EP3475041B1 - Verfahren und eine vorrichtung zur herstellung von betonbauteilen - Google Patents

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EP3475041B1
EP3475041B1 EP17730467.2A EP17730467A EP3475041B1 EP 3475041 B1 EP3475041 B1 EP 3475041B1 EP 17730467 A EP17730467 A EP 17730467A EP 3475041 B1 EP3475041 B1 EP 3475041B1
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carbon fiber
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concrete
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receiving element
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    • B28B23/0006—Arrangements specially adapted for the production of shaped articles with elements wholly or partly embedded in the moulding material; Production of reinforced objects the reinforcement consisting of aligned, non-metal reinforcing elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B28B23/04—Arrangements specially adapted for the production of shaped articles with elements wholly or partly embedded in the moulding material; Production of reinforced objects wherein the elements are reinforcing members the elements being stressed
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    • 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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
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    • E04C5/07—Reinforcing elements of material other than metal, e.g. of glass, of plastics, or not exclusively made of metal
    • E04C5/073—Discrete reinforcing elements, e.g. fibres
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/08—Members specially adapted to be used in prestressed constructions
    • E04C5/085—Tensile members made of fiber reinforced plastics
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/08—Members specially adapted to be used in prestressed constructions
    • E04C5/12—Anchoring devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00—Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/12—Mounting of reinforcing inserts; Prestressing

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the production of concrete components. It has long been known that the susceptibility of concrete components to tensile forces acting on them due to compressive forces acting within the concrete components, which are transferred to the hardened concrete matrix by previously tensioned tension elements in the concrete, can be counteracted in the form of the so-called prestressed concrete construction method. This allows you to reduce both the mass of concrete required and the concreted-in reinforcement.
  • the object of the invention is therefore to create possibilities for the simultaneous, uniform prestressing of many fiber bundles and thus a more uniform introduction of the prestressing forces in the concrete body, which leads to an increase in strength and rigidity with a further possibility of increasing the degree of prestressing, with a simultaneous possible reduction in mass in the Manufacture of concrete components.
  • the carbon fiber bundles are supported in two receiving elements which are arranged on two diametrically arranged end faces of the mold and are arranged on the end walls of the mold or can be connected to it, introduced through openings in each case at a distance from one another, so that cavities within the receiving element with a quick-hardening viscous mineral-based mass or a fast-curing polymer.
  • tensile forces are applied to at least one end face with a tensile device in the longitudinal direction of the carbon fiber bundles on one or both receiving element(s). With the acting tensile forces, the inside of the mold is completely filled with viscous concrete.
  • Polymer concrete for example, can be used as the fast-curing mass, and an epoxy resin, such as is already used in the production of carbon fiber composite materials, can be used as the fast-curing polymer.
  • an epoxy resin such as is already used in the production of carbon fiber composite materials
  • it can be advantageous to coat the inner surfaces of the receiving elements with a release agent, e.g. with silicone oil.
  • Mass or polymer should enable a good form fit to the receiving elements in order to allow the tensile forces to be applied as uniformly as possible along the inner surface of the receiving elements.
  • the inner surface can be rough or profiled, so that the tension forces to be introduced from the matrix can be passed on more evenly into the walls of the receiving elements and overstressing can be avoided, so that the anchoring length in the receiving elements can be shortened.
  • the curing of the mass or a polymer should be completed after a maximum of 1 hour. This time is considerably shorter, i.e. several hours less than the concrete needs to harden in the mold.
  • the compressive forces applied with clamping elements or pressure stamps should be increased further.
  • the compressive forces used for this purpose should depend on the length of the carbon fiber bundles within the receiving elements and/or the total length of the carbon fiber bundles of the textile structure should be chosen, whereby the compressive force should be at least 10% of the longitudinal tensile forces used for tensioning.
  • the higher tensile forces used to brace the carbon fiber bundles can act on the at least one receiving element. This can be applied using hydraulic, pneumatic cylinders, a screw drive or another linear drive.
  • the selected minimum tensile force should reach 60% - 90% of the permissible tensile strength of the carbon fiber bundle.
  • the loads considered for the construction of the respective concrete component should be taken into account and the resilience of the carbon fibers should be used to the maximum.
  • At least the area of the textile structure that has been inserted into the receiving elements should preferably have been impregnated with epoxy or other solutions that guarantee permanent encapsulation of the fibers and non-positive fit.
  • the concrete should be introduced into the mold with tools that guarantee a pore-free sheathing of the fiber bundles before it hardens or sets within the mold.
  • spacer or positioning elements within the mold with which one or more layers of a textile structure can be held in the desired position.
  • compressive forces are to be exerted on at least two diametrically opposite sides of the receiving element, which act at least almost perpendicularly in relation to the longitudinal axes of the carbon fiber bundles.
  • Suitable plungers or clamping elements that attack from two sides can be used for this. This can also be secured be that between the surfaces of the carbon fibers and the mass or the polymer a sufficiently strong material connection can be formed.
  • the carbon fiber bundles can be kept positioned within the receiving element with spacers and/or cross-clamping elements.
  • Spacers can advantageously be aligned parallel to the longitudinal axis of the carbon fiber bundles and transverse clamping elements perpendicular to this direction, which is particularly advantageous when using carbon fiber fabrics, as a particularly suitable example of a textile structure.
  • carbon fiber bundles can be inserted into a receiving element and/or mold that is bent in at least one direction in relation to a plane and can be fixed therein.
  • the carbon fiber bundles thereby complete at least one change of direction within the receiving element and/or mold bent in this way.
  • they can also be bent several times, guided through a receiving element and then correspondingly fixed there in the hardened mass or the polymer.
  • Carbon fiber bundles can be fixed in the openings as a result of pressure forces acting by means of clamping elements or pressure stamps. After fixing, a tensile force can act, with which the carbon fiber bundles can be pulled taut. This tensile force should be significantly lower than the tensile forces that act on the receiving elements and the carbon fiber bundles after the solidification or curing of the mass or the polymer within the receiving elements when the concrete is poured into the mold. It only serves to straighten the carbon fiber bundle structure.
  • the receiving elements are advantageously formed from at least two parts which can be pressed against one another, as a result of which the introduction and fixing of the carbon fiber bundles can be facilitated.
  • These openings can be in the form of gaps and are preferably aligned perpendicular to the direction in which tensile forces act on the carbon fiber bundles or perpendicular to the longitudinal axis of the carbon fiber bundles.
  • the top and/or bottom can be provided with a clamping lining.
  • multi-part receiving elements can be selected, each with a number of individual parts that are arranged one above the other that is 1 greater than the number of layers of textile fabric.
  • the surfaces of carbon fibers can be roughened, at least in the area in which they are arranged within a receiving element have surface.
  • particles in particular mineral particles, for example quartz sand, can advantageously also be applied to the surface of carbon fibers and fixed there, at least within the receiving elements.
  • a clamping lining made of a preferably elastomeric material can be present at the openings, which are on the end face of the receiving elements, which points in the direction of the mold and through which the carbon fiber bundles the receiving elements are inserted.
  • Such a clamping lining can be used for gentle guidance of the carbon fiber bundles and for sealing.
  • the tensile force effect on the receiving elements and the carbon fiber bundles can be removed.
  • the prestressing force within the concrete component can be used to increase the achievable tensile strength in a similar way to the known prestressed concrete elements with steel elements.
  • the total thickness of a manufactured concrete structural element should be at least four times the thickness of one or the sum of the thicknesses of the layers of textile structure in order to achieve sufficient coverage of the carbon fibers of the textile structure(s) with concrete.
  • concrete components can be produced with a tensile or compressive strength that is ten times higher than the tensile and compressive strength of wood and is close to the strength of steel components.
  • non-crimp fabrics can advantageously be used as textile structures.
  • non-crimp fabrics can advantageously be used as textile structures.
  • woven, knitted or warp-knitted fabrics for this purpose.
  • the production according to the invention can take place industrially at one location, but also on site, ie directly on a construction site.
  • Concrete components can be produced that are very slim, light, stiff and dimensionally stable.
  • the need for concrete can be significantly reduced, so that a mass saving of 50% to 80% can be achieved compared to corresponding reinforced concrete components with the same load-bearing capacity and strength.
  • figure 1 is shown in a top view part of an example of a device according to the invention.
  • a receiving element 1 is arranged on an end face of a mold 4 and is supported on this end face and/or closes/seals the mold 4 .
  • a second receiving element 1 is present in an analogous form on the oppositely arranged end face, but this is not shown here.
  • openings 3 are present, through which carbon fiber bundles 8 of a fabric formed with carbon fibers are guided into the interior of the receiving element 1.
  • spacers 5 for the carbon fiber bundles 8 of the scrim are present in the receiving element 1 .
  • each of the openings 3 there is a clamping lining made of an elastomer.
  • the clamping linings seal the receiving element 1 against the interior of the mold 4 and exert a clamping effect on the carbon fiber bundles 8 .
  • the carbon fiber bundles 8 can be slightly pretensioned within the receiving element 1 if the receiving element 1 is pulled to the left here with a screw drive or a pressure cylinder 7 .
  • the cavities can be filled with polymer concrete as a viscous mass on a mineral basis with a suitable viscous consistency. After approximately one hour, the polymer concrete has hardened sufficiently and has a strength with which a secure bond between the polymer concrete and the carbon fiber bundles 8 can be achieved. After tightening the pressure cylinder 7, the carbon fiber bundles 8 can now be stretched. After that, the inside of the mold 4, through which the carbon fiber bundles 8 of the fabric are guided into the other receiving element 1 (not shown), can be completely filled with concrete, so that as few cavities as possible are formed.
  • the carbon fiber bundles 8 are acted upon by the actuation of the cylinders 7 with tensile forces.
  • the yoke-shaped element 9 and a bolt 10, which can also be a flange, which are connected to the receiving element 1, are moved in the direction pointing away from the mold 4.
  • the tensile forces acting on the carbon fiber bundles 8 at least in the interior of the mold 4 are then, for example, in the range of 50 kN to 100 kN for a fiber cross section of 50 mm 2 .
  • the figure 2 shows a detail figure 1 in enlarged form.
  • the end face 2 of the receiving element 1 terminates at the end face of the mold 4 in order to prevent the concrete from flowing out of the mold later.
  • the openings 3 in each of which a clamping lining is received, are formed in this end face 2 , through which the carbon fiber bundles 8 are guided, which are guided through the mold 4 and from there into the interior of the receiving element 1 .
  • a clamping lining can consist of polyurethane, for example.
  • the inner diameter of the openings 3 is dimensioned in connection with the thickness of the clamping lining in such a way that a free cross section is obtained which is smaller than the outer cross sectional dimensions of the carbon fiber bundles 8 .
  • inside the receiving element 1 there can be spacers 5 for the carbon fiber bundles 8 of the fabric formed with carbon fibers, as an example of a textile structure.
  • FIG. 5 should be made clear that geometrically more complex concrete components can be produced with the invention.
  • a number of scrims formed with carbon fibers are present in a mold. Their carbon fiber bundles 8 are aligned in different axial directions, so that they are pretensioned with the acting tensile forces in accordance with this respective axial direction.
  • the tensile forces can act on a yoke-shaped element 9, which is correspondingly bent or kinked, at various positions with a helical gear or a cylinder 7 in the axial direction assigned to the respective force application position according to the alignment of the carbon fiber bundles 8, if the Polymer concrete in the receiving element 1 has cured sufficiently.
  • FIG. 12 shows a plan view of part of a device of the example figure 5 .
  • figure 7 corresponds to the section DD of figure 6 .
  • the figure 8 shows a sectional side view of a device. with the inside figure 9 In the section EE shown, one can see that a single or multiple-bent forming tool 4 with, if necessary, also correspondingly bent receiving element(s) 1 can be used, and thus a corrugated or differently bent concrete component can be produced, in which the carbon fiber bundles 8 are prestressed in the are embedded in concrete. In this case, several transverse clamps 6 are arranged along the mold 4 and the receiving elements 1, with which pressure forces can be exerted from two opposite sides.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Betonbauteilen. Es ist seit Langem bekannt, dass man der Anfälligkeit von Betonbauteilen bei auf sie wirkenden Zugkräften durch innerhalb der Betonbauteile wirkende Druckkräfte, die durch zuvor gespannte Zugelemente im Beton auf die ausgehärtete Betonmatrix übertragen werden, in Form der so genannten Spannbetonbauweise entgegen wirken kann. Dadurch kann man sowohl die Masse an benötigtem Beton und auch der einbetonierten Bewehrung reduzieren.
  • In jüngerer Vergangenheit hat sich die Entwicklung von Betonbauteilen, bei denen die übliche Stahlbewehrung durch Faserverstärkung und hier insbesondere Kohlenstofffaserverstärkung ersetzt wird, forciert. Dadurch können bei gleicher Stabilität und Festigkeit kleiner dimensionierte Betonbauteile zur Verfügung gestellt werden. Bisher werden dabei mit Kohlenstofffasern gebildete textile Gebilde lediglich in eine Betonmatrix eingebettet, wobei die mit Spannbetonbauteilen erreichbaren Vorteile nicht in ausreichendem Maße ausgenutzt werden. Aus DE 10 2004 033 015 A1 ist es zwar bekannt, vorgespannte Stäbe aus Kohlenstofffaserverbund CFK einzusetzen. Diese als Zuganker fungierenden Zugstäbe erreichen aber eine lokal relativ konzentrierte Zugkraftwirkung oder es muss eine große Anzahl solcher Verstärkungsstäbe eingesetzt werden, was wiederum den Verarbeitungsaufwand durch die vorgesehene Einzelanspannung der Stäbe erhöht.
  • So ist aus US 5 025 605 A ein mit einem Maschenwerk verstärktes und vorgespanntes Element mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8 bekannt.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die gleichzeitige, gleichmäßige Vorspannung von vielen Faserbündeln und somit einer gleichmäßigeren Einleitung der Vorspannkräfte im Betonkörper zu schaffen, was zu einer Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit bei einer weiteren Steigerungsmöglichkeit des Vorspanngrades, bei gleichzeitiger möglicher Massereduzierung bei der Herstellung von Betonbauteilen führt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit Anspruch 8 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Betonbauteilen, bei denen in eine Betonmatrix mittels Zugspannung vorgespannte Kohlenstofffasern mindestens eines textilen aus Kohlenstofffasern gebildeten textilen Gebildes eingebettet sind, wird mindestens ein textiles Gebilde, das mit Kohlenstofffaserbündeln (Rovings) oder anderen zugkraftbelastbaren Fasern gebildet ist, in ein Formwerkzeug eingelegt. Nachfolgend soll nur noch der Begriff Kohlenstofffaserbündel dafür genutzt werden.
  • Die Kohlenstofffaserbündel werden in zwei in an zwei diametral angeordneten Stirnseiten des Formwerkzeuges angeordnete Aufnahmeelemente, die an den Stirnwänden des Formwerkzeugs angeordnet sind, sich daran abstützen oder mit diesem verbindbar sind, durch Durchbrechungen jeweils in einem Abstand zueinander eingeführt, so dass Hohlräume innerhalb des Aufnahmeelements mit einer schnellhärtenden viskose Masse auf mineralischer Basis oder einem schnellhärtenden Polymer ausgefüllt werden.
  • Nach der Aushärtung der Masse oder des Polymers werden Zugkräfte an mindestens einer Stirnseite mit einer Zugvorrichtung in Längsachsrichtung der Kohlenstofffaserbündel an einem oder beiden Aufnahmeelement(en) aufgebracht. Bei den wirkenden Zugkräften wird das Innere des Formwerkzeugs mit viskosem Beton vollständig ausgefüllt.
  • Nach dem Aushärten des Betons wird die Zugkraftwirkung aufgehoben und das Betonbauteil entformt.
  • Wirken Zugkräfte lediglich an einem der beiden Aufnahmeelemente wird das jeweils andere Aufnahmeelement in einer festen Einspannung gehalten.
  • Als schnellhärtende Masse kann beispielsweise Polymerbeton und als schnellhärtendes Polymer ein Epoxidharz, wie es bereits bei der Herstellung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen eingesetzt wird, eingesetzt werden. Bei Einsatz eines Polymers kann es vorteilhaft sein, innere Oberflächen der Aufnahmeelemente mit einem Trennmittel, z.B. mit Silikonöl zu beschichten.
  • Masse oder Polymer sollten einen guten Formschluß zu den Aufnahmeelementen ermöglichen, um eine möglichst gleichmäßige Eintragung der Zugkräfte entlang der inneren Oberfläche der Aufnahmeelemente zu ermöglichen. Die innere Oberfläche kann rau oder profiliert ausgebildet sein, so dass die einzuleitenden Spannkräfte aus der Matrix gleichmäßiger in die Wände der Aufnahmeelemente weiter geleitet werden können und eine Überbeanspruchung vermieden werden kann, so dass eine Verkürzung der Verankerungslänge in den Aufnahmeelementen erreichbar ist.
  • Die Aushärtung der Masse oder eines Polymers sollte nach maximal 1 Stunde abgeschlossen sein. Diese Zeit ist erheblich kürzer, also mehrere Stunden kleiner als der Beton im Formwerkzeug zum Aushärten benötigt.
  • Nach dem Aushärten der Matrix in den Aufnahmeelementen, sollten die mit Klemmelementen oder Druckstempel aufgebrachten Druckkräfte weiter erhöht werden. Die dazu angewandten Druckkräfte sollten in Abhängigkeit der Länge der Kohlenstofffaserbündel innerhalb der Aufnahmeelemente und/oder der Gesamtlänge der Kohlenstofffaserbündel des textilen Gebildes gewählt werden, wobei die Druckkraft mindestens 10 % der Längszugkräfte, die zum Anspannen angesetzt werden, betragen sollte.
  • Im Anschluss daran können die höheren zum Verspannen der Kohlenstofffaserbündel genutzten Zugkräfte an dem mindestens einen Aufnahmeelement wirken. Dies können mittels Hydraulik-, Pneumatikzylinder, einen Schrauben- oder einem anderen Linearantrieb aufgebracht werden. Die jeweils gewählte Mindestzugkraft sollte 60 % - 90 % der zulässigen Zugfestigkeit der Kohlefaserbündel erreichen. Dabei sollten die für die Konstruktion des jeweiligen Betonbauelements berücksichtigten Belastungen berücksichtigt und die Belastbarkeit der Kohlenstofffasern maximal ausgenutzt werden.
  • Zumindest der Bereich des textilen Gebildes, der in die Aufnahmeelemente eingesetzt worden ist, sollte bevorzugt mit Epoxid oder anderen Lösungen, die eine dauerhafte Umschließung der Fasern und Kraftschlüssigkeit garantieren, getränkt worden sein. Ebenso sollte der Beton mit Werkzeugen, die eine porenfreie Ummantelung der Faserbündel garantieren in das Formwerkzeug eingeführt werden, bevor er innerhalb des Formwerkzeuges aushärtet bzw. abbindet.
  • Insbesondere bei langen Formwerkzeugen kann es sinnvoll sein, innerhalb des Formwerkzeugs Distanz- oder Positionierelemente anzuordnen mit denen eine oder mehrere Lage(n) eines textilen Gebildes in der gewünschten Position gehalten werden kann/können.
  • Erfindungsgemäß sollen während des Befüllens der Hohlräume im Aufnahmeelement und bis nach der Aushärtung der Masse bzw. des Polymers an mindestens zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Seiten des Aufnahmeelements Druckkräfte, die zumindest nahezu senkrecht in Bezug zu den Längsachsen der Kohlenstofffaserbündel wirken, ausgeübt werden. Dafür können geeignete Druckstempel oder Klemmelemente, die von zwei Seiten angreifen eingesetzt werden. Auch dadurch kann gesichert werden, dass zwischen den Oberflächen der Kohlenstofffasern und der Masse bzw. dem Polymer eine ausreichend feste stoffschlüssige Verbindung ausgebildet werden kann.
  • Die Kohlenstofffaserbündel können innerhalb des Aufnahmeelements mit Abstandshaltern und/oder Querklemmelementen positioniert gehalten werden. Abstandshalter können dabei vorteilhaft parallel zur Längsachse der Kohlenstofffaserbündel und Querklemmelemente senkrecht zu dieser Richtung ausgerichtet sein, was sich insbesondere vorteilhaft bei Einsatz Kohlenstofffasergelegen, als ein besonders geeignetes Beispiel für ein textiles Gebilde, auswirkt.
  • Bei vielgestaltig ausgebildeten Betonbauteilen kann es erforderlich sein, die mit den vorgespannten Kohlenstofffaserbündeln erreichbaren Druckkräfte lokal definiert in verschiedenen Achsrichtungen wirken zu lassen. Insbesondere in diesen Fällen kann es günstig sein, wenn an mindestens einer Stirnseite des Formwerkzeugs mehrere bevorzugt gelenkig miteinander verbundene Aufnahmeelemente angeordnet werden, an denen dann bevorzugt Zugkräfte in verschiedene Achsrichtungen auf Aufnahmeelemente und demzufolge auch die Kohlenstofffaserbündel in der jeweiligen gewählten Längsachsrichtung der Kohlenstofffaserbündel gewählten Richtung wirken.
  • Zusätzlich zum Stoffschluss, der zwischen den Oberflächen der Kohlenstofffasern und der ausgehärteten Masse bzw. dem ausgehärteten Polymer sollte auch ein gewisses Maß von Formschluss erreicht werden können. Dazu können Kohlenstofffaserbündel in einen in Bezug zu einer Ebene in mindestens einer Richtung gebogenes Aufnahmeelement und/oder Formwerkzeug eingeführt und darin fixiert werden. Die Kohlenstofffaserbündel vollziehen dadurch innerhalb des so gebogenen Aufnahmeelements und/oder Formwerkzeugs mindestens einen Richtungswechsel. Sie können aber auch mehrfach gebogen durch ein Aufnahmeelement durch ein Aufnahmeelement geführt und dann dort in der ausgehärteten Masse oder dem Polymer entsprechend fixiert werden.
  • Bei so gebogen ausgebildeten Aufnahmeelementen können Druckkräfte mit entsprechend konturiert ausgebildeten Druckstempeln oder Klemmelementen auf die äußere Wandung der Aufnahmeelemente ausgeübt werden. Es können auch mehrere Druckstempel oder Klemmelemente, die nebeneinander angeordnet sind, genutzt werden.
  • Mittels Klemmelementen oder Druckstempeln können Kohlenstofffaserbündel in den Durchbrechungen infolge wirkender Druckkräfte fixiert werden. Nach der Fixierung kann eine Zugkraft wirken, mit der die Kohlefaserbündel straff gezogen werden können. Diese Zugkraft sollte deutlich geringer sein, als die Zugkräfte, die nach dem Erstarren bzw. der Aushärtung der Masse oder des Polymers innerhalb der Aufnahmeelemente an den Aufnahmeelementen und den Kohlenstofffaserbündeln wirken, wenn der Beton in das Formwerkzeug eingefüllt wird. Sie dient lediglich zum gerade Ausrichten des Kohlefaserbündelgebildes.
  • Vorteilhaft sind die Aufnahmeelemente werden aus mindestens zwei Teilen, die gegeneinander gepresst werden können, gebildet, wodurch das Einführen und Fixieren der Kohlenstofffaserbündel erleichtert werden kann. Dabei entstehen Durchbrechungen, durch die Kohlenstofffaserbündel hindurchgeführt werden. Diese Durchbrechungen können spaltförmig sein und bevorzugt senkrecht zur Richtung in der Zugkräfte auf Kohlenstofffaserbündel wirken bzw. senkrecht zur Längsachse der Kohlenstofffaserbündel ausgerichtet sein. Dadurch ist es möglich alle in das jeweilige Aufnahmeelement eingeführten Kohlenstofffaserbündel einer Lage eines textilen Gebildes bzw. einer Ebene mit einer einzigen spaltförmigen Durchbrechung zu fixieren. Dabei können die Ober- und/oder Unterseite mit einem Klemmbelag versehen sein.
  • Sollten mehrere Lagen eines textilen Gebildes für die Herstellung eines Betonbauteils genutzt werden, können mehrfach geteilte Aufnahmeelemente mit jeweils einer Anzahl ein einzelnen Teilen, die übereinander angeordnet werden, gewählt werden, die um den Wert 1 größer als die Anzahl der Lagen textiler Gewebe ist.
  • Zur Erhöhung bzw. dem Erreichen eines Formschlusses können die Oberflächen von Kohlenstofffasern zumindest im Bereich mit dem sie innerhalb eines Aufnahmeelements angeordnet sind, eine aufgeraute Oberfläche aufweisen. Dazu können vorteilhaft auch Partikel, insbesondere mineralische Partikel, z.B. Quarzsand zumindest innerhalb der Aufnahmeelemente auf die Oberfläche von Kohlenstofffasern aufgebracht und dort fixiert werden.
  • An den Durchbrechungen, die an der Stirnseite der Aufnahmeelemente, die in Richtung Formwerkzeug weist und durch die Kohlenstofffaserbündel die Aufnahmeelemente eingeführt sind, kann jeweils ein Klemmbelag aus einem bevorzugt elastomeren Material vorhanden sein. Ein solcher Klemmbelag kann zur schonenden Führung der Kohlenstofffaserbündel und zur Abdichtung ausgenutzt werden.
  • Nach dem Aushärten des Betons im Formwerkzeug, was 12 Stunden bis hin zu 7 Tagen dauern kann, kann die Zugkraftwirkung auf die Aufnahmeelemente und die Kohlenstofffaserbündel aufgehoben werden. Nach der Entlastung kann die Vorspannkraft innerhalb des Betonbauteils zur Erhöhung der erreichbaren Zugfestigkeit in analoger Form zu den bekannten Spannbetonelementen mit Stahlelementen ausgenutzt werden.
  • Durch die Vorspannung der Kohlenstofffasern innerhalb der ausgehärteten Betonmatrix werden nach dem Abtrennen oder Zerteilen des Betonbauteils mittels eines Trennverfahrens Spannkräfte in Form von Druckspannungen in den Beton eingeleitet. Bei auftretenden Gebrauchslastfällen kann Rissfreiheit des Betonbauteils eingehalten werden. Dies kann auch bei vollständig oder teilweise gewölbt ausgebildeten Betonbauelementen gesichert werden.
  • Die Gesamtdicke eines hergestellten Betonbauelements sollte mindestens der Vierfachen Dicke der einen oder der Summe der Dicke der Lagen an textilem Gebilde betragen, um eine ausreichende Überdeckung der Kohlenstofffasern des/der textilen Gebilde(s) mit Betons zu erreichen.
  • Bei einer Lage und einer mittleren Dicke eines Kohlenstofffaserbündels von 1,5 mm sollte eine Überdeckung in der letzten Lage zum Betonrand von 6 mm eingehalten werden. Es sollte eine Einhaltung eines Bewehrungsgrades von minimal 0,5 % bis 8 % des Betonquerschnitts berücksichtigt werden. In jedem Fall sollten Lunker innerhalb des Betons vermieden werden.
  • So können Betonbauelemente mit einer Zug- bzw. Druckfestigkeit hergestellt werden, die eine zehnfach höhere Festigkeit, als die Holzzug- und Holzdruckfestigkeit erreichen und dabei in der Nähe der Festigkeit von Stahlbauteilen liegen.
  • Mit ein oder mehreren übereinander in vorgebbaren Abständen zueinander und zu den äußeren Oberflächen eines Betonbauteils angeordneten Lagen eines textilen Gebildes innerhalb der Aufnahmeelemente und des Formwerkzeugs, die im Beton eingebettet sind, ist es möglich an beliebiger Position abgelängte Streifen eines textilen Gebildes zur Aufnahme temporär aufgebrachter äußerere Zugkräfte auf textile Gebilde mit geordneter Lage und Ausrichtung mit Zugkräften vorzuspannen. Die hergestellten Betonbauteile können die Spannkräfte auch nach einem Zerteilen eines Betonbauteiles in mehrere einzelne kleinere Bauteile ausgenutzt werden, auch wenn die Zerteilung in einem Winkel ungleich 90° zur Längsachse von Kohlenstofffaserbündeln erfolgt ist.
  • Wie bereits erwähnt, können vorteilhaft Gelege als textile Gebilde eingesetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit Gewebe, Gestricke oder Gewirke dafür einzusetzen.
  • Die erfindungsgemäße Herstellung kann industriell an einem Standort aber auch vor Ort also unmittelbar auf einer Baustelle erfolgen.
  • Es können Betonbauteile hergestellt werden, die sehr schlank, leicht, steif und formstabil sind. Der Bedarf an Beton kann erheblich reduziert werden, so dass eine Masseeinsparung von 50 % bis 80 % im Vergleich zu entsprechenden Stahlbetonbauteilen bei gleicher Tragfähigkeit und Festigkeit erreicht werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei sind die einzelnen Merkmale, die in den Figuren oder Beispielen erkennbar.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1
    in einer Aufsicht ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    Figur 2
    ein Detail B aus Figur 1;
    Figur 3
    den Schnitt A-A aus Figur 1;
    Figur 4
    den Schnitt C-C aus Figur 1;
    Figur 5
    ein Beispiel einer Vorrichtung, bei dem Zugkräfte in verschiedenen Achsrichtungen wirken;
    Figur 6
    eine Aufsicht auf einen Teil eines Aufnahmeelements mit einer angreifenden Zugvorrichtung;
    Figur 7
    einen Schnitt D-D aus Figur 6;
    Figur 8
    eine Seitenansicht auf einen Teilbereich eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
    Figur 9
    den Schnitt E-E aus Figur 8.
  • In Figur 1 ist in einer Aufsicht ein Teil eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei ist in der Darstellung an einer Stirnseite eines Formwerkzeugs 4 ein Aufnahmeelement 1 angeordnet, das sich an dieser Stirnseite abstützt und/oder das Formwerkzeug 4 abschließt/abdichtet. In analoger Form ist an der gegenüberliegend angeordneten Stirnseite ein zweites Aufnahmeelement 1 vorhanden, das hier jedoch nicht dargestellt ist.
  • An der Stirnseite 2 des Aufnahmeelements 1, die an der Stirnfläche des Formwerkzeugs 4 angeordnet ist, sind Durchbrechungen 3 vorhanden, durch die Kohlenstofffaserbündel 8 eines mit Kohlenstofffasern gebildeten Geleges in das Innere des Aufnahmeelements 1 geführt sind. Im Aufnahmeelement 1 sind zusätzlich Abstandshalter 5 für die Kohlenstofffaserbündel 8 des Geleges vorhanden. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Aufnahmeelements 1 greifen Querklemmen 6 an, mit denen Druckkräfte, die auf die entsprechenden Außenwände des Aufnahmeelements 1 wirken, aufgebracht werden können.
  • In den Durchbrechungen 3 ist jeweils ein Klemmbelag aus einem Elastomer vorhanden. Die Klemmbeläge dichten das Aufnahmeelement 1 gegen das Innere des Formwerkzeugs 4 ab und üben eine Klemmwirkung auf die Kohlenstofffaserbündel 8 aus. Mit Hilfe dieser Klemmwirkung kann ein geringfügiges Vorspannen der Kohlenstofffaserbündel 8 innerhalb des Aufnahmeelements 1 erreicht werden, wenn das Aufnahmeelement 1 mit einem Schraubantrieb oder einem Druckzylinder 7 hier nach links gezogen wird.
  • Nach Erreichen eines gewissen Maßes an Vorspannung der Kohlenstofffaserbündel 8 innerhalb des Aufnahmeelements 1 können die Hohlräume mit Polymerbeton als viskose Masse auf mineralischer Basis in geeigneter viskoser Konsistenz ausgefüllt werden. Nach ca. einer Stunde ist der Polymerbeton ausreichend ausgehärtet und weist eine Festigkeit auf, mit der ein sicherer Stoffschluss zwischen Polymerbeton und Kohlenstofffaserbündeln 8 erreicht werden kann. Nun können nach Anziehen des Druckzylinders 7 die Kohlefaserbündel 8 gespannt werden. Danach kann das Innere des Formwerkzeugs 4, durch das die Kohlenstofffaserbündel 8 des Geleges bis in das andere Aufnahmeelement 1 (nicht gezeigt) geführt sind, vollständig mit Beton befüllt werden, so dass möglichst keine Lunker gebildet werden.
  • Bereits vor dem Befüllen des Formwerkzeugs 4 mit dem Beton werden die Kohlenstofffaserbündel 8 durch Betätigung der Zylinder 7 mit wirkenden Zugkräften beaufschlagt. Dabei wird das jochförmige Element 9 und einen Bolzen 10, der aber auch ein Flansch sein kann, die mit dem Aufnahmeelement 1 verbunden sind, in die vom Formwerkzeug 4 weg weisende Richtung bewegt. Die dabei auf die Kohlenstofffaserbündel 8 zumindest im Inneren des Formwerkzeuges 4 wirkenden Zugkräfte liegen dann z.B. bei 50 mm2 Faserquerschnitt im Bereich 50 kN bis 100 kN.
  • Es kann ausreichend sein, wenn diese Vorspannkräfte lediglich von einer Seite aufgebracht werden und die Zugkräfte lediglich an einem Aufnahmeelement 1 wirken, während das jeweils andere Aufnahmeelement 1 fest gehalten wird.
  • Die Figur 2 zeigt ein Detail aus Figur 1 in vergrößerter Form. Die Stirnseite 2 des Aufnahmeelements 1 schliesst an der Stirnfläche des Formwerkzeugs 4 ab, um ein Ausfliessen des Betons aus dem Formwerkzeug später zu verhindern. In dieser Stirnseite 2 sind die Durchbrechungen 3, in denen jeweils ein Klemmbelag aufgenommen ist, ausgebildet, durch die Kohlenstofffaserbündel 8, die durch das Formwerkzeug 4 geführt, und von dort in das Innere des Aufnahmeelements 1 geführt sind. Ein Klemmbelag kann beispielsweise aus Polyurethan bestehen. Der Innendurchmesser der Durchbrechungen 3 ist in Verbindung mit der Dicke des Klemmbelags so bemessen, dass ein freier Querschnitt erhalten wird, der kleiner als die äußeren Querschnittsabmaße der Kohlenstofffaserbündel 8 ist.
  • Mit dem in Figur 3 gezeigten Schnitt A-A aus Figur 1 wird deutlich, dass im Inneren des Aufnahmeelements 1 Abstandshalter 5 für die Kohlenstofffaserbündel 8 des mit Kohlenstofffasern gebildeten Geleges, als ein Beispiel für ein textiles Gebilde, vorhanden sein können.
  • Der in Figur 4 gezeigte Schnitt C-C verdeutlicht nochmals die Anordnung von Querklemmelementen 6 an den Seitenwänden des Aufnahmeelements 1. Anstelle der Querklemmelemente 6 können auch Druckstempel, die an den gegenüberliegenden Seiten des Aufnahmeelements 1 angreifen, eingesetzt werden.
  • Mit Figur 5 soll verdeutlicht werden, dass auch geometrisch komplexere Betonbauteile mit der Erfindung hergestellt werden können. Dabei sind in einem Formwerkzeug mehrere Gelege, die mit Kohlenstofffasern gebildet sind, vorhanden. Deren Kohlenstofffaserbündel 8 sind in unterschiedlichen Achsrichtungen ausgerichtet, so dass sie entsprechend dieser jeweiligen Achsrichtung mit den wirkenden Zugkräften vorgespannt werden. Dabei können an einem jochförmigen Element 9, das entsprechend gebogen oder abgeknickt ausgebildet ist, an verschiedenen Positionen mit einem Schraubengetriebe oder einem Zylinder 7 die Zugkräfte in die der jeweiligen Kraftangriffsposition entsprechend der Ausrichtung der Kohlenstofffaserbündel 8 zugeordnete Achsrichtung wirken, wenn der Polymerbeton im Aufnahmeelement 1 ausreichend ausgehärtet ist.
  • Es besteht aber auch die Möglichkeit, mehrere jochförmige Elemente 9 gelenkig miteinander zu verbinden. Dabei können die Gelenke mit den Bolzen 10 gebildet werden. Die Ausrichtung der einzelnen jochförmigen Elemente 9 richtet sich dann nach der jeweiligen an einem jochförmigen Element 9 wirkenden Zugkraftrichtung.
  • Die Figur 6 zeigt eine Aufsicht auf einen Teil einer Vorrichtung des Beispiels nach Figur 5.
  • Figur 7 entspricht dem Schnitt D-D von Figur 6.
  • Die Figur 8 zeigt eine geschnittene Seitenansicht bei einer Vorrichtung. Mit dem in Figur 9 gezeigten Schnitt E-E kann man erkennen, das ein ein- oder mehrfach gebogenes Formwerkzeug 4 mit ggf. ebenfalls entsprechend gebogenen Aufnahmeelement(en) 1 eingesetzt werden kann, und damit ein wellenförmiges oder anders gebogenes Betonbauteil hergestellt werden kann, in dem die Kohlenstofffaserbündel 8 vorgespannt im Beton eingebettet sind. Dabei sind mehrere Querklemmen 6 entlang des Formwerkzeuges 4 und der Aufnahmeelemente 1 angeordnet, mit denen Druckkräfte von zwei gegenüberliegenden Seiten ausgeübt werden können.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von Betonbauteilen, bei denen in eine Betonmatrix mittels Zugspannung vorgespannte Kohlenstofffasern oder zugkraftbelastbare Fasern mindestens eines textilen aus Kohlenstofffasern gebildeten textilen Gebildes eingebettet sind, bei dem
    mindestens ein textiles Gebilde, das mit Kohlenstofffaserbündeln (8) gebildet ist, in ein Formwerkzeug (4) eingelegt werden, wobei die Kohlenstofffaserbündel (8) in zwei an zwei diametral Stirnseiten des Formwerkzeuges (4) angeordnete Aufnahmeelemente (1), die an den Stirnwänden des Formwerkzeugs (4) angeordnet, abgestützt oder mit diesem verbindbar sind, durch Durchbrechungen (3) jeweils in einem Abstand zueinander eingeführt werden, so dass Hohlräume innerhalb des Aufnahmeelements (1) mit einer schnellhärtenden viskosen Masse auf mineralischer Basis oder einem schnellhärtenden Polymer ausgefüllt werden und
    nach der Aushärtung der Masse oder des Polymers Zugkräfte an mindestens einer Stirnseite mit einer Zugvorrichtung (7) in Längsachsrichtung der Kohlenstofffaserbündel (8) an einem oder beiden Aufnahmeelement(en) (1) wirken und bei den wirkenden Zugkräften das Innere des Formwerkzeugs (4) anschließend mit viskosem Beton vollständig ausgefüllt wird, und
    nach dem Aushärten des Betons die Zugkräfte der vorgespannten Kohlefaserbündel größtenteils auf den erhärteten Beton übertragen werden und das Betonbauteil danach entformt wird, dadurch gekennzeichnet,
    dass während des Befüllens der Hohlräume im Aufnahmeelement (1) und bis nach der Aushärtung der Masse oder des Polymers an mindestens zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Seiten des Aufnahmeelements (1) senkrecht zur Zugrichtung Druckkräfte ausgeübt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aushärten der Matrix in den Aufnahmeelementen (1) die Druckkräfte mit Klemmelementen oder Druckstempeln weiter erhöht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffaserbündel (8) innerhalb des Aufnahmeelements (1) mit Abstandshaltern (5) und/oder Querklemmelementen (6) positioniert gehalten werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Kohlenstofffasern gebildetes Gelege eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stirnseite des Formwerkzeugs (4) mehrere bevorzugt Gelenkig miteinander verbundene Aufnahmeelemente (1) angeordnet werden, an denen bevorzugt Zugkräfte in verschiedene Achsrichtungen wirken.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstofffaserbündel (8) in einen in Bezug zu einer Ebene in mindestens einer Richtung gebogenes Aufnahmeelement (1) eingeführt und darin fixiert werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel, insbesondere mineralische Partikel innerhalb der Aufnahmeelemente (1) auf die Oberfläche von Kohlenstofffasern aufgebracht und dort fixiert werden.
  8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
    vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Formwerkzeug (4), zwei Aufnahmeelemente (1), die jeweils an einer gegenüberliegend angeordneten Stirnseite des Formwerkzeugs (4) angeordnet sind, mindestens ein mit Kohlenstofffaserbündeln (8) gebildetes textiles Gebilde, das in das Formwerkzeug (4) eingelegt ist, wobei Kohlenstofffaserbündel (8) in die Aufnahmeelemente (1) durch Durchbrechungen eingeführt und in einem Abstand zueinander positioniert sind, wobei
    Hohlräume innerhalb der Aufnahmeelemente (1) mit einer schnellaushärtenden Masse auf mineralischer Basis oder einem schnellaushärtbaren Polymer ausgefüllt sind und an mindestens einem der Aufnahmeelemente (1) eine Einrichtung mit der Zugkräfte auf die Kohlenstofffaserbündel (8) ausgeübt werden, vorhanden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den Aufnahmeelementen (1) an mindestens zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Seiten jeweils eine Druckkräfte auf Seitenwände der Aufnahmeelemente (1) ausübende Einrichtung (6) vorhanden ist.
  9. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Aufnahmeelemente (1) Abstandshalter (5) für die Positionierung und Fixierung der Kohlenstofffaserbündel (8) und/oder an/in den Durchbrechungen (3), durch die Kohlenstofffaserbündel (8) in die Aufnahmeelemente (1) eingeführt sind, ein Klemmbelag bevorzugt aus einem elastomeren Material vorhanden ist.
  10. Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des Aufnahmeelements (1) rau oder profiliert ausgebildet ist.
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