EP1253259A2 - Bewehrungsstab aus faserverstärktem Kunststoff - Google Patents

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EP1253259A2
EP1253259A2 EP02005823A EP02005823A EP1253259A2 EP 1253259 A2 EP1253259 A2 EP 1253259A2 EP 02005823 A EP02005823 A EP 02005823A EP 02005823 A EP02005823 A EP 02005823A EP 1253259 A2 EP1253259 A2 EP 1253259A2
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rib
ribs
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reinforcement bar
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André Weber
Martin Dr.-Ing. Faoro
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/07—Reinforcing elements of material other than metal, e.g. of glass, of plastics, or not exclusively made of metal

Definitions

  • the invention relates to a reinforcement bar made of fiber-reinforced plastic its circumferential surface provided with a radially opposite the rod surface outwardly protruding profiling in the form of itself at least over part the circumferentially extending ribs and / or with respect to the rod surface radially inwardly extending recesses, in which case the radial external rod jacket areas that extend over at least part of the circumference form extending ribs.
  • plastic reinforcement bars In the past, studies have been carried out time and again to find out for certain Applications an alternative to the conventional reinforcing steel or stainless steel to create existing metal bars.
  • a major incentive for tests with plastic reinforcement bars lies in the lower thermal conductivity certain plastics (such as polyester, vinyl ester, etc.); also let different types of fibers such as glass, aramid and other fibers the tensile strength and thus the stability of the reinforcement bar very exactly that adapt the respective application.
  • a major problem with the known plastic rods is that Profiling, which in contrast to the ribbed metal reinforcement bars, is not satisfactorily creates a resilient bond with the Plastic reinforcement bar to enter surrounding concrete. Because usually radially outwardly projecting ribs formed from the surface of the rod shear off even at relatively low axial tensile loads, since they themselves are not stable enough in the ribs with reinforcing fibers displaced into them, the forces acting on the axial reinforcement of the reinforcing bar surrounding concrete in the reinforcement bar or vice versa. Accordingly, the ribbed plastic reinforcing bars have none in practice sufficient bond properties.
  • the present invention is based on the object to provide fiber reinforced plastic reinforcement bar, its ribs are sufficiently stable to shear them off under the usual rod loads to prevent and on the other hand, the effect of split tension failure avoids.
  • the obtuse angle of the rib flanks prevents the rib flanks from being prevented and the ribs themselves act like a wedge and the reinforcing bar Detonate the surrounding concrete. Rather put the rib flanks in their obtuse-angled areas a support surface available, which is in axial Support tensile loads axially on the concrete without the radial gradient component can cause the damage mentioned.
  • the second characteristic refers to the stability of the ribs: if with Put simply, the rib is wider than the concrete between two Ribs, then it can be assumed that the ribs are also sufficient are stable to withstand the usual tensile loads. Here is the Compound with the radially inner rebar on such a large area effective that the ribs cannot be sheared off.
  • the rib base R is expedient, that is the axial width of a rib including the axial widths of the two lateral adjacent rib flanks, larger than the concrete bracket base B, that is the axial width of an unribbed one Rib base including the two laterally adjacent rib flanks.
  • This assumption is also based on the knowledge that a large Bond area between rib and reinforcement bar with a smaller one at the same time Bonded area between the concrete bracket and the adjacent concrete the stability conditions fail to shear the ribs reliably can be prevented.
  • a rib pitch T is recommended, which is comparable to a wavelength the axial width of a rib including the two laterally adjacent Rib flanks plus the axial width of an adjacent non-ribbed rib base, on the order of between 1/3 x D and 2 x D.
  • the present invention can be applied to any plastic and fiber materials use, especially with glass fibers and / or carbon fibers.
  • the reinforcing fibers are also shifted into the ribs so that the connection of the ribs with the reinforcement bar underneath in the sense of a greater tensile strength is improved.
  • the ribs expediently run in a helical shape around the bar circumference, inclined to the bar axis and deviating from the perpendicular to the bar axis.
  • the ribs to produce that is, an un-ribbed surface of the rod with local radial depressions to provide.
  • the depressions each form the radial one inner rib base, while the radially outer rod jacket areas the ribs or the rib apex regions in the sense of the present invention represent.
  • the ribbed reinforcing bar 1 shown in Figure 1 has several evenly Radially inner rib base sections 2, 12 distributed over the rod circumference on and relative to these sections radially outwardly projecting ribs 3, 13, the transition region between the outer rib apex regions with diameter D and the inside rib base sections with Diameter d are formed by lateral rib flanks 4, 14 which have an incline have in relation to the rod axis 5 in the form of an angle ⁇ , ⁇ of more than 45 °.
  • the rib apex regions 3, 13 are made in both exemplary embodiments Figure 1 formed smooth cylindrical. But it would also be possible to form the rib apex areas curved and seamlessly into the adjacent To let rib flanks pass over.
  • the rib height H is calculated from (D-d) / 2.
  • A> B must be, whereby the stability conditions mentioned, in relation to the axial cut, a wider "rib tooth” than "concrete tooth” results.
  • the rib base R that is the axial length of a radially outer rib apex region 13 and the two adjacent rib flanks 14 must be larger be than the concrete console base B, that's the axial width of an unribbed one Rib base 12 including the two laterally adjacent rib flanks 14th
  • the rib height H which is calculated from (D-d) / 2
  • the rib pitch T which is the axial width of an inner one Rib base 2, 12 plus the axial width of a rib flank 4, 14 plus the axial width of a rib apex area 3, 13 plus another Rib flank 4, 14, between D / 3 and 2 x D and in particular between 5 and 15 mm tall.
  • the two rib shapes shown in FIG. 1 differ in that that the ribbing shown in the upper half of the ribs 4 with straight lines Show course, while the ribs 14 of the lower half of the image are sinusoidal are curved, the turning point of the slope of the flanks 14 den defines the maximum angle of inclination ⁇ , which must be greater than 45 °.
  • the pitch angle In contrast, the upper rib is over the entire flank length equal.
  • the present invention offers the advantage that it is stable for the first time fiber-reinforced plastic reinforcement bars can be proposed their ribs neither shear off under the usual tensile loads, nor due to the obtuse pitch angle to the effect of the so-called split tensile failure to lead.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Bewehrungsstab aus faserverstärktem Kunststoff, der mit einer Rippung versehen ist. Der Bewehrungsstab weist Rippenflanken mit einer Steigung gegenüber der Stabachse von mehr als 45° auf. Außerdem ist die axiale Breite der Rippen größer als der axiale Abstand zweier benachbarter Rippen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewehrungsstab aus faserverstärktem Kunststoff, an seiner Umfangsfläche versehen mit einer gegenüber der Stabmantelfläche radial nach außen vorstehenden Profilierung in Form von sich zumindest über einen Teil des Umfangs erstreckenden Rippen und/oder mit gegenüber der Stabmantelfläche radial nach innen sich erstreckenden Vertiefungen, wobei in diesem Fall die radial außen liegenden Stabmantelbereiche die sich zumindest über einen Teil des Umfangs erstreckenden Rippen bilden.
In der Vergangenheit wurden immer wieder Untersuchungen angestellt, um für bestimmte Anwendungsfälle eine Alternative neben den herkömmlichen aus Betonstahl oder Edelstahl bestehenden Metallstäben zu schaffen. Ein wesentlicher Anreiz für Versuche mit Kunststoffbewehrungsstäben liegt in der geringeren Wärmeleitfähigkeit bestimmter Kunststoffe (etwa Polyester, Vinylester etc.); auch lassen sich durch verschiedene Fasertypen wie etwa Glas-, Aramid- und andere Fasern die Zugfestigkeit und somit die Stabilität des Bewehrungsstabs sehr genau dem jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
Ein wesentliches Problem der bekannten Kunststoffstäbe besteht jedoch in der Profilierung, die es im Gegensatz zu den gerippten Metallbewehrungsstäben nicht in zufriedenstellender Weise schafft, einen belastbaren Verbund mit dem den Kunststoffbewehrungsstab umgebenden Beton einzugehen. Denn die in der Regel aus der Stabmantelfläche herausgeformten radial nach außen vorstehenden Rippen scheren schon bei relativ geringen axialen Zugbelastungen ab, da sie selbst bei in die Rippen mit hineinverlagerten Verstärkungsfasern nicht stabil genug sind, um die bei axialen Zugbelastungen wirksamen Kräfte von dem den Bewehrungsstab umgebenden Beton in den Bewehrungsstab bzw. umgekehrt zu übertragen. Demgemäß besitzen die gerippten Kunststoffbewehrungsstäbe in der Praxis keine ausreichenden Verbundeigenschaften.
Auf der anderen Seite besteht bei hinreichend flachen Rippen, welche nicht abscheren, die Gefahr, dass sie ein sogenanntes Spaltzugversagen des mit ihnen bewehrten Betonbauteils verursachen, indem sie ähnlich einem Keil den formschlüssig den gerippten Bewehrungsstab umgebenden Beton bei Zugbelastungen einem immer größer werdenden Stabumfang aussetzten und ihn schließlich - sofern es nicht zuvor zu einem Abscheren der Kunststoffrippen kommt - aufsprengen. Ausgehend von der vom Bewehrungsstab gebildeten Bohrung im Beton erstreckt sich hierbei ein Riss soweit, bis der Bohrungsdurchmesser zusammen mit dem Rissspalt groß genug ist, dass der Bewehrungsstab zusammen mit den Rippen aus seiner ihm zugestammten Lage in Axialrichtung herausgezogen werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen faserverstärkten Kunststoffbewehrungsstab zur Verfügung zu stellen, dessen Rippen ausreichend stabil sind, um deren Abscheren bei den üblichen Stabbelastungen zu verhindern und der auf der anderen Seite aber auch den Effekt des Spaltzugversagens vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die den Übergangsbereich zwischen radial innenliegendem Rippengrund mit Durchmesser d und radial außenliegendem Rippenscheitelbereich mit Durchmesser D bildenden seitlichen Rippenflanken zumindest in Teilbereichen eine Steigung von mehr als 45° gegenüber der Stabachse aufweisen, und dass die axiale Breite der Rippenbereiche mit zumindest halber Rippenhöhe ½ x H = ½ x (D-d)/2 größer ist als der axiale Abstand zwischen den zumindest die halbe Rippenhöhe aufweisenden Rippenbereichen zweier benachbarter Rippen.
Durch den stumpfen Winkel der Rippenflanken lässt sich verhindern, dass die Rippenflanken und die Rippen selbst wie ein Keil wirken und den den Bewehrungsstab umgebenden Beton aufsprengen. Vielmehr stellen die Rippenflanken in ihren stumpfwinkligen Bereichen eine Abstützfläche zur Verfügung, die sich bei axialen Zugbelastungen axial am Beton abstützen, ohne dass die radiale Steigungskomponente den erwähnten Schaden anrichten kann.
Das zweitgenannte Merkmal bezieht sich auf die Stabilität der Rippen: Wenn mit einfachen Worten ausgedrückt die Rippe breiter ist als der Beton zwischen zwei Rippen, dann kann davon ausgegangen werden, dass die Rippen auch ausreichend stabil sind, um den üblichen Zugbelastungen Stand zu halten. Hierbei ist der Verbund mit dem radial innenliegenden Bewehrungsstab auf einer so großen Fläche wirksam, dass ein Abscheren der Rippen auszuschließen ist.
Zweckmäßigerweise ist die Rippenbasis R, das ist die axiale Breite einer Rippe einschließlich der axialen Breiten der beiden seitlichen benachbarten Rippenflanken, größer als die Betonkonsolenbasis B, das ist die axiale Breite eines ungerippten Rippengrundes einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken. Auch dieser Annahme liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem großen Verbundbereich zwischen Rippe und Bewehrungsstab bei gleichzeitig kleinerem Verbundbereich zwischen Betonkonsole und angrenzendem Beton die Stabilitätsverhältnisse dahingehend ausfallen, dass ein Abscheren der Rippen zuverlässig verhindert werden kann.
Was die genannten Bemessungsregeln betrifft, so sind diese insbesondere dann anzuwenden, wenn die Rippen ähnlich wie Betonstahl eine Rippenhöhe H = (D-d)/2 in der Größenordnung von D/30 bis D/7 aufweisen.
Schließlich empfiehlt sich eine Rippenteilung T, das ist vergleichbar einer Wellenlänge die axiale Breite einer Rippe einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken zuzüglich der axialen Breite eines benachbarten ungerippten Rippengrundes, in der Größenordnung von zwischen 1/3 x D und 2 x D.
Die vorliegende Erfindung lässt sich auf beliebige Kunststoff- und Fasermaterialien anwenden, insbesondere bei Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Zweckmäßigerweise sind die Verstärkungsfasern mit in die Rippen hineinverlagert, so dass der Verbund der Rippen mit dem darunterliegenden Bewehrungsstab im Sinne einer größeren Zugfestigkeit verbessert wird.
Was die Form der Rippen betrifft, so laufen diese zweckmäßigerweise schraubengangförmig über den Stabumfang um, geneigt zur Stabachse und abweichend von der Senkrechten zur Stabachse.
Es liegt insbesondere aber auch im Rahmen der Erfindung, die Rippen "negativ" herzustellen, das heißt eine ungerippte Stabmantelfläche mit lokalen radialen Vertiefungen zu versehen. In diesem Fall bilden die Vertiefungen jeweils den radial innenliegenden Rippengrund, während die radial außen liegenden Stabmantelbereiche die Rippen bzw. die Rippenscheitelbereiche im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen.
Nachfolgend wird die Erfindung noch einmal beschrieben unter Bezugnahme auf einen in der beigefügten Figur 1 dargestellten Axialschnitt durch die Hälften zweier erfindungsgemäßer Bewehrungsstäbe.
Der in Figur 1 dargestellte gerippte Bewehrungsstab 1 weist mehrere gleichmäßig über den Stabumfang verteilte radial innenliegende Rippengrundabschnitte 2, 12 auf sowie relativ zu diesen Abschnitten radial nach außen vorstehende Rippen 3, 13, wobei der Übergangsbereich zwischen den außenliegenden Rippenscheitelbereichen mit Durchmesser D und den innenliegenden Rippengrundabschnitten mit Durchmesser d von seitlichen Rippenflanken 4, 14 gebildet sind, die eine Steigung gegenüber der Stabachse 5 in Form eines Winkels α, β von mehr als 45° aufweisen. Die Rippenscheitelbereiche 3, 13 sind in beiden Ausführungsbeispielen aus Figur 1 glattzylindrisch ausgebildet. Es wäre aber ebenso möglich, die Rippen bzw. die Rippenscheitelbereiche gekrümmt auszubilden und ansatzlos in die angrenzenden Rippenflanken übergehen zu lassen.
Neben diesen zumindest in Teilbereichen stumpfwinkligen Rippenflanken sind die erfindungswesentlichen Größen des Bewehrungsstabs 1 folgende: Die Rippenhöhe H wird aus (D-d)/2 errechnet. Diejenigen Rippenbereiche, die zumindest die halbe Rippenhöhe (bzw. eine größere Rippenhöhe) aufweisen, erstrecken sich über eine axiale Breite A. Zwischen solchen Rippenbereichen mit zumindest halber Rippenhöhe besteht ein Abstand B. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschrieben, dass A > B sein muss, wodurch sich die genannten Stabilitätsverhältnisse, also auf den Axialschnitt bezogen ein breiterer "Rippenzahn" als "Betonzahn" ergibt.
Einfacher handzuhaben und darüber hinaus ebenso gültig ist folgende Annahme: Die Rippenbasis R, das ist die axiale Länge eines radial außenliegenden Rippenscheitelbereiches 13 sowie der beiden angrenzenden Rippenflanken 14, muss größer sein als die Betonkonsolenbasis B, das ist die axiale Breite eines ungerippten Rippengrundes 12 einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken 14.
Des weiteren soll die Rippenhöhe H, die sich aus (D-d)/2 errechnet, in der Größenordnung von zwischen D/30 und D/7 und insbesondere zwischen 0,5 und 2 mm liegen. Und schließlich soll die Rippenteilung T, das ist die axiale Breite eines innenliegenden Rippengrundes 2, 12 plus der axialen Breite einer Rippenflanke 4, 14 plus der axialen Breite eines Rippenscheitelbereiches 3, 13 plus einer weiteren Rippenflanke 4, 14, zwischen D/3 und 2 x D und insbesondere zwischen 5 und 15 mm groß sein.
Die beiden in Figur 1 dargestellten Rippenformen unterscheiden sich dadurch, dass die in der oberen Bildhälfte dargestellte Rippung Rippenflanken 4 mit geradliniegem Verlauf aufweisen, während die Rippen 14 der unteren Bildhälfte sinusähnlich gekrümmt sind, wobei der Wendepunkt der Steigung der Flanken 14 den maximalen Steigungswinkel β definiert, der größer als 45° sein muss. Der Steigungswinkel α der oberen Rippung ist hingegen über die gesamte Flankenlänge gleich.
Es sei noch erwähnt, dass ein kleinerer Steigungswinkel α bzw. β aufgrund der geringeren Abstützfläche am Beton bei Zugbelastungen an sich weniger ein Abscheren der Rippen hervorruft als ein stumpfer Winkel größer 45°, da die Rippen bei axialen Zugbelastungen nicht nur den Beton keilähnlich nach außen drücken, sondern gleichzeitig durch den Beton auch nach radial innen gedrückt werden.
Hingegen sorgen stumpfe Steigungswinkel, deren Rippenflanken sich ja besser am Beton abstützen und dessen resultierende axiale Kraftkomponenten größer sind als die nach innen gerichteten radialen Kraftkomponenten dafür, dass solche Flanken mit stumpfem Steigungswinkel an sich eher abscheren als die mit spitzem Steigungswinkel. Insofern ist es für die vorliegende Erfindung mit stumpfem Steigungswinkel umso wichtiger, dass die Rippen eine breite Rippenbasis und damit einen guten Verbund mit dem darunterliegenden Bewehrungsstab besitzen. Erst dann kann man beide gestellte Aufgaben durch ein und dieselbe Bauform erfüllen, nämlich einerseits das Abscheren von Rippen und andererseits ein Spaltzugversagen verhindern.
Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass erstmals stabile faserverstärkte Kunststoffbewehrungsstäbe vorgeschlagen werden können, deren Rippen weder bei den üblichen Zugbelastungen abscheren, noch aufgrund der stumpfen Steigungswinkel zu dem Effekt des sogenannten Spaltzugversagens führen.

Claims (10)

  1. Bewehrungsstab (1), aus faserverstärktem Kunststoff, an seiner Umfangsfläche versehen mit einer radial nach außen vorstehenden Profilierung in Form von sich zumindest über einen Teil des Umfangs erstreckenden Rippen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die den Übergangsbereich zwischen innenliegendem Rippengrund (2, 12) mit Durchmesser d und außenliegendem Rippenscheitelbereich (3, 13) mit Durchmesser D bildenden seitlichen Rippenflanken (4, 14) zumindest in Teilbereichen eine Steigung mit einem Winkel (α, β) von mehr als 45° gegenüber der Stabachse (5) aufweisen, und dass die axiale Breite A der Rippenbereiche mit zumindest halber Rippenhöhe H/2 = ½ x (D-d)/2 größer ist als der axiale Abstand B zwischen den zumindest die halbe Rippenhöhe aufweisenden Rippenbereichen zweier benachbarter Rippen.
  2. Bewehrungsstab nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Breite der von einer Rippe (3, 13) einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken (4, 14) gebildeten Rippenbasis R größer ist als die axiale Breite der von einem ungerippten Rippengrund (2, 12) einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken (4, 14) gebildeten Betonkonsolenbasis B.
  3. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen einen die Rippenhöhe H = (D-d)/2 bildenden radialen Abstand zwischen Rippengrund (2, 12) mit Durchmesser d und Rippenscheitelbereich (3, 13) mit Durchmesser D in der Größenordnung von zwischen D/30 und D/7 aufweisen.
  4. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenteilung T, das ist die Summe der axialen Breite der von einer Rippe (3, 13) einschließlich der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken (4, 14) gebildeten Rippenbasis R und der axialen Breite des benachbarten ungerippten Rippengrundes (2, 12) in der Größenordnung von zwischen D/3 und 2 x D liegt.
  5. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Bewehrungsstabs (1) mit Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern verstärkt ist.
  6. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (3, 13) schraubengangförmig über den Stabumfang umlaufen.
  7. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (3, 13) geneigt zur Stabachse (5) und abweichend von der Senkrechten zur Stabachse verlaufen.
  8. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern mit in die Rippen (3, 13) verlagert sind.
  9. Bewehrungsstab nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung des Bewehrungsstabes durch Einbringen von radialen Vertiefungen gebildet ist, wobei die Rippen und die radial außen liegenden Rippenscheitelbereiche von der Stabmantelfläche gebildet sind und wobei die radialen Vertiefungen jeweils den radial innenliegenden Rippengrund bilden.
  10. Bewehrungsstab nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Vertiefungen lokal und insbesondere über den Umfang des Bewehrungsstabes verteilt eingebracht sind.
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