WO2011069678A1 - Brücke aus schichten - Google Patents

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WO2011069678A1
WO2011069678A1 PCT/EP2010/007561 EP2010007561W WO2011069678A1 WO 2011069678 A1 WO2011069678 A1 WO 2011069678A1 EP 2010007561 W EP2010007561 W EP 2010007561W WO 2011069678 A1 WO2011069678 A1 WO 2011069678A1
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stone
fibers
earthenware
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carrier
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PCT/EP2010/007561
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Kolja Kuse
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Kolja Kuse
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D4/00—Arch-type bridges
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D2101/00—Material constitution of bridges
    • E01D2101/20—Concrete, stone or stone-like material
    • E01D2101/22—Masonry; Bricks
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D2101/00—Material constitution of bridges
    • E01D2101/40—Plastics

Definitions

  • the present invention relates to the construction of bridges, small bridges, such as footbridges and large motorway and railway bridges of fiber-stabilized natural stone, lava stone, artificial stone, concrete and other earthenware, and ceramics to glass-containing material or liquefied stone material or directly from liquid Magma extracted stone material - which is characterized in particular by a high pressure stability and compressive strength and low C0 2 - emissions during production and is referred to in the following stoneware.
  • the stoneware is used as a sheet material, which are coated with fiber matrix over the entire surface on one side or on both sides using synthetic resins.
  • the core of the invention is the use of such earthenware fiber matrix layers of coated natural stone slabs in bridge construction.
  • Stone slabs are used which are prestressed by one-sided or two-sided fiber coating. These prestressed panels are given a two-dimensional shape according to a predetermined pattern, with the respective shape of each individual panel being cut to this pattern by means of a jet of water and then the forms are glued on-site on site.
  • the connection of the stoneware layers for the Erzeeugung the respective required geometry of the bridge takes place, for example, with approved for the construction cold epoxy adhesive joints or alternetiv in a hot air filled plastic hose also warm.
  • Such bridges become particularly light and material-efficient if they are designed as arched bridges.
  • the bias of the individual plates if necessary, can be created by the use of shrinking matrix or tissue matrix or by pre-bending the plates in the coating. As a result, the mentioned stone earth to be stabilized stone-containing or stone-like material in an environmentally friendly manner so sustainable biased that a possible
  • Natural stone can be found on planet Earth in unlimited quantities in almost every country. Geologists estimate that about 60% of the earth's crust is made of hard rock - such as granite - and in particular the hard rocks that are best suited for creating a prestress with fibers , However, it is also possible to use concrete moldings which are produced, for example, with novel C0 2 -arm and even C0 2 -binding processes. But the advantage of the natural stone is in its capacity due that it in relation to its pressure stability from 200 to 300 MPa, a relatively low weight of 2.8 g / cm 3, has approximately equal to that of Alumnium.
  • new to building bridges is the use of the technique of biasing stone pieces with fibrous material and assembling them in layers into blocks.
  • the finished bridge component is assembled so that it is biased in the x, y, and z directions as necessary for this process and provided with an accurately calculable internal bias at the end of the process.
  • fibers for the tissue can be used vegetable fibers, which are obtained directly from vegetable raw materials, on the other hand, it can make sense for applications that make a very zugstabile stabilization of the stone, make use of carbon fibers, aramid fibers, glass fibers or carbonated vegetable raw materials.
  • the present invention also makes use of the property discovered in natural stone by pressure in volume changeable. This is a scientifically new knowledge that leads to being able to bend the stone in wide grenades without destroying it, though he is fiber-stabilized biased and that the stone can also be heated selectively within the three space dimensions, without destroying it. This property is a prerequisite for the essence of this invention, natural stone becomes flexible without being destroyed by the bending forces. This was proven by bending duration tests, with no measurable stiffness loss after 1 million load changes. In particular, granite is not fatigued with sufficient bias by bending, an exciting insight in the course of developments to build bridges from this material.
  • the present invention proposes an environmentally friendly new way to build component parts from base material in block form and to assemble on site into a whole bridge that has the specific gravity of aluminum - granite has a specific gravity between 2.6 depending on the grade and 2.9 g / cm 3 , aluminum has 2.7 g / cm 3 - and with the same weight a higher stability than bridges made of reinforced concrete or steel, since the stone has a pressure stability of 200 - 300 MPa, which in the vicinity of mild steel with 370 MPa comes at a nearly 3 times lower weight.
  • this means that bridges can be made much easier and philigraner with the method proposed here, with lower energy consumption and CO 2 emissions as before. In this regard, factors have been calculated which are a factor of 2 cheaper than with bridges made from conventional building materials.
  • Natural stone developed in this way also stabilizes unmatched good damping properties.
  • the finished structure is also extremely earthquake-proof. If it is environmentally friendly to protect stone from breakage and to use it as a building material, a base material has been obtained for bridge construction, which can be produced in an environmentally friendly manner and, as a rule, significantly more compact and compact is structured more homogeneously than before.
  • a mechanical bias is achieved at the bottom of the bridge by applying a continuous fiber layer. The same can be done at the top of the bridge. This ensures that the finished component is wrapped with fibers wrapping all around.
  • the stone can be additionally biased in this process by natural shrinkage of the resin. The bending of the stone works because the crystal boundaries in the stone can be reversibly shifted and thus make use of the porosity in the stone with the tiny cavities to change the volume of the stone block to compress.
  • the cavities in the stone structure offer up to 1 percent by volume, depending on the type of stone, which the stone material finds at the volume change forced by the fiber pretension in order to reduce its volume. Such components can even be biased so that the block does not expand outwardly as the temperature rises.
  • the great advantage of using stone in construction is that it has twice the expansion of steel.
  • the coefficient of expansion of the carrier material, consisting of matrix and fiber, which generates the prestress must always be less than or equal to at least the same as the earthenware material to be prestressed.
  • polyester resins resins based on phenolic, polyimide, cyanate, melamine, polyurethane or silicone, called matrix, in combination with any tension-resistant carrier materials, is a targeted tensile stabilization of stone or heat load and mechanical stress possible.
  • matrix resins based on phenolic, polyimide, cyanate, melamine, polyurethane or silicone, called matrix
  • n 5th
  • connection of the prestressed plates to the final bridge form takes place cold on site z. B. with a common epoxy resin based construction adhesive. After curing of the resin, the overall structure is biased by the coated stone sides in the middle layer and on the outer cheeks. This preload affects the surface of the entire components.
  • the bridge at the bottom and top is coated with a fiber layer.
  • appropriate protective layers of fiber-stabilized stone slabs on the underside can be applied to these surfaces, road surface coverings and other supports, which are necessary in bridge construction, on the upper side.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt den Bau vor Brücken mit Hilfe von geformten Steinplatten, die eine Stabilisierung mit Trägermaterialien haben, die die Steinplatten ggfls. vorspannen und anschliessend zu einer ganzen Brückenform an- und aufeinandergesetzt kraftschlüssig verbunden werden, um ein Basis - Blockmaterial in Brückenform zu erzeugen, das in einem weiten Bereich mechanisch und thermisch nach aussen und innen gesehen stabil ist, ohne dass das Steingefüge durch Rütteln, mechanische oder thermische Belastung geschädigt wird und dauerhaft stabil bleibt. Somit wird es möglich ganze Brücken aus einem Guss aus Stein zu bauen, die wesentlich stabiler und leichter sind als herkömmliche Brücken und insbesondere bzgl. der Energiebilanz um Faktoren umweltfreundlicher sein können, weil das fertige Bauwerk mit deutlich weniger CO2- Emissionen belastet ist, als bei herkömmlicher Bauweise.

Description

Brücke aus Schichten
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bau von Brücken, kleinen Brücken, wie Fussgängerbrücken und auch grossen Autobahn- und Eisenbahnbrücken aus faserstabilisiertem Naturstein, Lavastein, Kunststein, Beton und sonstigem Steingut, sowie Keramik bis hin zu glashaltigem Material oder verflüssigtem Steinmaterial oder direkt aus flüssiger Magma gewonnenem Steinmaterial - welches sich besonders durch eine hohe Druckstabilität und Druckfestigkeit und geringe C02 - Emissionen bei der Herstellung auszeichnet und im folgenden Steingut genannt wird. Zum Einsatz kommt das Steingut als Plattenware, die mit Fasermatrix ganzflächig einseitig oder beidseitig unter Verwendung von Kunstharzen beschichtet sind. Kern der Erfindung ist die Nutzung von solchen Steingut-Fasermatrix-Schichten von beschichteten Natursteinplatten im Brückenbau. Verwendet werden Steinplatten, die durch einseitige oder beidseitige Faser-Beschichtung unter Vorspannung stehen. Diese unter Vorspannung stehende Platten bekommen nach einem vorgeggebenen Muster eine zweisimenionale Form, wobei die jeweilige Form jeder einzelnen Platte mit Hilfe von Wasserstrahl nach diesem Muster geschnitten und dann die Formen vor Ort auf der Baustelle verklebt werden. Das Verbinden der Steingutschichten für die Erzeeugung der jeweils benötigten Geometrie der Brücke erfolgt zum Beispiel mit für den Bau zugelassenen kalten Epoxid-Klebverbindungen oder alternetiv in einem mit Heissluft gefüllten Kunststoff-Schlauch auch warm. Bessonders leicht und material-effizient werden solche Brücken, wenn Sie als Bogenbrücke ausgeführt werden. Die Vorspannung der einzelnen Platten, falls notwendig, kann durch die Verwendung von schrumpfender Matrix bzw. Gewebematrix oder durch Vor-Biegen der Platten bei der Beschichtung erzeugt werden. Dadurch wird das im folgenden Steingut genannte zu stabilisierende steinhaltige oder steinartige Material auf umweltfreundliche Weise so nachhaltig vorgespannt, dass eine möglichst
BESTÄTIGUNGSKOPIE hohe interne Flexibilität des Steingutes in der Brücke entsteht. Damit können interne Spannung, die zum Beispiel durch lokale Erwärmung oder mechanische Belastung entstehen, gezielt aufgebaut, abgefangen und auch abgebaut werden. So entstehenden Brücken-Bauteile, die vor Ort durch Klebungen mit gängigen Bauklebern aus Kunstharz zusammengesetzt werden, womit C02-intensive Stahl-Beton-Bauteile und Bauweise durch modular vorgefertigte Teile ersetzen werden, die insbesondere wegen des hohen Energieaufwandes bei deren Herstellung und wegen des damit verbundenen hohen C02-Ausstosses mehr und mehr bedenkliche klimafeindliche Nebenwirkungen haben. Diese klimafeindlichen Materialien können nunmehr durch einfache Stein-Materialien, deren Herstellung mit wesentlich weniger C02-Ausstoss einhergeht, ersetzt werden. Der Stein muss dafür nur in Scheiben geschnitten, mit Fasern beschichtet und zusammengeklebt werden. Diese Verfahren bedeuten zwar auch den Einsatz von Energie, aber deutlich weniger, insbesondere dann, wenn zum Beispiel C02-bindende Materialien wie Pflanzenfasern zum Einsatz kommen. Naturstein kommt auf dem Planet Erde in unbegrenzten Mengen in fast jedem Land vor, Geologen schätzen, dass ca. 60% der Erdkruste aus Hartgestein - wie Granit - besteht, es sind insbesondere die Hartgesteine, die sich am besten zur Erzeugung einer Vorspannung mit Fasern eignen. Vewendbar sind jedoch auch Formteile aus Beton, die zum Beispiel mit neuartigen Verfahren C02-arm und sogar C02-bindend hergestellt werden. Der Vorteil des Natursteins liegt aber in seiner Eigenschaft begründet, dass er in Relation zu seiner Druckstabilität von 200 - 300 MPa ein relativ geringes Gewicht von 2,8 g/cm3 , etwa gleich dem von Alumnium hat. Mit der hier vorgestellten Erfindung wird es möglich nicht nur dünne, somit leichte, und flexible Brücken zu bauen, sondern auch beliebig große Brücken komplett aus Stein. Das hat viel technische Vorteile, was die Verwitterung betrifft, unter anderem auch optische Vorzüge. Bezüglich des zu verwendenden Steinguts sind besonders Natursteine wie Basalt und Granit, granitähnliche Hart-Gesteine zu nennen, aber auch Marmor, Kalkstein, Schiefer und wie bereits ausgeführt auch Beton verwendbar, insbesondere, wenn man Materialien mischt, können innere Schichten aus Beton und die äusseren Schicht aus Naturstein sein.
Das alle Steingut-Materialien wenig Zugstabilität besitzen, müssen Sie mit einer Schicht oder Hülle aus Fasermaterial vorverstärkt werden, so wie zum Beispiel in der EP 106 20 92 beschrieben. Darüber hinaus werden Sie aber für die vorliegende Anwendungen durch gezielte Biegung vorgespannt, um diese Vorspannung auf das Äussere und in das Innere eines entsteheden Schicht-Steinblockes zu bringen, indem beim Verkleben die Platten wieder geragegebogen werden und diese Biegespannung im Bauwerk ständig präsent ist, was zu einem wichtigen Element bei der hier vorgelegten Erfindung wird.
Neu für denBau von Brücken ist somit die Verwendung der Technik, Steinteile mit Fasermaterial vorzuspannen und in Schichten zu Blöcken zusammenzusetzen. Das fertige Brücken-Bauteil ist so zusammengesetzt, dass es je nach Notwendigkeit nach diesem Prozess in x-, y- und z- Richtung vorgespannt und am Ende des Prozesses mit einer genau berechenbaren inneren Vorspannung versehen ist.
Als Faser für das Gewebe koennen Pflanzenfasern zum Einsatz kommen, die direkt aus pflanzlichen Grundstoffen gewonnen werden, andererseits kann es für Anwendungen, die eine sehr zugstabile Stabilisierung des Steins notwendig machen, Sinn machen Carbonfasern, Aramidfasern, Glasfasern oder carbonisierte pflanzliche Grundstoffe zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung bedient sich auch auf die bei Naturstein entdeckte Eigenschaft durch Druck im Volumen änderbar zu sein. Dies ist eine wissenschaftlich gesehen neue Erkenntnis, die dazu fuhrt, dass man den Stein in weiten Grnezen biegen kann, ohne ihn zu zu zerstören, wenn er faserstabilisiert vorgespannt wird und dass man den Stein auch punktuell innerhalb der drei Raumdimensionen erwärmen kann, ohne ihn dadurch zu zerstören. Diese Eigenschaft ist Voraussetzung für den Kern dieser Erfindung, Naturstein wird biegsam, ohne durch die Biegkräfte zerstört zu werden. Das wurde mit Hilfe von Biegedauerlasttests nachgewiesen, wobei nach 1 Million Lastwechsel kein messbarer Steifgigkeitsverlust auftrat. Insbesondere Granit ist bei ausreichender Vorspannung durch Biegung nicht ermüdbar, eine spannende Erkenntnis im Laufe der Entwicklungen, aus diesem Material Brücken zu bauen.
Die vorliegende Erfindung schlägt somit einen umweltfreundlichen neuen Weg vor, um aus Basis-Material in Blockform Bauteile für Bauteile zu erstellen und vor Ort zu einer ganzen Brücke zusammenzusetzen, die das spezifische Gewicht von Aluminium hat - Granit hat je nach Sorte ein spezifisches Gewicht zwischen 2.6 und 2.9 g/cm3, Aluminium hat 2.7 g/cm3 - und bei gleichem Gewicht eine höhere Stabilität als Brücken aus Stahlbeton oder Stahl, da der Stein eine Druckstabilität von 200 - 300 Mpa besitzt, die in die Nähe von Baustahl mit 370 MPa bei einem fast 3 -mal geringeren Gewicht kommt. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass man Brücken mit der hier vorgeschlagenen Methode deutlich leichter und philigraner bauen kann, bei geringerem Energieverbrauch und C02- Emissionen wie bisher. Diesbezüglich sind Faktoren berechnet worden, die um einen Faktor 2 günstiger sind, als bei Brücken aus herkömmlichen Baumaterialien.
Naturstein entwickelt auf diese Weise stabilisiert zudem unerreicht gute Dämpfungseigenschaften. Das fertige Bauwerk ist zudem extrem Erdbeben-sicher. Gelingt es auf umweltfreundliche weise Stein vor Bruch zu schützen und als Baumaterial einzusetzen, hat man ein Basis-Material für den Brückenbau gewonnen, welches umweltfreundlich hergestellt werden kann und in der Regel in Summe wesentlich kompakter und homogener strukturiert ist, als bisher.
Will man den ganzen Block weiter vorspannen, wird eine mechanische Vorspannung an der Unterseite der Brücke durch Applikation einer durchgehenden Faserschicht erreicht. Das gleiche kann an der Oberseite der Brücke erfolgen. Dadurch wird erreicht, dass das fertige Bauteil zum Schluss ganzumhüllend mit Fasern eingepackt ist. Der Stein kann bei diesem Vorgang durch natürliches Schrumpfen des Harzes zusätzlich vorgespannt werden. DasBiegen des Steins funktioniert deshalb, weil sich die Kristallgrenzen im Stein reversibel verschieben lassen und somit die Porosität im Stein mit den winzigen Hohlräumen nutzen lassen, um den Steinblock im Volumen zu ändern, zu komprimieren. Die Hohlräume im Steingefüge bieten je nach Steinsorte bis zu 1 Volumenprozent Platz, den das Steinmaterial bei der durch die Faservorspannung erzwungenen Volumenänderung findet, um sich im Volumen zu verkleinern. Solche Bauteile können sogar so vorgespannt werden, dass der Block nach aussen hin keine Ausdehung bei Temperaturanstieg erfährt.Der große Vorteil der Verwenung von Stein im Bau ist, dass er 2-fach geringe Ausdehung hat wie Stahl.
Wichtig ist, dass die Vorspannung bei wechselnden Tempertauren immer erhalten bleibt. Aus diesem Grund muss der Ausdehungkoeffizinet des Trägermaterials, bestehend aus Matrix und Faser, welches die Vorspannung erzeugt, immer kleiner oder mindestns gleich sein, wie das vorzuspannende Steingutmaterial.
Mit Hilfe des Einsatzes von schrumpfenden Epoxidharzen, Polyesterharzen, Harzen auf Phenol-, Polyimid-, Cyanatester-, Melamin-, Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit beliebigen zugstabilen Trägermaterialien, wird eine gezielte Zug- Stabilisierung von Stein oder für Wärmebelastung und mechanische Belastung möglich. Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in Abb. 1 mehrere, in - aus zweidimensionaler Sicht - unterschiedlichen Geometrien und unterschiedlicher Länge ausgeführten Platten aus Granit (2), die in der Seitenansicht in Längrichtung zusammengesetzt sind und in Summe eine Brückenform (2) ergeben, bestehend aus Naturstein, die erst einseitig mit Hilfe von Fasermatrix vorgespannt beschichtet, nach Zusammenfügen durch Kleben im Verbund eben sind und bei Draufsicht eine n-fache Breite der einzelnen Schichten ergeben, je nachdem wie viele Schichten horizontal zusammengefügt werden, in diesem Fall ist n=5.
Die Verbindung der vorgespannten Platten zur endgültigen Brückenform erfolgt kalt vor Ort z. B. mit einem gängigen Epoxyd-Harz basierten Baukleber. Nach Aushärtung des Harzes ist das Gesamtgefüge durch die beschichteten Steinseiten in der Mittelschicht und an den Aussenwangen vorgespannt. Diese Vorspannung wirkt bis in die Oberfläche des gesamten Bauteile. Zusätzlich ist die Brücke an der Unterseite und Oberseite mit einer Faserschicht beschichtet. Auf diese Oberflächen können zusätzlich entsprechende Schutzschichten aus faserstabilisierten Steinplatten auf der Unterseite aufgebracht werden, Fahrbahnbeläge und andere Auflagen, die im Brückenbau notwendig sind, auf der Oberseite.

Claims

Schutzansprüche
1) Anordnung mit zwei oder mehr Platten aus Naturstein, Kunststein, Beton, Keramik, glashatigem Material, gebranntem Steingut oder von verflüssigtem Stein oder Magma hergestelltem Steingut - im folgenden Steingut genannt - welche großflächig einseitig oder beidseits oder vollständig umhüllend mit Hilfe von Harzen mit einem hinreichend zugstabilen Trägermaterial auf Faserbasis, im folgenden Träger genannt, beschichtet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr einseitig oder beidseitig mit dem Träger beschichtete Steingut-Platten so geformt sind, dass sie, mit Hilfe geeigneter Verbindungsmittel kraftschlüssig und formschlüssig dreidimensional zusammengesetzt, eine Brückenform ergeben.
2) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix des Trägers eine Epoxidharz-, Polyesterharz-, Phenolharz-, Polyimidharz-,
Cyanatesterharz-, Melaminharz-, Polyurethanharz- oder Silikonharzbasis, eine thermoplastische Harzbasis hat oder aus einem beim Aushärten gezielt schrumpfenden Harz besteht.
3) Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Trägers Faser-Material wie Carbonfasern, Aramidfasern, Steinfasern, Basaltfasern, Pflanzenfasern wie Hanf- und Flachsfasern, Glasfasern, carbonisierten Pflanzenfasern, zugstabilen Geweben oder einem Gemisch dieser Fasern in unterschiedlichen Schichten in unterschiedlicher Reihenfolge enthält.
4) Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in Anspruch 1 beschriebene Träger einen ähnlichen Ausdehungskoeffizienten besitzt, wie das zu tragende Steingut. 5) Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in Anspruch 1 beschriebene Träger einen annähernd gleichen Ausdehungskoeffizienten besitzt, wie das zu tragende Steingut. 6) Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in Anspruch 1 beschriebene Träger einen gleichen Ausdehungskoeffizienten besitzt, wie das zu tragende Steingut.
7) Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in Anspruch 1 beschriebene Träger einen kleineren Ausdehungskoeffizienten besitzt, wie das zu tragende Steingut.
8) Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Bauteil bezüglich der Mischung von Fasertyp, deren Orientierung und Matrix so eingestellt wird, daß gezielt Vorspannungsrichtungen vorgegeben werden.
9) Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Träger-Schicht an der Unterseite und/oder Oberseite der fertigen Brücke zur Aufnahme von Zugkräften grossflächig aufgebracht ist.
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