DE2409217B2

DE2409217B2 - Bewehrung für Betonbauteile aus kurzen Mineral-, Glas-, Kohlenstoff-Fasern o.dgl

Info

Publication number: DE2409217B2
Application number: DE19742409217
Authority: DE
Inventors: Peter Oskar Dipl.-Ing. 6800 Mannheim Gutfleisch; Adolf Prof. Dipl.-Ing. Dr. 6906 Leimen Meyer
Original assignee: Heidelberger Zement AG
Current assignee: Heidelberg Materials AG
Priority date: 1974-02-27
Filing date: 1974-02-27
Publication date: 1979-10-31
Also published as: DE2409217A1; AT344388B; CH590378A5; ATA30275A

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewehrung für Betonteile aus kurzen Mineral-, Glas-, Kohlenstoff-Fasern od. dgl. und Längsstäben aus Stahl.

Bei dem Verbundbaustoff Stahlbeton ist wegen des Korrosionsschutzes des Bewehrungsstahls eine relativ dicke Betonüberdeckung erforderlich. Dadurch wird das Gewicht von feingliedrigen Bauteilen nachteiligerweise wesentlich erhöht. Eine Gewichtsverminderung ist jedoch im Hinblick auf den Transport und Einbau von Fertigteilen wünschenswert.

Ein weiterer Nachteil des Stahlbetons ergibt sich aus der geringen Bruchdehnung des Betons von etwa 0,02% bei Zugbeanspruchung. So kann z. B. bei Bauteilen oder Bauelementen, die rißfrei bleiben müssen, aufgrund der Dehnungsverhältniise die Zugfestigkeit des Stahls nicht voll ausgenutzt werden. Die geringe Elastizität, gepaart mit geringer Zugfestigkeit, lassen den Beton früh aufreißen, so daß Risse entstehen, die man aus Korrosionsgründen auf öffnungsweiten unterhalb 0,1 mm begrenzen muß. Solche Risse finden sich bei fast allen bewehrten Raumformteilen, aus Stahlbeton. Man spricht von Stahlbeton mit gerissener Zugzone. ho

Risse von dieser öffnungsweite haben sich bezüglich des Korrosionsschutzes als ungefährlich erwiesen, da eine Resthaut von Zementstein auf der Bewehrung zurückbleibt, und die Risse sich im Laufe der Zeit durch Kalkablagerungen mehr oder weniger selbst abdichten.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die wenigen klaffenden Risse in der Zugzone in viele fein verteilte, weniger geöffnete Risse aufzuteilen, weil dann eine höhere Stahldehnung möglich ist und man z. B. hochfeste Stähle einsetzen kann, die in Bezug auf die aufgenommene Zugkraft wirtschaftlicher sind. Durch eine feinverteilte Stahlbewehrung und durch Verwendung profilierter Stahleinlagen hat man nur unbefriedigende Teilerfolge erreicht Bei einer günstigen Rißverteilung würde sich ein besserer Korrosionsschutz ergeben. Die Betonüberdeckung könnte reduziert werden. Die Witterungs- und Tausalzbestäodigkeit der Stahlbetonbauteile würde wesentlich verbessert

Neben den Rissen, die durch äußere Lasten hervorgerufen werden, können in Stahlbeton-Raumformteilen Risse durch Austrocknen des Betons infolge Schwindens oder durch Temperaturdehnungen entstehen, die häufig netzförmig die Oberfläche des Betons •aberziehen. Sie sind insbesondere bei Sichtbetonflächen unerwünscht

Der Beton kann außerdem nur relativ geringe Schubspannungen übertragen, so daß oft eine komplizierte und damit lohnintensive Bewehrungsführung in Raumvorteilen aus Stahlbeton notwendig wird.

Ein weiterer Nachteil des Betons ist seine geringe Schlagzähigkeit, die sich besonders unangenehm in der geringen Kantenfestigkeit von Raumvorteilen bemerkbar macht. Dies ist beim Transport und bei der Montage von Fertigteilen und z. B. bei Rammpfählen nachteilig.

Wird Stahlbeton einer starken Erwärmung durch Feuer ausgesetzt, kommt es häufig zu Abplatzungen an der Beionoberfläche. Die Folge ist die, daß die Bewehrung sich schnell erwärmt und das Tragverhalten der Raumformteile vorzeitig verloren geht

Zum Stand der Technik ist auf die britische Patentschrift 2 52 975 und die Literaturstelle »Civil Engineering and Public Works Review«, September 1973, Seite 752, hinzuweisen, die Bewehrungen für Betonbauteile der eingangs bezeichneten Art beschreiben. Dort sind die Fasern über das gesamte Bauteil im wesentlichen gleichmäßig verteilt, und die Rissegefahr im Beton wird dadurch schon vermindert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Bewehrung für Betonbauteile, die aus kurzen Mineral-, Glas-, Kohlenstoff-Fasern od. dgl. und Längsstäben aus Stahl besteht, die Rissebildung im Betonbauteil noch weiter herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird bei der Bewehrung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mineralfasern, Glas-, Kohlenstoff-Fasern od. dgl. ganz überwiegend in den auf Zug beanspruchten Bereichen des Bauteils angeordnet sind.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei die Fasern im wesentlichen auf die Betondeckung der Stahleinlagen beschränkt, und die Betondeckung ist als bleibende Schalung vorgefertigt und eingebaut.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Haftverbund zwischen der vorgefertigten Schalung und dem Vergußbeton durch eine besondere Profilierung oder Anschlußbewehrung, wie Stahleinlagen oder Mineralfasern, verbessert ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß die Fasern im wesentlichen auf die Betondeckung der Stahlbewehrung beschränkt sind und daß die Betondeckung beim Betonieren als Vorsatzbeton eingebaut oder nach dem Erhärten als Putz aufgetragen ist, wobei der Haftverbund zwischen den beiden Schichten durch eine besondere Profilierung oder Anschlußbewehrung, wie Stahleinlagen oder

Mineralfasern, verbessert ist

Schließlich ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß man Mineralfasern mit ausreichendem Widerstand gegenüber dem alkalischen Milieu verwendet.

Da durch die erfindungsgemäße Bewehrung die Entstehung von Rissen weiter verhindert wird, ergibt sich auch ein verbesserter Korrosionsschutz für die Stahlstäbe und damit eine wesentlich höhere Unempfindlichkeit gegen Witterungseinflüsse. Weitere Vorteile, die die erfindungsgemäße Bewehrung mit sich bringt, bestehen darin, daß die große Dehnfähigkeit des Faserbetons in der Zugzone höhere Stahlspannungen zuläßt und daß der Aufwand an Bewehrungsmittel geringer wird.

Die Erfindung wird anhand nachstehender Bewehrungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert Es zeigt in schematischer Darstellung

F i g. 1 den Schnitt eines Stahlbetonbalkens gemäß Beispiel 1,

Fig.2 den Schnitt eines Stahlbetonbalkens gemäß Beispie! 2 und

F i g. 3 den Schnitt der Bewehrung des Stahlbetonbalkens gemäß Beispiel 2.

Beispiel 1

Es wird das Tragverhalten von Stahlbetonbalken mit und ohne Faserverstärkung in der Zugzone dargelegt. Dazu wurden zwei äußerlich gleich geformte Stahlbetonbalken untersucht, wobei der faserbewehrte Balken in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist Beide Stahlbetonbalken haben jeweils eine Länge von 220 cm, eine Höhe (a) von 16 ein, sowie eine Dicke (b) von 8 cm und eine Bewehrung 121 aus einem Längsstab aus Stahl mit 4 mm Durchmesser. Der Vergleichsbalken ist durchgehend aus Normalbeton gefertigt, während der Balken 12 in seinem oberen Bereich 122 (Höhe c= 12 cm) aus Normalbeton und in seinem unteren Bereich 124 aus Faserbeton gefertigt ist.

Die folgende Tabelle zeigt die Betonzusammensetzung für 1 m³ in kg:

	Normalbeton	Faserbeton
Portlandzement 35OF	300	1110
Wasser	155	531
Zuschlag	1970	222
Mineralfaser, 25 mm	-	58
geschnitten

Normalbeton

Faserbeton

Rohdichte, kg/m³
Biegezugfestigkeit, kg/cm²
Druckfestigkeit, kg/cm²
Schlagzähigkeit, kp cm/cm²

2300

65

380

1960

190

290

Die Prüfung der Balken erfolgte im Alter von 28 Tagen. Die Versuchsergebnisse enthält die folgende Tabelle:

Versuchsergebnisse:

Die folpende Tabelle zeigt die Eigenschaften der Betone:

Der Faserbeton wurde durch Einmischen der Mineralfasern hergestellt. Faserbeton und Normalbeton wurden frisch in frisch "erarbeitet.

Stahlbetonbalken

Normalbeton

Faserbeton

Änderung in

Bei einer maximalen
Rißbreite von 0,1 mm
in der Zugzone

P, kg
Dehnung, %

Durchbiegung bei

/»Bruch
, rnm

210 330 +157

0,145 0,336 +230

6,5 1,5

Feuerwiderstandsdauer, 45
Min.

85

-75

+ 90

Der Bruch trat bei beiden Balken durch Zerstörung der Betondruckzone bei rund P = 600 kg ein. Durch die Faserverstärkung in der Zugzone wurde die Rißverteilung wesentlich verbessert, die Rißlast erheblich

jo vergrößert, die Durchbiegung bedeutend verringert und die Feuerwiderstandsdauer erhöht.

Zur Ermittlung der oben angegebenen Versuchsergebnisse wurde der Balken von unten an zwei Stellen, 60 cm entfernt von jedem Ende, abgestützt und von oben an beiden Enden mit P beiastet. Die gleiche Verfahrensweise wurde bei dem Vergleichsbalken ausgeführt.

Beispiel 2

Zur Untersuchung des Tragverhaltens von Stahlbetonbalken wurden zwei äußerlich gleich geformte Stahlbetonbalken verwendet, wobei der faserbewehrte Stahlbetonbalken 22 in Fig.2 dargestellt ist. Beide Stahlbetonbalken wiesen jeweils eine Länge von 220 cm, eine Höhe (e) von 16 cm sowie eine Dicke (d) von 8 cm und eine Bewehrung 221 aus einem Längsstab aus Stahl mit 4 mm Durchmesser auf. Der Vergleichsbalken war durchgehend aus Normalbeton gefertigt, während der Balken 22 aus zwei verlorenen Schaltafeln 223,224 aus Faserbeton mit Dicken (h)von jeweils 1 cm und einem oberen Bereich 225 aus Normalbeton (Höhe f= 12 cm) sowie einem unteren, als vorgefertigtes Bewehrungselement ausgebildeten Bereich 226 aus Faserbeton (Höhe d = 4 cm) hergestellt war.

De. Aufbau der Bewehrungseiemente ist schematisch in F i g. 3 im Längsschnitt dargestellt.

Die folgende Tabelle zeigt die Betonzussnmensetzungfür 1 m³inkg:

Normalbeton Faserbeton

Portlandzement 350 F 340 900

Wasser 180 490

Zuschlag 1920 585

Mineralfasern, 50 mm - 130
geschnitten

Die folgende Tabelle /eigl die Eigenschaften der

Hetone:

Nnrmalheton

I iiscr-

belon

Rohdichte, kg/m" 2280 2000

Uiegezugfestigkeit, kg/cm' 71 330

Druckfestigkeit, kg/cm' 411 3W)

Schlagzähigkeit, kp cm/cm' 1 8

Der Faserbeton wurde durch Einrieseln 50 mm langer Mineralfasern hergestellt. Das Bewehrungselement und die Schaltafeln wurden vorgefertigt und dann mit dem Vergußbeton ausgegossen.

Die Balken wurden 28 Tage nach Verguß durch Belastung mit der in Beispiel 1 angegebenen Versuchsanordnung geprüft.

Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Versuchsergebnisse:

	Stahlbetonbalken 22	faser	Ände
		beton	rung ITl
	Normal-
	heton
Hei einer maximalen
Rißhreite von 0.1 mm		380
in der /.υμ/one		0.333
/'. kg	210	181
Dehnung. "¹I..	0.145	230

erwies sich als schuhfest. Der Verbund wurde auch tinte der Bruchlast nicht aufgehoben.

Durch die Faserverstärkung wurde das Tragverhaltet stark verbessert.

Beispiel 3

Es wird ein Faltwerk mit einer Länge von 1000 cm au mit zwei Rundstahlcinlagen von je 10 mm Durchmesse bewehrtem Faserbeton mit einer Wanddicke von 1.5 cn hergestellt. Im Kantenbereich nahe den Bewehrunger beträgt die maximale Wanddicke 6 cm. Das Faltwerl hatte eine Cjcsamtbrcitc von 150 cm und e
Gesamthöhe von 50 cm.

Die l'aserbetonzusammensetzung ist die gleiche wu bei Beispiel 2. Die Eigenschaften des Faserbetons sine die gleichen wie bei Beispiel 2.

Der Faserbeton wurde auf eine llol/.schaliing gespritzt. Die beiden Rundstähle mit einem Durchmes scr von je 10 mm haben die erforderliche Betondck kung. Aul eine .Stahlbewehrung /ur Aufnahme de Schubkräfte und der Quermomente konnte wegen de hohen Biegezugfestigkeit des Faserbetons verzichte werden. Die Tragfähigkeit des Faltwerks entsprach der F.rwartungen aufgrund der statischen Bei echnung.

Die wirtschaftlichen Vorteile der faserverstärkter Bauteile aus Stahlbeton ergeben sich aus der in de folgenden Tabelle dargestellten Gegenüberstellung de Eigengewichte und des Stahlbedarfs für ein Faltwerl aus herkömmlichem Stahlbeton und aus faservei stärk tem Stahlbeton bei gleichen Belastungsannahmen.

Eigengewichte und Stahlbedarf:

Der Bruch trat bei beiden Balken durch Zerstörung der Betondruckzone bei etwa P = 600 kg ein. Die Schaltafeln aus Faserbeton lösten sich nicht vom Vergußbeton. Die Verbindung zwischen Bewehrungselement und Vergußbeton durch eine Verzahnung Eigengewicht, kg
Stahl bedarf, kg

[•'altwerk aus	1 aserbeto
Stahlbeton	aeniali
	Erfindung
	¹KH)
3350	12.5
115

Hier/u I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

t. Bewehrung für Betonbauteile aus kurzen Mineral-, Glas-, Kohlenstoff-Fasern od. dgl. und Längsstäben aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Mineral-, Glas-, Kohlenstoff-Fasern od. dgl. ganz überwiegend in den auf Zug beanspruchten Bereichen des Bauteils angeordnet sind.
2. Bewehrung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern im wesentlichen auf die Betondeckung der Stahleinlagen beschränkt sind und daß die Betondeckung als bleibende Schalung vorgefertigt und eingebaut ist
3. Bewehrung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftverband zwischen der vorgefertigten Schalung und dem Vergußbeton durch eine besondere Profilierung oder Anschlußbewehrung, wie Stahleinlagen oder Mineralfasern, verbesser; ^:st
4. Bewehrung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern im wesentlichen auf die Betondeckung der Stahlbewehrung beschränkt sind und daß die Betondeckung beim Betonieren als Vorsatzbeton eingebaut oder nach dem Erhärten als Putz aufgebracht ist, wobei der Haftverbund zwischen den beiden Schichten durch eine besondere Profilierung oder Anschlußbewehrung, wie Stahleinlagen oder Mineralfasern, verbessert ist.
5. Bewehrung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mineralfasern mit ausreichendem Widerstand gegenüber dem alkalischen Milieu verwendet sind.