Rohr- und/oder stabförmige faserverstärkte Konstruktionen Pipe and / or rod-shaped fiber reinforced constructions
Die vorliegende Erfindung betrifft eine rohrförmige und/oder stabförmige Konstruktion, insbesondere für Stützen, Masten, Leitungsrohre und dergleichen, ein Verfahren zur Herstellung einer rohrfδr igen und/oder stabförmigen Konstruktion sowie ein Verfahren zur Herstellung einer gitter- oder gewebeartigen Bewehrung für eine rohrförmige und/oder stabförmige Konstruktion.The present invention relates to a tubular and / or rod-shaped construction, in particular for supports, masts, conduits and the like, a method for producing a tubular and / or rod-shaped construction and a method for producing a lattice or fabric-like reinforcement for a tubular and / or rod-shaped construction.
Mäste, Stützen etc. aus Schleuderbeton werden schon seit Jahrzehnten fabriziert. Dabei ist es bekannt, dass deren Querschnitte sehr unterschiedlich sein können. Betonquerschnitte, wie sie heute verwendet werden, sind zu mechanisch adäquaten Stahlrohrquerschnitten relativ schwer. Die Ursache dafür sind die hohe Dichte der Stahlbewehrung, die relativ grosse Ueberdeckung derselben, um den Korrosionsschutz zu gewährleisten, und die massige Druckfestigkeit des Betons.Poles, columns etc. made of centrifugal concrete have been manufactured for decades. It is known that their cross sections can be very different. Concrete cross-sections as they are used today are relatively heavy to mechanically adequate steel tube cross-sections. The reasons for this are the high density of the steel reinforcement, the relatively large coverage of the same to ensure corrosion protection, and the massive compressive strength of the concrete.
Obwohl sich Stahlbetonkonstruktionen, z.B. Betonmasten, Stützen etc., in der Vergangenheit bezüglich Korrosionsschutz gut bewährt haben, übersteigt ihre Masse jedoch wegen der erforderlichen minimalen Betonüberdeckung der Stahlbewehrung in der Regel jene von mechanisch gleichwertigen reinen Stahlkonstruktionen.Although reinforced concrete structures, e.g. Concrete masts, supports etc., which have proven their worth in the past with regard to corrosion protection, usually exceed their mass due to the required minimum concrete coverage of the steel reinforcement that of mechanically equivalent pure steel structures.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rohrförmige Konstruktion vorzuschlagen, beispielsweise für die erwähnten rohrförmigen Betonkonstruktionen oder für Rohre aus anderen Konstruktionswerkstoffen, welche verglichen mit den heute verwendeten stahlbewehrten Betonrohren leichter sind und trotzdem über weitgehendst gleichwertige mechanische Festigkeiten verfügen.
Die gestellte Aufgabe wird mittels einer rohrförmigen Konstruktion bzw. einem Vollprofil gemäss dem Wortlaut insbesondere nach Anspruch 1 gelöst .It is therefore an object of the present invention to propose a tubular construction, for example for the aforementioned tubular concrete structures or for pipes made of other construction materials, which are lighter compared to the steel-reinforced concrete pipes used today and yet have largely equivalent mechanical strengths. The object is achieved by means of a tubular construction or a full profile according to the wording, in particular according to claim 1.
Ersetzt man die Stahlbewehrung durch eine auf Fasern, wie insbesondere Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- gereckte Polyethy- len- , Polypropylen-, Bor-, Polyesterfasern, basierende korrosionsbeständige Bewehrung und den Normalbeton durch Hochleistungsbeton, wird es beispielsweise im Schleuderverfahren möglich, dem Stahlrohrquerschnitt mechanisch gleichwertige und unter Berücksichtigung der Korrosionsbeständigkeit sogar überlegene Betonrohrquerschnitte gegenüberzustellen.If you replace the steel reinforcement with a fiber, such as in particular carbon, glass, aramid-stretched polyethylene, polypropylene, boron, polyester fibers, corrosion-resistant reinforcement and normal concrete with high-performance concrete, it becomes possible, for example, in the centrifugal process Steel pipe cross-section to be compared mechanically equivalent and, taking into account the corrosion resistance, even superior concrete pipe cross-sections.
Rohr- oder stabförmige Bauteile aus Kohlenstoffaser- und/oder Glasfaser-verstärktem Hochleistungsbeton sind korrosionsbeständig und bedeutend leichter als bisherige Stahlbetonkonstruktionen. Dieser moderne Werkstoff hat gegenüber Stahl den grossen Vorteil, dass er nicht periodisch einer aufwendigen, die Umwelt belastenden Korrosionsschutzbehandlung unterworfen werden muss .Tubular or rod-shaped components made of carbon fiber and / or glass fiber reinforced high-performance concrete are corrosion-resistant and significantly lighter than previous reinforced concrete structures. This modern material has the great advantage over steel that it does not have to be periodically subjected to complex, environmentally harmful corrosion protection treatment.
Die Einsatzmöglichkeiten derartiger röhr- oder stabförmiger Bauteile liegen beispielsweise bei Infrastrukturbauten, wie Masten für Beleuchtungen, Fahrleitungen, Hochspannungsleitungen, Funkmasten etc. Der Vorteil der erfindungsgemäss vorgeschlagenen rohrfδrmigen Bauteile liegt in ihrem geringeren Gewicht und dadurch in der einfacheren Montage sowie im Fehlen der Notwendigkeit einer Wartung.The possible uses of such tubular or rod-shaped components are, for example, in infrastructure buildings, such as masts for lighting, overhead lines, high-voltage lines, radio masts, etc. The advantage of the tubular components proposed according to the invention lies in their lower weight and thus in the simpler assembly and in the absence of the need for maintenance .
Ein weiterer Einsatz liegt bei Gleichstrom-Eisenbahnsystemen, beispielsweise für den Ersatz von Stahlmasten infolge der Kriechstromschäden. Bei Eisenbahnsystemen, welche über ein Gleichstromnetz verfügen, entstehen an den Stahlmasten infolge von Kriechstrόmen grosse Korrosionsschäden.
Ein weiteres Einsatzgebiet liegt bei Hochspannungsleitungen, da hier die Herstellung von schwachleitenden Masten den Vorteil hat, dass für die Befestigung der Leiterseile einfachere AufhängungsSysteme möglich sind.Another application is in DC railway systems, for example for the replacement of steel poles as a result of leakage current damage. In railway systems that have a direct current network, major damage to the steel poles occurs as a result of leakage currents. Another area of application is in high-voltage lines, since the production of weakly conductive pylons has the advantage that simpler suspension systems are possible for fastening the conductor cables.
Wiederum ein weiteres Einsatzgebiet liegt im Hochbau für das Herstellen von vorfabrizierten Stützen. Der Vorteil liegt in der besseren Brandsicherheit sowie in der Schlankheit der Stützen.Another area of application is in building construction for the manufacture of prefabricated supports. The advantage lies in better fire safety and the slenderness of the supports.
Bei den oben angegebenen Einsatzgebieten handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, welche auf x-beliebige Art und Weise erweitert bzw. ergänzt werden können. So ist es beispielsweise auch möglich, die erfindungsgemäss vorgeschlagenen rohrförmigen Konstruktionen für Rohrleitungen zu verwenden oder für Rohre, beispielsweise bestehend aus einem anderen Werkstoff als Beton. So ist es auch möglich, als Matrix anstelle von Zement beispielsweise ein Kunstharz, wie Epoxidharz, Polyurethanharz, Polyesterharz und dergleichen, zu verwenden, welches Harz mit x-beliebigen mineralischen oder nichtmineralischen Füllstoffen gefüllt werden kann. Auch Rohre aus Kunstharz mit einer faserförmigen Bewehrung lassen sich mittels Schleudertechnik herstellen.The areas of application given above are of course only examples which can be expanded or supplemented in any way. For example, it is also possible to use the tubular structures proposed according to the invention for pipelines or for pipes, for example consisting of a material other than concrete. It is also possible, for example, to use a synthetic resin, such as epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin and the like, as the matrix instead of cement, which resin can be filled with any mineral or non-mineral fillers. Pipes made of synthetic resin with fibrous reinforcement can also be produced using centrifugal technology.
Bei der faserverstärkten Bewehrung bzw. Verstärkung kann es sich beispielsweise um pultrudierte Glas- und/oder Kohlenstoffasern enthaltende Verstärkungsstäbe handeln, welche vorzugsweise längs verlaufend im Rohr bzw. der rohrförmigen Konstruktion angeordnet sind. Diese Stäbe können sowohl schlaff wie auch vorgespannt in der röhr- oder stabförmigen Konstruktion angeordnet sein.The fiber-reinforced reinforcement or reinforcement can be, for example, reinforcing bars containing pultruded glass and / or carbon fibers, which are preferably arranged longitudinally in the tube or the tubular construction. These rods can be slack as well as pre-stressed in the tubular or rod-shaped construction.
Die Stäbe können wenigstens entlang von Abschnitten, Vorzugs-
weise an ihren Enden bzw. im Verankerungsbereich, oberflächenbeschichtet sein, vorzugsweise mit Aluminiumoxid-, Quarzsand- oder anderen stabilen mineralischen oder keramischen Granulaten, welche beispielsweise mit einem epoxidharzartigen Material auf der Oberfläche der Bewehrungsstäbe aufgetragen werden.The bars can at least along sections, preferential as at their ends or in the anchoring area, be surface-coated, preferably with aluminum oxide, quartz sand or other stable mineral or ceramic granules, which are applied, for example, with an epoxy resin-like material on the surface of the reinforcing bars.
Die erwähnten Stäbe sind vorzugsweise weitgehendst gleichmäs- sig verteilt entlang dem Rohrquerschnitt angeordnet und können aussen herum mittels einer Zusatzbewehrung, wie beispielsweise einer gitterformigen oder ringförmigen Bewehrung, zur Ableitung der Schubkräfte und Verbesserung der Rissverteilung, eingehüllt sein.The rods mentioned are preferably arranged largely uniformly along the pipe cross section and can be encased on the outside by means of additional reinforcement, such as a lattice-shaped or ring-shaped reinforcement, for deriving the shear forces and improving the crack distribution.
Schlussendlich können die Stäbe endständig in konischen Ankerhülsen verankert vorgespannt in der röhr- oder stabförτni- gen Konstruktion gehalten werden, sei es zeitweise beim Spannbettverfahren oder immer im Spanngliedverfahren.Finally, the rods can be anchored end-to-end in conical anchor sleeves, pre-stressed in the tubular or rod-shaped construction, whether at times with the prestressed bed method or always with the tendon method.
Bei der Verstärkung bzw. Bewehrung kann es sich aber auch um geflochtene, gewobene oder gewickelte Gitterkörbe aus Fasersträngen, vorzugsweise sogenannten Rovings , handeln. Als Bewehrung eignet sich auch eine Faserwendel bzw. Endlosspirale, welche sich entlang der ganzen Länge der rohrförmigen Konstruktion erstreckt.The reinforcement or reinforcement can also be braided, woven or wound lattice baskets made of fiber strands, preferably so-called rovings. A fiber spiral or endless spiral, which extends along the entire length of the tubular construction, is also suitable as reinforcement.
Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten der erfindungsgemäs- sen Verstärkung bzw. Bewehrung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 16 charakterisiert.Further preferred design variants of the reinforcement or reinforcement according to the invention are characterized in the dependent claims 2 to 16.
Vorgeschlagen wird weiter ein Verfahren zur Herstellung einer röhr- oder stabfδrmigen Konstruktion, beinhaltend die faserartige Bewehrung bzw. Verstärkung, gemäss dem Wortlaut insbesondere nach Anspruch 17.
Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.A method for producing a tubular or rod-shaped structure is also proposed, comprising the fibrous reinforcement or reinforcement, according to the wording, in particular according to claim 17. Preferred embodiment variants of the method according to the invention are characterized in the dependent claims.
Schlussendlich beschrieben werden Verfahren zur Herstellung einer geflochtenen, gewobenen oder gewickelten gitterartigen Bewehrung bzw. Verstärkung, wie sie in einer erfindungsgemäss definierten röhr- oder stabförmigen Konstruktion verwendet wird. Diese Verfahren sind charakterisiert in einem der Ansprüche 19 oder 20.Finally, methods are described for producing a braided, woven or wound lattice-like reinforcement or reinforcement, such as is used in a tubular or rod-shaped construction according to the invention. These methods are characterized in one of the claims 19 or 20.
Näher auf die diversen röhr- oder stabförmigen Konstruktionen, Herstellverfahren der röhr- oder stabförmigen Konstruktionen sowie Herstellverfahren für die Herstellung der Bewehrungen bzw. Verstärkungen wird unter Bezug auf die nachfolgenden Figuren eingegangen. Anhand dieser beispielsweisen Figuren wird die Erfindung nun näher beschrieben.The various figures refer to the various tubular or rod-shaped constructions, manufacturing methods of the tubular or rod-shaped constructions and manufacturing methods for the production of the reinforcements or reinforcements. The invention will now be described in more detail with reference to these exemplary figures.
Dabei zeigen:Show:
Fig. 1 einen Rohrquerschnitt mit einer Stahlbewehrung gemäss Stand der Technik;1 shows a pipe cross section with a steel reinforcement according to the prior art.
Fig. 2 einen Rohrquerschnitt mit einer Bewehrung, bestehend aus faserverstärktem Kunststoff;Figure 2 shows a pipe cross section with a reinforcement consisting of fiber-reinforced plastic.
Fig. 3a rohrförmige Bewehrungen im Quer- bzw. Längsschnitt, bis 3d beinhaltend eine Längsbewehrung sowie eine Querbewehrung;3a tubular reinforcements in cross or longitudinal section, up to 3d containing a longitudinal reinforcement and a transverse reinforcement;
Fig. 4 in Perspektive, eine geflochtene gitterartige faserverstärkte Bewehrung;Fig. 4 in perspective, a braided lattice-like fiber-reinforced reinforcement;
Fig. 5 einen lose geflochtenen Faserstrumpf für die Her-
Stellung einer Bewehrung gemäss Fig. 4;5 shows a loosely braided fiber stocking for the Position of a reinforcement according to FIG. 4;
Fig. 6a schematisch dargestellt, die Herstellung eines bis 6c faserverstärkten Gitterrohres aus einem geflochtenen Strumpf gemäss Fig. 4 für eine Rohrbewehrung;6a shows schematically the production of a fiber-reinforced lattice tube to 6c from a braided stocking according to FIG. 4 for a tube reinforcement;
Fig. 7a verschiedene gewickelte Gitterrohre aus faserver- bis 7f stärktem Kunststoff in Längsansicht;Fig. 7a different wound mesh tubes made of fiber reinforced to 7f reinforced plastic in a longitudinal view;
Fig. 8 im Längsschnitt, eine konische Verankerungshülse für das endständige Verankern eines Längsbewehrungsstabes undFig. 8 in longitudinal section, a conical anchoring sleeve for the terminal anchoring of a longitudinal reinforcement bar and
Fig. 9 einen mit Granulat beschichteten Bewehrungsstab.Fig. 9 a reinforcement bar coated with granules.
Fig. 1 zeigt einen Rohrquerschnitt eines Rohres l1 mit einer Stahlbewehrung, umfassend längs im Rohr verlaufende Stahlstäbe 9 ' und eine die Stäbe einhüllende Schubbewehrung 11 ' . Sowohl innen wie aussen ist die Stahlbewehrung je durch eine Betondeckung 3' bzw. 5' als Korrosionsschutz überdeckt.Fig. 1 shows a pipe cross section of a pipe 1 l with a steel reinforcement comprising longitudinally extending in the pipe steel rods 9 'and the rods enveloping shear reinforcement 11'. The steel reinforcement is covered both inside and outside by a concrete cover 3 'or 5' as corrosion protection.
Demgegenüber zeigt Fig. 2 einen Rohrquerschnitt mit einer faserverstärkten Bewehrung, umfassend einerseits Längsstäbe 9 und eine die Stäbe einhüllende Schubbewehrung 11. Wiederum ist die Bewehrung mit Hochleistungsbeton überdeckt, wobei es auch möglich ist, auf eine Betondeckung gänzlich zu verzichten. Mit einer minimalen Betondeckung wird die Bewehrung aus Kohlenstoffaser-verstärkte Kunststoff vor dynamischen Einwirkungen geschützt.In contrast, FIG. 2 shows a pipe cross section with a fiber-reinforced reinforcement, comprising, on the one hand, longitudinal bars 9 and a shear reinforcement 11 enveloping the bars. Again, the reinforcement is covered with high-performance concrete, it also being possible to dispense entirely with a concrete cover. With a minimal concrete cover, the reinforcement made of carbon fiber reinforced plastic is protected from dynamic influences.
Fig. 3a bis Fig. 3d sind heute übliche Bewehrungsmuster für Stahlbeton. Sie eignen sich ebenfalls für Kohlenstoffaserverstärkten Kunststoff. Dabei zeigt Fig. 3a die Bewehrung gemäss Fig. 2, aufweisend die Längsstäbe 9 sowie eine Querbe-
wehrung 11. Diese Querbewehrung 11 kann beispielsweise, wie in Fig. 3b dargestellt, aus einfachen Querbügeln 11b bestehen, mittels welcher die Längsstäbe 9 aussen verbindend eingehüllt sind.3a to 3d are common reinforcement patterns for reinforced concrete today. They are also suitable for carbon fiber reinforced plastic. 3a shows the reinforcement according to FIG. 2, having the longitudinal bars 9 and a transverse Reinforcement 11. This transverse reinforcement 11 can, for example, as shown in Fig. 3b, consist of simple cross brackets 11b, by means of which the longitudinal bars 9 are wrapped to connect the outside.
Es ist aber auch möglich, dass die Querbewehrung aus einer doppelt gewickelten Wendel 11c besteht, wie in Fig. 3c dargestellt .However, it is also possible for the transverse reinforcement to consist of a double-wound helix 11c, as shown in FIG. 3c.
In Fig. 3d ist eine einseitig verlaufende gewickelte Spirale bzw. Wendel lld dargestellt, wiederum aussen einhüllend die Längsstäbe 9.FIG. 3d shows a coiled spiral or spiral lld running on one side, again encasing the longitudinal bars 9 on the outside.
Das relativ teure Kohlenstoffasermaterial muss möglichst sparsam verwendet werden, d.h. die entsprechenden Konstruktionen müssen möglichst optimal ausgebildet sein. Die diagonal verlaufende Bewehrung ist sowohl eine Längsbewehrung wie auch eine Querbewehrung, d.h. übernimmt Biege-Zugspannungen sowie Schub aus Querkraft und aus Torsion. Für einen Rohrquerschnitt mit reiner Torsion ist dies, bei einem Achsenwinkel von ± 45°, die effizienteste Bewehrung. Bei axialem Druck erhöht sich die Betondruckfestigkeit mit einer markanten Duk- tilitätssteigerung infolge Umschhürungswirkung (confining action) .The relatively expensive carbon fiber material must be used as sparingly as possible, i.e. the corresponding constructions must be optimally designed. The diagonal reinforcement is both a longitudinal reinforcement and a transverse reinforcement, i.e. takes on bending tensile stresses and shear from lateral force and from torsion. For a pipe cross section with pure torsion, this is the most efficient reinforcement with an axis angle of ± 45 °. With axial pressure, the concrete compressive strength increases with a striking increase in ductility as a result of the confining action.
Bewehrungskδrbe gemäss Fig. 3c und Fig. 3d bestehen aus Längsstäben und Querstäben.Reinforcement cages according to Fig. 3c and Fig. 3d consist of longitudinal bars and cross bars.
Je engmaschiger die Gitterkδrbe ausgebildet sind, um so besser ist die Rissverteilung. Mit anderen Worten führen engmaschige Gitterkδrbe zu einer möglichst feinen Rissverteilung.The more closely meshed the baskets are, the better the crack distribution. In other words, close-meshed mesh baskets lead to the finest possible crack distribution.
Die korrosionsbeständige Bewehrung aus Kohlenstoff- und/oder Glasfasern lässt eine minimale Betondeckung zu (sowohl aussen
wie auch innen) und ermöglicht somit die Herstellung von dünnwandigen Rohrquerschnitten. Die minimale Betondeckung soll die faserverstärkte Bewehrung vor mechanischen Einwirkungen schützen. Die minimale Betonabdeckung muss grδsser sein als das grδsste Zuschlagskorn, wegen der Verdichtung beispielsweise beim Schleudern beim Herstellen der rohrförmigen Konstruktion. Eine engmaschige Bewehrung ist bei dünnwandigen Rohrquerschnitten aus obigen Gründen vorzuziehen. Bei den in den Fig. 1 bis 3 und nachfolgenden Figuren dargestellten Querschnitten kann es sich selbstverständlich auch um Vollprofile bzw. Stabprofile handeln, da die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Massnahmen nicht auf Rohre beschränkt sind.The corrosion-resistant reinforcement made of carbon and / or glass fibers allows minimal concrete cover (both outside as well as inside) and thus enables the production of thin-walled pipe cross sections. The minimal concrete cover is intended to protect the fiber-reinforced reinforcement from mechanical influences. The minimum concrete cover must be larger than the largest aggregate grain, due to the compaction, for example, when spinning when manufacturing the tubular structure. Close-meshed reinforcement is preferred for thin-walled pipe cross sections for the above reasons. The cross sections shown in FIGS. 1 to 3 and subsequent figures can of course also be full profiles or rod profiles, since the measures proposed according to the invention are not limited to pipes.
In Fig. 4 ist in Längsperspektive ein faserverstärktes Gitterrohr 21 dargestellt, bestehend aus diagonal geflochtenen sogenannten Rovings 23. Selbstverständlich kann es auch aus mehreren Rovings, sogenannten Strängen, geflochten werden. Auf die Herstellung derartig faserverstärkter Gitterrohre wird nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 6a bis 6c Bezug genommen .4 shows a fiber-reinforced lattice tube 21 in a longitudinal perspective, consisting of diagonally braided so-called rovings 23. Of course, it can also be braided from several rovings, so-called strands. The manufacture of fiber-reinforced lattice tubes of this type is referred to below with reference to FIGS. 6a to 6c.
Ausgegangen für die Herstellung solch laminierter Gitterrohre aus geflochtenen Strümpfen wird von einem strümpfartigen bzw. schlauchartigen geflochtenen Gewebe, wie in Fig. 5 dargestellt. Dabei bestehen die einzelnen Stränge, wie oben angeführt, aus sogenannten Rovings, aufweisend beispielsweise Kohlenstoffasern und/oder Glasfasern. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass es sinnvoll sein kann, mehrere Kohlenstoffaserrovings mit Glasfaserfäden zu binden, um zu flechten. Der gemäss Fig. 5 dargestellte Strumpf bzw. Schlauch wird nach dem Flechten auf Rollen aufgespult.The starting point for the production of such laminated lattice tubes from braided stockings is a stocking-like or tubular braided fabric, as shown in FIG. 5. The individual strands, as mentioned above, consist of so-called rovings, for example comprising carbon fibers and / or glass fibers. In practice, it has been shown that it can make sense to tie several carbon fiber rovings with glass fiber threads in order to braid. The stocking or hose shown in FIG. 5 is wound up on rolls after braiding.
In den Fig. 6a bis 6c ist nun dargestellt, wie der für die Bewehrung zu verwendende Gitterkorb bzw. das Gitterrohr her-
gestellt wird. Von einer Rolle 27, umfassend den geflochtenen Endlosschlauch bzw. -Strumpf 25, wird dieser abgerollt mit gleichzeitigem Ueberstülpen über eine längs ausgebildete Kernform 29 für die Formgebung. Der Schlauch wird dabei über eine abgerundete Spitze 31 der zylindrischen oder konischen Kernform 29 geschoben. Ueblicherweise ist die Kernform aus Holz gefertigt, sie kann aber auch aus Metall oder aus Kunststoff gefertigt sein. Die Kernform 29 wird vorgängig zum Ueberstülpen mit dem Schlauch mit einer Plastikfolie geschützt oder aber mit einem üblicherweise in der Kunststoff- technik verwendeten Trennmaterial beschichtet, damit ein an- schliessend einwandfreies Entformen des Gitterrohres nach dessen Herstellung möglich ist. Möglich ist beispielsweise auch eine " flaschenfδr ige" Kernform etc. Ein grosser Vorteil bei komplizierten Formen besteht jeweils darin, dass sich der Strumpf an die jeweilige Form anpasst.6a to 6c it is now shown how the mesh basket or the mesh tube to be used for the reinforcement is produced. is provided. A roll 27, comprising the braided endless hose or stocking 25, unrolls it with simultaneous slipping over a longitudinally shaped core shape 29 for shaping. The tube is pushed over a rounded tip 31 of the cylindrical or conical core shape 29. The core shape is usually made of wood, but it can also be made of metal or plastic. The core form 29 is previously protected with a hose with a plastic film or is coated with a separating material that is usually used in plastics technology, so that the trellis tube can then be removed from the mold properly after its manufacture. A "bottle-shaped" core shape, for example, is also possible. A great advantage in the case of complicated shapes is that the stocking adapts to the respective shape.
Nach dem Ueberstülpen öffnet sich der Schlauch 25 zu einer losen flexiblen Gitterform 33 und fällt infolge der Schwerkraft nur dann nach unten, wenn er leicht nach oben nachgeschoben wird. Ein Ziehen des Schlauches über die Kernform funktioniert weder vertikal noch horizontal; der Grund liegt wohl darin, dass beim Ziehen infolge Reibung sofort eine Einschnürung entsteht.After being slipped on, the hose 25 opens into a loose, flexible lattice shape 33 and, due to the force of gravity, only falls downwards when it is pushed slightly upwards. Pulling the hose over the core shape does not work vertically or horizontally; the reason is probably that a constriction occurs immediately when pulling due to friction.
Im weiteren konnte festgestellt werden, dass Kohlenstoffaser- schläuche mit dicken Strängen, da steifer, robuster und weniger filigran, besser über die Form gestülpt werden können als feine. Durch das grössere Eigengewicht rutschen derartige Schläuche auch besser über die Form. Das Stülpen des Faserstrumpfes bzw. -Schlauches über die Kernform 29 kann sowohl manuell wie auch maschinell erfolgen.It was also found that carbon fiber hoses with thick strands, since they are stiffer, more robust and less filigree, can be placed over the mold better than fine ones. Due to the greater weight, such hoses also slide better over the form. The fiber stocking or tube can be placed over the core shape 29 both manually and mechanically.
Nachdem die Gitterform 33 sich entlang der gesamten Oberflä-
ehe der Kernform 29 erstreckt, wird der Gitterkorb nun so hergestellt, indem das Gitter 33 mittels eines Harzes, wie beispielsweise Epoxidharz, Polyurethanharz, Polyesterharz und dergleichen, laminiert wird. Nach dem Aushärten des Harzes entsteht somit ein starres Gitterrohr, aufweisend entlang der ganzen Länge eine Gitterstruktur, wie dargestellt beispielsweise in Fig. 6b und bezeichnet mit der Bezugszahl 37. Nach dem Aushärten wird die Kernform 29 entfernt, und die Faserbewehrung für die Herstellung einer erfindungsgemäss definierten rohrfδrmigen Konstruktion ist somit fertiggestellt. Es bleibt somit nur noch, das Gitterrohr in die gewünschte Länge zu verkürzen.After the lattice shape 33 extends along the entire surface Before the core mold 29 extends, the mesh basket is now made by laminating the mesh 33 using a resin such as epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin and the like. After curing of the resin, a rigid lattice tube is thus produced, having a lattice structure along the entire length, as shown, for example, in FIG. 6b and designated by the reference number 37. After curing, the core mold 29 is removed, and the fiber reinforcement for the production of an inventive The defined tubular construction is thus completed. The only thing left is to shorten the trellis tube to the desired length.
Beim Herstellen des schlauchförmigen Gittergeflechtes ist es wichtig, bereits die endgültige Geometrie des zu erstellenden Rohres bzw. der Stütze oder des Mastes miteinzubeziehen, da sich selbstverständlich die Geometrie des Gitterkorbes danach zu richten hat . Aus diesem Grunde ist es beispielsweise sinnvoll, die Kernform bereits leicht konisch verlaufend auszubilden, da ja bekanntlich Masten ebenfalls konisch nach oben zusammenverlaufend ausgebildet sind. Bei der Herstellung von Leitungsrohren hingegen ist auf eine konische Ausbildung der Kernform zu verzichten.When manufacturing the tubular mesh, it is important to include the final geometry of the pipe, the support or the mast to be created, since the geometry of the mesh basket must of course be based on this. For this reason it makes sense, for example, to design the core shape to be slightly conical, since, as is well known, masts are also designed to converge conically upwards. In contrast, in the manufacture of conduit pipes, the conical shape of the core shape must be avoided.
Ebenfalls zu beachten ist, dass der Umfang des Schlauches und die Anzahl der Stränge nach dem Ueberstülpen der KernformIt should also be noted that the circumference of the tube and the number of strands after the core shape has been slipped on
a) den Steigungswinkel der gegeneinanderlaufenden Stränge bestimmen sowiea) determine the pitch angle of the opposing strands and
b) die Grδsse der Gitteröffnungen zwischen den Strängen.b) the size of the lattice openings between the strands.
So hat es sich beispielsweise gezeigt, wie in Fig. 6c dargestellt, dass ein Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen
von ca. 45° zu bevorzugen ist, wobei selbstverständlich bei konisch verlaufenden Gitterkδrben dieser Winkel von unten nach oben variiert bzw. zunimmt.For example, as shown in FIG. 6c, it has been shown that an angle of inclination with respect to the horizontal of approximately 45 ° is to be preferred, this angle of course varying or increasing from bottom to top in the case of conical mesh baskets.
Die Herstellung der Faserschläuche bzw. -Strümpfe erfolgt in der Regel nach herkömmlichen Methoden durch dafür spezialisierte Firmen. Bei der Herstellung von Strängen, bestehend aus mehreren Rovings, können diese eine Grund-Kohlenstoff- faserstruktur aufweisen, welche mit einer Glasfaserschnur umwickelt werden. Diese Massnahme hat verschiedene Auswirkungen:The manufacture of fiber hoses and stockings is usually carried out according to conventional methods by specialized companies. When producing strands consisting of several rovings, these can have a basic carbon fiber structure which is wrapped with a glass fiber cord. This measure has various effects:
Durch die Umwicklung der Kohlenstoffaserstränge entstehen relativ steife "Kordeln", welche sich einfacher und unproblematischer über den Formkern legen lassen.The wrapping of the carbon fiber strands creates relatively stiff "cords" which can be placed over the mandrel more easily and without problems.
Werden Stränge mit einer Glasfaserschnur umwickelt, entsteht infolge der Einschnürung eine gerippte Strangoberfläche. Diese führt zu einer verbesserten Haftung bzw. zu einer verkürzten Verankerungslänge im Beton.If strands are wrapped with a glass fiber cord, a ribbed strand surface is created as a result of the constriction. This leads to an improved adhesion or to a shorter anchoring length in the concrete.
In den Fig. 7a bis 7f sind verschiedene Ausführungsvarianten von gewickelten, faserverstärkten Gitterrohren dargestellt, welche beispielsweise mittels Wickelmaschinen hergestellt sind. Das Wickeln von harzgetränkten Kohlenstoff- und/oder Glasfasern erfolgt in der Regel auf einen Wickelkern, welcher wiederum vorzugsweise mit einem Trennmittel beschichtet ist . Der Vorteil des Wickeins liegt in der maschinellen Herstellung und damit in der Herstellung von reproduzierbar exakten Formen. Es können lange Fasern verwendet werden. Auch der Fasereinsatz ist optimaler, da eine gezielte Winkeleinstellung je nach statischer Beanspruchung möglich ist. Die Gitteröffnung ist gezielt in Grosse bzw. Geometrie beeinflussbar. Schlussendlich ist es möglich, Aussparungen, Querschnittsver-
engungen etc. direkt beim Wickelprozess zu berücksichtigen.7a to 7f show different design variants of wound, fiber-reinforced lattice tubes, which are produced, for example, by means of winding machines. Resin-impregnated carbon and / or glass fibers are generally wound on a winding core, which in turn is preferably coated with a release agent. The advantage of wrapping lies in the mechanical production and thus in the production of reproducibly exact shapes. Long fibers can be used. The fiber use is also more optimal, since a targeted angle adjustment is possible depending on the static load. The size or geometry of the grid opening can be influenced in a targeted manner. Ultimately, it is possible to make cutouts, cross-sectional considerations etc. directly in the winding process.
In Fig. 7a ist ein gewickeltes Gitterrohr dargestellt, aufweisend diagonale Gitterstränge mit einem Gangwinkel von 45°. In Fig. 7b hingegen ist der Gangwinkel relativ flach, und in Fig. 7c weist das Gitterrohr steil angewinkelte Gitterstränge auf.In Fig. 7a, a coiled lattice tube is shown, having diagonal lattice strands with a pitch angle of 45 °. In FIG. 7b, on the other hand, the pitch angle is relatively flat, and in FIG. 7c the grating tube has grating strands that are steeply angled.
In Fig. 7d weist das Gitterrohr eine konische Form auf, währenddem das Gitterrohr gemäss Fig. 7e eine Verengung 43 aufweist. In Fig. 7f, schlussendlich, ist eine Aussparung 45 vorgesehen.In FIG. 7d the lattice tube has a conical shape, while the lattice tube according to FIG. 7e has a constriction 43. 7f, finally, a recess 45 is provided.
Nach dem Wickelvorgang stellt sich das Gitterrohr beispielsweise dadurch ein, dass das in die einzelnen Stränge eingedrungene Harz bei Normaltemperatur aushärtet. Falls es sich um ein heiss härtendes Bindemittel handelt, muss das auf die Wickelform aufgewickelte Gitterrohr nachgetempert werden, um eine Aushärtung des Laminierharzes auszulösen. Nach Aushärten des Laminierharzes bzw. des Bindemittelharzes kann das Gitterrohr wiederum vom Wickelkern entfernt werden und auf die gewünschte Länge verkürzt werden.After the winding process, the trellis tube is set, for example, by the resin which has penetrated into the individual strands curing at normal temperature. If it is a hot-curing binder, the lattice tube wound on the winding form must be re-annealed to trigger curing of the laminating resin. After the lamination resin or the binder resin has hardened, the lattice tube can in turn be removed from the winding core and shortened to the desired length.
Eine weitere Herstellungsmδglichkeit von gitterartigen Bewehrungen besteht beispielsweise im Punktschweissen von sogenannten thermoplastischen faserverstärkten Bändern. Diese Bänder, bestehend aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise mit einem Volumenanteil von 30% bis 40%, verstärkt mit beispielsweise 60 bis 70Vol% Fasern, können durch Aufeinanderlegen, Anpressen und punktuelles Erwärmen der Matrix miteinander verschweisst werden.Another possibility for producing grid-like reinforcements is spot welding of so-called thermoplastic fiber-reinforced strips. These tapes, consisting of a thermoplastic material, for example with a volume fraction of 30% to 40%, reinforced with, for example, 60 to 70% by volume of fibers, can be welded to one another by laying them together, pressing them on and heating them up selectively.
Analog der Herstellmethode, dargelegt unter Bezug auf die Fig. 7a bis 7f , können mit dieser Punkt-Schweiss-Technik
ebenfalls faserverstärkte Gitterkörbe hergestellt werden.Analogous to the manufacturing method, set out with reference to FIGS. 7a to 7f, this spot welding technique can be used fiber-reinforced mesh baskets can also be produced.
Wiederum eine weitere Möglichkeit besteht darin, schlaffe oder vorgespannte Längsstäbe mit einer Wendel bzw. mittels einer Spirale einzuhüllen, wobei die Wendel mit faserverstärkten thermoplastischen Bändern, beispielsweise verstärkt mit Kohlenstoffasern, hergestellt werden kann, welche mit der Längsbewehrung punktuell verklebt wird.Another possibility is to encapsulate flaccid or prestressed longitudinal bars with a helix or by means of a spiral, the helix being able to be produced with fiber-reinforced thermoplastic tapes, for example reinforced with carbon fibers, which are glued at points to the longitudinal reinforcement.
Es ist aber auch möglich, eine Wendel aus Faserrovings oder Fasersträngen herzustellen, wobei die Faserrovings auf eine Kernform unter Berücksich igung des späteren Durchmessers der Längsbewehrung aufgewickelt werden, darauf das Laminieren und Aushärten der Wendel erfolgt, worauf diese entformt wird.However, it is also possible to produce a helix from fiber rovings or fiber strands, the fiber rovings being wound onto a core shape, taking into account the later diameter of the longitudinal reinforcement, whereupon the helix is laminated and hardened, after which it is removed from the mold.
Unter Bezug auf die Fig. 8 und 9 soll nun das Vorspannen von Längsstäben, wie dargestellt in den Fig. 2 und 3, beispielsweise im wesentlichen bestehend aus Fasern, beschrieben werden. Das Vorspannen von faserverstärkten Stäben ist mit verschiedenen Schwierigkeiten verbunden:With reference to FIGS. 8 and 9, the prestressing of longitudinal bars, as shown in FIGS. 2 and 3, for example essentially consisting of fibers, will now be described. Tensioning fiber-reinforced bars is associated with various difficulties:
1. Die Verankerung von beispielsweise Kohlenstoffaserstäben in Beton lässt sich bis heute nur mit einer sogenannten "Panierung" befriedigend lösen, wobei eine derartige Oberflächenbeschichtung mit dem Bezugszeichen 51 in Fig.1. The anchoring of, for example, carbon fiber rods in concrete can be solved satisfactorily only with a so-called "breading", such a surface coating with the reference number 51 in FIG.
9 schematisch dargestellt ist. Als geeignete Oberflächen- beschichtung haben sich mineralische und keramische Granulate erwiesen, welche beispielsweise mittels eines Epoxidharzes auf die Kohlenstoffaserdrähte geklebt werden.9 is shown schematically. Mineral and ceramic granules, which are glued to the carbon fiber wires by means of an epoxy resin, for example, have proven to be a suitable surface coating.
2. Die Endverankerung für das Vorspannen der Kohlenstoff- faserdrähte erfordert ein spezielles Verankerungssystem, wie beispielsweise in Fig. 8 dargestellt. Da die auf
Querkräfte empfindlichen Kohlenstoffaserstäbe nicht durch Klemmen festgehalten werden können, wird die Verankerungskraft mit einer Keilwirkung in einer zylindrischen Hülse 53 bewerkstelligt. Derartige Verankerungshülsen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO95/29308 beschrieben. Auf eine detaillierte Beschreibung derartiger Verankerungshülsen wird an dieser Stelle verzichtet und lediglich auf die oben erwähnte internationale Patentanmeldung verwiesen.2. The end anchoring for the prestressing of the carbon fiber wires requires a special anchoring system, as shown for example in FIG. 8. Since the on Shear forces sensitive carbon fiber rods can not be held by clamping, the anchoring force is achieved with a wedge effect in a cylindrical sleeve 53. Such anchoring sleeves are known from the prior art, as described, for example, in international patent application WO95 / 29308. A detailed description of such anchoring sleeves is omitted here and only reference is made to the international patent application mentioned above.
In der Praxis hat es sich gezeigt, dass bei der Herstellung von leicht konisch verlaufenden Masten, welche an ihrer Basis einen grösseren Durchmesser haben als am köpfseitigen Ende, durch Anlegen von Vorspannkräften an der Armierung am Kopfende bzw. der Spitze gegebenenfalls zu hohe Kräfte auf den Beton übertragen werden, da ja der Durchmesser kleiner ist als an der Basis. Bei der Verwendung von Armierungseisen werden deshalb an einem Teil der Armierungseisen die Oberflächen derart behandelt, dass der Beton praktisch nicht darauf haftet. In der vorliegenden Erfindung ist es deshalb vorteilhaft, die "Panierung" an einem Teil der Drähte bzw. Kohlenstoffaserstäben wegzulassen, damit nicht die gesamte Vorspannkraft auf den Beton übertragen wird. Mit anderen Worten ist durch das teilweise Weglassen der Panierung die Haftung auf den glatten Drähten bzw. Stäben eher schlecht, was im Kopfbereich bzw. der Spitze einer Mäste erwünscht ist.In practice, it has been shown that in the production of slightly tapered masts, which have a larger diameter at their base than at the end of the head, by applying prestressing forces to the reinforcement at the head end or the tip, excessive forces may be exerted on the Concrete is transferred because the diameter is smaller than at the base. When using reinforcing irons, the surfaces of some of the reinforcing irons are treated in such a way that the concrete practically does not adhere to them. In the present invention, it is therefore advantageous to omit the "breading" on part of the wires or carbon fiber rods, so that the entire prestressing force is not transmitted to the concrete. In other words, due to the partial omission of the breading, the adhesion to the smooth wires or rods is rather poor, which is desirable in the head region or the tip of a mast.
Die Herstellung der erfindungsgemäss definierten rohrfδrmigen und/oder stabförmigen Konstruktion erfolgt nun vorzugsweise mit dem sogenannten Schleuderverfahren, ein Verfahren, welches auch für Mäste etc. mit Stahlbewehrung verwendet wird und sich bestens bewährt hat.
Zunächst wird die untere Schalungshälfte bereitgestellt, gereinigt und beispielsweise mit Schalungsδl bzw. einem Trennmaterial behandelt . Anschliessend wird der vorab beschriebene und vorbereitete Bewehrungskorb bzw. die Verstärkung in diese untere Schalungshälfte eingelegt. Nun erfolgt das Einfüllen des flüssigen bis weichplastischen Betons durch die Bewehrung hindurch in die bereitgestellte untere Schalungshälfte. Selbstverständlich kann anstelle des Betons auch ein anderes Bindemittel-/Fύllstoffgemisch in diese Schalungshälfte eingefüllt werden, wie beispielsweise eine gefüllte Kunstharz- masse .The tubular and / or rod-shaped construction defined according to the invention is now preferably produced using the so-called centrifugal process, a process which is also used for masts etc. with steel reinforcement and has proven itself to be very effective. First, the lower half of the formwork is made available, cleaned and treated with formwork oil or a separating material, for example. The previously described and prepared reinforcement cage or reinforcement is then placed in this lower half of the formwork. Now the liquid to soft plastic concrete is poured through the reinforcement into the provided lower half of the formwork. Of course, instead of the concrete, another binder / filler mixture can be poured into this formwork half, such as a filled synthetic resin compound.
Daran anschliessend erfolgt das Auflegen der oberen Schalungshälfte mit nachfolgender Verschraubung, Verkeilung etc. mit der unteren Schalungshälfte. Schlussendlich erfolgt die Herstellung des Rohres mit einer Zentrifugalkraft von ca. 30g bis 50g (30 bis 50facher Erdbeschleunigung) im Bereich des grössten Radius des Produktes . Nach erfolgter Aushärtung wird das so mittels Schleuderverfahren hergestellte Rohr aus der Schalung entformt.The upper half of the formwork is then attached, followed by screwing, wedging, etc. with the lower half of the formwork. Finally, the pipe is manufactured with a centrifugal force of approx. 30g to 50g (30 to 50 times gravitational acceleration) in the area of the largest radius of the product. After curing, the tube produced in this way using a centrifugal process is removed from the formwork.
Wie erwähnt, bedarf es für das Herstellen der Rohre mittels Schleuderverfahren keiner neu entwickelten Einrichtung, sondern es können bewährte und konventionelle Schleudereinrichtungen verwendet werden, wie sie auch für die Herstellung von mit Stahl bewehrten Betonrohren Verwendung finden.As mentioned, no newly developed equipment is required for the production of the pipes by means of centrifugal processes, but proven and conventional centrifugal devices can also be used, as are also used for the production of steel pipes reinforced with concrete.
Bei den in den Fig. 2 bis 9 dargestellten Rohren, Bewehrungen und Verstärkungen, Verankerung, Gitterkörben usw. handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, welche dazu dienen, die vorliegende Erfindung näher zu erläutern. Obwohl die Erfindung weitgehendst unter Bezug auf die Herstellung von bewehrten Betonrohren beschrieben ist, ist es selbstverständ-
lieh möglich, irgendein für das Herstellen von Rohren oder Stäben verwendetes Material mittels faserverstärkter Bewehrung zu verstärken. So ist auch die vorliegende Erfindung nicht auf runde Querschnitte beschränkt, sondern es lassen sich selbstverständlich auch Rohre oder Stäbe mit eckigen oder ovalen Querschnitten erfindungsgemäss verstärken. Auch kann es sich beim für die Rohr- oder Stabherstellung verwendeten Material um mineralische Bindemittel, Kunstharze oder teilweise vernetzende thermoplastische Materialien handeln, welche gering oder relativ hoch gefüllt sind, wiederum beispielsweise mittels mineralischer Füllstoffe. Bei der Bewehrung handelt es sich vorzugsweise um eine solche, hergestellt aus Fasern. So ist es auch möglich, beispielsweise metallische Fasern für die Verstärkung zu verwenden und/oder Ab i- schungen mit den erwähnten Materialien Kohlenstoff und Glas.The pipes, reinforcements and reinforcements, anchoring, mesh baskets, etc. shown in FIGS. 2 to 9 are of course only examples which serve to explain the present invention in more detail. Although the invention has been largely described with reference to the production of reinforced concrete pipes, it goes without saying lent it possible to reinforce any material used for the manufacture of pipes or rods by means of fiber-reinforced reinforcement. Thus, the present invention is not limited to round cross sections, but of course tubes or rods with angular or oval cross sections can also be reinforced according to the invention. The material used for pipe or rod production can also be mineral binders, synthetic resins or partially crosslinking thermoplastic materials which are filled to a low or relatively high degree, again, for example, by means of mineral fillers. The reinforcement is preferably one made of fibers. It is also possible, for example, to use metallic fibers for the reinforcement and / or to wipe with the materials carbon and glass mentioned.
Auch ist es an sich unerheblich, ob beispielsweise für die Herstellung der geflochtenen oder gewickelten gewebeartigen Körbe bzw. rohrförmigen Schläuche duroplastische oder teilweise vernetzende thermoplastische Bindemittel verwendet werden, die geeignete Wahl des vorzugsweise laminierten Bindemittels richtet sich selbstverständlich auch nach der Wahl des Fasermaterials, welches für die Herstellung der Bewehrungsgitter bzw. schlauch- oder rohrförmigen Bewehrungsgewebe verwendet wird.It is also in itself irrelevant whether, for example, thermosetting or partially cross-linking thermoplastic binders are used for the production of the braided or wound fabric-like baskets or tubular hoses, the suitable choice of the preferably laminated binder also depends, of course, on the choice of the fiber material for the manufacture of the reinforcement mesh or tubular or tubular reinforcement mesh is used.
Erfindungswesentlich ist, dass für die Verstärkung von rohr- oder stabförmigen Konstruktionen eine aus Fasern hergestellte Bewehrung bzw. Verstärkung verwendet wird.
It is essential to the invention that reinforcement or reinforcement made of fibers is used for the reinforcement of tubular or rod-shaped structures.