EP3740625A1 - Hybride tragstrukturen und deren verwendung - Google Patents

Hybride tragstrukturen und deren verwendung

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EP3740625A1
EP3740625A1 EP19703244.4A EP19703244A EP3740625A1 EP 3740625 A1 EP3740625 A1 EP 3740625A1 EP 19703244 A EP19703244 A EP 19703244A EP 3740625 A1 EP3740625 A1 EP 3740625A1
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EP
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shaped body
body according
reinforcement
shell
core
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Thomas Ummenhofer
Andreas Metzger
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Definitions

  • the present invention novel hybrid support structures and their use.
  • Hybrid support structures made of an outer metal shell element, which can perform a static function as well as a decorative function, and one or more inner elements, which have only static function, are known.
  • CN-A 1Q82635, CN-A 202596029 and CN-A 101476370 describe specific ones
  • GB-A 2 366 535 describes processes for the active-medium-based transformation from sheet to hollow structures, in which limiting tools are used as an aid during forming.
  • EP-A 2 110 189 discloses a method for tool-free, active-media-based shaping of sheet metal to hollow structures. For larger structures, however, one or more are mounted internally or externally during the forming process
  • the object of the present invention was to provide a molded article for a support structure, which satisfies both aesthetic and static requirements when used in architectural constructions and structures.
  • it In order to allow minimum dimensions of the connection points at both ends of the molded body, it should have a non-linearly tapering cross section from the largest diameter to both support ends and a high longitudinal load capacity between the two ends of the support structure for static reasons.
  • a technically improved design is essential, which is characterized by a high buckling load capacity at the same time reduced dead weight and is also suitable for non-vertical applications.
  • the present invention provides a molded article of an outer hollow metallic shell element having a non-linearly tapered cross section from the largest cross section to the two ends of the support structure and at least partially enclosing a cavity to form a core element.
  • it has an interior statically stable core element, which connects both column ends with each other statically.
  • the present invention thus provides a shaped body which enables the creation of a hybrid support structure.
  • the molded body consists of shell element and core element.
  • the shell element encloses a cavity, wherein the cavity occupies the entire length of the molded body and does not have to have any internals. Likewise, however, he may include at least one reinforcement and / or at least one filling element. Through this, the cavity can be completely or partially filled.
  • the shaped body which is delimited by the outer shell element, can absorb a solid filling and be prevented via these lateral displacements of the shaped body or of an optional core element. Because this increases the load-increasing and stiff-kerk-increasing.
  • a special shaped body or a support shape can be achieved, which preferably has a non-linearly tapering cross-section starting from the center of the support towards the two ends.
  • the hybrid support concept can be replaced for high load-bearing capacity, even with large support lengths.
  • the shell element used according to the invention is preferably made of stainless steel and / or carbon steel. Also suitable are aluminum, copper, brass and / or other metallic alloys and / or plastics.
  • the shell member may consist of or contain combinations of these materials or combinations thereof. Therefore, these materials can be used in combination with the aforementioned materials and / or other materials.
  • the shell element according to the invention preferably has a thickness or thickness of 0.1-7 mm, particularly preferably 0.5-5 mm, in particular 1-4 mm, Due to its impermeability, the formwork element prevents the penetration of media such as carbon dioxide, water, chlorides or other chemical substances and thus also the carbonation process. That is, the risk of corrosion inside and in particular the carbonation at the two thin ends of the support is excluded and achieved the highest possible life of the entire component. According to the invention can thus be produced moldings which have extremely thin ends.
  • the shaped body comprises shell element and core element. It thus provides a hybrid support structure (e.g., a support or flexure beam).
  • the core element is preferably static-bearing.
  • the shell element contains (in its interior) a (statically viable) kernel noise.
  • the core element may consist of the components cavity and / or Füilelement and / or reinforcement (preferably in the form of a core rod) and / or druckchristlen components (preferably in the form of a rope or monolayer). It is also possible to use any combination of these components.
  • the core element or its subcomponents may also go beyond the contour or, in particular, beyond the ends of the shell element. This is especially true for the reinforcement, e.g. in the form of a rod-shaped element.
  • Shell element and / or core element or its sub-components connect the two ends of the molded body continuously static with each other.
  • the reinforcement is stabform ig designed, ie it is most preferably a rod, hereinafter referred to as core rod
  • core rod This is preferably an embodiment in a cylindrical shape, for example as a rod or hollow cylinder in the form of a tube.
  • the reinforcement is preferably in the form of a core rod and may correspond in length to that of the shaped body or be longer or shorter.
  • the cylindrical rod or hollow cylinder can wholly or partially have a thread over its length and / or consist of two or more connected individual pieces.
  • the reinforcement can also be carried out by several EinzeMäbe or by a fiber reinforcement.
  • the reinforcement preferably contains or consists of metals thereof.
  • steel is used. It is particularly preferred if it is made of high-strength material, CFRP or GFRP reinforcement can also be used.
  • the cavity between shell element and reinforcement can show a filling. It is preferred to introduce a filling element into this, in particular under compressive stress of the shaped body. According to the invention, it is preferable that this is pumpable.
  • a filling element preferably mineral building materials, in particular concrete or mortar are used The filling element may consist of these materials or soften them.
  • Suitable filling elements are also polymers.
  • foamed or intumescent polymers for.
  • foamed polyurethane, polyisocyanate, polyisocyanurate are also used, for example, cement foam, concrete foam, wood foam or any other organic or inorganic foams.
  • the substances mentioned may contain the filling element or it may consist thereof. It can therefore consist of combinations of the substances mentioned or can also be used in combination with other substances.
  • the filling element may contain non-foamed and foamed portions, e.g. Concrete and foamed concrete.
  • the reinforcement (in particular the core rod) is preferably embedded in the filler element. This or this can be charged beyond its or its yield point due to the hybrid support structure according to the invention.
  • the shell element takes over static support functions in the form of a reinforcing outer reinforcement layer.
  • the core element serves to stabilize and maintain the shape of the shell element of small thickness.
  • the core element can have a pressure-slack and / or prestressed element, eg a rope or monofilament.
  • a pressure-slack and / or prestressed element eg a rope or monofilament.
  • any materials come into consideration.
  • the pressurized element the outer shell element or the core element can be subjected to pressure.
  • a prestressed rope can be performed by the hollow body, which is zugbe conferencet.
  • the ratio of the length of the shaped body to the diameter of the entire molded body at the thickest point is in the range from 3: 1 to 30: 1, more preferably in the range from 5: 1 to 25: 1, most preferably in the range from 10: 1 to 20: 1.
  • Values of the diameter of 10 to 400 mm, preferably 50 to 150 mm, particularly preferably 60 to 120 mm, are at the thinnest point of the shaped body. to achieve.
  • the load introduction into the molded body at its ends can take place over the entire end cross section or even only via subcomponents.
  • optional fittings can be used for local load introduction at the ends of the molded body.
  • the fittings are used for connection to the further support structure. Furthermore, the connecting pieces protect the exposed concrete by cutting off the ends of the moldings concrete areas from ingress of media (carbonation) in the longitudinal direction of the column. In addition, through the fittings and appropriate measures (e.g., local installation of an insulating material or coating with intumescent to the fire shield) the fire thrust requirements are ensured at the support ends
  • the molded article consists only of the (3-dimensional) shell element and thus forms a hollow body, i. the core element is a cavity. The load transfer takes place via the shell element.
  • the molded article consists of the (3-dimensional) shell element and core element, wherein the core element consists of or contains a filler element.
  • the filling element may be concrete or foam and could here be e.g. contain a fiber reinforcement.
  • the load is introduced via the core element or via core element and shell element.
  • the shaped body consists of the (3-dimensional) shell element and core element, wherein the core element is formed by a core rod which is at least partially enclosed by a filler element. The load is introduced via the core element.
  • the structure corresponds in principle (c), the core rod is, however, arranged flush with the molding. The load is applied via the core element or via core element and shell element.
  • the molded body consists of the (3-dimensional) shell element, and has as a core element on a low-pressure component, which leads through the cavity of the shell elements.
  • the shaped body consists of the (3-dimensional) shell element and a core element, wherein the core element of filling element and reinforcement in the form of one or more individual staff.
  • a biased core element may be created above the one or more individual bars.
  • the molded body consists of the (3-dimensional) shell element and a core element, wherein the core element of filler element and reinforcement in the form of a plurality of individual rods or contains.
  • the molded article consists of the (3-dimensional) shell element and the core element.
  • the core element consists of a core rod which is at least partially enclosed by a filler element.
  • the length of the Kemstabs is shorter than the shaped body.
  • a connecting piece protrudes into the interior of the molded body at the ends of the molding and allows the load to be introduced into the core rod.
  • the shaped body is used as a support structure, for. B. as a support, bending beam or tension rod.
  • a support structure for. B. as a support, bending beam or tension rod.
  • parts of the mold can be used as a supporting structure. This can e.g. also be done by cutting out parts after completion of the molding
  • the shaped body can be produced by
  • At least two metallic flat elements e.g. Sheets are provided with a predetermined shape or contour
  • the flat elements along their contours are joined together to form a double or multi-layered shell element with a cavity or more cavities, which are preferably closed and the shell element not along the longer axis from the larger diameter to the two ends
  • the assembly results in a preferably fluid-tight cavity.
  • a connection for the supply of the pressure medium is attached, 4. in the cavity or the cavities of the planar shell element mitels a pressure medium, an overpressure relative to the ambient pressure is generated, which is adapted to reshape the shell element to the predetermined 3-dimensional structure of the molding,
  • one end or the two ends of the shell element are severed so that an opening for introducing the core element arises at one or both ends
  • a core element which is suitable to connect the two ends of the shell elements statically interconnected, is introduced,
  • one or more filler neck are preferably attached by welding to the joined two-ply still flat shell element at one or both ends, via which then the forming fluid is introduced.
  • the two ends step 5
  • insertion of the core member is made of a core rod (e.g., high-strength steel) and a filling member (e.g., praying).
  • a gas for example compressed air or a liquid, preferably water
  • a liquid preferably water
  • step 4 liquid concrete or mortar can be used as the pressure medium.
  • the concrete remains in the shell element as Kemelement or as a filler.
  • a pressure medium can be used in step 4 and polyurethane raw materials or organic substances which are reacted. Again, the polyurethane remains in the shell element as the core element or filling element.
  • the active-medium-based forming two or more thin sheets preferably in a thickness of 0.1 mm to 7 mm at the edge cohesively joined (for example, by welding, soldering, gluing, etc.) and then converted by internal dowsing.
  • the print media are the o.g. Substances into consideration. As a result, no mold is used here.
  • the shape of the resulting spatial structure is controlled only by the initial geometry of the board and the internal pressure.
  • it is also possible to use, at least partially, additionally molding tools for example for limiting the deformation or for profiling the shell element).
  • the active-media-based forming without a mold and the filling of the structure can also take place in a common process step. That the filling element is used directly as a reforming medium and then remains directly in the structure. In general, an e-stage process is used. That First, the forming takes place, for example with water, which is removed again after the forming, and then the introduction of the core element (for example core rod and filling element).
  • the core element for example core rod and filling element
  • FIG. 1 shows the process of production from a metal sheet up to the moldings
  • FIG. 2 shows the moldings in different variants
  • FIG. 3 shows schematically the shaped body according to the invention in different lengths.
  • Figure 4 shows the molding according to the invention with Kemelement
  • step 1 the sheet is cut.
  • step 2 one or more connections for the supply of the pressure medium attached, in step 3, two or more cut sheets 17 superimposed and fixed properly, and then in step 4, for example, joined together by welding with a sealing seam.
  • step 5 the active-media-based forming process for the spatial hollow body 15, wherein water is used as the active medium in the present case.
  • step 6 optional fittings 18 are installed for connection to the rest of the construction.
  • the optional introduction of a reinforcement e.g. in the form of a core rod (to increase the carrying capacity) results from step 8.
  • step 9 the introduction of a filling element takes place. This results in the hybrid component according to the invention.
  • the shell member 11, the filling element 12 and the core rod 13 used as a reinforcement are shown.
  • FIG. 2 shows various possible variants of the hybrid support structure.
  • the load introduction into the molded body at its ends can be over the entire Endquerschnit (eg shell element and core element, see Fig. 2b, (d)) or only on sub-components (eg only on the reinforcement (Kemstab) in variant Fig, 2b, (c )) respectively.
  • For local load introduction at the ends of the molded body optional terminal blocks can be used. The following variants are shown in detail:
  • the molded article consists only of the (3-dimensional) shell fossil and thus forms a hollow body, i. the core element is a cavity. The load transfer takes place via the shell element.
  • the shaped body consists of the (3-dimensional) shell element and core element, wherein the core element consists of a filler or contains this.
  • the filling element may be concrete or foam and could here be e.g. contain a fiber reinforcement.
  • the load is introduced via the core element or via core element and shell element.
  • the molded body consists of the (3-dimensional) shell element and core element, wherein the core element is formed by a core rod which is at least partially enclosed by a filler element. The load is introduced via the core element.
  • the molded body consists of the (3-dimensional) shell element, and has as a core element on a low-pressure component, which leads through the cavity of the shell member.
  • the molded body consists of the (3-dimensional) shell element and a core element, wherein the core element of filler element and reinforcement in the form of one or more individual rods.
  • a biased core member may be created via the or the individual rods.
  • the molded body consists of the (3-dimensional) shell element and a core element, wherein the core element of filler element and reinforcement in the form of a plurality of individual rods or contains.
  • the molded body consists of the (3-dimensional) shell element and the core element.
  • the core element consists of a core rod which is at least partially enclosed by a filler element.
  • the length of the Kemstabs is shorter than the shaped body.
  • a fitting protrudes into the interior of the body at the ends of the molding and allows for laser lamination into the core rod.
  • FIGS. 3 and 4 are formed. From FIG. 4, the shaped body can be seen in detail.
  • the molded body at the ends 16 by means of a connecting piece 18 (here: for example, a foot plate) attached to a concrete floor 14.
  • the core rod 13 is surrounded by a filling element 12.
  • the core rod 13 and filling element 12 form the core element. This is again held by the shell member 11 in the predetermined shape.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Formkörper aus einem äußeren hohlen metallischen Schalenelement (11), das vom größten Querschnitt zu den beiden Enden (16) hin einen nichtlinear verjüngenden Querschnitt aufweist, und zwecks Ausbildung eines Kernelements (19) einen Hohlraum wenigstens teilweise umschließt.

Description

Hybride Trag Strukturen und deren Verwendung
Die vorliegende Erfindung neuartige hybride Tragstrukturen und deren Verwendung.
Stand der Technik:
Hybride Tragstrukturen aus einem äußeren metelliechen Schalenelement, das neben der statischen auch eine dekorative Funktion erfüllen kann, und einem oder mehreren inneren Elementen, die ausschließlich statische Funktion haben, sind bekannt.
Bei repräsentativen Bauwerken ist die Nachfrage nach individuellen Tragelementen mit besonderer Form und Ästhetik sowie spezifischen und besonderen Eigenschaften sehr hoch. Viele Anforderungen an diese Tragstrukturen werden wiederum nur von nichtrostenden Söhlen (landläufig als„Edelstahl“ bezeichnet,) in idealer Welse erfüllt. Diese werten aber aufgrund der hohen Materialkosten von nichtrostenden Stählen kaum ausgeführt.
Insbesondere Stützen mit von der Stützenmitte zu den beiden Enden nichtlinear verjüngenden Querschnitt stellen für Architekten und Planer aufgrund ihres filigranen und ästhetischen Erscheinungsbildes einen besonderen Reiz dar. Ihre Herstellung ist aktuell konventionell nur eingeschränkt möglich, insbesondere teuer und sehr aufwändig.
Einer Ausführung dieser Stützen als reine Stahlbetonstützen in filigraner Bauweise mit wirtschaftlich optimierten Querschnitteflächen sind technische Grenzen gesetzt, da auch an den Enden die notwendige Betondeckung erforderlich ist. Eine ausreichende Betonüberdeckung bei Stahlbetonbauteilen ist jedoch zwingend notwendig, um Dauerhaftungskertsprobleme aufgrund der Carbonatisierung des Betons zu vermeiden. Denn diese führt zur Abnahme des pH-Wertes im Beton und somit zu einer möglichen Bewehrungskorrosion .
Die CN-A 1Q82635, CN-A 202596029 und CN-A 101476370 beschreiben spezielle
Ausführungsformen, in denen die äußere Schale aus nichtrostendem Stahl besteht, und eine Betonfüllung und/oder eine innere Stahlstutze die statische Funktion übernehmen. Diese Tragstrukturen weisen über die gesamte Länge einen konstanten Außendurchmesser auf. Metallische Hohlstrukturen, die nicht auf einen konstanten Außendurchmesser angewiesen sind, finden in der Kunst und funktionalem Design Anwendung.
Es gab bereite Prototypen, die derartige Hohlstrukturen als Tragstrukturen einsetzen (Ninety Nine Failures, The University of Tokyo Digital Fabricatlon Lab). Dazu würfen miteinander verbundene Metallbleche unter Innendruck zu Hohlkörpern geformt
(„wirkmedienbasierte Umformung“) und diese zu einer offenen Dachkonstruktion eines Pavillons zusammengesetzt.
In GB-A 2 366 535 werden Verfahren zur wirkmedienbasierten Umformung von Blech zu Hohlstrukturen beschrieben, in denen regelmäßig Begrenzungswerkzeuge als Hilfsmittel bei der Umformung zum Einsatz kommen.
EP-A 2 110 189 offenbart ein Verfahren zur werkzeuglosen wirkmedienbasierten Umformung von Blech zu Hohlstrukturen. Bei größeren Strukturen sind allerdings während des Umformprozesses ein oder mehrere innen oder außen angebrachte
Begrenzungselemente erforderlich.
Allen diesen Hohlstrukturen fehlt jedoch eine ausreichende Stabilität, die für statische Tragfunktionen insbesondere zur Normalkraftabtragung in Konstruktionen benötigt wird.
Aufgabe der Erfindung:
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, einen Formkörper für eine Tragstruktur bereitzustellen, der beim Einsatz in architektonischen Konstruktionen und Bauwerken sowohl ästhetischen als auch statischen Ansprüchen genügt. Um an beiden Enden des Formkörpers minimale Abmessungen der Anschlusspunkte zu ermöglichen, sollte er einen sich vom größten Durchmesser zu beiden Stützenenden nichtlinear verjüngenden Querschnitt und aus statischen Gründen eine hohe Tragfähigkeit in Längsrichtung zwischen den beiden Enden der Tragstruktur aufweisen. Wesentlich ist insbesondere eine technisch verbesserte Ausführung, die sich durch eine hohe Knicklastfähigkeit bei zugleich reduzierten Eigengewicht auszeichnet und sich auch für nicht vertikale Applikationen eignet.
Lösung: Die vorliegende Erfindung stellt einen Formkörper aus einem äußeren, hohlen metallischen Schalenelement bereit, der einen, vom größten Querschnit zu den beiden Enden der Tragstruktur hin, nichtlinear sich veijüngenden Querschnit aufweist, und der zur Ausbildung eines Kernelements einen Hohlraum wenigstens teilweise umschließt. Optional besitzt er ein Inneres statisch tragfähiges Kemelement, das beide Stützenenden miteinander durchgängig statisch verbindet.
Beschreibung
Mit der vorliegenden Erfindung wird mithin ein Formkörper bereitgestellt, der die Erstellung einer hybriden Tragstruktur ermöglicht. Der Formkörper besteht aus Schalenelement und Kemelement. Das Schalenelement umschließt einen Hohlraum, , wobei der Hohlraum die gesamte Länge des Formkörpers einnimmt und keinerlei Einbauten aufweisen muss. Ebenso kann er aber wenigstens eine Bewehrung und/oder wenigstens ein Füllelement enthaften. Durch diese kann der Hohlraum ganz oder zum Teil ausgefüllt sein. Hierbei kann der Formkörper, der durch das äußere Schalenelement begrenzt wird, eine Feststofffüllung aufnehmen und über diese laterale Verschiebungen des Formkörpers bzw. eines optionalen Kernelements verhindert werden. Denn dies wirkt Traglast-steigernd und Steifigkerts-erhöhend.
Erfindungsgemäß kann mithin ein spezieller Formkörper bzw. eine Stützenform erreicht werden, welche vorzugsweise von der Stützenmitte ausgehend hin zu den beiden Enden einen nicht linear verjüngenden Querschnitt aufweist. Das hybride Tragkonzept ist für hohe Tragfähigkeit auch bei großer Stützenlänge ersetzbar.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Schalenelement besteht vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl und/oder Kohlenstoffstahl. Ebenso kommen Aluminium, Kupfer, Messing und/oder andere metallische Legierungen und/oder Kunststoffe in Frage. Das Schalenelement kann aus diesen Werkstoffen oder Kombinationen hiervon bestehen oder diese oder Kombinationen hiervon enthalten. Daher lassen diese Werkstoffe sich in Kombination mit den zuvor genannten Werkstoffen und/oder anderen Materialien verwenden.
Das erfindungsgemäße Schalenelement hat vorzugsweise eine Stärke bzw. Dicke von 0,1 - 7 mm, besonders bevorzugt 0,5 - 5mm, insbesondere 1-4mm, Das Schalelement verhindert aufgrund seiner Dichtigkeit das Eindringen von Medien, wie Kohlendioxid, Wasser, Chloriden oder sonstigen chemischen Substanzen und damit auch den Carbonatisierungsprozess. D.h., die Korrosionsgefährdung im Inneren und insbesondere die Carbonatisierung an den beiden dünnen Enden der Stutze wird ausgeschlossen und eine höchstmögliche Lebensdauer des Gesamtbauteils erreicht. Erfindungsgemäß lassen sich somit Formkörper herstellen, welche äußerst dünne Enden aufweisen.
Erfindungsgemflß besieht der Formkörper aus Schalenelement und Kernelement. Er stellt mithin eine hybride Tragstruktur (z.B. eine Stutze oder einen Biegeträger) bereit. Das Kernelement ist vorzugsweise statisch tragfflhig.
Das Schalenelement enthält (in seinem Inneneren) ein (statisch tragfflhiges) Kernelemerrt. Das Kernelement kann aus den Komponenten Hohlraum und/oder Füilelement und/oder Bewehrung (bevorzugt in Form eines Kemstabes) und/oder druckschlaflen Bauteilen (bevorzugt in Form eines Seils oder Monolitze). In Betracht kommen femer beliebige Kombinationen dieser Komponenten.
Das Kernelement oder seine Teilkomponenten können auch über die Kontur oder insbesondere über die Enden des Schalenelements hinausgehen. Dies gilt insbesondere für die Bewehrung, z.B. in Form eines stabform igen Elements. Schalenelement und/oder Kernelement oder deren Teilkomponenten verbinden die beiden Enden des Formkörpers durchgängig statisch miteinander.
Vorzugsweise ist die Bewehrung stabform ig ausgestaltet, d.h. es handelt sich höchst bevorzugt um einen Stab, im folgenden als Kernstab bezeichnet Dieser ist bevorzugt eine Ausführung in zylindrischer Form, z.B. als Stab oder hohler Zylinder in Form eines Rohres. Die Bewehrung ist vorzugsweise in Form eines Kernstabs und kann in ihrer Länge derjenigen des Formkörpers entsprechen oder auch länger oder kürzer sein. Der zylinderförmige Stab oder hohle Zylinder kann dabei ganz oder teilweise Ober seine Länge ein Gewinde besitzen und/oder aus zwei oder mehreren verbundenen Einzelstücken bestehen. Die Bewehrung kann auch durch mehrere EinzeMäbe oder durch eine Faserbewehrung erfolgen. Die Bewehrung enthält vorzugsweise Metalle oder besteht hieraus. Vorzugsweise wirf Stahl eingesetzt. Besonders bevorzugt wirf sie aus hochfestem Material gefertigt, CFK oder GFK-Bewehrung kann auch eingesetzt werden.
Der Hohlraum zwischen Schalenelement und Bewehrung (Insbesondere Kemstab) kann eine Füllung aulweisen. Es ist bevorzugt, in diesen ein Füllelement einzubringen, insbesondere bei Druckbeanspruchung des Formkörpere. Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass dies pumpbar ist. Als Füllelement werden vorzugsweise mineralische Baustofe, insbesondere Beton oder Mörtel verwendet Das Füllelement kann aus diesen Materialien bestehen oder diese enthärten.
Als Füllelemente kommen auch Polymere in Betracht. Hier sind insbesondere geschäumte oder aufschäumende Polymere, z. B. geschäumtes Polyurethan, Polyisocyanat, Polyisocyanurat zu nennen Einsetzbar sind ferner beispielsweise Zementschaum, Betonschaum, Holzschaum oder andere beliebige organische oder anorganische Schäume. Die genannten Stoffe kann das Füllelement enthalten oder es kann hieraus bestehen. Es kann mithin aus Kombinationen der genannten Stoffe bestehen oder auch in Kombination mit anderen Stoffen verwendet werden. Beispielsweise kann das Füllelement nicht geschäumte und geschäumte Anteile enthalten, z.B. Beton und geschäumten Beton.
Die Bewehrung (insbesondere der Kemstab) ist bevorzugt in das Füllelement eingebettet. Diese bzw. dieser kann aufgrund der erfindungsgemäßen hybriden Tragstruktur über ihre bzw. seine Fließgrenze hinaus belastet werden. Durch die elastische Bettung des umschließenden Füllelements wird nämlich ein Stabilitätsversagen und ein Knicken des Kemstabes verhindert. Das Schalenelement übernimmt statische Tragfunktionen in Form einer umschnürenden äußeren Bewehrungslage. Das Kemelement dient zur Stabilisierung und Formerhaltung des Schalenelements geringer Dicke.
In einer weiteren Variante der Erfindung kann das Kernelement ein druckschlaffes und/oder vorgespanntes Element, z.B. ein Seil oder Monolitze aufweisen. Hierfür kommen beliebige Materialien in Betracht. Mittels des druckschlaffen Elements kann das äußere Schaleneiement bzw. das Kernelement auf Druck beansprucht werden. Außerdem kann ein vorgespanntes Seil durch den Hohlkörper durchgeführt werden, welches zugbeansprucht ist. Vorzugsweise ist das Verhältnis Länge des Formkörpere zu Durchmesser des gesamten Formkörpere an der dicksten Stelle im Bereich 3:1 bis 30:1, besondere bevorzugt im Bereich 5:1 bis 25:1, höchst bevorzugt im Bereich 10:1 bis 20:1 . An der dünnsten Stelle des Formkörpers sind Werte des Durchmessers von 10 bis 400mm, vorzugsweise 50 bis 150mm, insbesondere bevorzugt 60 bis 120mm. zu erzielen.
Die Lasteinleitung in den Formkörper an dessen Enden kann über den gesamten Endquerschnit oder auch nur über Teilkomponenten erfolgen. Zur lokalen Lasteinleitung an den Enden des Formkörpers können optionale Anschlussstücke verwendet werden.
Die Anschlusstücke dienen zum Anschluss an die weitere Trag Struktur. Weiterhin schützen die Anschlussstücke die durch Abschneiden der Enden des Formkörpere freiliegende Betonbereiche vor Eindringen von Medien (Carbonatisierung) in Stützenlängsrichtung. Zusätzlich werden durch die Anschlussstücke und geeignete Maßnahmen (z.B. lokaler Einbau eines Dämmstoffes oder Beschichtung mit Dämmschichtbildner zum Brandschute) die Brandschubanforderungen an den Stützenden gewährleistet
Z.B. sind folgende Varianten der hybriden Tragstruktur möglich:
(a) Der Formkörper besteht nur aus dem (3-dlmensionalen) Schalenelement und bildet damit einen Hohlkörper, d.h. das Kemelement ist ein Hohlraum. Die Lastabtragung erfolgt über das Schalenelement.
(b) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und Kernelement, wobei das Kernelement aus einem Füllelement besteht oder dies enthält. Das Füllelement kann Beton oder Schaum sein und könnte hier z.B. eine Faserbewehrung enthalten. Die Lasteinleitung erfolgt über das Kernelement oder über Kemelement und Schalenelement.
(c) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und Kemelement, wobei das Kernelement von einem Kemstab, welcher von einem Füllelement zumindest teilweise umschlossen ist, gebildet wird. Die Lasteinleitung erfolgt über das Kemelement.
(d) Der Aufbau entspricht prinzipiell (c), der Kernstab Ist jedoch bündig mit dem Formkörper angeordnet. Die Lasteinlertung erfolgt über das Kernelement oder über Kemelement und Schalenelement. (e) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement, und weist als Kernelement ein druckschlafes Bauteil auf, welches durch den Hohlraum des Schalenelemente führt.
(f) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und einem Kernelement, wobei das Kernelement aus Füllelement und Bewehrung In Form eines oder mehrerer Einzelstabe besteht. Optional kann Ober den oder die Einzelstäbe ein vorgespanntes Kernelement erzeugt werden.
(g) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und einem Kernelement, wobei das Kemelement aus Füllelement und Bewehrung in Form mehrerer Einzelstäbe besteht oder diese enthält.
(h) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und dem Kernelement. Das Kemelement besteht aus einem Kemstab, der von einem Füllelement zumindest teilweise umschlossen ist. Die Länge des Kemstabs ist kürzer als der Formkörper. Ein Anschlussstück ragt an den Enden des Formkörpers in dessen Inneres hinein und ermöglicht die Lasteinleitung in den Kernstab.
Erfindungsgemäß findet der Formkörper Verwendung als Tragstruktur, z. B. als Stütze, Biegeträger oder Zugstab. Dies kommt bei den verschiedensten Bauwerken, z.B. Brücken zur Anwendung. Ebenso können Teile der Form als Tragstruktur verwendet werden. Dies kann z.B. auch dadurch erfolgen, dass nach Fertigstellung des Formkörpers Teile herausgeschnitten werden
Erfindungsgemäß kann der Formkörper hergestellt werden, indem
1. mindestens zwei metallische Flachelemente, z.B. Bleche mit einer vorbestimmten Form bzw. Kontur bereitgestellt werden,
2. die Flachelemente entlang ihrer Konturen so zusammengefügt werden, dass sich ein doppel- oder mehrlagiges Schalenelement mit einem Hohlraum bzw. mehreren Hohlräumen bildet, die vorzugsweise geschlossen sind und wobei das Schalenelement einen entlang der längeren Achse vom größeren Durchmesser zu den beiden Enden hin nicht linearen Querschnitt aufweist, Das Zusammenfügen führt zu enem vorzugsweise fluiddichten Hohlraum.
. an ein oder mehreren Stellen des Schalenelemente ein Anschluss für die Zuleitung des Druckmediums angebracht wird, 4. im Hohlraum bzw. den Hohlräumen des ebenen Schalenelements mitels eines Druckmediums ein Oberdruck gegenüber dem Umgebungsdruck erzeugt wird, der geeignet ist, das Schalenelement zur vorbestimmten 3-dimensionalen Struktur des Formkörpers umzuformen,
5. (ggf.) ein Ende oder die beiden Enden des SchaleneEementes abgetrennt werden, so dass an einem oder beiden Enden je eine Öffnung zum Einbringen des Kernelements entsteht,
6. ggf. der Anschluss oder die Anschlüsse für die Zuleitung des Druckmediums entfernt wird,
7. über das bzw. die offenen Enden des Schalenelements (oder optional über den Anschluss oder die Anschlüsse für die Zuleitung des Druckmediums) ein Kernelement, das geeignet ist, die beiden Enden des Schalenelemente durchgängig statisch miteinander zu verbinden, eingebracht wird,
8. ggf. Uber das/die offenen Enden des Schalenelemente ein Füllelement in den Hohlraum zwischen Bewehrung (insbesondere Kemstab) und Schalenelement eingebracht wird.
Vorzugsweise werden ein oder mehrere Einfüllstutzen durch Anschweißen an das gefügte doppellagige noch ebene Schalenelement vorzugsweise an einem oder den beiden Enden angebracht, über welches dann das Umformfluid eingebracht wird. Nach der Umformung werden die beiden Enden (Schritt 5) ggf. inklusive des dort angeschweißten Einfüllstutzen abgeschnitten. Anschließend erfolgt das Einbringen des Kemelements bestehend aus einem Kernstab (z.B. hochfester Stahl) und einem Füllement ( z.B. Beten).
Im Schrit 4 wird in einer Variante der Erfindung als Druckmedium ein Gas, z.B. Druckluft oder eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser eingesetzt Nach der Umformung werden diese Druckmedien aus dem Probekörper wieder entfernt. Ebenso kann im Schrit 4 als Druckmedium Flüssigbeton bzw. Mörtel eingesetzt werden. Der Beton verbleibt im Schalenelement als Kemelement bzw. als Füllelement. Als Druckmedium können im Schrit 4 auch Polyurethan rohstoffe oder organische Stoffe, die zur Reaktion gebracht werten, eingesetzt werden. Auch hier verbleibt das Polyurethan Im Schalenelement als Kernelement bzw. Füllelement. Dieses Verfahren eröffnet die Möglichkeit einer wirkmedienbasierten Umformung ohne Formwerkzeug. Es kann die Fertigung von Strukturen aus dünnem Blech aus nichtrostendem Stahl (z.B. 0,1 - 7 mm) mit nahezu beliebiger Geometrie erreicht werden. Es ist die Herstellung einer dünnwandigen Schalenstruktur mi besonderen Formen möglich. Aufgrund der erfindungsgemäß verwendeten dünnen Blechdicken kann der teure Anteil nichtrostender Stähle reduziert werden, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.
Bei der wirkmedienbasierten Umformung werden zwei oder mehrere dünne Bleche, vorzugsweise in einer Dicke von 0,1 mm bis 7 mm am Rand stoffschlüssig (z.B. durch Schweißen, Löten, Kleben etc.) gefügt und anschließend durch Innendrude umgeformt. Als Druckmedien kommen die o.g. Stoffe in Betracht. Im Ergebnis wird hierbei kein Formwerkzeug verwendet. Die Form der entstehenden räumlichen Struktur wird nur durch die Ausgangsgeometrie der Platine und den Innendruck gesteuert. Als Variante der Erfindung ist es jedoch auch möglich, wenigstens teilweise zusätzlich Formwerkzeuge (z.B. zur Begrenzung der Umformung oder zur Profilierung des Schalenelements) zu verwenden.
Die wirkmedienbasierte Umformung ohne Formwerkzeug und die Füllung der Struktur kann dabei auch in einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen. D.h. das Füllelement wirf direkt als Umförmmedium verwendet und verbleibt danach direkt in der Struktur, ln der Regel wird ein »eistufiges Verfahren angewendet. D.h. es erfolgt zunächst die Umformung, beispielsweise mit Wasser, welches nach der Umformung wieder entfernt wirt, und anschließend das Einbringen des Kemelements (z.B. Kemstab und Füllelement).
Fiaurenbeschreibung
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Bezuaszeichenliste:
I - 10 Verfahrensschritte
I I Schafenefement 12 Füllelement
13 Bewehrung
14 Betonboden
15 Hohlraum
16 Enden des Formkörpere
17 ausgeschnitene Bleche
18 Anschlussstücke
19 Kemelement
20 druckschlaffes Bauteil, z.B. Seil
Figur 1 zeigt den Gang der Herstellung aus einem Blech bis hin zu den Formkörpern, Figur 2 zeigt den Formkörper in verschiedenen Varianten,
Figur 3 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Formkörper In verschiedenen Längen. Figur 4 den erfindungsgemäßen Formkörper mit Kemelement
Im Schrit 1 gemäß Fig 1a wird das Blech zugeschniten. Hierbei werden in Schrit 2 ein oder mehrere Anschlüsse für die Zuleitung des Druckmediums angebracht, im Schrit 3 zwei oder mehrere ausgeschnittene Bleche 17 übereinander gelegt und geeignet fixiert, und dann in Schrit 4 z.B, durch Schweißen mit einer Dichtnaht stoffschlüssig zusammengefügt. Im Schrit 5 erfolgt der wirkmedienbasierte Umformvorgang zum räumlichen Hohlkörper 15, wobei als Wirkmedium im vorliegenden Fall Wasser verwendet wird. Nach Beendigung des Umförmvorgangs wird eine Abtrennung der Enden 16 des Formkörpers im Schritt 6 ausgeführt. Gemäß Schritt 7 werden optional Anschlussstücke 18 zum Anschluss an die übrige Konstruktion eingebaut. Das optionale Einbringen einer Bewehrung z.B. in Form eines Kernstabes (zur Steigerung der Tragfähigkeit) ergibt sich aus Schritt 8. Gemäß Schrit 9 erfolgt das Einbringen eines Füllelements. Hierdurch entsteht das erfindungsgemäße Hybridbauteil. Gemäß Schrit 10 sind das Schalenelement 11, das Füllelement 12 und der als Bewehrung eingesetzte Kernstab 13 dargestellt.
Figur 2 zeigt verschiedene möglichen Varianten der Hybriden Tragstruktur. Die Lasteinleitung in den Formkörper an dessen Enden kann über den gesamten Endquerschnit (z.B. Schalenelement und Kernelement, siehe Fig. 2b, (d)) oder auch nur über Teilkomponenten (z.B. nur über die Bewehrung (Kemstab) bei Variante Fig, 2b, (c)) erfolgen. Zur lokalen Lasteinleitung an den Enden des Formkörpers können optionale Anschlussstacke verwendet werden. Im Einzelnen sind folgende Varianten dargestellt:
(a) Der Formkörper besteht nur aus dem (3-dimenslonalen) Schalenefement und bildet damit einen Hohlkörper, d.h. das Kernelement ist ein Hohlraum. Die Lastabtragung erfolgt über das Schalenelement.
(b) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und Kemelement, wobei das Kemelement aus einem Füllelement besteht oder dies enthält. Das Füllelement kann Beton oder Schaum sein und könnte hier z.B. eine Faserbewehrung enthalten. Die Lasteinleitung erfolgt über das Kernelement oder über Kemelement und Schalenelement.
(c) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und Kemelement, wobei das Kemelement von einem Kemstab, welcher von einem Füllelement zumindest teilweise umschlossen ist, gebildet wird. Die Lasteinleitung erfolgt über das Kernelement.
(d) Der Aufbau entspricht prinzipiell (c), der Kemstab ist jedoch bündig mit dem Formkörper. Die Lasteinleitung erfolgt über das Kemelement oder über Kemelement und Schalenelement.
(e) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement, und weist als Kemelement ein druckschlafes Bauteil auf, welches durch den Hohlraum des Schalenelements führt.
(f) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und einem Kemelement, wobei das Kernelement aus Füllelement und Bewehrung in Form eines oder mehrerer Einzelstäbe besteht. Optional kann über dden oder dieEinzelstäbe ein vorgespanntes Kemelement erzeugt werden.
(g) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und einem Kemelement, wobei das Kemelement aus Füllelement und Bewehrung in Form mehrerer Einzelstäbe besteht oder diese enthält.
(h) Der Formkörper besteht aus dem (3-dimensionalen) Schalenelement und dem Kemelement. Das Kemelement besteht aus einem Kemstab, der von einem Füllelement zumindest teilweise umschlossen ist. Die Länge des Kemstabs Ist kürzer als der Formkörper. Ein Anschlussstück ragt an den Enden des Formkörpers in dessen Inneres hinein und ermöglicht die Lasleinlettung in den Kernstab. Aufgrund dieses Verfahrens entstehen die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Formkörper, Aus der Figur 4 ist der Formkörper im Einzelnen ersichtlich. Im Beispielfall ist der Formkörper an den Enden 16 mittels eine Anschlussstückes 18 (hier: beispielsweise eine Fussplatte) an einen Betonboden 14 befestigt. In der Figur 4 ist der Kernstab 13 umgeben von einem Füllelement 12. Kernstab 13 und Füllelement 12 bilden das Kernelement. Dies wird wiederum durch das Schalenelement 11 in der vorgegebenen Form gehalten.

Claims

ANSPRUCHE:
1. Formkörper aus einem äußeren metallischen Schalenelement (11), das vom größten Querschnit zu den beiden Enden (16) hin einen sich nichtlinear verjüngenden Querschnit aufweist und zwecke Ausbildung eines Kernelements (19) einen Hohlraum wenigstens teilweise umschließt.
2. Formkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenelement (11) nicht-rostenden Stahl , (Kohlenstoff-)Stahl, Aluminium, Kupfer, Messing und/oder andere metallische Legierungen und/oder Kunststoff enthält oder hieraus besteht.
3. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenelement (11) eine Dicke von 0,1 bis 7 mm, aufweist.
4. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Hohlkörper ist,
5. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenelement (11) und/oder Kemelement (19) die beiden Enden (16) des Formkörpers durchgängig statisch miteinander verbindet.
6. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kemelement (19) eine Bewehrung (13) aufweist oder hieraus besteht.
7.. Formkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (13) ein zylinderförmiger Stab oder hohler Zylinder ist.
8. Formkörper nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (13) Metall, vorzugsweise Stahl enthält oder hieraus besteht.
9. Formkörper nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (13) aus hochfestem Material besteht
.
10. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kemelement (19) ein Füllelement (12) aufweist oder hieraus besteht.
11. Formkörper nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (12) einen kompakten mineralischen Baustoff, vorzugsweise Beton und/oder ein Polymer enthält oder wenigstens einem der genannten Stoffe besteht.
12. Formkörper nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (12) wenigstens einen Werkstoff in geschäumter Form enthalt oder hieraus besteht.
13. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass er oder sein Kernefement ein druckschiaffes und/oder vorgespanntes Element enthalt.
14. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (15) zwischen Schalenelement (11) und Bewehrung (13) das Füllelement (12) aulweist oder hiermit ausgefüllt ist.
15. Verwendung des Formkörpers gemäß den Ansprüchen 1-14 als Tragstruktur
16. Verwendung des Formkörpers, nach einem der Ansprüche 1-14 dadurch gekennzeichnet, dass Teile von diesem als Tragstruktur verwendet werden.
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