EP4038246B1

EP4038246B1 - Träger aus stein und zugstabilem material

Info

Publication number: EP4038246B1
Application number: EP20796692.0A
Authority: EP
Inventors: Kolja Kuse
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2020-10-03
Publication date: 2026-04-08
Anticipated expiration: 2040-10-03
Also published as: WO2021063536A1; ZA202204661B; MX2022004079A; DE202020000730U1; AU2020357636A1; IL291861A; JP2022551092A; CA3171174A1; CL2022000795A1; CN114901914A; PH12022550776A1; KR20220078626A; US20220372759A1; JP7731585B2; US12305394B2; EP4038246A1; BR112022006284A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung eines im Baubereich üblicherweise eingesetzten Standardprofils, welches heute üblicherweise in Stahl-Material ausgeführt wird, bekannt als T-Träger oder Doppel-T-Träger.
Ein solcher Träger besteht aus drei länglichen Platten, die in Längsrichtung miteinander verbunden und im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, hat einen druckstabilen Obergurt und einen zugstabilen Untergurt, auch Flansch genannt, sowie einen den Untergurt und Obergurt verbindenden Steg, der typischerweise symmetrisch in der Mitte der Flansche angeordnet ist. Es gibt auch U-Profile mit Steg an einer der Beiden Seiten, oder auch Kastenprofile mit 2 Stegen an den Seiten.
Die Erfindung bezieht sich auch auf solche oder ähnliche und andere Profile, wie:

P-Profil mit parallelen Innenflächen der Flansche, auch als "Peiner" oder Peiner Träger bezeichnet
U-Profil mit geneigten Innenflächen der Flansche
U-Profil mit parallelen Innenflächen der Flansche
T-Profil gleichschenklig
L-Profil (auch Winkeleisen, Winkelprofil oder Winkelträger)
sowie alle mögliche Variationen von Kastenprofilen und
V-Profilen, sowie Kombinationen dieser Profile

Mit solchen Profilen wird eine in Bezug auf die Masse des eingesetzten Materials und damit dessen Gewicht optimale Tragkraft für die jeweilige Anwendung erzielt.
Bei Doppel-T-Trägern bestimmt die Höhe des Mittelstegs im Wesentlichen die Steifigkeit des Trägers. Sekundäre Maßnahmen für die Erhöhung der Steifigkeit ist die gezielte Erhöhung der Zugstabilität des Untergurts und die gezielte Erhöhung der Drucksteifigkeit des Obergurts. Da solche Träger aus Stahl warmgewalzt werden, sind Obergurt und Untergurt der Einfachheit halber identisch ausgeführt.
Der Vorteil von Stahlträgern dieser Art ist die billige Herstellbarkeit in großen Mengen und die zuverlässige Tragfähigkeit. Fehlstellen sind bei solchen Profilen selten und können vernachlässigt werden im praktischen Einsatz. Außerdem können zusätzliche Stahlteile zur Verbindung von Trägern mit anderen tragenden Teilen leicht vor Ort am Bau nach Bedarf jederzeit und an jeder Stelle angeschweißt werden.
Der Nachteil ist das mit 7,8g/cm³ extrem hohe spezifische Gewicht von Stahl und die Tatsache, dass die Stahlherstellung mit großen Energie-Mengen und hohen CO₂-Emissionen verbunden ist. Als Ersatz von Stahl kommen bisher nur Aluminium-Träger vor, die zwar leichter sind, aber einen noch höheren ökologischen Foot-Print besitzen, wie Stahl. Die Mengen an benötigten Massenstählen sind aus diesem Grund mit Aluminium nicht darstellbar.
Allgemein gilt Stahl aus diesem Grund als unverzichtbares Baumaterial, welches scheinbar selbst aus klimaschutz-technischer Sicht nicht ersetzbar ist, weshalb an der Reduktion von Stahl durch Wasserstoff gearbeitet wird, wodurch der Stahl jedoch noch energieintensiver in der Herstellung wird.
In jüngsten Berichten von SITRA, die im Auftrag der finnischen Regierung erstellt wurden, wird jedoch klar, dass die heutigen Mengen an Stahl, Aluminium und Zement die verbleibenden Mengen an noch zu emittierendem CO₂ alleine für sich bis zum Jahr 2100 in Anspruch nehmen, wenn das 2°C Ziel nach dem Pariser Klimaabkommen eingehalten werden soll. Diese Tatsache legt es zwingend nahe, zunächst das Unverzichtbarkeitsparadigma von Stahl bzw. Metall zu überdenken.
In der EP 106 20 92 und der EP 273 94 71 wird beschrieben, dass Stahl und Aluminium durch eine Kombination aus Stein und Carbonfaserlaminat (CFK - Carbonfaser Komposit) ersetzt werden können, wenn dem Stein die fehlende Zugstabilität durch die extrem zugsteife Carbonfaser gegeben wird. Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird mit Hilfe von Harzen hergestellt, zum Beispiel Exoxydharzen oder hochtemperaturstabilen Bindern auf Wasserglas- und Silikonbasis, die in der Lage sind sich mit dem Carbonmaterial zu vernetzen oder zu verbinden. Durch diese Verbindungen entsteht unter bestimmten Umständen auch eine Vorspannung, die bei der bzw. durch die Verbindung dauerhaft eingebaut werden kann.
Die DE 20 2006 009793 beschreibt, wie rechteckige Stein-Stäbe helfen Steinplatten eben und gerade zu halten und vor Bruch zu schützen, indem Carbonfaser und Stein schichtweise zum Einsatz kommen. Dabei können die stabilisierenden orthogonal aufeinander-treffenden Steinplatten einseitig oder beidseitig beschichtet sein, um sich druch Verklegung gegenseitig z stabilisieren. Was hier fehlt ist eine Durchdringng der zustabilen Faserschichte, sie treffen lediglich aufeinander.
Die FR 2 422 001 A1 beschreibt, wie gebündelte Faserstränge in einen "Tunnel" im Stein eingebracht werden, um den Stein zu stabilisieren und Stein-Teile, die auf diese Weise vorstabilisiert sind, zu starren kastenförmigen Bauteilen verlängert und zusammengesetzt werden, wobei die Faserenden orthogonal angeordneter Stein Platten sich berühren können bzw. auch hier lediglich einander treffen und nicht überschneiden. Die stabilisierende Faser wird hier auch nicht als Schicht eingebracht.
Die EP 4 025 744 beansprucht faserhaltige Betondecken, die mit Stützen und Trägerplatten durch ineinandergreifende Geometrie verbunden sind. Hier handelt es sich um steife Betondecken und keine Profile, die Stahl ersetzen sollen. Hier wird die Faser nicht als Schicht einer für CFK-Matrix üblichen Orientierung einer Langfaser eingebracht, sondern als im druckstabilen Beton Material homogen verteilte ungerichtete Kurzfaser.
Nicht beschrieben ist eine Zusammensetzung von Stein-Teilen zu Lastprofilen mit Schichtaufbau, die explizit dafür konzipiert sind Traglasten über die gesamte Länge des Bauteils hinweg zu übernehmen, wie im Beispiel eines Doppel-T-Trägers, der in der Mitte sehr hohe Belastungen und Biegekräfte elastisch aufnehmen und trotzdem bruchfrei und schadlos diese Lasten überstehen muss, was ohne eine räumlich vollständige Kraftübertragung zwischen orthogonal angeordneten und ineinandergreifenden Struktur aus zugfesten Faser-Stein-Schichten über die gesamte Länge des Bauteils nicht möglich ist, da das Bauteil in der Anwendung im Baubereich auch nicht an einer einzigen Stelle versagen darf, was zum Gesamtversagen des Trägers führen würde, wenn dieser gebogen wird.
Die Erfindung beschreibt einen Weg, wie ein solcher Doppel-T-Träger beispielhaft gestaltet werden kann, um die Nutzung des CFK-Stein-Verbundes (CFS - CarbonFaserStein oder CarbonFiberStone) auf praxis-taugliche und optimierte Strukturen bzw. Geometrien, wie sie im Baubereich bekannt sind, zu übertragen. Die technische Ausführung wird in den Abbildungen 1 bis 8 beispielhaft für einen Doppel-T-Träger und einen einfachen T-Träger dargestellt. Die Hauptherausforderung ist dabei, die senkrecht aufeinander stehenden Flächen kraftschlüssig miteinander zu verbinden, ohne dass lokale Spannungsspitzen die Geometrie frühzeitig durch lokales Versagen zum Komplett-Versagen bringen. Der Kraftschluss der Flächen wird prinzipiell mit Hilfe von Klebstoffen oder Adhäsiven hergestellt. Das gilt für die Herstellung des CFK-Stein-Verbundes (CFS), sowie für die Verbindung der CFS-Teile selbst. Zu diesem Zweck wird zunächst das Basis-Plattenmaterial in Abbildung 1 hergestellt, welches die Carbonschicht (4) beispielhaft (früherer Anspruch 2) mittig zwischen zwei Steinplatten anordnet oder beispielhaft auch eine Konfiguration mit Stein in der Mitte zwischen zwei Faserschichten (früherer Anspruch 3) vorsieht, oder die Steinplatten mit mindesten einer zugstabilen Schicht (früherer Anspruch 1) zugstabilisiert oder in einem mehrlagigen Schichtaufbau aus Stein- und Faserschichten (früherer Anspruch 4) angeordnet ist.
Dann werden die zu verbindenden Teile mit Zinkung versehen, so wie im Tischlereiwesen Holzplatten mit Zinken vorbereitet werden, welche die orthogonale Verbindung von Holzplatten optimieren. Auch beim Holz wird dabei letztlich der Effekt genutzt, dass orthogonal aufeinander treffende Faserschichten übergreifend bzw. überlappend miteinander verbunden werden, da stumpfe Klebung ohne geometrische Überlappung sich nur auf den Kraftschluss des Klebers beschränken würde, der letztlich wegen seiner unzureichenden Zugstabilität schnell versagen würde. Durch die Zinkung der Übergänge wird die Kraftübertragung von einer zugstabilen Ebene in die orthogonal dazu stehende zugstabile Ebene fast vollständig erreicht, wenn die beiden zugstabilen Ebenen, in unserm exemplarischen Fall in den Abbildungen 1 bis 8 die in der Steinschicht angeordneten Carbonschichten, sich im Querschnitt betrachtet räumlich überschneiden.
In Bruchversuchen konnte nachgewiesen werden, dass ein Doppel-T-Träger aus CFS-Platten ähnlich hohe Lasten tragen kann, wie ein vergleichbarer Träger aus Stahl, wobei der CFS-Träger deutlich leichter ist, da Stein mit einem spezifischen Gewicht von 2,8g/cm³ deutlich leichter ist als Stahl ist, und Stein und Carbon in Summe deutlich weniger CO₂-Emissionen bei der Herstellung verursachen, als Stahl. Es können Einsparungen von 30-50% erwartet werden. Die Gesamtkonstruktion zeigt sich dabei im Bruchversuch elastisch, ohne dass die Verklebung der Zinkung beim Durchbiegen des Trägers aufbricht.
Um eine ausreichende Zugstabilität im Untergurt zu gewährleisten, sind auch nur relativ dünne und leichte Schichten Carbon nötig, die das Gesamtgewicht in Bezug auf das Gesamtvolumen zusätzlich senken. Die Drucksteifigkeit am Obergurt und im Steg wird durch die Steinkomponente erreicht. Es können außer Carbon auch noch viele andere Fasermaterialien zum Einsatz kommen, die einen deutlich geringeren ökologischen Fußabdruck besitzen, als Carbonfasern. Als Beispiele sind je nach Anwendung auch Glasfasern, Basaltfasern, Steinfasem, Stahlfasern und Flachsfasern geeignet. Der Carbonfaser kommt jedoch aus technischer Sicht eine besondere Bedeutung zu, da sie im Unterschied zu den meisten anderen Fasern eine deutlich höhere Zug-Steifigkeit besitzt. Das gilt insbesondere für Graphen-basierte Strukturen, das zwar im engeren Sinn keine Faser ist, aber als Bewehrung in Zukunft auch in Frage kommt.
Eine weitere zielführende Maßnahme um den Carbon-Footprint weiter zu senken, ist die Herstellung von Carbon und Graphen aus nachhaltigen Ressourcen, zum Beispiel aus Algenöl oder anderen pflanzlich basierten Ölen von Algen oder Hefen, Carbonfasern aus Lignin, also aus Holzabfällen der Papierherstellung, oder Carbonfasern aus synthetisch hergestelltem Methanol mit Hilfe der erweiterten Fischer-Tropsch-Synthese und Wassergas-Shift-Reaktion. Graphen kann mit Hilfe von elektrischer Energie auch direkt aus CO₂ gewonnen werden. In diesen Fällen stammt ein Teil des Baumaterials, in dem Fall, dass die zugstabile Schicht aus Carbonfasern oder Graphen besteht, im Wesentlichen aus CO₂-Quellen, wobei der zuvor in Form von CO₂ klima-schädlich wirkende Kohlenstoff nunmehr in der Faser und damit auch im Baumaterial in fester Form dauerhaft gebunden ist. Auch deshalb kommt der Carbonfaser als zugstabilem Material eine besondere Bedeutung zu.
Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in Abbildung 1 und Abbildung 2 eine CFS-Platte (1) als Obergurt und eine zweite darunterliegende stabilisierende CFS-Platte (2) als Untergurt, jeweils mit innenliegender Carbonschicht (4) in den Platten, wobei senkrecht zu den Platten (1) und (2) ein Steg (3) aus CFS, ebenfalls mit innenliegender Carbonschicht angeordnet ist, der die Gesamtanordnung aussteift. Die Abbildung (1 ) zeigt die Verzinkung mit den Vorsprüngen (5) und Ausschnitten (6) aller Platten, die ermöglichen, dass die Platten ineinandergreifende Strukturen haben, die einen platten-übergreifenden Kraftschluss gewährleisten, wenn die Platten mit Hilfe von Klebstoffen ineinandergreifend verbunden werden. Die Optimierung der Bauteile wird dadurch erreicht, dass der Obergurt mehr Steinanteil bekommt, als der Untergurt und der Untergurt mehr Carbonanteil, als der Obergurt. Auf diese Weise kann auch der Carbon-Footprint optimiert werden.
Abbildungen 3 und 4 zeigen den Aufbau der Abb. 2 im Querschnitt (F-F) und (G-G), mit der die beiden Platten (1) und (2) mit Hilfe von Verzinkung mechanisch kraftschlüssig über die CFS-Platte (3) verbunden sind.
Beispielhaft wird in den Abbildung 5 bis 8 das gleiche für einen T-Träger gezeigt. Die beiden Bauformen stehen stellvertretend für das Prinzip, die CFS-Platten mit Hilfen von Zinkung der Klebekanten zu verbinden, um auch alle möglichen anderen Strukturen rechtwinklig oder schrägwinklig und kraftschlüssig dadurch zu verbinden, dass sich die zugstabilisierten Steinplatten aus Sicht der Querschnitts betrachtet in einer Schnittlinie überschneiden.

Claims

Profil-Träger aus zwei (1,3) oder mehreren Platten (1,2,3) aus Naturstein oder Kunststein wie mineral-gebundenen Steinmehlen, Glas oder Keramik - im folgenden Steinplatte bzw. Steinplatten genannt - ,
wobei die jeweilige Steinplatte mechanisch mit Hilfe von mindestens einer oder zwei zugstabilen Faserschichten (4) zugstabilisiert ist oder die jeweilige Steinplatte aus zwei bzw. mehrere Steinschichten besteht, die durch eine Faserschicht oder eine unterschiedliche Folge von mehreren sich mit den Steinschichten abwechselnden Faserschichten (4) zugstabilisiert sind,

gekennzeichnet dadurch, dass

mehrere dieser in einem bestimmten Winkel zueinander angeordneten faserstabilisierten Steinplatten, von denen eine der Steinplatten über die gesamte Länge verteilt Vorsprünge (5) und eine andere der Steinplatten über die gesamte Länge passende Ausschnitte (6) aufweist, so miteinander verbunden sind, daß alle Vorsprünge (5) und Ausschnitte (6) der mit Faserschichten (4) zugstabilisierten Steinplatten mindestens soweit ineinandergreifen, dass sich die zugstabilen Faserschichten (4) der einen Steinplatte mit den zugstabilen Faserschichten (4) der anderen Steinplatte zumindest in einer ihrer aufeinander stehenden Ebenen vollständig überschneiden, und

wobei die ineinandergreifende Geometrie der auf diese Weise angeordneten jeweils zugstabilisierten Steinplatten (1,2,3) durch eine Verklebung fixiert ist.
Profil-Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Stahlfasern, Glas-, Stein-, Carbon-, Aramid-, Bambus-, Holz- oder Flachs-Fasem sind oder aus einer Mischung aus diesen Fasern bestehen.
Profil-Träger nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils bindende Matrix des Trägers eine Epoxidharz-, Polyesterharz- Phenolesterharz-, Polyimidharz-, Cyanatesterharz-, Vinylesterharz-, Melaminharz-, Polyurethanharz- oder Silikonharz-Basis oder Wasserglasbasis (S.3, Z3) hat oder eine Mischung aus diesen Harzen ist, die vorzugsweise schrumpfende Eigenschaften haben.
Profil-Träger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern aus fossilen Quellen stammen oder aus regenerativen Quellen stammen.
Profil-Träger nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe für die Carbonfasern, die Harze und Klebstoffe aus Pflanzenölen, Algenölen, Hefe-Ölen, Lignin oder anderen pflanzlichen Rohstoffen wie Flachsfasern bestehen.
Profil-Träger nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe für die Carbonfasern, die Harze und Klebstoffe aus Pflanzenreststoffen stammen, die bei der Papierherstellung zum Beispiel in Form von Lignin und anderen Pflanzenresten übrig bleiben, die mit Hilfe von Hefe fermentiert Hefeöle für die biogene Herstellung von PAN-basierten Carbonfasern, Graphen, Harzen und Bindern liefern.
Profil-Träger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass PAN-basierte Carbonfasern und/oder Harze und Binder mit Hilfe synthetischer Verfahren aus CO₂ hergestellt sind.
Profil-Träger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern, Harze und Klebstoffe mit Hilfe der Wassergas-Shift-Reaktion und der Fischer-Tropsch-Synthese aus CO₂ hergestellt sind.
Profil-Träger nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall der harz- oder mineral-gebundenem Steinmehlen der Binder aus einer Mischung von Harz und mineralischen Adhäsiven besteht, die eine möglichst hohe Temperaturstabilität besitzen.
Profil-Träger nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zugstabile Material in Bezug auf das druckstabile Material oder mindestens einen Teil davon vorgespannt ist.