EP4206413A1 - Vorgespannte betonbauteile und verfahren zur herstellung vorgespannter betonbauteile - Google Patents

Vorgespannte betonbauteile und verfahren zur herstellung vorgespannter betonbauteile Download PDF

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EP4206413A1
EP4206413A1 EP23158276.8A EP23158276A EP4206413A1 EP 4206413 A1 EP4206413 A1 EP 4206413A1 EP 23158276 A EP23158276 A EP 23158276A EP 4206413 A1 EP4206413 A1 EP 4206413A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
fibers
concrete
holding elements
reinforcement
elements
Prior art date
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Pending
Application number
EP23158276.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Peter Kurath-Grollmann
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CPC AG
Original Assignee
CPC AG
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Filing date
Publication date
Application filed by CPC AG filed Critical CPC AG
Priority to EP23158276.8A priority Critical patent/EP4206413A1/de
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    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
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    • E04C5/12—Anchoring devices
    • E04C5/127—The tensile members being made of fiber reinforced plastics
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    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/16—Structures made from masses, e.g. of concrete, cast or similarly formed in situ with or without making use of additional elements, such as permanent forms, substructures to be coated with load-bearing material
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    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B5/00—Floors; Floor construction with regard to insulation; Connections specially adapted therefor
    • E04B5/16—Load-carrying floor structures wholly or partly cast or similarly formed in situ
    • E04B5/32—Floor structures wholly cast in situ with or without form units or reinforcements
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    • E04C2/00—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels
    • E04C2/02—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by specified materials
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    • E04C2/06—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by specified materials of concrete or other stone-like material; of asbestos cement; of cement and other mineral fibres reinforced
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
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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
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    • 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
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B2103/00—Material constitution of slabs, sheets or the like
    • E04B2103/02—Material constitution of slabs, sheets or the like of ceramics, concrete or other stone-like material

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a prestressed concrete component.
  • a further aspect of the invention relates to prestressed concrete components, in particular produced using the method mentioned for the production of a prestressed concrete component.
  • Prestressed concrete slabs are known from the prior art. For example disclosed US 2002/0059768 A1 a method for producing a prestressed concrete slab using tensioned wire ropes. To generate the tension, the wire ropes are wound around opposite bolts and then tensioned by moving the bolts apart. This results in a pre-tension of approx. 70% of the breaking strength of the wire rope.
  • the object of the present invention is, inter alia, to specify an improved method for the production of prestressed concrete components.
  • Another object of the present invention is to provide an improved prestressed concrete structure. This object is achieved by a concrete component according to claim 15.
  • a partial aspect of the invention relates to a reinforcement element for the production of prestressed concrete components, with a large number of fibers and several holding elements which are connected to one another by the fibers so that the fibers can be tensioned in their longitudinal direction by means of the holding elements.
  • the fibers are fastened to the holding elements in such a way that, in the tensioned state, the fibers open out largely in a straight line into the holding elements. This achieves both high prestressing and efficient, reliable and therefore cost-effective production of the concrete components.
  • fiber includes a single or several elongated and flexible reinforcement elements for concrete components, for example a single filament - also called single filament or monofilament - or a bundle of filaments - also called multifilament, multifilament yarn, yarn or - in the case of stretched filaments - roving.
  • the term fiber also includes a single wire or multiple wires.
  • the fibers can also be coated individually or together and/or the fiber bundle can be stranded or twisted.
  • the net cross-sectional area of the fibers is less than about 5 mm 2 , and specifically ranges from about 0.1 mm 2 to about 1 mm 2 .
  • the tensile elongation of the fibers is greater than about 1%.
  • the tensile strength of the fibers, based on their net cross-sectional area is greater than approximately 1000 N/mm 2 , in particular greater than approximately 1800 N/mm 2 .
  • the reinforcement elements are first laid in a mold and then the fibers are stretched by pulling the corresponding holding elements apart.
  • the concrete component is then cast, with the parts of the fibers lying inside the mold being embedded in concrete.
  • the tension previously applied to the fibers is released, with the tension in the cast-in parts of the fibers being maintained, since the cast-in fiber parts are frictionally connected to the concrete and there is practically no relative displacement between these fiber parts and the concrete.
  • the non-positive connection is based - among other things - on the wedging of the fibers in their concrete coating (Hoyer effect).
  • the stress-free parts of the fibers protruding from the concrete component can be separated and removed together with the holding elements. In the case of the prestressed concrete component, the prestress is therefore generated by the tension of the fibers embedded in concrete.
  • connection between fibers and concrete can be strengthened by a variety of means, for example by increasing the surface roughness of the fibres.
  • this connection is designed in such a way that the full dimensioning tensile force can be transmitted via the mechanical shear connection after 200 mm, in particular after 100 mm, further after in particular 70 mm, binding length (i.e. length of the fibers embedded in concrete).
  • the fibers of the reinforcement element can be made from a variety of different materials, in particular from non-corrosive material and more particularly from alkali-resistant material.
  • this material is a polymer like carbon, but also glass, steel or natural fibers.
  • the fibers are made of carbon.
  • Carbon fibers have the advantage that they are very durable, which means that there is no noticeable loss of strength even over decades.
  • carbon fibers are corrosion-resistant, in particular they do not corrode on the surface of the concrete components, and are practically invisible. This means that the carbon fibers can often be left on the surface of the concrete components. However, they can also be removed with ease, for example by breaking them off or simply stripping them off.
  • Fastening the fibers “in” the holding elements includes a wide variety of fastening options, in particular also fastening the fibers “to” or “on” the holding elements, for example laminating the fibers without further covering.
  • both a high prestressing of the concrete components and an efficient, reliable and simple handling of the reinforcing elements are achieved.
  • the concrete components can be produced particularly inexpensively.
  • the following is achieved: Due to the fact that the fibers flow in a largely straight line with respect to their longitudinal direction, ie the fibers continue to flow evenly into the holding elements, transverse stresses in the fibers are largely avoided. Such transverse stresses often lead to fiber breaks and occur, for example, at kinks, jams or tight curve radii, i.e. typically with deflection webs, deflection rollers or guide bolts.
  • the fibers can be stressed at a stress of from about 50% to about 95% of the breaking stress of the fibers.
  • the fibers can be stressed with at least about 80%, more preferably at least about 90%, of the breaking stress of the fibers.
  • the thickness of the concrete component to be produced is in the range from approx. 10 mm to 60 mm, in particular approx. 15 mm to 40 mm.
  • the surface area of the concrete component is at least approximately 10 m ⁇ 5 m, in particular at least approximately 10 m ⁇ 10 m, more particularly at least approximately 15 m ⁇ 15 m.
  • the length of the concrete component is at least approx. 6 m, more particularly at least approx. 12 m.
  • the reinforcing elements can be produced as intermediate products at a first location, optionally packed in appropriate transport containers and transported to another location for the production of the concrete parts become. At the other location, for example in a concrete production plant, the reinforcement elements that have been delivered are then directly available as prefabricated components.
  • the fibers are individual fibers and/or comprise one or more rovings, in particular carbon rovings.
  • Individual fibers are to be understood as meaning individual fibers that are not directly connected.
  • a continuous fiber assembly is seen where the reciprocating portions of the fiber assembly are connected via loops.
  • roving means a bundle of stretched filaments.
  • a roving also referred to as a stretched yarn, typically comprises a few thousand filaments, in particular approximately 2,000 to approximately 16,000 filaments. Due to the roving, the tensile forces acting on the fibers are distributed largely evenly over a large number of filaments, so that local peak loads are largely avoided.
  • the filaments of the roving have a small fiber diameter, so that a correspondingly large surface-to-diameter ratio and thus a good bond between the concrete and the filaments is achieved. Furthermore, a good shear transmission and a good distribution of the tensile load on the concrete are achieved.
  • the fibers are produced from an arrangement of several rovings, which comprises 2 to 10, in particular 2 to 5, individual rovings.
  • these fibers have about 4,000 to about 160,0000 filaments.
  • the holding elements have guide elements for the fibers, in particular a clamping device and/or a carrier for laminating the fibers in the end area, in particular a fiber-reinforced polymer matrix, more particularly a polyester matrix. Good power transmission is achieved by these guide elements. In addition, a particularly space-saving and robust unit is achieved through the lamination.
  • the holding elements can also be designed as double-sided adhesive tape.
  • the fibers in the holding elements form an essentially planar layer and are arranged, in particular, largely parallel and/or largely evenly spaced from one another.
  • the reinforcing element has the form of a web or a harp up. This form is easily stacked or rolled up, optionally using interleaving sheets to keep the respective fibers separate. This means that reinforcement elements are easy to transport.
  • Such a harp-shaped reinforcement element has the advantage over a lattice (grid) that no knotting occurs and thus very high tensile loads can be achieved.
  • lattice grid
  • the reinforcement element has additional spacers which connect the fibers to one another, for example in the form of transverse threads and/or a fabric, so that there is a distance between the individual fibers even when the reinforcement element is not tensioned or is only partially tensioned. This largely or completely prevents the slack fibers from becoming tangled.
  • These spacers thus serve as an assembly aid and/or transport aid. When concreted in, the spacers absorb practically no tensile loads.
  • the distance between the reinforcements is approximately 5 mm to approximately 40 mm, in particular approximately 8 mm to approximately 25 mm, and/or at least 10, in particular at least 40, fibers are fastened in each of the holding elements.
  • the reinforcement distance ie the distance between two adjacent fibers, is less than or equal to twice the thickness of the concrete component.
  • the fibers are impregnated with an alkali-resistant polymer, in particular with a resin, more particularly with a vinyl ester resin. This increases the tensile strength of the fibers.
  • the fibers are coated with a granular material, in particular with sand. This improves the bond between the fibers and the concrete and thus increases the resistance of the prestressing in the concrete component.
  • the fibers are attached to the holding elements in such a way that, in the tensioned state, the fibers continue largely in a straight line in the holding elements, in particular over a distance of at least approx. 5 mm, more particularly at least approx. 10 mm. This achieves good power transmission between the fibers and the holding elements.
  • the holding elements have a force distribution means, in particular running transversely to the direction of the fibers, in particular a curvature and/or a profile. This achieves good distribution of the acting forces and thus high tensile stress and/or low stress on the fibers during tensioning. In addition, this shortens the binding length, that is, shortens the length required for reliable attachment of the fibers to the holding elements.
  • the curvature of the holding element is designed in such a way that the curved fibers each define planes that are arranged largely parallel, in particular perpendicular to the position of the fibers. If the fibers are arranged in a horizontal position, their fiber ends are curved vertically downwards or upwards, for example.
  • the profiling achieves a good non-positive connection between the holding element and the clamping device.
  • the pressure on the holding element and/or on the fibers can thus be reduced.
  • the profiling is arranged on at least one of those surfaces of the holding element which is provided for fastening the holding element in a clamping device.
  • the profiling is wavy or jagged, in particular sawtooth-shaped.
  • its width is greater than 0.4 m, in particular greater than 0.8 m, and/or its length is greater than 4 m, in particular greater than 12 m. This achieves efficient production of large concrete components. For example, a 20 m ⁇ 20 m concrete slab can be produced in one work cycle.
  • the holding element is severed after being connected to the fibers, in particular in the middle, so that the two sections produced in turn form two holding elements for two reinforcing elements produced in succession.
  • the first section forms the end of a first reinforcement element and the second section forms the beginning of the subsequent reinforcement element.
  • the holding element is designed as a double holding element, with an open intermediate area between the two parts of the double holding element in which the fibers are exposed.
  • the previously mentioned severing of the holding element can be done by simply severing the fibers in this intermediate area, for example by breaking.
  • efficient separation is achieved during production, in particular in series production, of the reinforcement elements.
  • the retaining element is fastened while the fibers are being pulled out together, in particular by moving the retaining element in synchronism with the movement of the fibers.
  • the Retaining element by attaching a top and a bottom part of the retaining element from opposite sides of the fibres, in particular by assembling glass fiber mats.
  • the fibers are arranged by placing the fibers on a first part of the holding element and fixing the fibers by adding a second part of the holding element and by pressing these two parts together. As a result, the fibers are firmly enclosed by the holding elements, so that a particularly strong and robust attachment is achieved.
  • the present invention also relates to a prestressed concrete component, in particular a concrete slab, which was produced using at least one reinforcement element, the prestressing of the concrete component being at least 80%, in particular at least 90%, of the breaking stress of the fibers.
  • this concrete component is produced using a large number of reinforcing elements according to the invention, in particular arranged in groups. Due to the arrangement in groups, an improved adaptation to the conditions of the concrete component is achieved.
  • a grouping can consist of one or more horizontal and/or vertical distances or by an angular, in particular right-angled, arrangement.
  • the fibers are pretensioned by tensioning in sections, in particular individually for each of the reinforcement elements used.
  • the preload can be flexibly adjusted to specific requirements.
  • the reinforcement distance i.e. the distance between two adjacent fibers, is less than or equal to twice the thickness of the concrete component, in particular less than or equal to twice the thickness of the plate.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the production of large prestressed concrete components, for example for concrete slabs approximately 20 m wide and approximately 20 m long.
  • these large prestressed concrete components can then be subdivided into smaller prestressed concrete components, since the prestressing of the concrete components is always maintained during division.
  • the smaller concrete components can then be individually cut to size, for example by sawing, CNC milling or water jet cutting, in order to produce, for example, specially shaped floor panels, stair treads or panels for table tennis tables.
  • such a subdivision can be achieved by using separating elements, in particular a foam.
  • the at least one reinforcement element is provided by arranging several of the reinforcement elements in one layer, in particular by placing them largely parallel and/or adjacent to one another. This means that large areas can be set up efficiently.
  • the at least one reinforcement element is provided by arranging the reinforcement elements in at least two layers, with the reinforcement elements in adjacent layers being aligned at an angle, in particular largely at right angles. This achieves an efficient and flexible set-up of a complex reinforcement.
  • the at least one reinforcement element is provided by stacking several of the reinforcement elements on top of one another.
  • this additionally includes the step of introducing a separating element, in particular a foam, before the concrete component is cast in concrete.
  • a separating element in particular a foam
  • a foam offers a very flexible, easy to use and inexpensive partition.
  • the foam offers an aid for positioning the fibers and/or fixing the fibers during concreting.
  • a solid material can also be used as a separating element, for example rubber or styrofoam.
  • this also includes the step of separating the concrete component after concreting, in particular by breaking and/or sawing. Since the foam does not make a significant contribution to the strength, the individual subdivisions of the concrete component are practically only held together by the fibers. The concrete components can thus be easily separated, in particular by simply breaking them. This achieves a breakdown into manageable parts in a convenient and very efficient way. For example, these parts can be distributed from a production plant for concrete components to other work stations and brought into the final form there.
  • Reinforcement element for the production of prestressed concrete components with a large number of fibers and several Holding elements, which are connected to one another by the fibers, so that the fibers can be tensioned in their longitudinal direction by means of the holding elements, wherein the fibers are fastened to the holding elements in such a way that, in the tensioned state, the fibers open out into the holding elements in a largely straight line.
  • Reinforcing element according to the 1st embodiment variant wherein the fibers are individual fibers and/or comprise one or more rovings, in particular carbon rovings.
  • Reinforcing element (10) according to the 1st embodiment variant or the 2nd embodiment variant, the holding elements having guide elements for the fibers, in particular a clamping device and/or a carrier for laminating the fibers in the end region, in particular a fiber-reinforced polymer matrix, more particularly a polyester -Matrix.
  • Reinforcement element according to one of the preceding embodiment variants, wherein the fibers in the holding elements form an essentially flat layer and are arranged in particular largely parallel and/or largely evenly spaced from one another.
  • Reinforcement element according to one of the preceding embodiment variants, wherein the distance between the reinforcements is approx. 5 mm to approx. 40 mm, in particular approx. 8 mm to approx. 25 mm, and/or at least 10, in particular at least 40 fibers are fastened in each of the holding elements.
  • Reinforcement element according to one of the preceding embodiment variants, wherein the holding elements have a force distribution means, in particular running transversely to the direction of the fibers, in particular a curvature and/or a profile.
  • Reinforcement element according to one of the preceding variants, the width of which is greater than 0.4 m, in particular greater than 0.8 m, and/or whose length is greater than 4 m, in particular greater than 12 m.
  • Concrete component in particular concrete slab, produced using at least one reinforcement element according to one of the variants 1 to 8, the prestressing of the concrete component being at least 80%, in particular at least 90%, of the breaking stress of the fibers.
  • the at least one reinforcement element is provided by arranging a plurality of the reinforcement elements in one layer, in particular by placing them largely parallel and/or adjacent to one another.
  • the at least one reinforcement element is provided by arranging the reinforcement elements in at least two layers, the reinforcement elements in adjacent layers being aligned at an angle, in particular largely at right angles.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of an embodiment of a reinforcing element 10 in the stretched state.
  • a reinforcement element 10 is used to produce prestressed concrete components.
  • the reinforcement element 10 comprises ten individual fibers, which in this example are designed as carbon fibers 12 (only partially designated), and two holding elements in the form of two carriers 14.
  • the carriers 14 are arranged at a distance from one another and are supported by the ten carbon fibers 12 connected with each other.
  • the carbon fibers 12 can be tensioned in their longitudinal direction T by pulling the carriers 14 apart.
  • the carbon fibers 12 are fastened in the supports 14 in such a way that the stretched carbon fibers 12 open into the supports 14 in a straight line. Furthermore, the carbon fibers 12 form an essentially planar layer, in which the carbon fibers 12 are arranged largely parallel and at a largely even distance from one another. As a result, the reinforcement element 10 has the shape of a harp. In this For example, the distance between the reinforcements, ie the distance between the carbon fibers 12 arranged in parallel, is approximately 10 mm and the width of the reinforcement element 10 is therefore approximately 10 cm.
  • Each of the carbon fibers 12 comprises a carbon roving, ie a bundle of a few thousand stretched filaments arranged next to one another and essentially aligned in the same way (approx. 2,000 to approx. 16,000 filaments). These filaments and thus also the carbon fibers 12 are impregnated with an alkali-resistant resin in the form of vinyl ester resin, so that the carbon fibers 12 form a compact unit, similar to a metal wire. The impregnation can take place, for example, by means of an immersion bath, through which the roving for producing the carbon fibers 12 is pulled.
  • the carbon fibers 12 are coated with sand, so that an improved connection between fibers and concrete is achieved.
  • the full dimensioning tensile force can be transmitted via the mechanical shear connection.
  • the carriers 14 each have two openings 16 (shown in dashed lines) by means of which the carriers 14 can be positioned on a clamping device (not shown). With the clamping device, the carbon fibers can 12 are precisely aligned during the production of the concrete components, in particular without horizontal and / or vertical canting, tensioned.
  • the carrier 14 has a hole or a multiplicity of holes, in particular more than two holes, for positioning the carrier 14 .
  • carrier 14 is manufactured using inexpensive materials.
  • An exemplary material composition and the corresponding production of the carrier 14 is based on 2 described.
  • Other materials can also be used since the beam 14 is not part of the concrete component to be produced and is usually separated and removed after concreting.
  • FIG 2 shows a simplified schematic detail view of a carrier 14 according to FIG 1 .
  • the carrier 14, also referred to as a patch, comprises a fiber-reinforced polymer matrix in the form of a polyester matrix with fibers enclosed therein in the form of two glass fiber mats.
  • This polyester matrix encloses the stretched carbon fibers 12 in their end areas.
  • the size of this polyester matrix is about 10 cm x 10 cm and the total thickness is about 2 mm.
  • the length of the polyester matrix in the direction of the carbon fibers 12 is between approximately 10 cm and approximately 20 cm.
  • the fiber mats form a lower one and an upper layer, wherein the stretched carbon fibers 12 are sandwiched between these layers and fixed therein by lamination with polyester.
  • the polyester matrix therefore forms a rectilinear guide element for the carbon fibers 12 (indicated by dashed lines), with the carbon fibers 12 continuing largely rectilinearly within the polyester matrix, ie within the carrier 14 .
  • the carbon fibers 12 are fixed in their mutual arrangement by means of the carrier 14, namely in a flat position, largely parallel and spaced evenly apart from one another.
  • the ends of the carbon fibers 12 protrude a little beyond the supports 14 on the exit side of the supports 14 .
  • the fibers 12 can also end in the carrier 14 or flush on its surface, for example if the carrier 14 has been separated from a larger unit.
  • FIG. 12 shows a simplified schematic representation of an intermediate stage in the manufacture of a prestressed concrete slab 20, for example in a prefabricated concrete slab plant.
  • the intermediate state corresponds to an arrangement after the preparatory work has been completed, but before the concrete slab 20 is poured.
  • the arrangement comprises a concreting table (not shown), a hollow frame 30 arranged thereon and a large number of identical reinforcing elements 10 according to the invention (in some cases only indicated schematically).
  • the hollow frame 30 forms together with the surface of the concreting table forms a mold for the concrete, also known as a prestressing bed.
  • the reinforcement elements 10 each have a large number of carbon fibers 12 (for the sake of clarity, only the outer fibers are shown in some cases) and two carriers 14 and largely correspond in their structure to the reinforcement elements 10 according to FIG 1 .
  • the length of the carbon fibers 12 is approximately 20 m and the width of the carrier 14 is approximately 1 m.
  • the distance between the reinforcements corresponds to the previous example, ie as in FIG 1 approx. 10 mm, so that approx. 100 carbon fibers 12 are fastened to the carriers 14 in each case.
  • the carriers 14 are each pulled apart, so that the carbon fibers 12 are in the hollow frame 30 in the stretched state.
  • the carbon fibers 12 are guided outwards through the hollow frame 30, so that the ends of the carbon fibers 12 and the supports 14 are outside of the hollow frame 30, for example at a distance of 30 cm from the hollow frame 30.
  • the passage channels are also formed by corresponding gaps between the lower part and the upper part of the hollow frame 30 .
  • the hollow frame 30 is constructed from a plurality of slats lying one above the other, so that the carbon fibers 12 can be guided through the interstices of the individual slats.
  • the gaps can also be sealed with foam rubber and/or brush hairs be.
  • the height of the superimposed bars is 3mm, 12mm and 3mm.
  • the first half of the reinforcing elements 10 are in a first layer, parallel and adjacent to each other and the second half of the reinforcing elements 10 are in a second layer, also parallel and adjacent to but perpendicular to the reinforcing elements 10 of the first layer.
  • the reinforcing elements 10 are thus stacked in separate layers and aligned at right angles to one another in the two adjacent layers.
  • the reinforcement elements 10 therefore form both a longitudinal reinforcement and a transverse reinforcement, but without individual interweaving of the individual carbon fibers 12.
  • the carriers 14 are pulled apart, for example with a clamping device, also called a prestressing system, or manually with a torque wrench (not shown).
  • a tension of at least approx. 30 kN/m or at least approx. 300 kN/m is generated, depending on the load requirements on the concrete slab (dimensioning force).
  • concrete can be poured into the hollow frame 30 prepared in this way in order to concrete the concrete slab 20 in one operation.
  • the parts of the tensioned carbon fibers 12 which are located in the hollow frame 30 are enclosed by the concrete and thus embedded in concrete.
  • SCC fine concrete at least C30/37 according to the SIA SN505 262 standard
  • the concrete can also be introduced into the hollow frame 30 by spraying or spatula and evenly distributed by vibration.
  • the concrete slab 20 can be removed from the hollow frame 30 .
  • the carbon fibers 12 embedded in concrete form the static reinforcement of the concrete slab 20.
  • the parts of the carbon fibers 12 protruding from the concrete are broken off at the edges of the concrete slab 20 and removed together with the supports 14.
  • the concrete slab produced is approximately 6 mx 2.5 m in size and the reinforcement content of this concrete slab 20 is more than 20 mm 2 /m width. In another example, the concrete slab produced is about 7 mx about 2.3 m.
  • FIG 4 14 shows a simplified schematic side view of a carrier 14 according to FIG 2 .
  • the carbon fibers 12 flow straight into the carrier 14. Furthermore, the carbon fibers 12 continue in a straight line inside the carrier 14, so that the carrier 14 forms a straight guide for the carbon fibers 12.
  • the length of the carrier 14 in the direction of the carbon fibers 12 is approximately 3 cm.
  • the carrier 14 can additionally have a profile 16 (shown in dashed lines).
  • a serrated profile 16 is arranged on a first (upper) surface and on the opposite (lower) surface of the carrier 14 . These surfaces are provided for mounting the carrier 14 in a fixture (not shown), for example by clamping.
  • the jagged profiling 16 achieves a non-positive connection between the carrier 14 and the clamping device in the form of teeth.
  • FIG. 5 shows a representation according to 3
  • a subdivision is also made in that a construction foam 40 (shown as a wavy line) is foamed as a separating element both on the bottom of the hollow mold and under and over the carbon fibers 12.
  • This subdivision means that no or only a negligible amount of the poured concrete can penetrate into the space occupied by the subdivision.
  • the construction foam 40 offers a fixation of the fibers during concreting.
  • the concrete slab 20 can be broken into individual raw slabs along the construction foam subdivisions. These raw panels can then continue processed, for example by cutting the raw panels into the desired shape with a circular saw.
  • the concrete slab produced is approx. 20 m x approx. 20 m and its thickness is approx. 20 mm.
  • 24 smaller slabs with a size of approx. 5 m x approx. 3 m result.
  • 3 table tennis tables each can then be sawn from these smaller slabs.
  • FIG 6 14 shows a simplified schematic side view of a carrier 14 according to FIG 2 , but this has a means for force distribution in the form of a bend 18.
  • the carbon fibers 12 flow straight into the carrier 14 and then run inside the carrier 14, corresponding to the curvature 18 of the carrier 14, also with a curvature.
  • the carbon fibers 12 are fastened in the entry area of the carrier 14 in such a way that the carbon fibers 12 continue largely in a straight line into the carrier 14 over a distance d of 10 mm. This shape achieves both good introduction of the fibers into the carrier 14 and an even distribution of the forces to be absorbed.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung vorgespannter Betonbauteile sowie vorgespannte Betonbauteil. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen mindestens eines Armierungselements (10) umfassend eine Vielzahl von Fasern (12) und mehrere Halteelemente (14), welche durch die Fasern (12) miteinander verbunden sind, so dass die Fasern (12) mittels der Halteelemente (14) in ihrer Längsrichtung (T) gespannt werden können, wobei die Fasern (12) durch Laminieren oder durch Laminieren und Klemmen an den Halteelementen (14) befestigt sind. Weiter umfasst das Verfahren das Spannen der Fasern (12) des Armierungselements (10) durch Auseinanderziehen der zugehörigen Halteelemente (14) in ihre Längsrichtung (T) sowie das Betonieren des Betonbauteils (20) unter zumindest teilweisem Einbetonieren der gespannten Fasern (12).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines vorgespannten Betonbauteils. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft vorgespannte Betonbauteile, insbesondere hergestellt nach dem genannten Verfahren zur Herstellung eines vorgespannten Betonbauteils.
  • Vorgespannte Betonplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart US 2002/0059768 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer vorgespannten Betonplatte mittels gespannter Drahtseile. Zur Erzeugung der Spannung werden die Drahtseile um jeweils gegenüberliegende Bolzen gewunden und anschliessend durch Auseinanderbewegen der Bolzen unter Zugspannung gesetzt. Dadurch ergibt sich eine Vorspannung von ca. 70% der Bruchspannung der Drahtseile.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht u.a. darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung vorgespannter Betonbauteile anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines vorgespannten Betonbauteils gemäss Anspruch 1 gelöst. Weitere erfindungsgemässe Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes vorgespanntes Betonbauteil bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Betonbauteil gemäss Anspruch 15 gelöst.
  • Ein Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Armierungselement zur Herstellung vorgespannter Betonbauteile, mit einer Vielzahl von Fasern und mehreren Halteelementen, welche durch die Fasern miteinander verbunden sind, so dass die Fasern mittels der Halteelemente in ihrer Längsrichtung gespannt werden können. Dabei sind die Fasern derart an den Halteelementen befestigt, dass die Fasern im gespannten Zustand weitgehend geradlinig in die Halteelemente münden. Dadurch wird sowohl eine hohe Vorspannung als auch eine effiziente, zuverlässige und damit kostengünstige Herstellung der Betonbauteile erreicht.
  • Der Begriff "Faser" umfasst sowohl ein einzelnes oder mehrere längliche und flexible Bewehrungselemente für Betonbauteile, beispielsweise ein einzelnes Filament - auch Einzelfilament oder Monofil genannt - oder ein Bündel von Filamenten - auch Multifilament, Multifilgarn, Garn oder - bei gestreckten Filamenten - Roving genannt. Insbesondere umfasst der Begriff Faser auch einen einzelnen Draht oder mehrere Drähte. Ferner können die Fasern auch einzeln oder gemeinsam beschichtet sein und/oder das Faserbündel kann verseilt oder verdrillt sein.
  • In einem Beispiel ist die Netto-Querschnittfläche der Fasern (d.h. ohne Harzimprägnierung) kleiner als ca. 5 mm2 und liegt insbesondere in einem Bereich von ca. 0.1 mm2 bis ca. 1 mm2. In einem anderen Beispiel ist das elastische Zugdehnungsvermögen der Fasern grösser als ca. 1%. In einem weiteren Beispiel ist die Zugfestigkeit der Fasern bezogen auf deren Netto-Querschnittfläche grösser als ca. 1000 N/mm2, insbesondere grösser als ca. 1800 N/mm2.
  • Bei der Herstellung eines vorgespannten Betonbauteils werden beispielweise zuerst die Armierungselemente in einer Gussform verlegt und dann die Fasern mittels Auseinanderziehen der entsprechenden Halteelemente gespannt. Anschliessend wird das Betonbauteil gegossen, wobei die im Innern der Gussform liegenden Teile der Fasern einbetoniert werden. Nach dem Erhärten des Betons wird die zuvor an die Fasern angelegte Spannung gelöst, wobei die Spannung bei den einbetonierten Teilen der Fasern erhalten bleibt, da die einbetonierten Faserteile kraftschlüssig mit dem Beton verbunden sind und praktisch keine Relativverschiebung zwischen diesen Faserteilen und dem Beton stattfindet. Dabei basiert die kraftschlüssige Verbindung - unter anderem - auf dem Verkeilen der Fasern in ihrer Betonummantelung (Hoyer-Effekt). Die aus dem Betonbauteil ragenden spannungslosen Teile der Fasern können abgetrennt und zusammen mit den Halteelementen entfernt werden. Bei dem vorgespannten Betonbauteil wird demnach die Vorspannung durch die Spannung der einbetonierten Fasern erzeugt.
  • Die Verbindung von Fasern und Beton kann mit verschiedensten Mitteln verstärkt werden, zum Beispiel mit einer erhöhten Oberflächenrauigkeit der Fasern. In einem Beispiel ist diese Verbindung derart ausgebildet, dass über die mechanische Schubverbindung nach 200 mm, insbesondere nach 100 mm, weitere nach insbesondere 70 mm, Einbindelänge (d.h. einbetonierte Länge der Fasern) die volle Dimensionierungszugkraft übertragen werden kann.
  • Die Fasern des Armierungselementes können aus einer Vielzahl von verschiedenen Materialien hergestellt sein, insbesondere aus nicht-korrosivem Material und weiter insbesondere aus alkalibeständigem Material. Zum Beispiel ist dieses Material ein Polymer wie Carbon aber auch Glas, Stahl oder Naturfaser.
  • Beispielsweise sind die Fasern aus Carbon hergestellt. Carbon-Fasern haben den Vorteil, dass sie sehr beständig sind, das heisst selbst über Jahrzehnte sind keine wesentlichen Einbussen der Festigkeit feststellbar. Zudem sind Carbon-Fasern korrosionsbeständig, insbesondere korrodieren sie nicht an der Oberfläche der Betonbauteile, und sind praktisch unsichtbar. Somit können die Carbon-Fasern an Oberfläche der Betonbauteile oftmals belassen werden. Sie können aber auch mit Leichtigkeit entfernt werden, beispielsweise durch Abbrechen oder einfaches Abstreifen.
  • Die Befestigung der Fasern "in" den Halteelementen umfasst verschiedenste Befestigungsmöglichen, insbesondere auch die Befestigung der Fasern "an" oder "auf" den Halteelementen, zum Beispiel ein Auflaminieren der Fasern ohne weitere Abdeckung.
  • Überraschenderweise wird mit der erfindungsgemässen Lösung sowohl eine hohe Vorspannung der Betonbauteile als auch eine effiziente, zuverlässige und einfache Handhabung der Armierungselemente erreicht. Dadurch können die Betonbauteile besonders kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere wird Folgendes erreicht:
    Durch das weitgehend geradlinige Einmünden der Fasern bezüglich ihrer Längsrichtung, also der gleichmässigen Weiterführung der Fasern, in die Halteelemente, werden Querspannungen bei den Fasern weitgehend vermieden. Solche Querspannungen führen oftmals zu Faserbrüchen und treten zum Beispiel bei Knickstellen, Stauungen oder engen Kurvenradien auf, also typischerweise bei Umlenkstegen, Umlenkrollen oder Führungsbolzen. Dank der erfindungsgemässen Befestigung der Fasern mit der guten Einleitung der wirkendenden Kräfte in das Halteelement kann ohne ein Erhöhen der Bruchgefahr eine hohe Zugkraft und damit eine hohe Vorspannung der Betonbauteile erreicht werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei Carbon-Fasern, insbesondere bei imprägnierten Carbon-Fasern, da diese bezüglich Querspannungen besonders bruchgefährdet sind.
  • In einem Beispiel können die Fasern, insbesondere die Carbon-Fasern, mit einer Spannung von ca. 50% bis ca. 95% der Bruchspannung der Fasern gespannt werden. In einem weiteren Beispiel können die Fasern mit mindestens ca. 80%, insbesondere mindestens ca. 90% der Bruchspannung der Fasern gespannt werden. Dadurch wird eine kostengünstige Herstellung von sehr stabilen, grossen und dünnen Betonbauteilen erreicht. Eine hohe Vorspannung des Betonbauteils ist bei Carbon-Fasern besonders vorteilhaft, da Carbon-Fasern ein anderes Ausdehnungsverhalten als Beton aufweisen.
  • Dank der Armierungselemente können grosse und dünne Betonbauteile herstellt werden, welche sich bei Belastung praktisch nicht durchbiegen. In einem Beispiel liegt die Dicke des herzustellenden Betonbauteils im Bereich von ca. 10 mm bis 60 mm, insbesondere ca. 15 mm bis 40 mm. In einem anderen Beispiel beträgt die flächenmässige Ausdehnung des Betonbauteils mindestens ca. 10 m × 5 m, insbesondere mindestens ca. 10 m × 10 m, weiter insbesondere mindestens ca. 15 m × 15 m. In einem weiteren Beispiel beträgt die Länge des Betonbauteils mindestens ca. 6 m, weiter insbesondere mindestens ca. 12 m.
  • Des Weiteren können die Armierungselemente an einem ersten Ort als Zwischenprodukte hergestellt, gegebenenfalls in entsprechende Transportbehälter verpackt, und an einen anderen Ort zur Herstellung der Betonteile transportiert werden. An dem anderen Ort, zum Beispiel in einem Betonfertigungswerk, stehen dann die angelieferten Armierungselemente direkt als vorgefertigte Bauteile zur Verfügung.
  • Ferner wird durch die Verbindung der Fasern mit den Halteelementen eine robuste und platzsparende und damit eine gut transportierbare Einheit erreicht.
  • In einer Ausgestaltung sind die Fasern individuelle Fasern und/oder umfassen ein oder mehrere Rovings, insbesondere Carbon-Rovings. Dadurch wird die Herstellung von besonders stabilen und leichten Betonbauteilen erreicht. Unter individuellen Fasern sind einzelne, nicht unmittelbar zusammenhängende Fasern zu verstehen. Im Gegensatz dazu ist eine fortlaufende Faseranordnung zu sehen, bei der die hin- und herlaufenden Teile der Faseranordnung über Schlaufen zusammenhängen.
  • Unter dem Begriff "Roving" ist ein Bündel von gestreckten Filamenten zu verstehen. Ein solcher Roving, auch als gestrecktes Garn bezeichnet, umfasst typischerweise einige tausend Filamente, insbesondere ca. 2`000 bis ca. 16`000 Filamente. Durch den Roving werden die auf die Fasern wirkenden Zugkräfte weitgehend gleichmässig auf eine Vielzahl von Filamenten verteilt, so dass lokale Spitzenbelastungen weitgehend vermieden werden.
  • Ferner weisen die Filamente des Rovings einen kleinen Faserdurchmesser auf, so dass ein entsprechend grosses Oberflächen-Durchmesser-Verhältnis und damit ein guter Verbund zwischen dem Beton und den Filamenten erreicht wird. Ferner werden eine gute Schubübertragung und eine gute Verteilung der Zugbelastung auf den Beton erreicht.
  • In einem Beispiel sind die Fasern aus einer Anordnung von mehreren Rovings hergestellt, welche 2 bis 10, insbesondere 2 bis 5, einzelne Rovings umfasst. Somit weisen diese Fasern ca. 4`000 bis ca. 160`0000 Filamente auf.
  • In einer Ausgestaltung weisen die Halteelemente Führungselemente für die Fasern auf, insbesondere eine Klemmvorrichtung und/oder einen Träger zum Laminieren der Fasern im Endbereich, insbesondere eine faserverstärke Polymer-Matrix, weiter insbesondere eine Polyester-Matrix. Durch diese Führungselemente wird eine gute Kraftübertragung erreicht. Ausserdem wird durch das Laminieren eine besonders platzsparende, und robuste Einheit erreicht. Die Halteelemente können auch als Doppelklebeband ausgebildet sein.
  • In einer Ausgestaltung bilden die Fasern in den Halteelementen eine im Wesentlichen ebene Lage, und sind insbesondere weitgehend parallel und/oder weitgehend gleichmässig beabstandet zueinander angeordnet. Dadurch weist das Armierungselement die Form einer Bahn oder einer Harfe auf. Diese Form ist leicht zu stapeln oder aufzurollen, gegebenenfalls unter Verwendung von Zwischenblättern zum Getrennthalten der jeweiligen Fasern. Dadurch sind Armierungselemente gut zu transportieren.
  • Ein solches harfenförmiges Armierungselement hat gegenüber einem Gitter (Grid) den Vorteil, dass keine Verknotungen auftreten und somit sehr hohe Zugbelastung erreicht werden können. Ausserdem entfallen komplizierte Herstellschritte wie Weben oder Flechten und es besteht hohe Flexibilität bezüglich der Breite der Bahnen, da keine Maschinen zur Herstellung eines Gitters benötigt werden. Daher lassen sich sogenannte "Endlos Produkte" sowohl in Länge als auch in der Breite auf einfache Weise herstellen.
  • In einer Ausgestaltung weist das Armierungselement zusätzliche Abstandshalter auf, welche die Fasern untereinander verbinden, beispielsweise in Form von Querfäden und/oder einem Gewebe, so dass auch bei einem nicht oder nur teilweise gespannten Armierungselement ein Abstand zwischen den einzelnen Fasern vorhanden ist. Dadurch wird ein Verheddern der ungespannten Fasern weitgehend oder vollständig verhindert. Diese Abstandshalter dienen somit als Montagehilfe und/oder Transporthilfe. Im einbetonierten Zustand übernehmen die Abstandshalter praktisch keine Zugbelastungen.
  • In einer Ausgestaltung beträgt der Armierungsabstand ca. 5 mm bis ca. 40 mm, insbesondere ca. 8 mm bis ca. 25 mm, und/oder sind in den Halteelementen jeweils mindestens 10, insbesondere mindestens 40, Fasern befestigt. Beispielsweise ist der Armierungsabstand, das heisst der Abstand zwischen zwei benachbarten Fasern, kleiner oder gleich der doppelten Dicke des Betonbauteils.
  • In einer Ausgestaltung sind die Fasern mit einem alkalibeständigen Polymer, insbesondere mit einem Harz, weiter insbesondere mit einem Vinylesterharz, imprägniert. Dadurch wird eine höhere Zugfestigkeit der Fasern erreicht.
  • In einer Ausgestaltung sind die Fasern mit einem körnigen Material, insbesondere mit Sand, beschichtet. Dadurch wird eine Verbesserung des Verbundes zwischen Fasern und Beton und damit eine höhere Beständigkeit der Vorspannung im Betonbauteil erreicht.
  • In einer Ausgestaltung sind die Fasern derart an den Halteelementen befestigt, dass sich die Fasern im gespannten Zustand weitgehend geradlinig in den Halteelementen fortsetzt, insbesondere über eine Distanz von mindestens ca. 5 mm, weiter insbesondere mindestens ca. 10 mm. Dadurch wird eine gute Kraftübertragung zwischen den Fasern und den Halteelementen erreicht.
  • In einer Ausgestaltung weisen die Halteelemente ein, insbesondere quer zur Richtung der Fasern verlaufendes, Mittel zur Kraftverteilung auf, insbesondere eine Krümmung und/oder eine Profilierung. Dadurch wird eine gute Verteilung der wirkendenden Kräfte und damit eine hohe Zugspannung und/oder eine geringe Belastung der Fasern während des Spannens erreicht. Ausserdem wird dadurch ein Verkürzen der Einbindlänge erreicht, das heisst ein Verkürzen der benötigten Länge zur zuverlässigen Befestigung der Fasern an den Halteelementen.
  • In einem Beispiel ist die Krümmung des Halteelements derart ausgebildet, dass die gekrümmt verlaufenden Fasern jeweils weitgehend parallel angeordnete, insbesondere senkrecht zur Lage der Fasern stehende, Ebenen definieren. Bei einer Anordnung der Fasern in einer horizontalen Lage sind beispielsweise deren Faserenden vertikal nach unten oder nach oben gekrümmt.
  • Insbesondere wird durch die Profilierung eine gute kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Halteelement und der Spannvorrichtung erreicht. Somit kann der Druck auf das Halteelement und/oder auf die Fasern reduziert werden. In einem Beispiel ist die Profilierung auf mindestens einer jener Flächen des Halteelements angeordnet, welche zur Befestigung des Halteelements in einer Spannvorrichtung vorgesehen ist. In einem anderen Beispiel ist die Profilierung wellenförmig oder zackenförmig, insbesondere sägezahnförmig.
  • In einer Ausgestaltung des Armierungselements ist dessen Breite grösser als 0.4 m, insbesondere grösser als 0.8 m, und/oder dessen Länge grösser als 4 m, insbesondere grösser als 12 m. Dadurch wird eine effiziente Herstellung von grossen Betonbauteilen erreicht. Beispielsweise kann eine 20 m × 20 m grosse Betonplatte in einem Arbeitszyklus hergestellt werden.
  • Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Armierungselements für vorgespannte Betonbauteile, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
    • Bereitstellen von gespannten Fasern durch gemeinsames Ausziehen einer Vielzahl von untereinander beabstandeten Fasern; und
    • Befestigen eines Halteelements an den gespannten Fasern, insbesondere durch Klemmen und/oder Laminieren, um die Fasern in ihrer gegenseitigen Anordnung, insbesondere bezüglich Abstand und/oder Ausrichtung, zu fixieren.
  • Dadurch wird eine weitgehend parallele Verarbeitung der Fasern und damit eine sehr effiziente Herstellung des Armierungselements und eine vorteilhafte Anordnung der Fasern erreicht, insbesondere auch in Hinblick auf die weitere Verwendung des Armierungselements, nämlich für das Spannen der Fasern vor und während des Einbetonierens.
  • In einem Beispiel wird das Halteelement nach dem Verbinden mit den Fasern durchtrennt, insbesondere mittig, so dass die beiden erzeugten Teilstücke wiederum zwei Halteelemente für zwei aufeinanderfolgend hergestellte Armierungselemente bilden. Dabei bildet das erste Teilstück das Ende eines ersten Armierungselements und das zweite Teilstück den Anfang des nachfolgenden Armierungselements.
  • In einem anderen Beispiel ist das Halteelement als Doppel-Halteelement ausgebildet, wobei sich zwischen den beiden Teilen des Doppel-Halteelements ein offener Zwischenbereich befindet, in welchem die Fasern freiliegen. Das zuvor genannte Durchtrennen des Halteelements kann durch ein einfaches Trennen der Fasern in diesem Zwischenbereich erfolgen, beispielsweise durch Brechen. Dadurch wird eine effiziente Vereinzelung bei der Herstellung, insbesondere bei der Serienherstellung, der Armierungselemente erreicht.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung des Armierungselements erfolgt das Befestigen des Halteelements während des gemeinsamen Ausziehens der Fasern, insbesondere durch Bewegen des Halteelements im Gleichlauf zur Bewegung der Fasern. Dadurch wird eine sehr effiziente Herstellung erreicht, insbesondere bei der Serienherstellung der Armierungselemente.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung des Armierungselements erfolgt das Befestigen des Halteelements durch Befestigen eines Oberteils und eines Unterteils des Halteelements von entgegengesetzten Seiten der Fasern, insbesondere durch das Zusammenfügen von Glasfasermatten.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung des Armierungselements erfolgt das Anordnen der Fasern durch Auflegen der Fasern auf einen ersten Teil des Halteelements und das Fixieren der Fasern durch Hinzufügen eines zweiten Teils des Halteelements und durch Zusammendrücken dieser beiden Teile. Dadurch werden die Fasern von den Halteelementen fest umschlossen, so dass eine besonders kräftige und robuste Befestigung erreicht wird.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein vorgespanntes Betonbauteil, insbesondere eine Betonplatte, das unter Verwendung mindestens eines Armierungselements hergestellt wurde, wobei die Vorspannung des Betonbauteils mindestens 80%, insbesondere mindestens 90%, der Bruchspannung der Fasern beträgt.
  • In einem Beispiel wird dieses Betonbauteil unter Verwendung einer Vielzahl von, insbesondere gruppenweise angeordneten, erfindungsgemässen Armierungselementen hergestellt. Durch die gruppenweise Anordnung wird eine verbesserte Anpassung an die Gegebenheiten des Betonbauteils erreicht. Eine Gruppierung kann durch einen oder mehrere horizontale und/oder vertikale Abstände oder durch eine winklige, insbesondere rechtwinklige, Anordnung erreicht werden.
  • In einem Beispiel erfolgt das Vorspannen der Fasern durch abschnittsweises Spannen, insbesondere individuell für jedes der verwendeten Armierungselemente. Dadurch kann die Vorspannung flexibel auf spezifische Anforderungen eingestellt werden.
  • In einem Beispiel ist der Armierungsabstand, d.h. der Abstand zwischen zwei benachbarten Fasern, kleiner oder gleich der doppelten Dicke des Betonbauteils, insbesondere kleiner oder gleich der doppelten Plattendicke.
  • Wie eingangs erwähnt betrifft die vorliegende Erfindung u.a. ein Verfahren zur Herstellung eines vorgespannten Betonbauteils, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
    • Bereitstellen mindestens eines in diesem Dokument beschriebenen Armierungselements;
    • Spannen der Fasern des Armierungselements durch Auseinanderziehen der zugehörigen Halteelemente; und
    • Betonieren des Betonbauteils unter zumindest teilweisem Einbetonieren der gespannten Fasern.
  • Dadurch werden sehr effiziente und leicht zu handhabende Vorbereitungsarbeiten und damit eine kostengünstige Herstellung des Betonbauteils erreicht. Insbesondere entfallen aufwändige und komplizierte Verlege-Arbeiten einzelner Fasern, insbesondere filigrane Flechtarbeiten. Somit ist das erfindungsgemässe Verfahren sehr gut geeignet für die Herstellprozesse in einem Fertigungswerk für Betonbauteile.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von grossen vorgespannten Betonbauteilen, beispielsweise für Betonplatten von ca. 20 m Breite und ca. 20 m Länge. In einem darauf folgenden Arbeitsgang können diese grossen vorgespannten Betonbauteile dann in kleinere vorgespannte Betonbauteile unterteilt werden, da die Vorspannung der Betonbauteile beim Teilen stets erhalten bleibt. Die kleineren Betonbauteile können dann individuell zugeschnitten werden, beispielsweise durch Sägen, CNC-Fräsen oder Wasserstrahltrennen, um beispielsweise speziell geformte Bodenplatten, Treppentritte oder Platten für Tischtennistische herzustellen. Eine solche Unterteilung kann - wie weiter unten genauer beschrieben - durch Verwendung von Trennelementen, insbesondere eines Schaums, erreicht werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung des vorgespannten Betonbauteils erfolgt das Bereitstellen des mindestens einen Armierungselements durch Anordnen mehrerer der Armierungselemente in einer Lage, insbesondere durch weitgehend paralleles und/oder benachbartes Nebeneinanderlegen. Dadurch wird ein effizientes Einrichten von grossen Flächen erreicht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung des vorgespannten Betonbauteils erfolgt das Bereitstellen des mindestens einen Armierungselements durch Anordnen der Armierungselemente in mindestens zwei Lagen, wobei die Ausrichtung der Armierungselemente in benachbarten Lagen in einem Winkel, insbesondere weitgehend rechtwinklig, erfolgt. Dadurch wird ein effizientes und flexibles Einrichten einer komplexen Armierung erreicht. Beispielsweise erfolgt das Bereitstellen des mindestens einen Armierungselements durch ein Übereinanderschichten mehrerer der Armierungselemente.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung des vorgespannten Betonbauteils umfasst dieses zusätzlich den Schritt des Einbringens eines Trennelements, insbesondere eines Schaums, vor dem Betonieren des Betonbauteils. Dadurch wird eine wirkungsvolle Unterteilung des Betonbauteils erreicht. Insbesondere bietet ein Schaum eine sehr flexible, gut anwendbare und kostengünstige Unterteilung. Als weitere Funktion bietet der Schaum ein Hilfsmittel zur Positionierung der Fasern und/oder eine Fixierung der Fasern während des Betonierens. Als Trennelement kann auch ein festes Material verwendet werden, zum Beispiel Kautschuk oder Styropor.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des vorangehenden Verfahrens zur Herstellung des vorgespannten Betonbauteils umfasst dieses zusätzlich den Schritt des Trennens des Betonbauteils nach dem Betonieren, insbesondere durch Brechen und/oder Zersägen. Da der Schaum keinen nennenswerten Beitrag zur Festigkeit leistet, werden die einzelnen Unterteilungen des Betonbauteils praktisch nur durch die Fasern zusammen gehalten. Somit können die Betonbauteile leicht, insbesondere durch einfaches Brechen, getrennt werden. Dadurch wird auf bequeme und sehr effiziente Weise eine Aufteilung in gut handhabbare Teile erreicht. Zum Beispiel können diese Teile von einem Fertigungswerk für Betonbauteile an weitere Werkplätze verteilt und dort in die endgültige Form gebracht werden.
  • Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass jede Kombination der zuvor genannten Beispiele und Ausführungsformen oder Kombinationen von Kombinationen Gegenstand einer weiteren Kombination sein können. Es werden nur jene Kombinationen ausgeschlossen, die zu einem Widerspruch führen würden.
  • Im Folgenden ist beispielhaft eine Auswahl an weiteren denkbaren Ausführungsvarianten der Erfindung und an weiteren denkbaren Ausführungsvarianten von Teilaspekten der Erfindung näher beschrieben.
    • 1. Ausführungsvariante
  • Armierungselement zur Herstellung vorgespannter Betonbauteile, mit einer Vielzahl von Fasern und mehreren Halteelementen, welche durch die Fasern miteinander verbunden sind, so dass die Fasern mittels der Halteelemente in ihrer Längsrichtung gespannt werden können,
    wobei die Fasern derart an den Halteelementen befestigt sind, dass die Fasern im gespannten Zustand weitgehend geradlinig in die Halteelemente münden.
    • 2. Ausführungsvariante
  • Armierungselement nach der 1. Ausführungsvariante, wobei die Fasern individuelle Fasern sind und/oder ein oder mehrere Rovings, insbesondere Carbon-Rovings, umfassen.
    • 3. Ausführungsvariante
  • Armierungselement (10) nach der 1. Ausführungsvariante oder der 2. Ausführungsvariante, wobei die Halteelemente Führungselemente für die Fasern aufweisen, insbesondere eine Klemmvorrichtung und/oder einen Träger zum Laminieren der Fasern im Endbereich, insbesondere eine faserverstärke Polymer-Matrix, weiter insbesondere eine Polyester-Matrix.
    • 4. Ausführungsvariante
  • Armierungselement nach einer der vorangehenden Ausführungsvarianten, wobei die Fasern in den Halteelementen eine im Wesentlichen ebene Lage bilden, und insbesondere weitgehend parallel und/oder weitgehend gleichmässig beabstandet zueinander angeordnet sind.
    • 5. Ausführungsvariante
  • Armierungselement nach einer der vorangehenden Ausführungsvarianten, wobei der Armierungsabstand ca. 5 mm bis ca. 40 mm, insbesondere ca. 8 mm bis ca. 25 mm, beträgt und/oder in den Halteelementen jeweils mindestens 10, insbesondere mindestens 40, Fasern befestigt sind.
    • 6. Ausführungsvariante Armierungselement nach einer vorangehenden
  • Ausführungsvarianten, wobei die Fasern derart an den Halteelementen befestigt sind, dass sich die Fasern im gespannten Zustand weitgehend geradlinig in den Halteelementen fortsetzen, insbesondere über eine Distanz von mindestens ca. 5 mm, weiter insbesondere mindestens ca. 10 mm.
    • 7. Ausführungsvariante
  • Armierungselement nach einer der vorangehenden Ausführungsvarianten, wobei die Halteelemente ein, insbesondere quer zur Richtung der Fasern verlaufendes, Mittel zur Kraftverteilung aufweisen, insbesondere eine Krümmung und/oder eine Profilierung.
    • 8. Ausführungsvariante
  • Armierungselement nach einer der vorangehenden Ausführungsvarianten, wobei dessen Breite grösser als 0.4 m, insbesondere grösser als 0.8 m, und/oder dessen Länge grösser als 4 m, insbesondere grösser als 12 m, ist.
    • 9. Ausführungsvariante
  • Verfahren zur Herstellung eines Armierungselements für vorgespannte Betonbauteile, umfassend die Schritte:
    • Bereitstellen von gespannten Fasern durch gemeinsames Ausziehen einer Vielzahl von untereinander beabstandeten Fasern; und
    • Befestigen eines Halteelements an den gespannten Fasern, insbesondere durch Klemmen und/oder Laminieren, um die Fasern in ihrer gegenseitigen Anordnung, insbesondere bezüglich Abstand und/oder Ausrichtung, zu fixieren.
    10. Ausführungsvariante
  • Verfahren nach der 9. Ausführungsvariante, wobei das Befestigen des Halteelements während des gemeinsamen Ausziehens der Fasern erfolgt, insbesondere durch Bewegen des Halteelements im Gleichlauf zur Bewegung der Fasern.
    • 11. Ausführungsvariante
  • Betonbauteil, insbesondere Betonplatte, hergestellt unter Verwendung mindestens eines Armierungselements nach einer der Ausführungsvarianten 1 bis 8, wobei die Vorspannung des Betonbauteils mindestens 80%, insbesondere mindestens 90%, der Bruchspannung der Fasern beträgt.
    • 12. Ausführungsvariante
  • Verfahren zur Herstellung eines vorgespannten Betonbauteils, umfassend die Schritte:
    • Bereitstellen mindestens eines Armierungselements nach einer der Ausführungsvarianten 1 bis 8;
    • Spannen der Fasern des Armierungselements durch Auseinanderziehen der zugehörigen Halteelemente; und
    • Betonieren des Betonbauteils unter zumindest teilweisem Einbetonieren der gespannten Fasern.
    13. Ausführungsvariante
  • Verfahren nach der 12. Ausführungsvariante, wobei das Bereitstellen des mindestens einen Armierungselements durch Anordnen mehrerer der Armierungselemente in einer Lage erfolgt, insbesondere durch weitgehend paralleles und/oder benachbartes Nebeneinanderlegen.
    • 14. Ausführungsvariante
  • Verfahren nach der 12. Ausführungsvariante oder der 13. Ausführungsvariante, wobei das Bereitstellen des mindestens eines Armierungselements durch Anordnen der Armierungselemente in mindestens zwei Lagen erfolgt, wobei die Ausrichtung der Armierungselemente in benachbarten Lagen in einem Winkel, insbesondere weitgehend rechtwinklig, erfolgt.
    • 15. Ausführungsvariante
  • Verfahren nach einer der Ausführungsvarianten 12 bis 14, wobei dieses zusätzlich den Schritt umfasst: Einbringens eines Trennelements, insbesondere eines Schaums, vor dem Betonieren des Betonbauteils.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bzw. (Teil-)Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Armierungselements 10 mit Carbon-Fasern 12, die mittels zweier Träger 14 gespannt werden können;
    Fig. 2
    eine vereinfachte schematische Detailansicht eines Trägers 14 gemäss Fig. 1;
    Fig. 3
    eine vereinfachte schematische Darstellung eines Zwischenzustands bei der Herstellung einer vorgespannten Betonplatte 20 mittels einer Vielzahl von Armierungselementen 10 gemäss Fig. 1;
    Fig. 4
    eine vereinfachte schematische Seitenansicht des Trägers 14 gemäss Fig. 2;
    Fig. 5
    eine vereinfachte schematische Darstellung gemäss Fig. 3, jedoch zusätzlich mit einem Bauschaum 40 zur Unterteilung der Betonplatte 20 und Fixierung der Carbon-Fasern 12; und
    Fig. 6
    eine vereinfachte schematische Seitenansicht des Trägers 14 gemäss Fig. 2, wobei dieser jedoch eine Krümmung aufweist.
  • Die nachfolgenden Ausführungen sind Beispiele und sollen die Erfindung in keiner Weise beschränken.
  • Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Armierungselements 10 im gestreckten Zustand. Ein solches Armierungselement 10 dient der Herstellung vorgespannter Betonbauteile.
  • Das Armierungselement 10 umfasst zehn einzeln Fasern, die in diesem Beispiel als Carbon-Fasern 12 (nur teilweise bezeichnet) ausgebildet sind, und zwei Halteelemente in Form von zwei Trägern 14. Die Träger 14 sind beabstandet zueinander angeordnet und durch die zehn Carbon-Fasern 12 miteinander verbunden. Die Carbon-Fasern 12 können durch Auseinanderziehen der Träger 14 in ihrer Längsrichtung T gespannt werden.
  • Die Carbon-Fasern 12 sind derart in den Trägern 14 befestigt, dass die gestreckten Carbon-Fasern 12 geradlinig in die Träger 14 münden. Ferner bilden die Carbon-Fasern 12 eine im Wesentlichen ebene Lage, bei der die Carbon-Fasern 12 weitgehend parallel und weitgehend gleichmässig beabstandet zueinander angeordnet sind. Dadurch hat das Armierungselement 10 die Form einer Harfe. In diesem Beispiel beträgt der Armierungsabstand, d.h. der Abstand zwischen den parallel angeordneten Carbon-Fasern 12, ca. 10 mm und somit beträgt die Breite des Armierungselements 10 ca. 10 cm.
  • Jede der Carbon-Fasern 12 umfasst jeweils ein Carbon-Roving, das heisst ein Bündel von einigen tausend gestreckten, nebeneinander angeordneten und im Wesentlichen gleich ausgerichteten Filamenten (ca. 2`000 bis ca. 16`000 Filamente). Diese Filamente und damit auch die Carbon-Fasern 12 sind mit einem alkalibeständigen Harz in Form von Vinylesterharz imprägniert, so dass die Carbon-Fasern 12 eine kompakte Einheit bilden, ähnlich einem Metalldraht. Das Imprägnieren kann beispielsweise mittels eines Tauchbads erfolgen, durch das der Roving zur Herstellung der Carbon-Fasern 12 gezogen wird.
  • Ausserdem sind die Carbon-Fasern 12 mit Sand beschichtet, so dass eine verbesserte Verbindung von Fasern und Beton erreicht wird. In diesem Beispiel kann bei einer Einbindelänge von 100 mm über die mechanische Schubverbindung die volle Dimensionierungszugkraft übertragen werden.
  • Ferner weisen die Träger 14 jeweils zwei Öffnungen 16 auf (gestrichelt gezeichnet) mittels denen die Träger 14 auf einer Spannvorrichtung (nicht dargestellt) positioniert werden können. Mit der Spannvorrichtung können die Carbon-Fasern 12 bei der Herstellung der Betonbauteile präzise ausgerichtet, insbesondere ohne horizontales und/oder vertikales Verkanten, gespannt werden. In einem anderen Beispiel weist der Träger 14 ein Loch oder eine Vielzahl von Löchern, insbesondere mehr als zwei Löcher zur Positionierung des Trägers 14 auf.
  • In einem Beispiel werden für die Herstellung des Trägers 14 kostengünstigen Materialien verwendet. Eine beispielhafte Materialzusammensetzung und die entsprechende Herstellung des Trägers 14 wird anhand von Fig. 2 beschrieben. Es können auch andere Materialien verwendet werden, da der Träger 14 nicht ein Teil des herzustellenden Betonbauteils ist und in der Regel nach dem Betonieren abgetrennt und entfernt wird.
  • Fig. 2 zeigt eine vereinfachte schematische Detailansicht eines Trägers 14 gemäss Fig. 1.
  • Der Träger 14, auch als Patch bezeichnet, umfasst eine faserverstärkte Polymer-Matrix in Form einer Polyester-Matrix mit darin eingeschlossenen Fasern in Form zweier Glasfasermatten. Diese Polyester-Matrix umschliesst die gestreckten Carbon-Fasern 12 in deren Endbereichen. Beispielsweise beträgt die Grösse dieser Polyester-Matrix ca. 10 cm x 10 cm und die gesamte Dicke ca. 2 mm. In einem anderen Beispiel beträgt die Längenausdehnung der Polyester-Matrix in Richtung der Carbon-Fasern 12 zwischen ca. 10 cm und ca. 20 cm. Die Fasermatten bilden eine untere und eine obere Lage, wobei die gestreckten Carbon-Fasern 12 zwischen diese Lagen angeordnet und durch Laminieren mit Polyester darin befestigt sind. Die Polyester-Matrix bildet daher für die Carbon-Fasern 12 ein geradliniges Führungselement (durch gestrichelte Linien angedeutet), wobei sich die Carbon-Fasern 12 innerhalb der Polyester-Matrix, d.h. innerhalb des Trägers 14, weitgehend geradlinig fortsetzen. Mittels des Trägers 14 sind die Carbon-Fasern 12 in ihrer gegenseitigen Anordnung fixiert, nämlich in einer ebenen Lage, weitgehend parallel und gleichmässig beabstandet zueinander.
  • Die Enden der Carbon-Fasern 12 ragen an der Austrittsseite der Träger 14 ein Stück weit über die Träger 14 hinaus. Die Fasern 12 können aber auch im Träger 14 oder bündig auf dessen Oberfläche enden, beispielsweise wenn der Träger 14 von einer grösseren Einheit abgetrennt wurde.
  • Beispielsweise wird ein solcher Träger 14 durch folgende Schritte hergestellt:
    • Bereitstellen einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden und untereinander beabstandeten Carbon-Rovings durch weitgehend gleichzeitiges Abziehen der Carbon-Rovings von einer entsprechenden Anzahl von Vorratsrollen;
    • Imprägnieren der Carbon-Rovings mittels Durchleiten der Carbon-Rovings durch ein Vinylesterharz-Tauchbad, so dass die Carbon-Rovings kompakte Carbon-Fasern 12 bilden;
    • Gemeinsames Ausziehen der Carbon-Fasern 12, gegebenenfalls mittels eines bereits zuvor angebrachten Trägers 14, so dass die Carbon-Fasern 12 gespannt werden;
    • Anlegen zweier mit Polyester getränkter Glasfasermatten an die gespannten Carbon-Fasern 12, eine von unten und die andere von oben;
    • Zusammenfügen der beiden Glasfasermatten, gegebenenfalls unter Hinzufügen einer zusätzlichen Menge des Polyesters, so dass die getränkten Glasfasermatten und der Polyester die gespannten Carbon-Fasern 12 umschliessen; und
    • Erhärtenlassen des Polyesters, so dass die Carbon-Fasern 12 kraftschlüssig im Träger 14 befestigt sind.
    Durch dieses Laminieren bildet der Träger 14 zusammen mit den Carbon-Fasern 12 eine kompakte und robuste Einheit.
  • Fig. 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Zwischenzustands bei der Herstellung einer vorgespannten Betonplatte 20, beispielsweise in einem Fertigteilwerk für Betonplatten. Dabei entspricht der Zwischenzustand einer Anordnung nach Abschluss der Vorbereitungsarbeiten, jedoch noch vor dem Betonieren der Betonplatte 20.
  • Die Anordnung umfasst einen Betoniertisch (nicht dargestellt), einen darauf angeordneten Hohlrahmen 30 und eine Vielzahl von identischen, erfindungsgemässen Armierungselementen 10 (teilweise nur schematisch angedeutet). Der Hohlrahmen 30 bildet zusammen mit der Oberfläche des Betoniertischs eine Gussform für den Beton, auch Spannbett genannt.
  • Die Armierungselemente 10 weisen jeweils eine Vielzahl von Carbon-Fasern 12 (der Übersicht halber sind teilweise nur die aussenliegenden Fasern dargestellt) und zwei Träger 14 auf und entsprechen in ihrem Aufbau weitgehend den Armierungselementen 10 gemäss Fig. 1. In diesem Beispiel beträgt die Länge der Carbon-Fasern 12 jedoch ca. 20 m und die Breite der Träger 14 ca. 1 m. Der Armierungsabstand entspricht dem vorangehenden Beispiel, d.h. wie bei Fig. 1 ca. 10 mm, so dass auf den Trägern 14 jeweils ca. 100 Carbon-Fasern 12 befestigt sind.
  • Beim Anordnen der Armierungselemente 10 werden die Träger 14 jeweils auseinandergezogen, so dass sich die Carbon-Fasern 12 im Hohlrahmen 30 im gestreckten Zustand befinden. Dabei werden die Carbon-Fasern 12 durch den Hohlrahmen 30 nach aussen geführt, so dass sich die Enden der Carbon-Fasern 12 und die Träger 14 ausserhalb des Hohlrahmens 30 befinden, beispielsweise mit 30 cm Abstand vom Hohlrahmen 30. Bei einem zweiteiligen Hohlrahmen 30 können die Durchlasskanäle auch durch entsprechende Zwischenräume zwischen Unterteil und Oberteil des Hohlrahmens 30 gebildet werden. Dabei ist der Hohlrahmen 30 aus mehreren übereinanderliegenden Leisten aufgebaut, so dass die Carbon-Fasern 12 durch die Zwischenräume der einzelnen Leisten geführt werden können. Die Zwischenräume können zusätzlich mit Moosgummi und/oder Bürstenhaaren abgedichtet sein. In einem Beispiel beträgt die Höhe der übereinanderliegenden Leisten 3 mm, 12 mm und 3 mm.
  • Bei der dargestellten Anordnung liegt die erste Hälfte der Armierungselemente 10 in einer ersten Lage, parallel und benachbart nebeneinander und die zweite Hälfte der Armierungselemente 10 in einer zweiten Lage, ebenfalls parallel und benachbart nebeneinander, jedoch rechtwinklig zu den Armierungselementen 10 der ersten Lage. Die Armierungselemente 10 sind somit in getrennten Lagen übereinandergeschichtet und in den beiden benachbarten Lagen rechtwinklig zueinander ausgerichtet. Die Armierungselemente 10 bilden daher sowohl eine Längsarmierung als auch eine Querarmierung, jedoch ohne individuelle Verflechtung der einzelnen Carbon-Fasern 12.
  • Nach dem Anordnen der Armierungselemente 10 werden die Träger 14 auseinander gezogen, zum Beispiel mit einer Spannvorrichtung, auch Vorspannanlage genannt, oder manuell mit einem Drehmomentschlüssel (nicht dargestellt). Beispielsweise wird eine Spannung von mindestens ca. 30 kN/m oder mindestens ca. 300 kN/m erzeugt, abhängig von den Belastungs-Anforderungen an die Betonplatte (Dimensionierungskraft).
  • Anschliessend an die dargestellte Situation kann in den derart vorbereiteten Hohlrahmen 30 Beton gegossen werden, um die Betonplatte 20 in einem Arbeitsgang zu betonieren.
  • Dabei werden die Teile der gespannten Carbon-Fasern 12, welche sich im Hohlrahmen 30 befinden vom Beton umschlossen und damit einbetoniert. Besonders geeignet ist SCC-Feinbeton (mindestens C30/37 gem. Norm SIA SN505 262) der leicht durch die Zwischenräume der Carbon-Fasern 12 durchfliessen kann. Der Beton kann aber auch durch Spritzen oder Spachteln in den Hohlrahmen 30 eingebracht und durch Vibrieren gleichmässig verteilt werden.
  • Nach dem Aushärten des Betons kann die Betonplatte 20 dem Hohlrahmen 30 entnommen werden. Dabei bilden die einbetonierten Carbon-Fasern 12 die statische Armierung der Betonplatte 20. Die aus dem Beton ragenden Teile der Carbon-Fasern 12 werden an den Rändern der Betonplatte 20 abgebrochen und zusammen mit den Trägern 14 entfernt. In diesem Beispiel ist die hergestellte Betonplatte ca. 6 m x 2.5 m gross und der Armierungsgehalt dieser Betonplatte 20 beträgt mehr als 20 mm2/m Breite. In einem anderen Beispiel ist die hergestellte Betonplatte ca. 7 m x ca. 2.3 m gross.
  • Fig. 4 zeigt eine vereinfachte schematische Seitenansicht eines Trägers 14 gemäss Fig. 2. Dabei münden die Carbon-Fasern 12 geradlinig in den Träger 14. Ferner setzen sich die Carbon-Fasern 12 im Inneren des Trägers 14 geradlinig fort, so dass der Träger 14 eine gradlinige Führung für die Carbon-Fasern 12 bildet. In diesem Beispiel beträgt die Längenausdehnung des Trägers 14 in Richtung der Carbon-Fasern 12 ca. 3 cm.
  • Der Träger 14 kann zusätzlich eine Profilierung 16 aufweisen (gestrichelt gezeichnet). In diesem Beispiel ist auf einer ersten (oberen) Fläche und auf der dazu gegenüberliegenden (unteren) Fläche des Trägers 14 eine zackenförmige Profilierung 16 angeordnet. Diese Flächen sind für das Befestigen des Trägers 14 in einer Spannvorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, beispielsweise durch Festklemmen. Durch die zackenförmige Profilierung 16 wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Träger 14 und der Spannvorrichtung in Form einer Verzahnung erreicht.
  • Fig. 5 zeigt eine Darstellung gemäss Fig. 3, bei den Armierungselementen 10, wird zusätzlich jedoch eine Unterteilung vorgenommen, indem ein Bauschaum 40 (als Wellenlinie dargestellt) als Trennelement sowohl auf den Boden der Hohlform als auch unter und über die Carbon-Fasern 12 geschäumt wird. Durch diese Unterteilung kann keine oder nur eine vernachlässigbare Menge des eingefüllten Betons in jenen Raum eindringen, der durch die Unterteilung ausgefüllt wird. Somit werden lediglich die Teilräume des Hohlrahmens mit den darin befindlichen Faserteilen betoniert. Zudem bietet der Bauschaum 40 eine Fixierung der Fasern während des Betonierens.
  • Nach dem Erhärten des Betons kann die Betonplatte 20 entlang den Bauschaum-Unterteilungen in einzelne Rohplatten gebrochen werden. Diese Rohplatten können dann weiter verarbeitet werden, beispielsweise indem die Rohplatten mit einer Kreissäge in die gewünschte Form gebracht werden.
  • In diesem Beispiel ist die hergestellte Betonplatte ca. 20 m x ca. 20 m gross und deren Dicke beträgt ca. 20 mm. Durch das Trennen der Betonplatte 20 gemäss der Unterteilung mit dem Bauschaum 40 ergeben sich 24 kleinere Platten mit einer Grösse von ca. 5 m x ca. 3 m. Aus diesen kleineren Platten können dann beispielsweise jeweils 3 Tischtennisplatten gesägt werden.
  • Fig. 6 zeigt eine vereinfachte schematische Seitenansicht eines Trägers 14 gemäss Fig. 2, wobei dieser jedoch ein Mittel zur Kraftverteilung in Form einer Krümmung 18 aufweist. Die Carbon-Fasern 12 münden geradlinig in den Träger 14 und verlaufen dann im Inneren des Trägers 14, der Krümmung 18 des Trägers 14 entsprechend, ebenfalls mit einer Krümmung. Dabei sind die Carbon-Fasern 12 im Eintrittsbereich des Trägers 14 derart befestigt, dass sich die Carbon-Fasern 12 über eine Distanz d von 10 mm weitgehend geradlinig in den Träger 14 fortsetzen. Durch diese Form wird sowohl eine gute Einleitung der Fasern in den Träger 14 als auch eine gleichmässig Verteilung der aufzunehmenden Kräfte erreicht.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines vorgespannten Betonbauteils (20), umfassend, bevorzugt in der folgenden Reihenfolge, die Schritte:
    - Bereitstellen mindestens eines Armierungselements (10) umfassend eine Vielzahl von Fasern (12) und mehrere Halteelemente (14), welche durch die Fasern (12) miteinander verbunden sind, so dass die Fasern (12) mittels der Halteelemente (14) in ihrer Längsrichtung (T) gespannt werden können,
    wobei die Fasern (12) durch Laminieren oder durch Laminieren und Klemmen an den Halteelementen (14) befestigt sind;
    - Spannen der Fasern (12) des Armierungselements (10) durch Auseinanderziehen der zugehörigen Halteelemente (14) in ihre Längsrichtung (T); und
    - Betonieren des Betonbauteils (20) unter zumindest teilweisem Einbetonieren der gespannten Fasern (12).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen des mindestens einen Armierungselements durch Anordnen mehrerer Armierungselemente (10) in mindestens einer Lage erfolgt, insbesondere durch weitgehend paralleles und/oder benachbartes Nebeneinanderlegen, und/oder wobei das Bereitstellen des mindestens einen Armierungselements (10) durch Anordnen der Armierungselemente (10) in mindestens zwei Lagen erfolgt, wobei die Ausrichtung der Armierungselemente (10) in benachbarten Lagen in einem Winkel, insbesondere weitgehend rechtwinklig, erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Spannen der Fasern (12) des Armierungselements (10) durch abschnittsweises Spannen, insbesondere individuelles Spannen für jedes der verwendeten Armierungselemente, erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfassend:
    - Einbringens eines Trennelements, insbesondere eines Schaums (40) oder eines festen Materials wie insbesondere Kautschuk oder Styropor, vor dem Betonieren des Betonbauteils (20).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (12):
    - individuelle Fasern sind; und/oder
    - ein oder mehrere Rovings, insbesondere Carbon-Rovings, umfassen; und/oder
    - eine Netto-Querschnittsfläche von kleiner 5 mm2 aufweisen; und/oder
    - in den Halteelementen (14) eine im Wesentlichen ebene Lage bilden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halteelemente (14) Führungselemente für die Fasern (12) aufweisen, insbesondere eine Klemmvorrichtung und/oder einen Träger zum Laminieren der Fasern (12) im Endbereich, weiter insbesondere eine faserverstärke Polymer-Matrix, weiter insbesondere eine Polyester-Matrix.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannen der Fasern (12) mit einer Spannung von ca. 50% bis ca. 95% der Bruchspannung der Fasern, insbesondere mit mindestens ca. 80% der Bruchspannung der Fasern, weiter insbesondere mit mindestens ca. 90% der Bruchspannung der Fasern, erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei:
    - die Fasern (12) in den Halteelementen (14) weitgehend parallel zueinander angeordnet sind; und/oder
    - die Fasern (12) in den Halteelementen (14) weitgehend gleichmässig beabstandet zueinander angeordnet sind; und/oder
    - der Armierungsabstand ca. 5 mm bis ca. 40 mm, insbesondere ca. 8 mm bis ca. 25 mm, beträgt; und/oder
    - in den Halteelementen (14) jeweils mindestens 10, insbesondere mindestens 40, Fasern (12) befestigt sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (12) derart an den Halteelementen (14) befestigt sind, dass sich die Fasern (12) im gespannten Zustand weitgehend geradlinig in den Halteelementen (14) fortsetzen, insbesondere über eine Distanz (d) von mindestens ca. 5 mm, weiter insbesondere mindestens ca. 10 mm.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halteelemente (14) ein, insbesondere quer zur Richtung der Fasern (12) verlaufendes, Mittel zur Kraftverteilung aufweisen, insbesondere eine Krümmung (18) und/oder eine Profilierung (16).
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Armierungselement (10) die Form einer Harfe aufweist und kein Gitter ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bereitstellen mindestens eines Armierungselements (10) umfasst:
    - Bereitstellen von gespannten Fasern (12) durch gemeinsames Ausziehen einer Vielzahl von untereinander beabstandeten Fasern (12); und
    - Befestigen eines Halteelements (14) an den gespannten Fasern (12) durch Laminieren oder Klemmen und Laminieren, um die Fasern (12) in ihrer gegenseitigen Anordnung, insbesondere bezüglich Abstand und/oder Ausrichtung, zu fixieren, wobei das Befestigen des Halteelements (14) insbesondere während des gemeinsamen Ausziehens der Fasern (12) erfolgt, weiter insbesondere durch Bewegen des Halteelements (14) im Gleichlauf zur Bewegung der Fasern (12) .
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei nach dem Befestigen des Halteelements (14) an den gespannten Fasern (12) das Haltelement durchtrennt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Betonieren des Betonbauteils (20), die aus dem Beton ragenden Teile der Fasern (12) an den Rändern des Betonbauteils (20) abgebrochen und zusammen mit den Halteelementen (14) entfernt werden.
  15. Betonbauteil (20), insbesondere Betonplatte, mit einer Vielzahl von in ihrer Längsrichtung (T) gespannten Fasern (12), wobei:
    - die Vorspannung der Fasern insbesondere mindestens 50% der Bruchspannung der Fasern (12) beträgt; und/oder
    - die Fasern (12) eine Netto-Querschnittsfläche von kleiner 5 mm2 aufweisen; und/oder
    - die Fasern mindestens eine im Wesentlichen ebene Lage bilden; und/oder
    - die Fasern mindestens zwei Lagen bilden, wobei die Ausrichtung der Fasern in benachbarten Lagen in einem Winkel erfolgt; und/oder
    - die Dicke des Betonbauteils im Bereich von ca. 10 mm bis 60 mm, insbesondere von ca. 15 mm bis 40 mm, liegt; und/oder
    - der Armierungsabstand kleiner oder gleich der doppelten Dicke des Betonbauteils ist; und/oder
    - die flächenmässige Ausdehnung des Betonbauteils mindestens ca. 10 m x 5 m, insbesondere mindestens ca. 10 m x 10 m, weiter insbesondere mindestens ca. 15 m x 15 m, beträgt.
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