NO315951B1 - Forankringssystem for höyytelsesfiberkomposittkabler - Google Patents

Abstract

Et konisk forankringssystem for forankring av et eller flere belastede, spente eller forspente strekkelementer (9) omfatter en konisk ankerhylse og et i hylsen passende forankringslegeme (7), som holder strekkelementet/strekkelementene. Grenseflaten mellom forankringslegemet og hylseveggene er hovedsakelig utformet fritt glidende. For å forhindre utriving av strekkelementene fra forankringslegemet henholdsvis en bryting av selve forankringslegemet, øker gradient-materialets, som danner forankringslegemet, stivhet fra strekkelementets inngang i konusen, dvs. fra front området til den bakre del av ankerkonusen. Derved oppnås en vesentlig bedre fordeling av skyvspenningen langs strekkelementets eller strekkelementenes overflate enn dersom forankringslegemets stivhet stort sett er lik.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et konisk forankringssystem for forankring av ett eller flere belastede, spente eller forspente strekkelementer, omfattende en konisk ankerhylse og et i hylsen passende forankringslegeme, hvilket forankringslegme, som oppviser en langs hylseveggene hovedsakelig fritt glidende overflate, og en fremgangsmåte for fremstilling av et slikt konisk forankringssystem samt en fremgangsmåte for inn-hylling henholdsvis belegning av fyllstoffpartikler for anvendelse i et forankringssystem.

Siden 50-tallet har den sveitsiske bygningsindustrien hatt en særstilling i verdensmålestokk på området forspenningsteknikk. Fra dette fagområdet ble i de sene 60-årene spesialområdet parallelltråd henholdsvis tvunnet ledningstrådbunt for avstivede konstruksjoner utviklet. Skråstag-broen Mannheim-Ludwigshafen og olympiataket i Miinchen er pionereksempler på dette. Den tekniske utviklingen av kullfiberforsterkede kunststoffer, som ble utløst av luft- og romfarten, samt den sterke prisreduksjonen på kullfibre i de foregående år gjorde det nærliggende å studere bruk av parallelltrådbunter med kullfibertråder innenfor bygnings-ingeniørvesenet. Spesielt tilbød det seg dermed en egnet erstatning for de tunge og korrosjonsutsatte stålkablene i forspente henholdsvis avstivede konstruksjoner.

Kravene, for eksempel for skråstagbrokabler til et stivt, fast, lett, korrosjonsbestandig og over lengre tid stabilt materiale med høy utmattelsesfasthet som erstatning for stålkabler førte fornuftig nok til kullfiberforsterkede epoksyharpikser. Fiberlaminatmaterialer er svært fordelaktige, da de kombinerer en høy fasthet og lav brutto tykkelse, hvorved samtidig stålkablenes tilbøyelighet til korrosjon bortfaller.

Den grunnleggende problemstilling er å forankre kullfiberforsterkede strekkstaver ved erstatning av stålkabler i avstivede konstruksjoner i form av tråder og kabler så pålitelig at de høye statiske fasthetene og utmattelsesfasthetene optimalt kan utnyttes. Ved strekkforsøk bør bruddet finne sted på den frie strekningen og ikke i forankringen. I bunn og grunn dreier det seg her altså om et forbindelsesproblem, og det spesielt om forbindelsen mellom tråd og forankring, henholdsvis ved den som regel valgte koniske forankringen om forbindelsen mellom tråd- og forankringslegemet.

I de siste årene er det viet tid på forskjellige forsknings- og utviklingsarbeider vedrørende forankring av forbindelsesmaterialstrekkelementer. De fleste av disse arbeidene har konsentrert seg om glassfiberforsterkede strekkstaver og aramidstrenger, hvorved følgende skal siteres: Mitchell et al, 1974; Kepp, 1985; Walton & Jeung, 1986; Burgoyne, 1988; og Dreessen, 1988. For hovedbæreelementer i ikke-forspente konstruksjonsdeler oppviser imidlertid glass- og aramidforbindelsesmaterialer en for lav stivhet, og det er derfor nødvendig å anvende kullfiberforsterkede (CFK) materialer. Noen arbeider er også gjennomført på CFK-strekkledd, hvorved følgende skal nevnes: Walton & Yeung, 1986 og Yeung & Parker, 1987. Imidlertid synes ikke resultatene å være så vellykkede at de pålitelig kan overføres til konstruksjonsanvendelser i større målestokk.

Fra FR-A-2251682 er det kjent et forankringssystem med en fastklemmingskonus, med kabelsidig anordnete riller, henoldsvis en skruegjenge. Rillene, henoldsvis gjengene oppviser dels fra front- til bakside av fastklemmingskonusen stadig større avstand og/eller hardheten tiltar hos de fremstående, rundt om løpende gjenger eller riller fra front- til bakside. Det foreslåtte forankringssystem er ikke på noe vis egnet for forankring eller forspenning av kullstoffiberforsterkede kombinasjonskabel, henholdsvis tråder, idet de foreslåtte riller, henholdsvis gjenger for forankring av kabel, henholdsvis tråder skader disse på deres overflate, hvilket kan føre til brudd og avriving av tråden på trådoverflaten, henholdsvis inne i tråden.

Hovedmålet ved utformingen av et ankersystem er oppnåelsen av en gunstigst mulig spenningsfordeling, og i strekkforsøk å forskyve trådbruddet til den frie strekningen og å redusere forankringssystemets tendens til å krype. I prinsippet kan eksisterende forankringssystemer inndeles i tre kategorier: Klemforankring, klebede forankringer og koniske forankringssystemer. Stålkabel- og glassfiberstaver kan forankres med alle tre systemene, hvorved i praksis presshylser hyppigere er i bruk for mindre strekkelementer, mens støpte forankringer for det meste anvendes for større kabler. For CFK-staver og -kabler foretrekkes som regel koniske støpte for-ankringssystemer. Ankersystemet består i prinsipp av fire deler: 1. Ankerhylsen, som er forbundet med konstruksjonen ved hjelp av opplagring eller gjenge,

2. strekkelementet eller strekkelementene, som skal forankres,

3. forankringslegemet, som sikrer kraftoverføring fra trådene til ankerhylsen, og

4. glidefilm mellom ankerhylsen og forankringslegemet.

Ankerhylsen fremstilles vanligvis av stål. Den kan imidlertid også lages av fiberlaminatmaterialer eller som med fiberlaminatmaterialer forsterket stålankerhylse. Den tjener også som form for fremstillingen av forankringslegemet. Forankringslegemet selv er en kritisk del av systemet. Den må danne en god forbindelse med strekkelementet, for å kunne overføre den innledede kraften fullstendig til ankerhylsen. Belastningsforsøk viser som regel de første skadene i den fremre del av ankeret. Med "fremre" betegnes den del av ankeret der strekkelementet forlater dette i retning av det frie strekket. Slik utvikler for eksempel ved en utilstrekkelig forbindelse mellom strekkelementet og forankringslegemet, det seg riss langs trådoverflaten eller inne i tråden, som fører til brudd i grensesjiktet mellom tråd og forankringslegeme og forårsaker en såkalt trådglidning. Ved trådglidningen utbrer det første risset ved ankerets fremre del seg langs hele trådens lengde. Foruten de med trådglidningen forbundne skyvbruddflatene kan også strekkbrudd observeres, hvilke er orientert loddrett på strekkelementet/ elementene i forankringslegemet, slik som vist i figur 1 i de vedlagte figurene.

Den foreliggende oppfinnelses oppgave består i å foreslå en forankring av slanke, trådaktige strekkelementer i et konisk ankersystem, slik at ved strekkforsøk skjer brudd i de slanke strekkelementene som tråder på det frie strekket og ikke i selve ankersystemet. Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes forankringssystemet ved det som fremgår av vedlagte krav 1.

Ytterligere utførelsesformer av systemet fremår de respektive, underordnete krav 2-9.

Fremgangsmåten or fremstilling av forankringssystemet kjennetegnes ifølge oppfinnelsen ved det som fremgår av vedlagte krav 10.

Ytterligee utførelsesformer av fremgangsmåten framgår av de respektive underordnete krav 11-13.

Undersøkelser ved ankersystemer har vist at i tilfellet av en konstant systemstivhet over forankringens fulle lengde opptas den største andelen av strekklasten ved ankerets fremre del. Dette ytrer seg i en skarp spenningsspiss i skyvspenningsprofilen, slik som det er vist i figur 2 i de etterfølgende figurer. For en jevnere spenningsfordeling må altså forankringslegemet ha en varierende stivhet, med en ved ankerets fremre del svært lav og bakover, dvs. mot strekkelementets ubelastede ende, sterkt tiltagende stivhet. Variasjon i systemstivhet for ankeret kan, som foreslått ifølge oppfinnelsen, styres på forskjellige måter, spesielt ved

- en variasjon av materialstivheten, dvs. E-modulen for forankringslegemet, samt

- en avsmalning av ankerkonusen forover, dvs. ved trådens innløp i ankeret, samt

- en variasjon av ankerhylsens stivhet.

Selvfølgelig gjelder også en kombinasjon av de tre foreslåtte tiltak.

Ved at gradientmaterialet som danner forarikringslegemets E-modul øker fra strekkelementets eller strekkelementenes innløp i konusen, dvs. fra frontområdet, til konusens bakre del, kan det oppnås at det i forankringen for det slanke strekkelementet henholdsvis tråden henholdsvis trådene oppnås en jevnest mulig skyvspenningsfordeling over ankerlengden, hvorved den ideelle skyvspenningsfordelingen ikke oppviser noen sterke spisser eller gradienter og faller mot strekkelementets henholdsvis strekkelementenes frie ubelastede ende.

For fremstilling av ankerlegemer for parallelltråder henholdsvis parallelle tvunnede bunter av de forskjelligste materialer egner spesielt ankerfyllmasse seg, bestående av en bindemiddelmatrise, slik som spesielt en kunststoffharpiks og minst et fyllstoff, hvorved den ovenfor nevnte foreslåtte forskjellige stivheten, dvs. E-modulen for forankringslegemet ifølge oppfinnelsen følger av forskjellig fyllgrad, forskjellig geometri på fyllstoffet og/eller ved forskjellige stivheter henholdsvis hardheter for fyllstoffet. Selv-følgelig kan den forskjellige stivheten også oppnås ved hjelp av bindemiddelmatrisen, idet for eksempel et hovedsakelig duromert polymer-system, som en kunstharpiks, med forhøyede andeler av plastifisermidler i ankerkonusens frontområde, fleksibilisatorer, mykgjørere og i polymeren innbygde elastomer-blokker er tilsatt.

Spesielt ved anvendelsen av kullfibertråder må en metallisk støp eller klemanordninger av praktiske grunner utelukkes, da begge forankringstyper ville føre til beskadigelse av trådene, på den ene siden ved støpelegeringens varme og på den andre siden på grunn av den høye og ikke alltid radielle tverrpressingen. Av denne grunn skal et kunststoff-ankersystem fortrinnsvis anvendes, hvorved spesielt epoksyharpikssystemer, polyuretanharpiks, men også anvendelse av termoplastiske plaster, som polyetereterketon, polysulfon, polykarbonat eller polymetylmetakrylat har vist seg fordelaktige. Fordelen ved epoksyharpikssystemet ligger i at allerede på grunn av harpikssystemet kan fastheten reduseres ved anvendelse av fleksibilisatorer, plastifiseirngsmidler, osv., mens på den andre siden svært høye fasthetsverdier kan oppnås ved anvendelse av høyfornettede epoksyharpikssystemer. I praksis har det vist seg fordelaktig når forarikringslegemets stivhet i et støpeforankirngssystem øker fra frontområdet mot den bakre avslutningen med en faktor i området ca. 20 til ca. 300,

fortrinnsvis med en faktor på ca. 80 til 100.

Videre har det vist seg som fordelaktig når ankerkonusen oppviser en minst mulig åpningsvinkel og det en vinkel i området fra ca. 5° til ca. 15°. Med andre ord fører også en slank konus til en gunstig spenningstilstand, hvorved åpningsvinkelens nedre grense settes under belastning via den maksimalt tillatelige konusglidningen henholdsvis den maksimale forskyvningen. Når konusvinkelen er for liten har man enten fare for at det skjer en utriving av hele forankringslegemet eller et brudd i ankerhylsen.

En ytterligere faktor som influerer på skyvspenningsfeltet er valget av radius på ankeråpningen ved strekkelementets innløp. Ifølge oppfinnelsen foreslås det at differansen mellom ankeråpningens radius og strekkelementets henholdsvis strekk-elementbuntens ved innløpet oppviser en verdi i området ca. 0,5 til ca. 15 mm.

Som strekkelement har spesielt tråder, bestående av kullfiberforsterket epoksyharpiks vist seg fordelaktig. Slike kullstofftråder kan sågar fremstilles ved strengtrekkingsfremgangsmåte (pultrusion), idet denne fremgangsmåten er vel kjent innenfor teknikkens stand, hvorfor det her ikke skal gås nærmere inn på en beskrivelse av fremstillingen av kullfiberforsterkede tråder. I stedet for epoksyharpiksmatrisen er også en termoplastisk matrise med for eksempel polyetereterketon mulig.

Som fyllstoff i forankringslegemet egner selvfølgelig et hvilket som helst fyllstoff for polymeranvendte materialer seg, idet spesielt stål, kvarts, glass, gummi og/eller fortrinnsvis aluminumsoksid i form av skrot, sand, kuler, fibre, granulat og lignende kan foreslås. Alt etter anvendt fyllstoff og anvendt mengde kan forarikringslegemets fasthet og stivhet sterkt influeres, idet for eksempel ren polyharpiks kan oppvise en E-modul i området fra ca. 500 til 4000 MPa, mens ved anvendelse av stålskrot eller aluminiumoksid kan verdier på over 100.000 MPa oppnås.

I praksis har det vist seg fordelaktig når forankringslegemet i ankerkonusen oppviser minst to soner med forskjellige stivheter, fortrinnsvis imidlertid ca. tre til fem soner. Her øker stivhetsverdiene i de forskjellige sonene fra ankerkonusens frontområde til det bakre området. Selvfølgelig er idealtilfellet at stivheten fra frontområdet til det bakre avsnittet øker konstant henholdsvis kontinuerlig, i praksis er dette imidlertid kun mulig med høye kostnader, og i tillegg tilveiebringer allerede valget av tre til fem soner en tilstrekkelig fordeling av skyvspenningen, noe som likeledes vises i de etterfølgende eksempler og figurer.

Ved den foreslåtte fremgangsmåten for fremstilling av et konisk forankringssystem har det vist seg problematisk å fylle fyllstoffet inn i konusen ved fremstilling av støpet, slik at de minst tre til fem sonene med forskjellige stivheter dvs. E-modul, kan oppnås. Anvendes for eksempel et svært fint fyllstoff, er fordelingen av fyllstoffet i det relativt myke frontområdet dårlig, mens ved anvendelse av et relativt grovt henholdsvis stor-volumig fyllstoff kan en myk sone knapt fremstilles. Av denne grunn foreslås det videre ifølge oppfinnelsen å omhylle henholdsvis belegge fyllstoffet før fylling av ankerfyllmassen for fremstilling av forankringslegemet, forskjellig sterkt med bindemiddel. Deretter fylles i ankerkonusens frontområde sterkt innhyllet henholdsvis belagt fyllstoff sammen med bindemiddelet i ankerhylsen henholdsvis det hule legemet, mens det i det bakre området anvendes ikke eller kun svakt innhyllet eller belagt fyllstoff. Belegningen av fyllstoffet kan for eksempel skje ved hjelp av hvirvelsintring. Ved denne fremgangsmåten kan også forarikringslegemets svinn i den fremre delen sterkt reduseres. Ifølge en variant av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har det vist seg fordelaktig å gjennomføre hvirvelsintringen av fyllstoffet i en såkalt hvirvelsjiktgranulator eller en skyttel- eller biaksialblander, hvorved for eksempel aluminiumoksidpartikler innhylles henholdsvis belegges med et epoksyharpikssystem.

Oppfinnelsen vil nå forklares nærmere i det etterfølgende som et eksempel og under betraktning av de medfølgende figurer.

Her viser:

Figur la skjematisk, i snitt, en ankerkonus med vinkelrett på strekkelementet opptredende strekkriss i forankringslegemet, slik de typisk opptrer ved en utilstrekkelig stivhetsavtrinning,

figur lb i lengdesnitt en analog ankerkonus som i figur la, imidlertid med skjematisk fremstilte opptredende brudd i trådens overflatesjikt og grensesjiktet mellom tråden og forankringslegemet,

figur 2 i diagramform, skyvspenningsfordelinger langs et strekkelement i et forankringslegeme,

figurene 3 a til 3c innflytelsen av tre stivhetsavtrinninger i forankringslegemet med en mykere sone ved den fremre delen av forankringen på skyvspenningsfordelingen på et

strekkelements overflate,

figurene 4a til 4c innflytelsen av den graderte og dermed ideelle stivhetsfordelingen i forankringen på skyvspenningsfordelingen på strekkelementets overflate, og figur 5 et lengdesnitt gjennom et forankringslegeme ifølge oppfinnelsen, hvorved det i forankringslegemet anvendte fyllstoffet er forskjellig sterkt omhyllet henholdsvis belagt med bindemiddel. Foran belegges fyllstoffet tykkere enn bak.

I figurene la og lb er i snitt mulige skadebilder vist, slik de kan oppstå ved forankringer av kullfibertråder i et støpt ankersystem. Det støpte ankersystemet 1 omfatter her en hylse 3 av stål, som aksielt innenforliggende oppviser en konisk forløpende boring. I denne konusen er det innlagt et motsvarende konisk utformet forankringssystem 5, bestående av det graderte forankringslegemet 7 og kullfibértrådene 9 som skal holdes i dette, av hvilke for enkelthets skyld kun en enkel tråd er vist. På overgangsflaten 11 mellom forankringslegemet 7 og hylsen 3 bør friksjonen være minst mulig, idet enten et delemiddel er påført hylsens 3 innside eller forankringslegemet 7 for eksempel er belagt med en teflonfolie. Dette er vesentlig slik at de to legemene fritt kan forskyves i forhold til hverandre. Forankringslegemet 7 forsterkes som regel på denne grenseflaten med vev av kull, glass eller aramidfibre.

Ved opptreden av en strekkraft F i kullfibértrådene 9 oppstår det som regel to mulige skadebilder, hvilke er skjematisk vist i figurene la og lb. I figur la viser tverriss 13 seg i forankringslegemet 7, hvilke som regel opptrer i forankringslegemets frontområde. En annen årsak til for tidlig svikt i forankringen kan ligge i opptreden av et såkalt glide-brudd, idet det opptrer riss henholdsvis brudd 15 henholdsvis 17 på grensesjiktet mellom tråd og ankerfyllmasse eller også i trådens overflatesjikt. Bruddforløpet er slik at først opptrer et første riss 15 i det første området A, hvilket deretter relativt hurtig fortsetter med økende fart til området B. I begge de viste tilfellene, dvs. så vel i figur la som i figur lb, opptrer de første skadene i den støpte konusens 5 frontområde, åpenbart fordi det ved forhøyet strekkraft F i dette området opptrer en spenningskonsentrasjon.

Denne antagelsen bekreftes ved hjelp av skyvspenningsfordelingsdiagrammet i figur 2, der skyvspenningen på forankringslegemets 7 lengde er vist langs kulltrådens 9 overflate. Kurven 18 i figur 2 viser den registrerte spenningsfordelingen i et vanlig, ikke gradert støpt ankersystem langs en forankret kulltråds overflate. Derimot viser kurven 19 den ideelle spenningsfordelingen, slik at det ikke er noen forhøyet tilbøyelighet til brudd henholdsvis riss i ankerfyllmassen slik også langs kulltrådens overflate i anker-systemets frontområde. For oppnåelse av en mer eller mindre ideell spenningsfordeling langs en kulltråds eller kuUtrådbunns overflate foreslås det nå ifølge oppfinnelsen at stivheten i ankerfyllmassen øker fra støpeankersystemets frontområde til det bakre område. Et slikt foreslått støpeankersystem ifølge oppfinnelsen skal nå forklares nærmere ved hjelp av figurene 3 og 4.

Det tas utgangspunkt i tråder, bestående av kullfiberforsterket epoksyharpiks, hvorved trådene er fremstilt ved såkalt strengtrekkingsfremgangsmåte (pultrusion). Her avrulles fiberrovinger for eksempel fra firmaet Toray Industries, Japan, type T 700, fra spoler og trekkes gjennom et epoksyharpiksbad. Som epoksyharpiksmatrisesystem velges systemet Araldit LY 556/HY 917. Fiber/harpiksbunten formes henholdsvis trekkes ved samtidig geledannelse av harpiksen i en herdingsform til den ønskede profilen. Ved hjelp av en avtrekkingsanordning trekkes trådene gjennom herdeovnen og skjæres deretter i seks meter lange avsnitt. Syv og syv tråder sammenfattes i en bunt og støpes i en ankerkonus ved hjelp av en fylt epoksyharpiksmasse, hvorved fyllingen av ankerkonusen kan skje ved hjelp av konvensjonelle metoder, som for eksempel ved injeksjon under vakuum. Som ankerfyllmasse anvendes på ny et Araldit<®> epoksyharpikssystem fra firmaet Ciba-Geigy med harpikskomponenten CY 205/CY 208, der ved forskjellige forsøk forskjellige mengder av en harpiks HY 917 og en fleksibilisator DY 070 tilføres. Dermed oppnås i det omfylte epoksyharpikssystemet E-modulverdier i området fra 400 til 800 MPa inntil verdier på 3500 til 4300 MPa. Som fyllstoff anvendes stålkuler, glassperler samt aluminiumsoksyd fra firmaene Metoxit og av typen Alcoa, hvorved stålets henholdsvis aluminiumoksidets E-modul kan utgjøre inntil 300.000 MPa.

Målet for forsøket var nå, ved forhøyet strekk å legge et eventuelt brudd av kullfibértrådene på det frie strekket, hvorved man da går ut fra at bruddet teoretisk opptrer på det frie strekket ved en strekklast, hvilken utgjør ca. 94 % av summen av de enkelte strekkelementenes enkelstrekklaster. Ved de ovenfor beskrevne kullfiberforsterkede epoksyharpikstråder måles en strekkfasthet på inntil 3300 MPa.

Som det nå er vist i snitt i figur 3a anvendes et forankringslegeme 7 for forankring av kullfiberbunten 9, (fremstilt som en enkel tråd), der tre soner 21,23 og 25 velges med forskjellig henholdsvis fra fronten mot den bakre enden stigende stivhet dvs. E-modul, i ankerfyllmassen. I frontområdet 21 velges en fleksibilisert henholdsvis mykgjort epoksyharpiks som ankermatrise, med en fyllgrad (kortfibre eller andre fyllstoffer) i størrelsesorden på ca. 3 til 10 %, der det valgte fyllstoffet oppviser en relativt liten kornstørrelse. Den slik oppnådde E-modulen ligger alt etter valgt blanding og anvendt

mykgjort epoksyharpiksmatrise i størrelsesorden ca. 500 MPa.

I det deretter følgende avsnittet 23 anvendes en kun uvesentlig mykgjort epoksyharpiks som ankermatrise, der fyllingsgraden ligger i størrelsesorden 10-20 %, med en korn-størrelse på det anvendte aluminumsoksidet på 14 til 28 (siktstørrelse). Den slik oppnådde E-modulen ligger i størrelsesorden alt etter valgt epoksyharpiks og valgt fyll-stoffrnengde mellom 5000 og 15000 MPa. Det bakre området 25 av støpelegemet ble dannet av en ikke-mykgjort epoksyharpiksmatrise, som selv allerede oppviste en E-modul i størrelsesorden 4000 MPa. Fyllgraden i dette området lå mellom 20 og 85 %, idet det ble anvendt grovkornet aluminumsoksid. For å oppnå en svært høy fyllgrad ble relativt lawiskøs harpiksaraldit F anvendt for fremstilling av epoksyharpiksmatrisen. Den slik i området 25 oppnådde E-modulen lå i størrelsesorden ca. 70.000 til 300.000 MPa.

I figur 3b er den tilsvarende E-modulen med hensyn til støpelegemets totallengde vist i relativ størrelsesorden, hvorigjennom økningen av stivheten fra frontområdet til det bakre området av ankersystemet tydelig kan sees.

I figur 3c er den i de enkelte områdene fastslåtte skyvspenningen x vist i avhengighet av ankerkonusens lengde, hvorved det nå tydelig sammenlignet med figur 2 kan sees at det 1 området 21 har innstilt seg en vesentlig lavere spenningskonsentrasjonsspiss.

Figur 4a viser på ny en ankerkonus 5 i hvilken imidlertid en i utstrakt grad trinnløs økning av stivheten, dvs. E-modulen, i forankringslegemet fra frontområdet til det bakre området av ankerkonusen oppnås. Her dannes frontområdet 21 i figur 3 av tre enkelt-områder 21', det deretter følgende området 23 av tre soner 23', mens det bakre området 25 stort sett tilsvarer det i figur 3.

Dermed får man i figur 4b en ytterst jevn økning av E-modulen, som er vist ved hjelp av kurven C. Avtrinningen B tilsvarer den i figur 3b, mens A viser et tilfelle der E-modulen henholdsvis stivheten langs hele ankerkonusen er konstant, respektiv ankerfyllmassen langs hele lengden er homogen.

De tre tilfellene A, B og C er nå i figur 4c vist med hensyn til den beregnede skyvspenningsfordelingen irz, idet i tilfelle av en konstant stivhet av forankringslegemet henholdsvis i tilfelle A den samme skyvspenningsfordelingen viser seg, som vist i figur 2 ved kurven 18. Kurven B tilsvarer skyvspenningsfordelingen i figur 3c, mens nå kurve C viser skyvspenningsfordelingen slik den fremtrer ved ankerkonstruksjonen som er vist i figur 4a.

En sammenligning spesielt av figurene B og C viser at ved den jevne økningen av E-modulen i områdene 21 og 23 knapt en vesentlig forbedring av skyvspenningsfordelingen kan oppnås, hvormed en forhøyet kostnad ved fremstillingen av forankringslegemet henholdsvis ankerkonusen 7 henholdsvis 5 knapt kan rettferdiggjøres.

Strekkforsøk på forankringssystemer fremstilt ifølge oppfinnelsen har da også vist at allerede ved oppdeling av ankerkonusen 5 i tre forskjellige fasthetssoner, dvs. E-modul-soner, av forankringslegemet 7 ville et eventuelt brudd i kullfibértrådene finne sted på det frie strekket. Av denne grunn foreslås det ifølge oppfinnelsen at forankringslegemet minst bør omfatte to, henholdsvis fortrinnsvis tre til fem områder, hvilke oppviser forskjellige stivheter.

Analoge resultater kan oppnås idet for eksempel det fremre området 21 er oppbygget av en med polymergranulat fylt epoksyharpiks med en relativt dyp E-modul. Det bakerste området 25 derimot ble fylt med keramikkgranulat for slik å oppnå en relativt høy stivhet og en høy krypmotstand. Det midtre overgangsområdet 23 ble fylt med en blanding av keramiske og polymere granulater.

Som ankermateriale kunne i stedet for epoksyharpikssystemer selvfølgelig også andre duromere eller termoplastiske systemer anvendes, som spesielt polyuretan eller polyesterharpiksmasser, hvorved spesielt i tilfelle av polyuretanharpikssystemer innstillingen av stivheten er spesielt enkel. For alle duromere systemer gjelder imidlertid prinsipielt at mykheten henholdsvis hardheten kan modifiseres ved tilførsel av mykgjørere, fleksibilisatorer eller sågar elastomere blokker i polymersystemet, mens på den andre siden hardheten henholdsvis stivheten, dvs. E-modulen, sterkt kan forhøyes ved forhøyelse av fornettingstettheten for eksempel ved anvendelse av såkalte Novolac-harpikser.

Analoge forsøk, som beskrevet ovenfor, ble også forøvrig gjennomført med forfrem-stilte forankringslegemer av termo-plastiske eller duromere polymerer, under anvendelse av det samme fyllstoffet som i særdeleshet glass, stål og aluminiumoksid. Spesielt anvendt ble polyetereterketon, polymetylmetakrylat, samt polykarbonat, dvs. termoplastiske polymerer, hvilke oppviser en relativt høy E-modul i området på ca. 2000 til 3000 MPa. Selvfølgelig oppstår det på tross av utformingen av støpelegemet ifølge oppfinnelsen med stigende fasthet, såkalte sprøbrudd i forankringens fremre del ved anvendelse av polymetylmetakrylat og polykarbonat.

Generelt når det gjelder valg av materialer, fyllstoffer og fyllgraden i forankringslegemet skal man i tilslutning til utformingen av stivhetsfordelingen si at de ved opptredende strekkrefter på trådoverflaten opptredende radielle trykk må være tilstrekkelige til å forhøye trådens interlaminare skjærfasthet og forhindre en såkalt utglidning av tråden ut av støpelegemet. På den andre siden må imidlertid ikke stivheten i forankringslegemet være for høy, da ellers de ved strekk opptredende radielle trykk fullstendig opptas av forankringslegemet og ikke overføres av trådoverflaten. Ved de forskjellige forsøkene har det vist seg som fordelaktig når stivhetsverdien i den såkalte myke frontsonen øker mot det bakre området med en faktor på ca. 100. Slik måles i frontområdet stivhetsverdier på ca. 2 til 3 Gapa, mens stivheten i det bakre området kan utgjøre inntil 300 Gapa.

Ytterligere optimaliseringer av utrivningsfastheten for den forankrede kullfibertråden er mulig ved forskjellig dimensjonering henholdsvis utforming av ankerkonusen. Slik er det for eksempel fordelaktig når ankerkonusens vinkel er minst mulig, da en slank konus fører til en gunstig spenningstilstand. Selvfølgelig er vinkelen nedad begrenset ved den tillate konusglidningen henholdsvis ved den maksimale forskyvningen under strekkbelastning. Ved en for liten valgt konusradius blir radiellspenningene for lave, slik at en uttrekking av ankerkonusen av ankerhylsen er mulig, henholdsvis kan hylsen oppbrekke i frontområdet.

En ytterligere optimalisering er mulig, idet radiusen ved kullfibertrådens innløp i ankerkonusen med hensyn til kullfiberbuntens radius velges kun uvesentlig større.

I det øvrige har det videre vist seg at forankringslegemets overflate i den lineært konisk forløpende ankerhylsen ikke har måttet forløpe tilsvarende lineært konisk, men kan være utformet buet avsmalnende mot innløpet. Selvfølgelig endrer denne buede utformingen ikke støpelegemet i oppfinnelsens definisjon med hensyn til at stivheten må øke fra frontområdet til det bakre området i ankerfyllmassen henholdsvis i støpe-legemet.

Ved støping av kullfibertråden i ankerhylsen og den samtidige oppnåelsen av forskjellige stivheter har en ytterligere problematikk oppstått, idet som regel allerede forankringslegemets fyllstoff er inngitt sammen med kullfibertråden i konusen, før fyllingen av konusen med ankermatrisen henholdsvis med epoksyharpiksen under vakuum skjer. På denne måten er det knapt mulig å oppnå en mindre fyllgrad i frontområdet enn i det bakre området, da det ved fyllingen av konusen med fyllstoff før injiseringen av harpiksen som regel kun en jevn fordeling av fyllstoffet oppnås i forankringslegemet.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det videre at fyllstoffet henholdsvis fyllstofFene før fyllingen i ankerkonusen omhylles henholdsvis belegges forskjellig med bindemiddel. Det har vist seg spesielt fordelaktig å belegge fyllstoffet ved hjelp av en såkalt hvirvelsjiktgranulator eller en skyttel- eller biaksialblander med et belegningsmateriale, som for eksempel den som bindemiddel anvendte harpiksen. Her opphvirvles og homogeniseres fint aluminumsoksid eller mineralsk granulat i en blandebeholder med rotasjon av et hvirvelverktøy. Deretter tilføres belegningsmaterialet blandebeholderen, hvilket belegmngsmateriale sammenlignet med granulatet oppviser en vesentlig lavere elastisitetsmodul, i størrelsesorden 10 til 1000 ganger mindre. Belegningsmaterialet kan, som forklart ovenfor, være bindemiddelharpikssystemet, hvilket anvendes som ankerfyllmassematrise. Det kan imidlertid her selvfølgelig dreie seg om andre materialer, hvilke oppviser en lavere elastisitetsmodul. Belegningsmaterialet tilføres som regel som tørket eller klebrig pulver eller i løsning eller i kombinasjon til blandebeholderen. Alt etter oppholdstid i hvirvelsjikt-granulatoren eller i en skyttel-eller biaksialblander oppnås en lavere eller større veggtykkelse, med hvilken fyllstoffet omhylles ved hjelp av bindemiddelharpikssystemet. Alt etter anvendte stoffer tørkes eller utherdes det belagte fyllstoffgranulatet deretter i en ovn.

De på denne måten fremstilte fyllstoffene med forskjellige belegningstykkelser kan nå, som vist i figur 5, innføres i den vertikaltstående ankerkonusen, hvorved det i det bakre området praktisk talt innfylles ubelagt fyllstoff, mens det i konusens frontområde innfylles fyllstoff med høyere veggtykkelse av bindemiddelharpiks. Ved bindemiddelharpiks henholdsvis ankermatriseinjeksjonen har man nå ikke lenger fare for at fyllstoffet fordeles homogent i hele ankerkonusen, men, som oppfinnelsen krever, er fyllgraden i frontområdet vesentlig mindre enn i det bakre området. Dermed blir, som oppfinnelsen krever, stivheten i frontområdet lavere og i det bakre området vesentlig forhøyet. Forankringslegemet, vist i figur 5, består også av et såkalt gradient materiale. Fordelen ved anvendelse av belagte fyllstoffer, for eksempel av belagt aluminumsoksid, består i at for eksempel de anvendte ømfintlige kullfibértrådene i det fremre avsnittet ikke kan beskadiges lokalt. Dessuten oppstår det ingen lokale "mikro"-spenningskonsentrasj oner.

Fremstillingen av oppfinnelsen under betraktning av figurene 1 - 5 er selvfølgelig ikke uttømmende beskrevet, da utformingen av forankringssystemet på x forskjellige måter kan modifiseres, varieres eller forandres. Slik er den ovenfor beskrevne oppfinnelsen selvfølgelig ikke innskrenket til anvendelse av kullfibertråder, men lar seg likeledes anvende på ankersystemer, der andre strekkelementer anvendes, som for eksempel ståltau, strekkelementer av aramidfibre, glassfiberstrekkstenger, etc. Også fremstillingen av ankerfyllmassen kan skje på x forskjellige måter, og de forskjellige materialene kan anvendes for fremstilling av forankringslegemet. Praktisk talt samtlige duromere polymersystemer egner seg spesielt godt, mens imidlertid også selvfølgelig termoplastiske støpemasser kan anvendes. Som fyllstoff egner spesielt gummi, stål, mineralske fyllstoffer, aluminumsoksid seg, mens imidlertid i dette henseendet samtlige polymere støpesystemer som vanligvis anvendes som fyllstoff kan anvendes.

Det er vesentlig for oppfinnelsen at stivheten, dvs. E-modulen, i et forankringssystems forankringslegeme øker fra frontområdet til det bakre området av ankerkonusen (gradientmateriale). For slik å fordele skyvspenningsfordelingen langs strekkelementets overflate jevnest mulig, dvs. for å forhindre at det opptrer en sterkt forhøyet spenningsspiss i konusens frontområde.

Det er også vesentlig i andre rekke at forankringslegemets stivhetsvariasjon (gradient-materiale) oppnås ved belegning av fyllstoffet.

Claims (13)

1. Konisk forankringssystem for forankring av ett eller flere belastede, spente eller forspente strekkelementer, omfattende en konisk ankerhylse (3) og et i hylsen (3) passende forankringslegeme (7), som holder strekkelementet eller -elementene, hvilket forankringslegeme oppviser en langs hylseveggene hovedsakelig fritt glidende overflate, karakterisert ved at gradientmaterialet som danner forankringslegemets (7) E-modul øker fra strekkelementets (9) eller strekkelementenes innløp i konusen, dvs. fra frontområdet, til konusens (5) bakre del.

2. Konisk forankringssystem ifølge krav 1, karakterisert ved at forankringslegemet dannes av et gradient materiale, bestående av en bindemiddelmatrise og minst et fyllstoff, hvorved forankringslegemets forskjellige E-moduler kommer av forskjellige fyllgrader, forskjellige geometrier for fyllstoffet og/eller ved forskjellige E-moduler henholdsvis hardheter for fyllstoffet.

3. Konisk forankringssystem ifølge ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at forankringslegemets bindemiddelmatrise er et hovedsakelig duromert polymersystem med i ankerkonusens frontområde forhøyede andeler av plastifiseirngsmidler, fleksibilasatorer, myk-gjørere og/eller i polymeren innebygde elastomerblokker, slik at forankringslegemet i dette området oppviser en lavere E-modul enn i det bakre området.

4. Konisk forankringssystem ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at E-modulen øker med en faktor i området fra ca. 20 til ca. 300 fra frontområdet til ankerkonusens bakre avslutning, fortrinnsvis med en faktor på ca.

100.

5. Konisk forankringssystem ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at ankerkonusen oppviser en åpningsvinkel i området fra ca.

5° til ca. 15°.

6. Konisk forankringssystem ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at differansen mellom radiene til ankeråpningen og strekkelementet henholdsvis strekkelementbunten ved strekkelementets innløp oppviser en verdi i området fra ca. 0,5 til ca. 15 mm.

7. Konisk forankringssystem ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at strekkelementet eller strekkelementene består av en eller flere tråder av kullfibre, der fortrinnsvis et epoksyharpikssystem anvendes som bindemiddelmatrise i trådene.

8. Konisk forankringssystem ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at fyllstoffet i forankringslegemet foreligger som stål, kvarts, glass, gummi og/eller fortrinnsvis aluminiumoksid i form av skrot, sand, kuler, fibre, granulat og lignende.

9. Konisk forankringssystem ifølge ett av kravene 1-8, karakterisert ved at forankringslegemet oppviser minst to soner med forskjellige E-moduler, fortrinnsvis ca. 3 til 5 soner, der E-modulen i de forskjellige sonene øker fra ankerkonusens frontområde til det bakre området.

10. Fremgangsmåte for fremstilling av et konisk forankringssystem ifølge ett av kravene 1 - 9, karakterisert ved at ankerhylsen (3) eller et hullegeme med tilsvarende geometri belegges med et delemiddel, at strekkelementet (9) eller strekkelementene deretter innføres i hylsen, hvorpå hylsen oppfylles med et gradient-materiale, idet det ved økende fylling av gradientmateriale med fyllstoff med høyere E-modul fra konusens (5) frontområde til det bakre området oppnås en økende E-modul av forankringslegemet (9) fra frontområdet til den bakre delen.

11. Fremgangsmåte ifølge 10, karakterisert ved at fyllstoffet før fyllingen av forankringslegemet omhylles henholdsvis belegges forskjellig sterkt med bindemiddel, idet i frontområdet sterkt omhyllet henholdsvis belagt fyllstoff fylles sammen med bindemiddelet i ankerhylsen henholdsvis det hule legemet og i det bakre området ikke eller kun svakt omhyllet eller belagt fyllstoff.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at fyllstoffet belegges henholdsvis omhylles ved hjelp av hvirvelsintring.

13. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 11 eller 12, karakterisert ved at belegningen henholdsvis omhylningen med bindemiddel skjer ved hvirvelsintring i en såkalt hvirvelsjiktgranulator eller en skyttel- eller biaksialblander, idet fortrinnsvis aluminiumoksidpartikler omhylles henholdsvis belegges med et epoksyharpikssystem.