine Mehrzahl von Faserkomponenten (FK1, FK2) vorgesehen ist, die Fasermaterialien mit unterschiedlichen Elastizitäts- und/oder Zugfestigkeits- Kennwerten aufweisen, insbesondere Verbundbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 20 und insbesondere für ein Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Schubverbundes mindestens eine hochelastische Faserkomponente (FK1), insbesondere mit Kohlenstoff-, Glas-, Bor- und/oder Polymerfasern, und mindestens eine Faserkomponente (FK2) mit einem plastischen Bruchverformungsrest von mindestens 1%, insbesondere eine metallische Faserkomponente mit ausgeprägtem Fliessbereich und anschliessender Umformungs¬ verfestigung, vorgesehen ist.
22. Verbundbauelement, insbesondere ausgebildet als zugspan- nungsübertragender Lamellen- oder Stabträger, mit einer Vielzahl von Tragfasern (Fl, F2) und mit mindestens einer als Binderkomponente (BK) wirkenden Matrix, in der die Tragfasern im Schubverbund eingebettet sind, insbesondere Verbundbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 21 und insbesondere für ein Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch mindestens eine hochelastische Faserkomponente (FK1), insbesondere eine Anordnung von Kohlenstoff-, Glas-, Bor- und/oder Polymer¬ fasern, und durch mindestens ein in der Kraftübertragung auf die Tragfasern (Fl) angeordnetes, bei vorgegebener Grenzbelastung vor Versagen des Verbundbauelementes (VBE) nachgebendes Uebertragungselement (UE) sowie durch mindestens einen mit diesem zusammenwirkenden Begren¬ zungsanschlag (AS).
23. Verbundbauelement, insbesondere ausgebildet als zugspan- nungsübertragender Lamellen- oder Stabträger, mit einer Vielzahl von Tragfasern und mit mindestens einer als Binderkomponente wirkenden Matrix, in der die Tragfasern im Schubverbund eingebettet sind, insbesondere Verbundbau¬ element nach einem der Ansprüche 12 bis 22 und insbeson¬ dere für ein Bauteil oder Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Krafteinleitungsbereich wenigstens ein Teil der Tragfasern miteinander und/oder mit mindestens einem wärmeunempfind¬ lichen, insbesondere metallischen oder keramischen Anschlusselement (AE) in Anpress- und Kraftschluss¬ verbindung steht.
24. Verbundbauelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich¬ net, dass für die Kraftschlussverbindung zwischen den Tragfasern und dem Uebertragungselement mindestens eine Keil- oder Konus-Klemmvorrichtung vorgesehen ist.
25. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauelementes, insbesondere eines Zugspannungsübertragenden Lamellen¬ oder Stabträgers, mit einer Vielzahl von Tragfasern (Fl, F2) und mit mindestens einer als Binderkomponente (BK) wirkenden Matrix, in der die Tragfasern im Schubverbund eingebettet sind, insbesondere zur Herstellung eines Verbundbauelementes nach einem der Ansprüche 12 bis 24, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Eine Vielzahl von Tragfasern bzw. Tragfaserbündeln wird von einer Zuführstation ausgehend in einer der Querschnitts- und Armierungsgestaltung des herzustel¬ lenden Verbundbauelementes entsprechenden Verteilung über eine Durchlaufbahn zu einer Aufnahmestation gezogen; b) in der Zuführstation wird mindestens ein Teil der austretenden Tragfasern bzw. Tragfaserbündel mit einer vorgegebenen Rückhaltekraft beaufschlagt und damit eine entsprechende Faservorspannung erzeugt; c) innerhalb der Durchlaufbahn wird in die Tragfaser¬ anordnung Bindemittel eingearbeitet und unter Umhüllung der Tragfaseranordnung die Quer¬ schnittsform des Verbundbauelementes gebildet; d) der so gebildete Bauelementrohling wird unter Aufrechterhaltung der Faservorspannung innerhalb der Dirchlaufbahn einer Aushärtung des Bindemittels zu einer festen Matrix unterzogen, in der die Tragfasern mit stoffschlüssigem Schubverbund eingebettet sind.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführstation mindestens zwei Tragfaser¬ anordnungen oder Tragfaserkomponenten durch Beaufschla¬ gung mit gesonderten Rückhaltekräften unter jeweils zugeordnete Vorspannung gesetzt werden.
27. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils oder Bauwerks, das einen Grundkörper (GK), insbesondere einen Betongrund¬ körper, und mindestens ein mit dem Grundkörper in stoff- und/oder formschlüssiger, insbesondere zug- und/oder schubspannungsübertragender Verbindung stehendes Verbund¬ bauelement (VBE), insbesondere ein solches nach einem der Ansprüche 12 bis 24, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Verbundbauelement und Grundkörper unter einer Belastung bzw. Verformung des Bauteils oder Bauwerks bzw. eines Teils desselben hergestellt wird, die in Bezug auf eine vorgegebene, maximale Gesamtbelastung bzw. Gesamtverformung vermindert eingestellt ist.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Verbundbauelement und Grundkörper unter einer Belastung bzw. Verformung des Bauteils oder Bauwerks bzw. eines Teils desselben hergestellt wird, die in Bezug auf eine vorgegebene, maximale Gesamtbelastung bzw. Gesamtverformung um mindestens etwa 40%, insbesondere mindestens etwa 75%, vermindert eingestellt ist.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Verbundbauelement und Grundkörper wenigstens annähernd unter der blossen Eigenbelastung des Bauteils oder Bauwerks bzw. eines Teils desselben hergestellt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Verbund¬ bauelement und Grundkörper wenigstens teilweise durch Verklebung mit einem schnellhärtenden, hochfesten Polymerkleber, insbesondere eines solchen auf Acrylat- basis, hergestellt wird.
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