NO320965B1 - Armeringsstenger av komposittinateriale, overflatemonster - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om armeringsstenger av komposittmateriale og spesielt om overflatemønsteret på slike stenger.

Armeringsstangen i henhold til oppfinnelsen kan formes i en formingsprosess ved profiltrekking, stangpressing eller støping, eller en kombinasjon av disse, av kontinuerlig fiber og matriks (resin) i en prosess med en enkelt prosesslinje eller i kombinasjon med en prosess i en annen linje. I formingsprosessen lages stangen med minst 50 vektprosent armeringsfibret og en matriks som impregneres i fibrene med et bad, ved sprayinjeksjon eller trykk.

Komposittstenger av ovennevnte type brukes til å styrke og avstive forskjellige produkter og konstruksjoner som lages av slike materialer som metall, betong, tre, plast, stein, keramikk og kombinasjoner av disse hvor det kreves tilstrekkelig bindkraft mellom stengene og materialet for å oppnå strukturell funksjonalitet og optimalisering av slankhet, vekt, størrelse og pris. Men dette oppnås ofte på bekostning av styrke, stivhet eller fare for oksidasjon for eksempel av stål og andre metaller som gir problemer med korrosjon, misfarging og dermed tap av strukturstyrke. Av og til når det brukes metaller til å styrke eller avstive produktene, oppstår det problemer med forlengelse eller variasjoner i materialets fysiske oppførsel som fører til sprekkdannelse eller utilstrekkelig bindkraft mellom produktets materiale og de styrkende elementene, d.v.s. armeringsstengene.

Armeringsmaterialet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er en kontinuerlig fiber- og matrikskompositt som ofte kalles FRP (Fibre Reinforced Polymer - fiberforsterket polymer) og som brukes i en rekke forskjellige bygningsmaterialer på grunn av ypperlige og fleksible fysiske materialegenskaper som høy spesifikk styrke, lav vekt, ingen eller lav elektrisk ledningsevne, ikke-magnetiske egenskaper, høy motstand mot syre og klorider eller aggressivt miljø, samt formbarhet og formgivning. Som nevnt er stål og metaller generelt utsatt for oksidasjon som fører til korrosjon av og rust på jernholdige metaller på grunn av hydroksider av jern og oksider fra atmosfærisk oksygen i nærvær av vann. Så lenge pH holdes sterkt alkalisk (pH 12-14) i kombinasjon med svært god støpebetongkvalitet, holder stålet seg passivt overfor korrosjon. Lav pH, lav betongkvalitet, utilstrekkelig produktkvalitet, dårlig utførelse av arbeidet eller kontakt med sterk syre kan føre til at betongsonen rundt det armerende kamstålet blir gjennomtrengelig for f.eks. klorioner fra saltforurensede aggregater, veisalt, marint miljø, sjøvann, karbonisering, C02, oksygen og fuktighet. Dessuten kan forhold som kan føre til kjemisk forringelse av betongen, f.eks. ved sulfat- eller syreangrep, eller mekanisk forringelse av betongen ved frysing og tining i våt eller fuktig tilstand, føre til rust og korrosjon av stålet i armeringen, sprekkdannelse i betongen og tap av strukturstyrke. Når armeringen begynner å korrodere (ruste), vil jern(ll)oksidet utvide seg og gi opphav til indre spenninger som fører til at det oppstår sprekker i betongen. Betongen vil falle av, stålet i armeringsstengene vil bli utsatt for atmosfæren og miljøet som førte til korrosjonsprosessen, prosessens hastighet vil øke ytterligere, strukturen taper styrke og kan i verste fall falle sammen.

Kontroll av disse parameterne er vanskelig og dette fører til betydelige økonomiske og strukturelle problemer for betongbygninger over hele verden. Mangelen på andre alternative armeringsmaterialer har ofte ført til misbruk av armeringsstenger av stål i betongstrukturer.

Som nevnt er armeringsstenger av komposittmateriale kjent fra før og er brukt til en viss, begrenset grad. Slike kjente stenger hemmes imidlertid av en vesentlig ulempe, nemlig at bindkraften mellom produktets materiale (betong) og den styrkende stangen (FRP-stangen) varierer gjennom stangens lengde. Det faktum at tradisjonelle stenger utformes med sirkulært tverrsnitt gjør det også vanskelig å gi overflaten den nødvendige ruheten.

I søkerens egen WO 03/050364 er det beskrevet en armerende komposittstang hvor stangen er av rektangulær eller fortrinnsvis kvadratisk form med avrundede hjørner, og hvor stangen under produksjonsprosessen er forsynt med et overflatemønster som består av mange forsenkninger, fordypninger eller uthulninger formet i en tekstur.

Med den foreliggende oppfinnelsen er det frembrakt en armeringsstang av komposittmateriale med ypperlige bindkraftegenskaper og den nødvendige overflateruheten er frembrakt på en enkel og billig måte.

Oppfinnelsen er karakterisert ved at overflaten av armeringsstangen forsynes med et mønster i form av mange fremspring, slik at vinkelen, (a), mellom den generelle overflaten av stangen og flanken av det individuelle fremspringet ligger mellom 50s og 60° som definert i det medfølgende selvstendige patentkravet 1.

De avhengige patentkravene 2-10 definerer foretrukne realiseringer av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen beskrives videre nedenfor ved hjelp av eksempler og med henvisning til illustrasjonene, hvor

Fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av en apparatur som kan brukes til å

produsere en armeringsstang i henhold til den foreliggende oppfinnelsen,

Fig. 2 viser et eksempel, delvis i perspektiv, på et verktøyselement i henhold til den foreliggende oppfinnelsen som brukes til å lage mønsteret på overflaten av armeringsstangen, Fig. 3 a, b viser et eksempel i større skala på et verktøy i henhold til den foreliggende oppfinnelsen med segmenter som er ment å skulle befinne seg på kontinuerlige bånd som vist på fig. 1, hvor fig. 3 a viser et segment et stykke fra stangen og fig. 3 b viser segmentene i kontakt med stangen, Fig. 4-6 er tredimensjonale avbildninger av mønstre med fremspring av

forskjellig utforming,

Fig. 7 er en todimensjonal tegning med beskrivelser av geometrien til et

mønster med fremspring som på fig. 5,

Fig. 8 viser utformingen av et individuelt fremspring i form av en knast, i tverrsnitt og i større skala, Fig. 9 viser den normale spenningen og skjærspenningen plottet mot

knastens flankevinkel.

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg som nevnt om armeringsstenger 8 av komposittmateriale, som spesielt er ment å skulle brukes til å armere og forsterke betong. Armeringsstangen 8, som fortrinnsvis er av rektangulær eller kvadratisk form, kan formes i en formingsprosess ved profiltrekking, stangpressing eller støping, eller en kombinasjon av disse, av kontinuerlig fiber og matriks (resin) i en prosess med en enkelt prosesslinje eller i kombinasjon med en prosess i en annen linje, som vist på fig. 1, hvor stangen lages av fiber 2, som trekkes gjennom en enhet 1 hvor matriksmaterialet pålegges, og videre gjennom en forme- og varmeenhet 3 og enhet 4, som har oppvarmingsmidler (ikke ytterligere fremstilt på figuren) hvor stangen 8 formes, herdes eller delvis herdes. Stangen lages fortrinnsvis i formeprosessen på kontinuerlig basis med minst 50 vektprosent armeringsfiber og med en matriks (resinblanding) som impregneres i fibrene med et bad, ved sprayinjeksjon eller trykk. Temperaturen inne i enheten 3 skal være mellom 90 og 250 <9>C, mens den skal være 120 og 250 aC inne i enheten 4.

Ved én fremgangsmåte for å lage armeringsstenger i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, blir overflaten av armeringsstangen 8 etter at den er herdet eller stort sett herdet forsynt med eller overtrukket med en resin eller lim slik at det dannes eller preges et mønster i form av mange fremspring i limet på overflaten av stangen 8 ved hjelp av et verktøy 5, som vist på fig. 2, med furer eller hulninger 6 som tilsvarere den ønskede formen til fremspringene. Det er av avgjørende betydning at verktøyet 5 presses mot overflaten av armeringsstangen inntil limet er herdet eller stort sett herdet.

Verktøyet som er vist på fig. 2 kan befinne seg på kontinuerlige bånd 9, i en prege-og varmeenhet 4 (se fig. 1) på hver side av armeringsstangen som er i ferd med å lages, slik at armeringsstangen trekkes mellom båndene 9 og verktøyene 5 presses mot overflaten av stangen 8 ved hjelp av båndene.

Fortrinnsvis kan verktøyene 5 når de befinner seg på kontinuerlige bånd 9 være i form av individuelle segmenter 7, som vist på fig. 3 a, b og fig. 4 og fig. 5, laget av aluminium eller andre metaller, spesielle høytemperaturresistente polymermaterialer eller keramiske materialer. Verktøyene 5 blir som nevnt ovenfor presset mot overflaten av stangen inntil limet eller resinet er herdet, og verktøyet blir så fjernet eller trukket ut fra stangen. For å redusere klebing eller unngå at verktøyet kleber seg til overflaten av armeringsstangen etter at limet er herdet, kan overflaten av verktøyet forsynes med et ikke-klebende overtrekk som for eksempel Teflon<®>.

Som vist på fig. 3 kan man lage segmentene 7 i form av vinkelformede elementer med de nødvendige eller ønskede mønstrene på hver av armene 10, 11 til elementet. De to elementene 7 kan begge foreligge på diametralt anbrakte endeløse bånd 9, slik at elementene tvinges mot overflaten av armeringsstangen 8 når de skal lage mønsteret på armeringsstangen.

Et alternativ kan være å ha limet på overflaten av verktøyet 5 fra begynnelsen, slik at limet overføres til overflaten av armeringsstangen 8 og mønsteret dannes i én operasjon ved å presse verktøyet mot armeringsstangen.

Det må understrekes at mønsteret som dannes på en armeringsstang som beskrevet ovenfor ved at man først har et resin på overflaten og så danner mønsteret med et presseverktøy mot overflaten av stangen bare er et alternativ. Mønsteret kan like gjerne dannes under den formingen av stangen i seg selv, uten bruk av ekstra resin, for eksempel ved å presse et verktøy mot overflaten mens stangen herdes. Fig. 4-6 viser mønstre med forskjellig utforming av fremspring som dannes på overflaten av en armeringsstang 8 i henhold til oppfinnelsen. Som vist på fig. 4-6 kan fremspringene være i form av halvkuleformede knotter 12, de kan være i form av halvovale knaster 13, eller de kan være i form av knaster 14 med en lengde som dekker hele eller stort sett hele bredden av den ene siden av stangen 8, eller, hvis stangen er av sirkulær form, går kontinuerlig rundt stangen. Fig. 7 viser en todimensjonal skisse av et mønster med individuelle knaster som vist i perspektiv på fig. 5. Bokstavkodene «cl» og «ct» representerer avstanden mellom knastene på langs og tvers av stangens lengderetning, «a» representerer lengden av hver knast, «h» representer høyden av hver knast, «b» representerer bredden av hver knast og «r» representerer krumningsradien til den ellipsoide formen av knasten, «R» representerer krumningsradien for buen til sirkelsegmentet som definerer høyden av hver knast, «r<1>» representerer hulkilen mellom overflaten av stangen og knasten, «h<1>» representerer høyden av det avkortede kulesegmentet. Tester har bevist at knasthøyden mellom stangen og betongen, «k» bør være 0,03 - 0,06 av stangens diameter eller tykkelse for å oppnå gode bindingsegenskaper, men minst 0,4 og høyst 1,2 mm, bredden «b» bør være mellom 0,8 - 1,25 av «h», lengden «a» av knasten bør være 1,0 - 1,2 av bredden «b», og avstanden «ct» mellom knastene (fra sentrum til sentrum) på tvers bør være 1,2 - 2,0 av bredden «b» og avstanden «cl» mellom knastene (fra sentrum til sentrum) i lengderetningen bør være 1,2 - 2,0 av lengden «a». De kuleformede segmentknastene kan kuttes av i en høyde «h<1>» og bør være mellom 0,8-0,9 av «h». Videre bør det relative knastarealet projisert på tvers eller på langs være 0,1 - 0,25 og bunnflaten til knasten bør være 0,4-0,6.

Det som er avgjørende ved utformingen av fremspringene i henhold til oppfinnelsen er imidlertid vinkelen «a» mellom stangens overflate og flanken av fremspringet (knast eller knott m.m.) som vist på fig. 7 og fig. 8. Spesielt på armeringsstenger laget av komposittmateriale (polymer og fiber) er styrken til fremspringene i området mellom fremspringet og stangens overflate, d.v.s. bunnsnittområdet, materialenes evne til å motstå spenning eller spenning på grunn av bøying, nokså lav siden fremspringene kan inneholde mindre eller små mengder fiber. På den annen side kan fremspringene motstå høye skjærkrefter, og basert på beregninger og tester er det funnet at vinkelen a fortrinnsvis bør være mellom 50- og 60<8>. Optimalt er vinkelen a omtrent 53s.

Fig. 9 viser plott, basert på beregninger, av den normale spenningen, a, og skjærspenningen, x, i bunnsnittområdet mellom et fremspring og overflaten av en stang, mot flankevinkelen a. Som vist ved den svarte, prikkete linjen på fig. 9 er skjærspenningen nær null med en flankevinkel a på 53s og mellom 50s og 60s er skjærspenningen nokså lav. Et annet viktig trekk ved oppfinnelsen er utformingen av den konkave støpekrumningen mellom overflaten av stangen og det individuelle fremspringet, som bør være konkav eller riflet med radius «r».

Claims (10)

1. Armeringsstang (8) av komposittmateriale, spesielt med henblikk på å brukes til armering av betong, hvor armeringsstangen (8), som fortrinnsvis har rektangulær eller kvadratisk form, kan dannes i en formeprosess ved profiltrekking, stangpressing elfer støping, eller en kombinasjon av disse, av kontinuerlig fiber og matriks (resin) i en prosess i en enkelt linje eller i kombinasjon med en prosess i en annen linje og hvor stangen lages i formeprosessen med minst 50 vektprosent armeringsfiber og en matriks som impregneres i fibrene i et bad, ved sprayinjeksjon eller trykk, karakterisert ved at overflaten av armeringsstangen (8) forsynes med et mønster i form av mange fremspring på en slik måte at vinkelen (a) mellom den generelle overflaten av stangen (8) og flanken av det individuelle fremspringet er mellom 50s og 608.

2. En stang i henhold til krav 1, karakterisert ved at vinkelen (a) mellom den generelle overflaten av stangen (8) og flanken av det individuelle fremspringet er 53°.

3. En stang i henhold til krav 1 og 2, karakterisert ved at fremspringene foreligger i form av knotter eller knaster med halvkuleform eller halvellipsoid form.

4. En stang i henhold til krav 1 - 3, karakterisert ved at knasthøyden (h) bør være 0,03 - 0,06 av stangens diameter, men minst 0,4 og høyst 1,2 mm.

5. En stang i henhold til krav 1*3, karakterisert ved at bredden (b) bør være mellom 0,8 -1,25 av høyden (h).

6. En stang i henhold til krav 1 - 3, karakterisert ved at lengden (a) av knastene bør være 1,0 -1,2 av bredden (b).

7. En stang i henhold til krav 1 - 3, karakterisert ved at avstanden (ct) mellom knastene (fra sentrum til sentrum) begge veier bør være 1,0 - 2,0 av bredden (b).

8. En stang i henhold til krav 1 - 3, karakterisert ved at avstanden (cl) mellom knastene (fra sentrum til sentrum) begge veier bør være 1,0 - 2,0 av bredden (a).

9. En stang i henhold til krav 1-3, karakterisert ved at høyden (h<1>) av de avkuttede knastene bør være 0,8-0,9 av knasthøyden (h).

10. En stang i henhold til krav 1-3, karakterisert ved at Det relative knastarealet som projiseres på langs eller på tvers bør være 0,1 - 0,25 mm<2>, og den relative bunnflaten til knasten bør være mellom 0,4 og 0,6.