WO1995029308A1 - Verankerung für hochleistungsfaserverbundwerkstoff-drähte - Google Patents

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WO1995029308A1
WO1995029308A1 PCT/CH1995/000080 CH9500080W WO9529308A1 WO 1995029308 A1 WO1995029308 A1 WO 1995029308A1 CH 9500080 W CH9500080 W CH 9500080W WO 9529308 A1 WO9529308 A1 WO 9529308A1
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anchoring
anchor
filler
cone
anchoring body
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PCT/CH1995/000080
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Urs Meier
Heinz Meier
Patrick Kim
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Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa
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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
    • E04C5/12—Anchoring devices
    • E04C5/127—The tensile members being made of fiber reinforced plastics
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    • E04C5/12—Anchoring devices
    • E04C5/122—Anchoring devices the tensile members are anchored by wedge-action
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Definitions

  • the present invention relates to a conical anchoring system for anchoring one or more loaded, tensioned or prestressed tension element (s), comprising an at least conical anchor sleeve and a reel element (s) which fits into the sleeve ⁇ anchoring body, which has an essentially sliding surface along the sleeve wall, a method for producing a conical anchoring system and a method for enveloping or coating of filler particles for use in an anchoring system.
  • Fiber composite materials are very advantageous because they combine high strength and low bulk density, the corrosion tendency of the steel being eliminated at the same time.
  • the basic problem is to anchor carbon-reinforced tensile rods so reliably when replacing steel cables in guyed constructions in the form of wires and cables that the high static strength and fatigue strength can be optimally used.
  • the break should take place on the free route and not in the anchorage.
  • this is a connection problem, specifically the connection between the wire and the anchoring, or the conical anchors selected as a rule, the connection between the wire and the anchoring body.
  • the main goal when designing an anchor system is to achieve the most favorable possible stress distribution in order to move the wire breaks to the free distance in the tensile test and to reduce the tendency of the anchoring system to creep.
  • existing anchoring systems can be divided into three categories: clamp anchoring, glued anchoring and conical anchoring systems.
  • Steel cables and fiberglass rods can be anchored with all three systems, with compression sleeves for smaller tension elements being used more frequently in practice, while potting anchors are mostly used for larger cables.
  • conical casting anchor systems are generally preferred.
  • the anchor system basically consists of four parts:
  • the anchor sleeve is usually made of steel However, it can also be manufactured from fiber composite material or as steel anchor sleeve reinforced with fiber composite materials. It also serves as a form for the production of the anchoring body.
  • the anchor body itself is a critical part of the system. It must form a good bond with the tension element in order to fully transmit the force introduced to the anchor sleeve. Load tests generally show initial damage in the front part of the anchor. "Front" means that part of the anchor in which the tension element leaves this free path in the direction.
  • the object of the present invention is to propose an anchoring of slender, wire-like tension elements in a conical anchor system, so that during the tensile test, the slender tension elements such as the wires break on the free path and not in the anchor system itself proposed by means of a conical encapsulation anchor system according to the wording, in particular according to claim 1.
  • the anchoring body must therefore have a varying stiffness, with a very low stiffness at the front part of the anchor and strongly increasing towards the rear, ie towards the unloaded end of the tension element.
  • the variation in the system stiffness of the anchor can, as proposed according to the invention, be controlled in various ways, in particular by
  • a conical casting anchor system for anchoring one or more loaded, tensioned or prestressed tension element (s) comprising a conical anchor sleeve and an anchoring body that fits into the sleeve and holds the tension element or tension elements, which has an essentially freely sliding surface along the sleeve wall.
  • This is the anchor body characterized in that its stiffness increases from the entry of the tension element or the tension elements into the cone, ie from the front to the rear.
  • Anchor fillers consisting of a binder matrix, such as, in particular, a plastic resin and at least one filler, are particularly suitable for producing anchor bodies for parallel wire or parallel bundles from a wide variety of materials, the different ones proposed according to the invention as mentioned above being suitable Rigidity of the anchoring body results from different degrees of filling, different geometry of the filler and / or from different rigidity or hardness of the filler.
  • the different stiffness can also be obtained through the binder matrix, for example by using an essentially duromeric polymer system, such as a synthetic resin, with increased proportions of plasticizers, FI exibisizers, plasticizers in the front area of the anchor cone and / or elastomer blocks built into the polymer is provided.
  • a plastic anchor system is preferably to be used, with epoxy resin systems, polyurethane resins in particular, but also the use of thermoplastics, such as polyether ether ketone, polysulfone, polycarbonate or polymethyl methacrylate, having proven to be advantageous.
  • epoxy resin systems is that the strength of the resin system can already be reduced by using FI exi biators, plasticisers, etc., while on the other hand very high levels can be achieved by using highly cross-linked epoxy resin systems Strength values can be achieved.
  • the stiffness of the anchoring body in a casting anchor system from the front area to the rear end by a factor in the range from approximately 20 to approximately 300, preferably by a factor of approximately 80 to 100 increases.
  • the anchor cone has the smallest possible opening angle, namely an angle in the range from approximately 5 ° to approximately 15 °.
  • a slender cone also leads to a more favorable stress state, the lower limit of the opening angle being put under load by the maximum permissible cone slip or the maximum displacement. If the cone angle is too small, there is either the risk of the entire anchoring body tearing out or of the anchor sleeve breaking.
  • Another factor for influencing the shear stress field is the choice of the radius of the anchor opening when the tension element enters. According to the invention, it is proposed that the difference between the radii of the anchor opening and the tension element or the tension element bundle when the tension element (s) enter has a value in the range from approximately 0.5 to approximately 15 mm.
  • wires consisting of carbon fiber reinforced epoxy resin have proven to be advantageous as tension elements.
  • Such carbon fiber wires can be produced in the so-called extrusion process (pultrusion), in which case this process is well known as prior art, which is why a more detailed description of the production of carbon fiber reinforced wires can be dispensed with here.
  • a thermoplastic matrix with, for example, polyether ether ketone is also possible.
  • Suitable fillers in the anchoring body are of course any materials used as fillers for polymers, in particular steel, quartz, glass, rubber and / or preferably aluminum oxide in the form of scrap, sand, balls, fibers, granules and dg1. more to be suggested.
  • the strength and rigidity in the anchoring body can be greatly influenced, for example pure epoxy resin having an elastic modulus in the range of approximately 500 . can have up to 4000 MPa, while using steel scrap or aluminum oxide values of up to 100,000 MPa can be achieved.
  • the anchoring body in the anchor cone has at least two zones with different stiffness, but preferably about three to five zones.
  • the stiffness values of the different zones have to increase from the front area to the rear area of the anchor cone.
  • the ideal case is that the stiffness increases continuously or continuously from the front area to the rear section, but in practice this is only possible with increased effort and, in addition, the choice of three to five zones already provides a sufficient distribution the shear stress, as can also be seen from the following examples and figures.
  • a method for producing a conical anchoring system according to the invention according to the wording according to claim 10 is proposed. It has proven to be problematic to fill the filler into the cone during the production of the encapsulation in such a way that the at least three to five zones can be produced with different stiffness. If, for example, a very fine filler is used, the distribution of the filler in the relatively soft front area is poor, whereas if a relatively coarse or large-volume filler is used, it is hardly possible to produce a soft zone. For this reason, it is further proposed according to the invention to coat or coat the filler with binder to different extents before the filling of the anchor filling material for producing the anchoring body.
  • the filler is not or only slightly encased coated filler is used.
  • the filler can be coated, for example, by means of whirl sintering. This method can also greatly reduce the shrinkage of the anchoring body in the front part.
  • FIG. 1 a schematically, in section, an anchor cone with tears in the anchor body occurring perpendicular to the tension element, as typically occur with an insufficient gradation of stiffness;
  • FIG. 1b shows in longitudinal section an analog anchor cone as in FIG. 1 a, but shown schematically, fractures occurring in the surface layer of the wire and the boundary layer between the wire and the anchoring body;
  • FIGS. 3a to 3c show the influence of three stiffness gradations in the anchoring body with a soft zone on Front part of the anchoring to the shear stress distribution on the surface of a tension element;
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through an anchoring body according to the invention, the filler used in the anchoring body being enveloped or coated to different extents with a binder.
  • the filler is coated thicker at the front than at the back.
  • FIGS. 1 a and 1 b possible damage patterns are schematically shown in section, such as can occur when anchoring carbon fiber wires in a casting anchor system.
  • the casting anchor system 1 comprises a sleeve 3 made of steel, which has a conical bore axially on the inside. Recessed in this cone is a correspondingly conical anchoring system 5, consisting of the graded anchoring body 7 and the carbon fiber wires 9 to be held therein, of which only a single wire is shown for reasons of simplicity.
  • the friction should be as small as possible, either by applying a release agent to the inside of the sleeve 3, or else by anchoring the anchoring body 7 with a Teflon film, for example. This is essential so that the two bodies can be freely displaced relative to one another.
  • the anchoring body 7 is usually reinforced at this interface with fabrics made of carbon, glass or Ara id fibers. When a tensile force F occurs on the carbon fiber wires 9, there are usually two possible damage patterns, which are shown schematically in FIGS. 1 a and 1 b. La shows transverse cracks 13 in the anchoring body 7, which generally occur in the front area of the anchoring body.
  • Another cause of the premature failure of the anchoring can be the occurrence of a so-called sliding fracture, in that cracks or breaks 15 or cracks 15 or respectively in the surface layer of the wire or in the surface layer of the wire. 17 occur.
  • the course of the fracture is such that first cracks 15 occur in the first area A, which subsequently continue to accelerate relatively quickly in the area B.
  • the first damage occurs in the front area of the casting cone 5, obviously because a tension concentration occurs in this area when the tensile force F is increased.
  • the starting point was wires consisting of carbon fiber-reinforced epoxy resin, the wires being produced using the so-called extrusion process (pultrusion).
  • fiber rovings for example from the company Toray Industries, Japan, type T 700, are unwound from spools and drawn through an epoxy resin bath.
  • the Araldit LY 556 / HY 917 system was selected as the epoxy resin matrix system.
  • the fiber / resin bundle was shaped or drawn into the desired profile in a hardening mold while simultaneously gelling the resin.
  • the wires were pulled through the hardening furnace by means of a pulling device and then cut into sections six meters long.
  • an anchoring body 7 was used for anchoring the carbon bundle 9 (shown as a single wire), three zones 21, 23 and 25 being selected with different or stiffness increasing in the anchor filling compound from the front to the rear end.
  • an f1 exi bi 1 i si ered resp. softened epoxy resin selected as the anchor matrix with a degree of filling (short fibers or other fillers) in the order of magnitude of approx. 3-10%, the chosen filler having a relatively small grain size.
  • the E-module thus obtained was in the order of magnitude of approximately 500 MPa.
  • an only slightly softened epoxy resin was used as the anchor matrix, the degree of filling being of the order of 10-20%, with a grain size of the aluminum oxide used of 14-28 (size) .
  • the E module obtained in this way was of the order of magnitude depending on the epoxy chosen. resin and selected filler quantity between 5,000 and 150,000 MPa.
  • the rear region 25 of the casting body was formed by a non-plasticized epoxy resin matrix, which itself already had an elastic modulus in the order of 4000 MPa.
  • the degree of filling in this range was between 20 and 85%, whereby coarse-grained aluminum oxide was used.
  • relatively low-viscosity Araldit F resin was used for the production of the epoxy resin matrix.
  • the modulus of elasticity thus achieved in area 25 was in the order of magnitude of approximately 70,000 to 300,000 MPa.
  • 3b shows the corresponding moduli of elasticity with respect to the total length of the casting body in a relative order of magnitude, as a result of which the increase in rigidity from the front area to the rear area of the anchor system is clearly recognizable.
  • FIG. 3 c shows the shear stress J-i ⁇ as a function of the length of the anchor cone, which is determined in the individual regions, it now being clearly evident in comparison to FIG. 2 that region 21 has a considerably lower stress concentration peak sets.
  • FIG. 4a again shows an anchor cone 5, in which, however, a largely continuous increase in the rigidity in the anchoring body from the front area to the rear area of the anchor cone is achieved.
  • the front Area 21 from FIG. 3 is formed by the three individual areas 21 ', the adjoining area 23 by the three zones 23', while the rear area 25 largely corresponds to that from FIG. 3.
  • FIG. 4b there is a largely uniform increase in the modulus of elasticity, which is represented by curve C.
  • the gradation B corresponds to that in FIG. 3b, while A represents the case where the modulus of elasticity or the rigidity is constant along the entire anchor cone, respectively. the anchor filling compound is homogeneous along the entire length.
  • the anchoring body should comprise at least two or preferably three to five areas which have different stiffnesses.
  • the front area 21 was constructed from an epoxy resin filled with polymer granules with a relatively low modulus of elasticity.
  • the rearmost area 25, on the other hand, was filled with ceramic granules in order to obtain a relatively high rigidity and a high creep resistance.
  • the middle transition area ch 23 was filled with a mixture of ceramic and polymer granules.
  • duromeric or thermoplastic systems as anchor material, such as, in particular, polyurethane or polyester resin compositions, the setting of the stiffness being particularly simple, especially in the case of polyurethane resin systems.
  • plasticizers, FI exibisators or even elastomeric blocks in the polymer system allows the softness or hardness to be modified, while on the other hand by increasing the crosslinking density for example, by using so-called Novol ac resins, the hardness or rigidity can be increased significantly.
  • the radial pressures occurring on the wire surface when tensile forces occur must be sufficient to increase the interlaminar shear strength of the wires increase and prevent the wires from slipping out of the casting body.
  • the rigidity in the anchoring body must not be too high, since otherwise the radial pressures occurring during tension are completely absorbed by the anchoring body and are not transmitted to the wire surface.
  • the stiffness values increase by a factor of approximately 100 from the so-called soft front zone to the rear area. For example, stiffness values of approximately 2 to 3 GPa were measured in the front area, while the stiffness in the rear area can be up to 300 GPa.
  • the opening angle of the anchor cone is as small as possible, since a slim cone leads to a favorable stress condition.
  • the downward angle is limited by the permissible cone slip or by the maximum displacement under tensile load. If the cone radius is chosen too small, the radial stresses become too small, so that the anchor cone can be pulled out of the anchor sleeve or the sleeve can break open in the front area.
  • a further optimization is possible in that the radius when the carbon fiber wires enter the anchor cone is only slightly larger than the radius of the carbon fiber bundle.
  • the surface of the anchoring body in the linearly tapered anchor sleeve does not have to be correspondingly linearly tapered, but can be designed to taper in a curved manner towards the entry.
  • this curved design of the casting body does not change the statement according to the invention that the stiffness must increase from the front area to the rear area in the anchor filling compound or in the casting body.
  • the filler or the fillers be coated or coated differently with binder before filling in the anchor cone.
  • a coating material such as, for example, the resin used as a binder
  • a so-called fluidized bed granulator or a shaking or bi-axial mixer In this case, aluminum oxide or mineral granulate is whirled up in a mixing container by rotating a whirling tool and homogenized very finely.
  • the coating material is then introduced into the mixture container, which coating material has a much lower modulus of elasticity compared to the granulate, in the order of magnitude of 10 to 1000 times smaller.
  • the coating material can be the binder resin system which is used as the anchor filler matrix. However, it can of course be other materials that have a lower modulus of elasticity.
  • the coating material is usually entered as a dry or sticky powder or in solution or in combination in the mix container. Depending on the dwell time in the fluidized bed granulator or in a shaker or biaxial mixer, a smaller or larger wall thickness is generated with which the filler is encased by the binder resin system. Each Depending on the substances used, the coated filler granules are subsequently dried or cured in an oven.
  • the fillers produced in this way with different coating thicknesses can now, as shown in Fig. 5, be entered in the vertically standing anchor cone, with practically uncoated fillers being filled in the rear area, while fillers with a high wall thickness of bindemis in the front area of the cone be filled with resin.
  • the bonding resin or the anchor matrix is injected, there is no longer any danger that the filler will be distributed homogeneously in the entire anchor cone, but, as required according to the invention, the degree of filling in the front area will be significantly lower than in the back.
  • the rigidity in the front area is lower and in the rear area significantly increased.
  • the anchoring body, shown in FIG. 5, thus consists of a so-called gradient material.
  • coated fillers for example coated aluminum oxide
  • the sensitive carbon fiber wires used in the front section cannot be damaged locally.
  • the representation of the invention with reference to FIGS. 1 to 5 is of course not conclusively described, since the design of the anchoring system can be modified, varied or changed in any way. So the above described The invention is of course not limited to the use of carbon fiber wires, but can also be applied to anchor systems where other tension elements are used, such as steel cables, tension elements made of aramid fibers, glass fiber tension strands, etc.
  • the manufacture of the anchor filler can also be used Any desired manner, and a wide variety of materials can be used for the production of the anchoring body. Practically all thermosetting polymer systems are particularly well suited, while thermoplastic casting compounds can of course also be used. Suitable fillers are, in particular, rubber, steel, mineral fillers, aluminum oxide, while all fillers conventionally used in polymeric casting systems can also be used in this regard.
  • the rigidity in the anchoring body of an anchoring system increases from the front area to the rear area of the anchor cone (gradient material), so that the shear stress distribution along the surface of the tension elements is largely evenly distributed, i.e. to prevent a greatly increased voltage peak from occurring in the front area of the cone.
  • the variation in the rigidity of the anchoring body is achieved by coating the fillers.

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Abstract

Ein konisches Verankerungssystem zum Verankern von einem oder mehreren belasteten, gespannten oder vorgespannten Zugelementen (9) umfasst eine konische Ankerhülse und einen in die Hülse passenden, das oder die Zugelement(e) haltenden Verankerungskörper (7). Die Grenzfläche zwischen Verankerungskörper und Hülsenwandung ist im wesentlichen frei gleitend ausgebildet. Um ein Ausreissen der Zugelemente aus dem Verankerungskörper bzw. ein Brechen des Verankerungskörpers selbst zu verhindern, nimmt die Steifigkeit des den Verankerungskörper bildenden Gradientenwerkstoffs vom Eintritt des Zugelementes in den Konus, d.h. vom Frontbereich zum hinteren Teil des Ankerkonus hin zu. Damit wird eine wesentlich verbesserte Verteilung der Schubspannung entlang der Oberfläche des oder der Zugelemente erreicht als wenn die Steifigkeit des Verankerungskörpers weitgehendst gleichmässig ist.

Description

Verankerung für Hochleistungsfaserverbundwerkstoff-Drähte
Die vorliegende Erfindung betrifft ein konisches Veran¬ kerungssystem zum Verankern von einem oder mehreren be¬ lasteten, gespannten oder vorgespannten Zugelement (-en), umfassend eine mindestens konische Ankerhülse und einen in die Hülse passenden, das oder die Zügel ement( -e) hal¬ tenden Verankerungskörper, der eine entlang der Hülsen¬ wandung im wesentlichen f eigleitende Oberfläche auf¬ weist, ein Verfahren zum Herstellen eines konischen Ver¬ ankerungssystems sowie ein Verfahren zum Einhüllen bzw. Beschichten von Fü11 stoffparti kel n für die Verwendung in einem Verankerungssystem.
Seit den 50er Jahren hält die schweizerische Bauindustrie weltweit im Bereich der Vorspanntechnbi k eine ausgezeich¬ nete Position. Aus dieser Sparte wurde in den späten 60er Jahren das Spezialgebiet der Paral 1 el draht- bzw. Litzen¬ bündel für abgespannte Konstruktionen entwickelt. Die Schrägsei 1 brücke Mannheim-Ludwigshafen und das Olympia¬ dach in München sind Pionierbeispiele dafür. Die durch die Luft- und Raumfahrt ausgelöste technische Entwicklung der kohlenstoffaser-verstärkten Kunststoffe, sowie die starke Preisreduktion der Kohlenstoffasern in den vergan¬ genen Jahren legten es nahe, den Einsatz von Parallel¬ drahtbündeln mit Kohl enstoffaser-Drähten im Bauingenieur¬ wesen zu studieren. Insbesondere bot sich damit ein ge¬ eigneter Ersatz für die schweren und korrosionsanfälligen Stahlseile in vorgespannten bzw. abgespannten Konstruk¬ tionen an. Die Forderungen z.B. für Schrägsei 1 brückenka- bei eines steifen, festen, leichten, korrosionsbeständi¬ gen und langfristig stabilen Materials mit hoher Ermü¬ dungsfestigkeit als Ersatz für die Stahlseile führen sinnvollerweise zu kohl enstoffaser-verstärkten Epoxydhar¬ zen. Faserverbundwerkstoffe sind sehr vorteilhaft, da sie eine hohe Festigkeit und niedrige Rohdichte kombinieren, wobei gleichzeitig die Korrosionsanf ll i gkei t der Stahl¬ sei 1 e entfäl 1t .
Die grundsätzliche Problemstellung ist es, kohlenstoffa- ser-verstärkte Zugstäbe beim Ersatz von Stahlseilen in abgespannten Konstruktionen in Form von Drähten und Ka¬ beln so zuverlässig zu verankern, dass die hohen stati¬ schen Festigkeiten und Ermüdungsfestigkeiten optimal ge¬ nutzt werden können. Bei Zugversuchen soll der Bruch auf der freien Strecke stattfinden und nicht in der Veranke¬ rung. Grundsätzlich geht es hier also um ein Verbundpro¬ blem, und zwar speziell um den Verbund zwischen Draht und Verankerung, bzw. bei den in der Regel gewählten koni¬ schen Verankerungen um den Verbund zwischen Draht und Verankerungskörper.
In den letzten Jahren sind verschiedene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Verankerung von Verbundwerk¬ stoff-Zugelementen gewidmet worden. Die meisten dieser Arbeiten haben sich auf glasfaserverstärkte Zugstäbe und Aramidstränge konzentriert, wobei als Zitate zu nennen sind: Mitchell et al , 1974; Kepp, 1985; Walton & Jeung, 1986; Burgoyne, 1988; und Dreessen, 1988. Für Haupttrag¬ elemente in nicht vorgespannten Bauteilen weisen Glas- und Arami d-Verbundwerkstoffe aber eine zu niedrige Stei¬ figkeit auf, und es ist dann nötig, kohl enstoffaser-ver- stärkte (CFK) Werkstoffe zu verwenden. Einige Arbeiten wurden an CFK-Zuggliedern durchgeführt, wobei zu nennen sind: Walton & Yeung, 1986, und Yeung & Parker, 1987. Jedoch scheinen die Ergebnisse nicht so erfolgreich zu sein, um sie zuverlässig auf Bauanwendungen im grossen Massstab zu übertragen.
Das Hauptziel beim Gestalten eines Ankersystems sind das Erreichen einer möglichst günstigen Spannungsverteilung, um im Zugversuch die Brüche der Drähte auf die freie Strecke zu verschieben und die Kriechneigung des Veranke¬ rungssystems zu reduzieren. Grundsätzlich können existie¬ rende Verankerungssysteme in drei Kategorien eingeteilt werden: Klemmverankerung, geklebte Verankerungen und ko¬ nische Verankerungssysteme. Stahlkabel und Glasfaserstäbe können mit allen drei Systemen verankert werden, wobei in der Praxis Presshülsen für kleinere Zugelemente häufiger in Gebrauch sind, während Vergussankerungen meistens für grössere Kabel verwendet werden. Für die CFK-Stäbe und -Kabel werden in der Regel konische Vergussankerungssy- steme bevorzugt.
Das Ankersystem besteht grundsätzlich aus vier Teilen:
1. der Ankerhülse, die durch Auflager oder Gewinde mit der Struktur verbunden ist,
2. dem oder den Zugelementen, das oder die zu verankern ist bzw. sind,
3. dem Verankerungskörper, der die Kraftübertragung von den Drähten zur Ankerhülse gewährleistet, und
4. dem Gleitfilm zwischen der Ankerhülse und dem Veranke¬ rungskörper .
Die Ankerhülse wird üblicherweise aus Stahl hergestellt Sie kann jedoch auch aus Faserverbundwerkstoff oder als mit Faserverbundwerkstoffen verstärkte Stahl ankerhül se gefertigt werden. Sie dient auch als Form für die Fer¬ tigung des Verankerungskörpers. Der Verankerungskörper selbst ist ein kritischer Teil des Systems. Er muss einen guten Verbund zum Zugelement bilden, um die eingeleitete Kraft voll auf die Ankerhülse zu übertragen. Belastungs¬ versuche zeigen in der Regel erste Schädigungen im vorde¬ ren Teil des Ankers. Mit "vorn" wird jener Teil des An¬ kers bezeichnet, bei dem das Zugelement diesen in Rich¬ tung freie Strecke verlässt. So entwickeln sich z.B. bei einem ungenügenden Verbund zwischen Zugelement und Veran¬ kerungskörper laufende Risse entlang der Drahtoberfläche oder innerhalb des Drahtes, die zu Brüchen in der Grenz¬ schicht zwischen Draht und Verankerungskörper führen und einen sog. Drahtschlupf verursachen. Beim Drahtschlupf verbreiten sich erste Risse am vorderen Teil des Ankers entlang der ganzen Länge des Drahtes. Ausser den mit dem Drahtschlupf verbundenen Schubbruchflächen konnten auch Zugbrüche beobachtet werden, welche im Verankerungskörper senkrecht zum Zugelement (-en) orientiert sind, wie in Fig. 1 der beigefügten Figuren dargestellt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verankerung von schlanken, drahtartigen Zugelementen in einem konischen Ankersystem vorzuschlagen, sodass beim Zugversuch Brüche der schlanken Zugelemente wie der Dräh¬ te auf der freien Strecke erfolgen und nicht im Ankersy¬ stem selbst. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels eines konischen Vergussankersystems gemäss dem Wortlaut insbesondere nach Anspruch 1 vorgeschlagen.
Untersuchungen an Ankersystemen haben ergeben, dass im Falle einer konstanten Systemstei fi gkei t über die ganze Länge der Verankerung der grösste Anteil der Zuglast am vorderen Teil des Ankers aufgenommen wird. Dies äussert sich in einer scharfen Spannungsspitze im Schubspannungs¬ profil, wie in Fig. 2 der nachfolgenden Figuren darge¬ stellt. Für eine gl ei chmässi gere Spannungsverteilung muss also der Verankerungskörper eine variierende Steifigkeit haben, mit einer am Vorderteil des Ankers sehr niedrigen und nach hinten, d.h. zum unbelasteten Ende des Zugele¬ mentes stark zunehmenden Steifigkeit. Die Variation in der Systemstei fi gkei t des Ankers kann, wie erfi ndungsge- äss vorgeschlagen, auf verschiedene Weise gesteuert werden, insbesondere durch
- eine Variation der Steifigkeit (E-Modul) des Materials des Verankerungskörpers, sowie
- eine Verjüngung des Ankerkonus nach vorne, d.h. beim Eintritt des Drahtes in den Anker, sowie
- eine Variation der Steifigkeit der Ankerhülse.
Selbstverständlich gilt auch eine Kombination der drei vorgeschlagenen Massnahmen.
Entsprechend wird erfi ndungsgemäss ein konisches Verguss¬ ankersystem zum Verankern von einem oder mehreren bela¬ steten, gespannten oder vorgespannten Zugelement (-en) vorgeschlagen, umfassend eine konische Ankerhülse und einen, in die Hülse passenden, das Zugelement bzw. die Zugelemente haltenden Verankerungskörper, der eine ent¬ lang der Hülsenwandung im wesentlichen frei gleitende Oberfläche aufweist. Der Verankerungskörper ist dadurch gekennzeichnet, dass seine Steifigkeit vom Eintritt des Zugelementes oder der Zugelemente in den Konus, d.h. von vorne nach hinten zunimmt.
Damit kann erreicht werden, dass in der Verankerung des schlanken Zugelementes bzw. des Drahtes bzw. der Drähte eine möglichst gl ei chmässi ge Schubspannungsverteilung über die Ankerlänge erreicht werden kann, wobei die ide¬ ale Schubspannungsverteilung keine starken Spitzen oder Gradienten aufweist und zum freien unbelasteten Ende des Zügel ementes bzw. der Zugelemente hin auf Null abfällt.
Zum Herstellen von Ankerkörpern für Paralleldraht- bzw. Parall el 1 i tzenbündel aus den verschiedensten Materialien eignen sich insbesondere Ankerfüllmassen , bestehend aus einer Bindemittelmatrix, wie insbesondere einem Kunst¬ stoffharz und mindestens einem Füllstoff, wobei sich die oben erwähnte erfi ndungsgemäss vorgeschlagene unter¬ schiedliche Steifigkeit des Verankerungskörpers durch un¬ terschiedlichen Füllgrad, unterschiedliche Geometrie des Füllstoffes und/oder durch unterschiedliche Steifigkeit bzw. Härte des Füllstoffes ergibt. Allerdings kann die unterschiedliche Steifigkeit auch durch die Bindemittel¬ matrix erhalten werden, indem beispielsweise ein im we¬ sentlichen duromeres Polymersystem, wie ein Kunstharz, mit im Frontbereich des Ankerkonus erhöhten Anteilen an Pl astifi zi ermittel n, FI exi bi 1 i satoren , Weichmachern und/ oder in das Polymere eingebauten Elastomerblöcken verse¬ hen ist.
Insbesondere bei der Verwendung von Kohl enstoffaserdräh- ten muss ein metallischer Verguss oder Klemmvorrichtungen aus praktischen Gründen ausgeschlossen werden, da beide Verankerungstypen zu Schädigungen der Drähte führen wür¬ den, einerseits durch die Hitze der Vergusslegierungen und anderseits durch die hohe und nicht immer radiale Querpressung. In diesem Sinne ist ein Kunststoffankersy- stem vorzugsweise zu verwenden, wobei sich insbesondere Epoxydharzsysteme, Polyurethanharze aber auch die Ver¬ wendung von thermoplastischen Kunststoffen, wie Polyä- therätherketon , Polysulfon, Polykarbonat oder Polymethyl- metacrylat als vorteilhaft erwiesen haben. Der Vorteil von Epoxydharzsystemen liegt darin, dass bereits durch das Harzsystem die Festigkeit durch das Verwenden von FI exi bi 1 i satoren, Pl asti fi zi ermi ttel n , usw., reduziert werden kann, währenddem anderseits durch die Verwendung von hochvernetzten Epoxydharzsystemen sehr hohe Festig¬ keitswerte erreicht werden können.
In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steifigkeit des Verankerungskörpers in einem Verguss- ankerungssystem vom Frontbereich zum hinteren Abschluss um einen Faktor im Bereich von ca. 20 bis ca. 300, vor¬ zugsweise um einen Faktor von ca. 80 bis 100 zunimmt.
Weiter hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der An¬ kerkonus einen möglichst kleinen Öffnungswinkel aufweist und zwar einen Winkel im Bereich von ca. 5° bis ca. 15°. Mit anderen Worten führt auch ein schlanker Konus zu ei¬ nem günstigeren Spannungszustand, wobei die untere Grenze des Öffnungswinkels durch den maximal zulässigen Konus¬ schlupf bzw. die maximale Verschiebung unter Belastung gesetzt wird. Wenn der Konuswinkel zu klein ist, besteht die Gefahr entweder des Ausreissens des gesamten Veranke¬ rungskörpers oder aber eines Bruches der Ankerhülse. Ein weiterer Faktor zur Beeinflussung des Schubspannungs¬ feldes ist die Wahl des Radius der Ankeröffnung beim Ein¬ tritt des Zugelementes. Erfi ndungsgemäss wird vorgeschla¬ gen, dass die Differenz der Radien der Ankeröffnung und des Zugelementes bzw. des Zugelementbündels beim Eintritt des oder der Zugelemente(-s ) einen Wert im Bereich von ca. 0,5 bis ca. 15 mm aufweist.
Als Zugelemente haben sich insbesondere Drähte, bestehend aus kohlenstoffaserverstärktem Epoxydharz als vorteilhaft erwiesen. Derartige Kohl enstoffaserdrähte können im sog. Strangziehverfahren (Pultrusion) hergestellt werden, wo¬ bei dieser Vorgang als Stand der Technik bestens bekannt ist, weshalb an dieser Stelle auf eine nähere Beschrei¬ bung der Herstellung von kohl enstoffaserverstärkten Dräh¬ ten verzichtet werden kann. Anstelle der Epoxidharz-Ma¬ trix ist auch eine thermoplastische Matrix mit beispiels¬ weise Polyätherätherketon möglich.
Als Füllstoffe im Verankerungskörper eignen sich selbst¬ verständlich irgendwelche als Füllstoffe für Polymere verwendete Materialien, wobei insbesondere Stahl, Quarz, Glas, Gummi und/oder vorzugsweise Aluminiumoxyd in Form von Schrott, Sand, Kugeln, Fasern, Granulate und dg1. mehr vorgeschlagen werden. Je nach verwendetem Füllstoff und verwendeter Menge können die Festigkeit und die Stei¬ figkeit im Verankerungskörper stark beeinflusst werden, wobei beispielsweise reines Epoxydharz einen E-Modul i Bereich von ca. 500. bis 4000 MPa aufweisen kann, während¬ dem bei Verwendung von Stahlschrott oder Aluminiumoxyd Werte bis über lOO'OOO MPa erreicht werden können.
In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Verankerungskörper im Ankerkonus mindestens zwei Zo¬ nen mit unterschiedlicher Steifigkeit aufweist, vorzugs¬ weise jedoch ca. drei bis fünf Zonen. Dabei haben die Steifi gkeitswerte der verschiedenen Zonen vom Frontbe¬ reich zum hinteren Bereich des Ankerkonus zuzunehmen. Selbstverständlich besteht der Idealfall darin, dass die Steifigkeit vom Frontbereich zum hinteren Abschnitt ste¬ tig bzw. kontinuierlich zunimmt, in der Praxis jedoch ist dies nur mit erhöhtem Aufwand möglich, und zudem bringt bereits die Wahl von drei bis fünf Zonen eine ausreichen¬ de Verteilung der Schubspannung, wie ebenfalls aus den nachfolgenden Beispielen und Figuren ersichtlich.
Weiter wird ein Verfahren zum Herstellen eines erfin- dungsgemässen konischen Verankerungssystemes gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 10 vorgeschlagen. Dabei hat es sich als problematisch erwiesen, den Füllstoff derart bei der Herstellung des Vergusses in den Konus einzufüllen, dass die mindestens drei bis fünf Zonen mit unterschied¬ licher Steifigkeit erzeugt werden können. Wird beispiels¬ weise ein sehr feiner Füllstoff verwendet, so ist die Verteilung des Füllstoffes im relativ weichen Frontbe¬ reich schlecht, währenddem bei Verwendung eines relativ groben bzw. grossvol umi gen Füllstoffes kaum eine weiche Zone hergestellt werden kann. Aus diesem Grunde wird wei¬ ter erfi ndungsgemäss vorgeschlagen, den Füllstoff vor dem Füllen der Ankerfüllmasse zur Herstellung des Veranke¬ rungskörpers unterschiedlich stark mit Bindemittel zu um¬ hüllen bzw. zu beschichten. Anschl i essend wird im Front¬ bereich des Ankerkonus stark eingehüllter bzw. beschich¬ teter Füllstoff zusammen mit dem Bindemittel in die An¬ kerhülse bzw. den Hohlkörper eingefüllt, währenddem im hinteren Bereich nicht oder nur schwach eingehüllter oder beschichteter Füllstoff verwendet wird. Das Beschichten des Füllstoffes kann beispielsweise mittels Wi rbel si ntern erfolgen. Durch dieses Verfahren kann auch das Schwinden des Verankerungskörpers im vorderen Teil stark reduziert werden .
Gemäss einer Variante des erfi ndungsgemässen Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Wi rbel si ntern des Füllstoffes in einem sog. Wirbelschichtgranulator oder einem Schüttel- oder Bi axi almi scher durchzuführen, wobei beispielsweise Aluminiumoxydpartikel mit einem Epoxydharzsystem eingehüllt bzw. beschichtet werden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. la schematisch, im Schnitt, einen Ankerkonus mit senkrecht zum Zugelement auftretenden Zugrissen im Vei— ankerungskörper, wie sie typischerweise bei einer unge¬ nügenden Stei fi gkei tsabstufung auftreten;
Fig. lb im Längsschnitt einen analogen Ankerkonus wie in Fig. la, jedoch schematisch dargestellt, auftretende Brü¬ che in der Oberflächenschicht des Drahtes und der Grenz¬ schicht zwischen Draht und Verankerungskörper;
Fig. 2 in Diagrammform, Schubspannungsverteilungen ent¬ lang einem Zugelement in einem Verankerungskörper;
Figuren 3a bis 3c den Einfluss von drei Stei fi gkeitsab- stufungen im Verankerungskörper mit einer weichen Zone am Vorderteil der Verankerung auf die Schubspannungsvertei¬ lung an der Oberfläche eines Zugelementes;
Fig. 4a bis 4c den Einfluss der gradierten und damit ide¬ alen Steifigkeitsverteilung in der Verankerung auf die Schubspannungsverteilung an der Oberfläche des Zugelemen¬ tes, und
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen erfi ndungsgemässen Verankerungskörper, wobei der im Verankerungskörper ver¬ wendete Füllstoff unterschiedlich stark mit Bindemittel umhüllt bzw. beschichtet ist. Vorne wird der Füllstoff dicker beschichtet als hinten.
In den Figuren la und lb sind schematisch im Schnitt mög¬ liche Schadensbilder dargestellt, wie sie bei Verankerun¬ gen von Kohlenstoffaserdrähten in einem VergussankerSy¬ stem auftreten können. Das Vergussankersystem 1 umfasst dabei eine Hülse 3 aus Stahl, welche axial innenliegend eine konisch verlaufende Bohrung aufweist. In diesen Ko¬ nus eingelassen ist ein entsprechend konisch ausgebilde¬ tes Verankerungssystem 5, bestehend aus dem gradierten Verankerungskörper 7 und den in diesem zu haltenden Koh¬ lenstoffaserdrähten 9, von welchen aus Gründen der Ein¬ fachheit nur ein einziger Draht dargestellt ist. An der Übergangsfläche 11 von Verankerungskörper 7 und Hülse 3 soll die Reibung möglichst klein sein, indem entweder auf der Innenseite der Hülse 3 ein Trennmittel aufgetragen ist, oder aber der Verankerungskörper 7 beispielsweise mit einer Teflonfolie beschichtet ist. Dies ist wesent¬ lich, sodass die beiden Körper frei gegeneinander ver¬ schiebbar sind. Der Verankerungskörper 7 wird in der Regel an dieser Grenzfläche mit Geweben aus Kohlenstoff-, Glas- oder Ara idfasern verstärkt. Beim Auftreten einer Zugkraft F auf die Kohlenstoffaser- drähte 9 ergeben sich in der Regel zwei mögliche Schaden¬ bilder, welche schematisch in den Figuren la und lb dar¬ gestellt sind. In Fig. la zeigen sich Querrisse 13 im Verankerungskörper 7, welche in der Regel im Frontbereich des Verankerungskörpers auftreten. Eine andere Ursache des frühzeitigen Versagens der Verankerung kann im Auf¬ treten eines sog. Gleitbruches liegen, indem an der Grenzschicht zwischen Draht und Ankerfüllmasse oder auch in der Oberfl chenschicht des Drahtes Risse bzw. Brüche 15 resp. 17 auftreten. Der Bruchverlauf ist so, dass zu¬ nächst im ersten Bereich A erste Risse 15 auftreten, wel¬ che sich anschl iessend im Bereich B relativ schnell be¬ schleunigt fortsetzen. In beiden dargestellten Fällen, d.h. sowohl in Fig. la wie auch in Fig. lb treten die ersten Schäden im Frontbereich des Vergusskonus 5 auf, offensichtlich deshalb, da bei erhöhter Zugkraft F in diesem Bereich eine Spannungskonzentration auftritt.
Diese Vermutung wird anhand des Schubspannungsvertei - 1 ungsdi agramms in Fig. 2 erhärtet, wo die Schubspannung auf die Länge des Verankerungskörpers 7 entlang der Ober¬ fläche des Kohl enstoffdrahtes 9 dargestellt ist. Kurve 18 aus Fig. 2 zeigt die ermittelte Spannungsverteilung in einem herkömmlichen, nicht gradierten Vergussankersystem entlang der Oberfläche eines verankerten Kohlenstoffdrah¬ tes. Demgegenüber zeigt Kurve 19 die ideale Spannungsver¬ teilung, sodass im Frontbereich des Ankersystems keine erhöhte Anfälligkeit von Brüchen bzw. Rissen in der An¬ kerfüllmasse wie auch entlang der Oberfläche des Kohlen¬ stoffdrahtes besteht. Für das Erreichen einer mehr oder weniger idealen Spannungsverteilung entlang der Oberflä¬ che eines Kohl enstoffdrahtes oder des Kohl enstoffdraht- bündeis wird nun erfi ndungsgemäss vorgeschlagen, dass die Steifigkeit in der Ankerfüllmasse vom Frontbereich des Vergussankersystems zum hinteren Bereich zunimmt. Ein derart erfi ndungsgemäss vorgeschlagenes Vergussankersy¬ stem soll nun anhand der Figuren 3 und 4 näher erläutert werden .
Ausgegangen wurde von Drähten, bestehend aus kohlenstoff¬ faserverstärktem Epoxydharz, wobei die Drähte im sog. Strangziehverfahren (Pultrusion) hergestellt worden sind. Dabei werden Faserrovings beispielsweise von der Firma Toray Industries, Japan, Typ T 700, von Spulen abgerollt und durch ein Epoxidharzbad gezogen. Als Epoxidharzma¬ trixsystem wurde das System Araldit LY 556/HY 917 ge¬ wählt. Das Faser/Harzbündel wurde bei gleichzeitigem Gelieren des Harzes in einer Härtungsform zu dem ge¬ wünschten Profil geformt bzw. gezogen. Mittels einer Ab¬ ziehvorrichtung wurden die Drähte durch den Härtungsofen gezogen und anschl i essend in sechs Meter lange Abschnitte geschnitten. Jeweils sieben Drähte wurden in einem Bündel zusammengefasst und in einem Ankerkonus mittels einer ge¬ füllten Epoxidharzmasse vergossen, wobei das Füllen des Ankerkonus mittels herkömmlichen Methoden erfolgen kann, wie beispielsweise durch Injektion unter Vakuum. Als An¬ kerfüllmasse wurde erneut ein Aral di tepoxi dharzsystem der Firma Ciba-Geigy verwendet mit den Harzkomponenten CY 205/CY 208, wobei bei verschiedenen Versuchen unter¬ schiedliche Mengen eines Härters HY 917 und eines Flexi- bilisators DY 070 beigefügt wurden. Damit wurden im umge¬ füllten Epoxidharzsystem E-Modul -Werte erreicht im Be¬ reich von 400 bis 800 MPa bis zu Werten von 3500 bis 4300 MPa. Als Füllstoffe wurden Stahlkugeln, Glasperlen sowie Aluminiumoxyd der Firmen Metoxit und vom Typ Alcoa ver- wendet, wobei der E-Modul von Stahl bzw. Aluminiumoxyd bis zu 300O00 MPa betragen kann.
Ziel der Versuche war nun, bei erhöhtem Zug einen allfäl¬ ligen Bruch der Kohl enstoffaserdrähte auf die freie Strecke zu verlegen, wobei davon auszugehen ist, dass der Bruch auf der freien Strecke theoretisch bei einer Zug¬ last auftritt, welche ca. 94% der Summe der einzelnen Zuglasten der einzelnen Zugelemente beträgt. Bei den oben erwähnten kohl enstoffaserverstärkten Epoxidharzdrähten wurde eine Zugfestigkeit gemessen von bis zu 3 ' 300 MPa.
Wie nun in Fig. 3a im Schnitt dargestellt, wurde ein Ver¬ ankerungskörper 7 für die Verankerung des Kohl enstoffa- serbündels 9 (als ein einziger Draht dargestellt) verwen¬ det, wobei drei Zonen 21, 23 und 25 gewählt wurden mit unterschiedlicher bzw. von der Front zum hinteren Ende ansteigenden Steifigkeit in der Ankerfüllmasse. Im Front¬ bereich 21 wurde ein f1 exi bi 1 i si ertes resp. weichgemach¬ tes Epoxidharz als Ankermatrix gewählt, mit einem Füll¬ grad (Kurzfasern oder andere Füllstoffe) in der Grössen- ordnung von ca. 3-10%, wobei der gewählte Füllstoff eine relativ kleine Korngrösse aufwies. Der so erhaltene E-Mo¬ dul lag je nach gewählter Mischung und verwendeter weich¬ gemachter Epoxidharzmatrix in der Grössenordnung von ca. 500 MPa.
Im daran anschl i essenden Abschnitt 23 wurde als Ankerma¬ trix ein nur unwesentlich weichgemachtes Epoxidharz ver¬ wendet, wobei der Füllgrad in der Grössenordnung von 10-20% lag, mit einer Korngrösse des verwendeten Alumi¬ niumoxydes von 14-28 ( Si ebgrösse ) . Der so erhaltene E-Mo¬ dul lag in der Grössenordnung je nach gewähltem Epoxid- harz und gewählter Füllstoffmenge zwischen 5'000 und 15O00 MPa.
Der hintere Bereich 25 des Giesskörpers wurde gebildet durch eine nicht weichgemachte Epoxidharzmatrix, welche selbst bereits einen E-Modul in der Grössenordnung von 4000 MPa aufwies. Der Füllgrad in diesem Bereich lag zwischen 20 und 85%, wobei grobkörniges Aluminiumoxyd verwendet worden ist. Um einen sehr hohen Füllgrad zu erhalten, wurde relativ niedrig viskoses Harz Araldit F für die Herstellung der Epoxidharzmatrix verwendet. Der so im Bereich 25 erreichte E-Modul lag in der Grössenord¬ nung von ca. 70" 000 bis 300O00 MPa.
In Fig. 3b sind die entsprechenden E-Module in bezug auf die Gesamtlänge des Giesskörpers in relativer Grössenord¬ nung dargestellt, wodurch die Zunahme der Steifigkeit vom Frontbereich zum hinteren Bereich des Ankersystems deut¬ lich erkennbar wird.
In Fig. 3c ist die in den einzelnen Bereichen festge¬ stellte Schubspannung J- i π Abhängigkeit der Länge des An¬ kerkonus dargestellt, wobei nun deutlich im Vergleich zu Fig. 2 erkennbar wird, dass sich im Bereich 21 eine we¬ sentlich niedrigere Spannungskonzentrationsspitze ein¬ stellt.
Fig. 4a zeigt erneut einen Ankerkonus 5, in welchem je¬ doch eine weitgehendst stufenlose Zunahme der Steifigkeit im Verankerungskörper vom Frontbereich zum hinteren Be¬ reich des Ankerkonus erreicht wird. Dabei wird der Front- bereich 21 aus Fig. 3 durch die drei Ei nzel berei ehe 21 ' gebildet, der daran anschl i essende Bereich 23 durch die drei Zonen 23' , währenddem der hintere Bereich 25 weitge- hendst demjenigen entspricht aus Fig. 3.
Somit ergibt sich in Fig. 4b eine weitgehendst gleichmäs- sige Zunahme des E-Moduls, der dargestellt ist durch die Kurve C. Die Abstufung B entspricht derjenigen aus Fig. 3b, währenddem A denjenigen Fall darstellt, wo der E-Mo¬ dul bzw. die Steifigkeit entlang des gesamten Ankerkonus gleichbleibend ist, resp. die Ankerfüllmasse entlang der gesamten Länge homogen ist.
Die drei Fälle A, B und C sind nun in Fig. 4c in bezug auf die berechnete Schubspannungsverteilung T" darge¬ stellt, wobei im Falle einer konstanten Steifigkeit des Verankerungskörpers bzw. im Falle A sich die gleiche Schubspannungsverteilung ergibt, wie in Fig. 2 durch Kurve 18 dargestellt. Kurve B entspricht der Schubspan¬ nungsverteilung von Fig. 3c, währenddem nun Kurve C die Schubspannungsverteilung darstellt, wie sie sich aus der Ankerkonuskonstruktion ergibt, wie in Fig. 4a darge¬ stellt.
Ein Vergleich insbesondere der Kurven B und C zeigt, dass durch den gl eich ässi geren Anstieg des E-Moduls in den Bereichen 21 und 23 kaum eine wesentliche Verbesserung der Schubspannungsverteilung erzielt werden kann, womit ein erhöhter Aufwand bei der Herstellung des Veranke¬ rungskörpers bzw. Ankerkonus 7 bzw. 5 kaum gerechtfertigt ist.
Zugversuche an erfidnungsgemäss hergestellten Veranke- rungssystemen haben dann auch ergeben, dass bereits bei der Unterteilung des Ankerkonus 5 in drei verschiedene Festigkeitszonen des Verankerungskörpers 7 ein allfälli¬ ger Bruch der Kohlenstoffaserdrähte auf die freie Strecke verlegt wurde. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass der Verankerungskörper mindestens zwei bzw. vorzugsweise drei bis fünf Bereiche umfassen sollte, welche unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen.
Analoge Resultate konnten erzielt werden, indem bei¬ spielsweise der vordere Bereich 21 aus einem mit Polymer¬ granulat gefüllten Epoxydharz mit einem relativ tiefen E-Modul aufgebaut worden ist. Der hinterste Bereich 25 hingegen wurde mit Keramikgranulat gefüllt, um so eine relativ hohe Steifigkeit und einen hohen Kriechwiderstand zu erhalten. Der mittlere Übergangsberei ch 23 wurde mit einer Mischung von keramischen und polymeren Granulaten gefüllt.
Als Ankermaterial können anstelle von Epoxidharzsystemen selbstverständlich auch andere duromere oder thermopla¬ stische Systeme verwendet werden, wie insbesondere Poly¬ urethan- oder Polyesterharzmassen, wobei speziell im Fal¬ le von Polyurethanharzsystemen das Einstellen der Stei¬ figkeit besonders einfach ist. Für alle duromeren Systeme gilt aber grundsätzlich, dass durch das Einbauen von Weichmachern, FI exi bi 1 i satoren oder gar elastomeren Blök¬ ken in das Polymersystem die Weichheit bzw. die Härte mo¬ difiziert werden kann, währenddem anderseits durch Erhö¬ hung der Vernetzungsdichte beispielsweise durch Verwen¬ dung von sog. Novol ac-Harzen die Härte bzw. die Steifig¬ keit stark erhöht werden kann. Analoge Versuche, wie oben beschrieben, wurden übrigens auch mit vorgefertigten Verankerungskörpern aus thermo¬ plastischen oder duromeren Polymeren durchgeführt, unter Verwendung der gleichen Füllstoffe wie insbesondere Glas, Stahl und Aluminiumoxyd. Insbesondere verwendet wurden Polyätherätherketon, Polymethyl etacryl at , sowie Polykar- bonat, d.h. thermoplastische Polymere, welche einen rela¬ tiv hohen E-Modul aufweisen im Bereich von ca. 2O00 bis 3O00 MPa. Allerdings ergaben sich trotz der erfindungs- gemässen Ausgestaltung des Giesskörpers mit ansteigender Festigkeit sog. Sprödbrüche im Vorderteil der Verankerung bei der Verwendung von Polymethylmetacryl at und Polykar- bonat .
Generell zur Wahl des Materials, der Füllstoffe und des Füllgrades im Verankerungskörper ist in Ergänzung zur Ausgestaltung der Stei fi gkei tsvertei 1 ung zu sagen, dass die bei auftretenden Zugkräften auf die Drahtoberfl che auftretenden Radialdrücke ausreichend sein müssen, um die interlaminare Scherfestigkeit der Drähte zu erhöhen und ein sog. Ausschlüpfen der Drähte aus dem Giesskörper zu verhindern. Andererseits aber darf die Steifigkeit im Verankerungskörper nicht zu hoch sein, da ansonsten die beim Zug auftretenden Radialdrücke vollständig vom Veran¬ kerungskörper aufgenommen werden und nicht auf die Draht¬ oberfläche übertragen werden. Bei den verschiedenen Ver¬ suchen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steifigkeitswerte von der sog. weichen Frontzone zum hin¬ teren Bereich um einen Faktor von ca. 100 zunehmen. So wurden im Frontbereich Stei fi gkeitswerte von ca. 2 bis 3 GPa gemessen, währenddem die Steifigkeit im hinteren Be¬ reich bis zu 300 GPa betragen kann.
Weitere Optimierungen der Ausreissfestigkeit der veran¬ kerten Kohlenstoffaserdrähte sind möglich durch unter- schiedliche Dimensionierung bzw. Ausgestaltung des Anker¬ konus. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel des Ankerkonus möglichst klein ist, da ein schlanker Konus zu einem günstigen Spannungszustand führt. Allerdings ist der Winkel nach unten durch den zu¬ lässigen Konusschlupf begrenzt bzw. durch die maximale Verschiebung unter Zugbelastung. Bei einem zu klein ge¬ wählten Konusradius werden die Radi al Spannungen zu klein, so dass ein Ausziehen des Ankerkonus aus der Ankerhülse möglich ist bzw. die Hülse im Frontbereich aufbrechen kann .
Eine weitere Optimierung ist möglich, indem der Radius beim Eintritt der Kohl enstoffaserdrähte in den Ankerkonus in bezug auf den Radius des Kohlenstoffaserbündel s nur unwesentlich grösser gewählt wird.
Im übrigen hat es sich weiter gezeigt, dass die Oberflä¬ che des Verankerungskörpers in der linear konisch verlau¬ fenden Ankerhülse nicht entsprechend linear konisch zu verlaufen hat, sondern gegen den Eintritt hin gebogen verjüngend ausgebildet sein kann. Allerdings ändert diese gebogene Ausbildung des Giesskörpers nichts an der erfin- dungsgemässen Aussage, dass die Steifigkeit vom Frontbe¬ reich zum hinteren Bereich in der Ankerfüllmasse bzw. im Giesskörper zunehmen muss.
Beim Vergiessen der Kohl enstoffaserdrähte in der Anker¬ hülse und dem gleichzeitigen Erzeugen der unterschiedli¬ chen Steifigkeit hat sich eine weitere Problematik erge¬ ben, indem in der Regel zusammen mit den Kohl enstoffaser- drähten bereits die Füllstoffe des Verankerungskörpers in den Konus eingegeben werden, bevor das Füllen des Konus mit der Ankermatrix bzw. mit dem Epoxidharz unter Vakuum erfolgt. Auf diese Art und Weise ist es kaum möglich, im Frontbereich einen kleineren Füllgrad zu erzielen als im hinteren Bereich, da durch das Füllen des Konus mit Füll¬ stoff vor dem Injizieren des Harzes in der Regel nur eine gleich ässige Verteilung des Füllstoffes im Verankerungs¬ körper erhalten wird.
Erfindungsgemäss wird deshalb weiter vorgeschlagen, dass der Füllstoff bzw. die Füllstoffe vor dem Füllen in den Ankerkonus unterschiedlich mit Bindemittel eingehüllt bzw. beschichtet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die Füllstoffe mittels eines sog. Wirbel¬ schi chtgranul ators oder eines Schüttel- oder Bi axi almi schers mit einem Beschi chtungsmateri al , wie beispielsweise dem als Bindemittel verwendeten Harz, zu beschichten. Dabei wird in einem Mischgutbehäl er Alumi¬ niumoxyd oder mineralisches Granulat durch Rotation eines Wirblerwerkzeuges aufgewirbelt und feinst homogenisiert. Anschl iessend wird das Beschichtungsmateri al in den Mischgutbehälter eingegeben, welches Beschichtungsmate- rial im Vergleich zum Granulat einen wesentlich geringe¬ ren Elastizitätsmodul aufweist, in der Grössenordnung von 10 bis 1000 mal kleiner. Das Beschi chtungsmateri al kann, wie oben erwähnt, das Bindemittel harzsystem sein, welches als Ankerfüllmassematrix verwendet wird. Es kann sich da¬ bei aber selbstverständlich um andere Materialien han¬ deln, welche einen geringeren Elastizitätsmodul aufwei¬ sen. Das Beschichtungsmateri al wird in der Regel als trockenes oder klebriges Pulver oder in Lösung oder in Kombination in den Mischgutbehälter eingegeben. Je nach Verweilzeit im Wirbelschichtgranulator oder in einem Schüttel- oder Bi axi almi scher wird eine kleinere oder grössere Wandstärke erzeugt, mit welcher der Füllstoff durch das Bi nde ittel harzsystem eingehüllt wird. Je nach eingesetzten Stoffen wird das beschichtete Füll¬ stoffgranul at nachträglich in einem Ofen getrocknet oder ausgehärtet .
Die auf diese Art und Weise hergestellten Füllstoffe mit unterschiedlichen Beschichtungsstärken können nun, wie in Fig. 5 dargestellt, in den vertikal stehenden Ankerkonus eingegeben werden, wobei im hinteren Bereich praktisch unbeschichtete Füllstoffe eingefüllt werden, währenddem im Frontbereich des Konus Füllstoffe mit hoher Wandstärke an Bindemi ttel harz eingefüllt werden. Bei der Injektion des Bi nde i ttel harzes bzw. der Ankermatrix besteht nun nicht mehr die Gefahr, dass der Füllstoff homogen im gan¬ zen Ankerkonus verteilt wird, sondern, wie erfi ndungsge¬ mäss gefordert, ist der Füllgrad im Frontbereich wesent¬ lich kleiner als im hinteren Bereich. Damit wird, wie erfi ndungsgemäss gefordert, die Steifigkeit im Frontbe¬ reich geringer und im hinteren Bereich wesentlich erhöht. Der Verankerungskörper, dargestellt in Fig. 5, besteht somit aus einem sog. Gradientenwerkstoff.
Der Vorteil der Verwendung von beschichteten Füllstoffen, z.B von beschichtetem Aluminiumoxyd, besteht darin, dass beispielsweise die verwendeten empfindlichen Kohlenstoff¬ faserdrähte im vorderen Abschnitt lokal nicht verletzt werden können. Zudem ergeben sich keine lokalen "Micro"- Spannungskonzentrationen.
Die Darstellung der Erfindung unter Miteinbezug der Figu¬ ren 1 bis 5 ist selbstverständlich nicht abschl iessend beschrieben, da die Ausgestaltung des Verankerungssystems auf x-beliebige Art und Weise modifiziert, variiert oder verändert werden kann. So ist die oben beschriebene Er- findung sei bstverstädnl i ch nicht auf die Verwendung von Kohlenstoffaserdrähten beschränkt, sondern lässt sich ebenfalls auf Ankersysteme anwenden, wo andere Zugelemen¬ te verwendet werden, wie beispielsweise Stahlseile, Zug¬ elemente aus Aramidfasern , Glasfaserzugstränge, etc. Auch die Herstellung der Ankerfüllmasse kann auf x-beliebige Art und Weise erfolgen, und die verschiedensten Materia¬ lien können für die Herstellung des Verankerungskörpers verwendet werden. Praktisch sämtliche duromeren Polymer¬ systeme eignen sich besonders gut, währenddem selbstver¬ ständlich auch thermoplastische Vergussmassen verwendet werden können. Als Füllstoffe eignen sich insbesondere Gummi, Stahl, mineralische Füllstoffe, Aluminiumoxyd, währenddem auch diesbezüglich sämtliche üblicherweise in polymeren Vergussystemen verwendeten Füllstoffe verwendet werden können.
Erfindungswesentlich ist, dass die Steifigkeit im Veran¬ kerungskörper eines Verankerungssystems vom Frontbereich zum hinteren Bereich des Ankerkonus zunimmt (Gradienten¬ werkstoff), um so die Schubspannungsverteilung entlang der Oberfläche der Zugelemente weitgehendst gleichmässig zu verteilen, d.h. um zu verhindern, dass im Frontbereich des Konus eine stark erhöhte Spannungsspitze auftritt.
Erfindungswesentlich ist auch, dass die Variation der Steifigkeit des Verankerungskörpers (Gradientenwerkstoff) durch Beschichten der Füllstoffe erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Konisches Verankerungssystem zum Verankern von einem oder mehreren belasteten, gespannten oder vorgespannten Zugelementen, umfassend eine konische Ankerhülse und einen, in die Hülse passenden, das oder die Zugelemente haltenden Verankerungskörper, der eine entlang der Hül¬ senwandung im wesentlichen frei gleitende Oberfläche auf¬ weist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des den Verankerungskörper (7) bildenden Gradientenwerkstof¬ fes vom Eintritt des oder der Zugelemente (9) in den Ko¬ nus, d.h. vom Frontbereich zum hinteren Teil des Konus ( 5 ) hin zunimmt .
2. Konisches Verankerungssystem, insbesondere nach An¬ spruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungs¬ körper durch einen Gradientenwerkstoff gebildet wird, be¬ stehend aus einer Bindemittelmatrix und mindestens einem Füllstoff, wobei sich die unterschiedliche Steifigkeit des Verankerungskörpers durch unterschiedlichen Füllgrad, unterschiedliche Geometrie des Füllstoffes und/oder durch unterschiedliche Steifigkeit bzw. Härte des Füllstoffes ergibt .
3. Konisches Verankerungssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelmatrix des Verankerungskörpers ein im wesent¬ lichen duromeres Polymersystem ist mit im Frontbereich des Ankerkonus erhöhten Anteilen an Pl asti fi zi ermittel n , FI exi bi 1 i satoren, Weichmachern und/oder in das Polymere eingebauten Elastomerblöcken, damit der Verankerungskör¬ per in diesem Bereich eine niedrigere Steifigkeit auf¬ weist als im hinteren Bereich.
4. Konisches Verankerungssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit um einen Faktor im Bereich von ca. 20 bis ca. 300 vom Frontbereich zum hinteren Abschluss des Ankerko¬ nus, vorzugsweise um einen Faktor von ca. 100 zunimmt.
5. Konisches Verankerungssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerkonus einen Öffnungswinkel im Bereich von ca. 5° bis ca. 15° aufweist.
6. Konisches Verankerungssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Radien der Ankeröffnung und des Zugelemen¬ tes bzw. Zugelementbündels beim Eintritt des Zugelementes einen Wert im Bereich von ca. 0,5 bis ca. 15 mm aufweist.
7. Konisches Verankerungssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Zügel ement ( -e ) aus einem oder mehreren Drähten aus Kohlenstoffasern besteht(-en) , wobei vorzugsweise als Bindemittelmatrix in den Drähten ein Epoxydharzsystem verwendet wird.
8. Konisches Verankerungssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff im Verankerungskörper durch Stahl, Quarz, Glas, Gummi und/oder vorzugsweise Aluminiumoxyd in Form von Schrott, Sand, Kugeln, Fasern, Granulate und dgl . vor- 1 iegt .
9. Konisches Verankerungssystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungskörper mindestens zwei Zonen mit unterschied¬ licher Steifigkeit aufweist, vorzugsweise ca. drei bis fünf Zonen, wobei die Stei figkeitswerte der verschiedenen Zonen vom Frontbereich des Ankerkonus zum hinteren Be¬ reich zunehmen.
10. Verfahren zum Herstellen eines konischen Veranke¬ rungssystems, insbesondere nach einem der Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerhülse (3) oder ein Hohlkörper mit entsprechender Geometrie mi einem Trennmittel beschichtet wird, anschl i essend das oder die Zugelemente (9) in die Hülse eingeführt werden, worauf die Hülse mit einem Gradientenwerkstoff ausgefüllt wird, wobei durch zunehmendes Füllen des Gradientenwerkstoffes mit Füllstoff hoher Steifigkeit vom Frontbereich zum hin¬ teren Bereich des Konus (5) eine zunehmende Steifigkeit des Verankerungskörpers (7) vom Frontbereich zum hinteren Tei 1 erhal ten wi rd .
11. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Füllstoff vor dem Füllen des Ver¬ ankerungskörpers unterschiedlich stark mit Bindemittel umhüllt bzw. beschichtet wird, wobei im Frontbereich stark eingehüllter bzw. beschichteter Füllstoff zusammen mit dem Bindemittel in die Ankerhülse bzw. den Hohlkörper eingefüllt wird und im hinteren Bereich nicht oder nur schwach eingehüllter oder beschichteter Füllstoff.
12. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff mittels Wirbel si ntern beschichtet bzw. eingehüllt wird.
13. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel durch Wirbelsintern in einem sog. Wirbelschichtgranulator oder einem Schüttel- oder Bi axi almi scher erfolgt, wobei vorzugsweise Aluminiumoxydpartikel mit einem Epoxidharzsystem eingehüllt bzw. beschichtet werden.
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