DE1251505B - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. Cl.:

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 37 b-3/26

Nummer: 1 251505

Aktenzeichen: A 28042 V/37 b Anmeldetag: 7. Oktober 1957 Auslegetag: 5. Oktober 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Balken, und zwar insbesondere auf einen solchen aus Beton mit auf Zug und Druck vorgespannten Bewehrungen. Bei Stahlbetontragwerken mit schlaffer Armierung ist es bekannt, die Tragfähigkeit durch Einlegen schlaffer Druckbewehrungen aus Stahl od. dgl. zu steigern. Infolge des Verbundes zwischen Stahl und Beton kann jedoch die zulässige Beanspruchung der Druckbewehrungen nicht ausgenutzt werden. Die Beanspruchung bleibt vielmehr wegen der durch den Verbund mit dem Beton der Druckzone begrenzten Druckstauchung weit unter der für Stahl zulässigen Spannung. Durch Vorspannen der Zugbewehrungen, durch das man im allgemeinen den Betonquerschnitt auf Druck und eine der ständigen Last entgegenwirkende Biegung belastet, läßt sich bekanntlich die Betondruckzone entlasten, so daß dadurch neben anderen Vorteilen auch durch Entlastung der Druckzonen die Tragfähigkeit eines solchen Querschnittes mit vorgespannter Zugbewehrung gesteigert wird. Eine darüber hinausgehende Verstärkung der Betondruckzone erfolgt hierbei wieder durch Einlegen von schlaffen Bewehrungen. Durch solche auf Zug vorgespannte Bewehrungsstäbe ist es aber nur möglich, im Betonquerschnitt entweder nur Druck allein oder Druck mit Biegung zu erzeugen. Bei Tragwerken, die durch die äußeren Lasten rein auf Biegung beansprucht sind, ist der Anteil der Vorspannung, der nur zentrischen Druck erzeugt, eine unerwünschte Begleiterscheinung, da er den Querschnitt unter Umständen zu sehr auf Druck vorbelastet. Es sind daher der Verwendung von auf Zug vorgespannten Bewehrungen gewisse Grenzen gesetzt.

Bei der Herstellung von mit vorgespannten Bewehrungen versehenen Betonträgern wurde nun bereits vorgeschlagen, auch auf Druck vorgespannte Bewehrungen vorzusehen. Diese Druckbewehrungen waren jedoch, da sie im Spannbett angeordnet waren, wo sie erst nach ihrer Vorspannung von Beton umgeben wurden, auf Knickung beansprucht. Es mußten daher für diese Bewehrungen komplizierte Querschnitte gewählt werden, um ohne übermäßigen Materialaufwand zumindest eine gewisse Knickfestigkeit zu erreichen, und es war nicht möglich, die Druckfestigkeit solcher Bewehrungen tatsächlich auszunutzen. Es wurde zwar hierbei vorgeschlagen, die Knicklängen dadurch zu reduzieren, daß Querverbügelungen vorgesehen wurden, jedoch reichen auch solche Querverbügelungen nicht aus, um ein Ausknicken zu verhindern. Derartige vorgespannte Druckbewehrungen konnten sich nicht bewähren.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen Balken,

Balken, insbesondere aus Beton, mit vorgespannten Bewehrungen

Anmelder:

Dipl.-Ing. Dr. Hans Reiffenstuhl, Baden, Wien (Österreich)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann, Dr.-Ing. A. Weickmann, Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22 Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Dr. Hans Reiffenstuhl, Baden, Wien (Österreich)

und zwar insbesondere aus Beton, mit auf Zug und auf Druck vorgespannten Bewehrungen zu schaffen, und besteht im wesentlichen darin, daß die auf Druck vorgespannte Bewehrung in engen, vorgeformten, ge schlossenen oder offenen Kanälen des Tragwerkes liegt, deren Wände die Reaktionskräfte der Druckspannbewehrung aufnehmen. Diese Kanäle können gegebenenfalls nachträglich mit Beton, Mörtel usw. oder auch mit plastischem Werkstoff ausgefüllt wer den, wie dies bei auf Zug vorgespannten Bewehrun gen an sich bekannt ist. Bei Verwendung von Beton, Mörtel od. dgl. wird ein nachträglicher Verbund hergestellt, und es ist die Herstellung dieses Verbundes auch durch andere bekannte Mittel, wie beispiels weise durch Klemmwirkung, Aufstauchen, Schrau bengewinde usw. möglich. Betonbalken mit auf Druck vorgespannten Bewehrungen sind bekannt, jedoch liegen letztere nicht in Kanälen der fertigen Balken, sondern werden in einem Spannbett auf Druck vorgespannt und dann in den Beton eingebettet. Nach dem Erhärten des Betons werden die Pressen gelöst, wodurch die Druckkraft der Bewehrung durch Haftung in den Balken eingeleitet wird. Wegen der für diesen Prozeß notwendigen hohen Steifigkeit der Profile sollen diese bei kleinem Querschnitt ein großes Trägheitsmoment aufweisen. Die Verankerung durch Haftung bedingt eine große

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Oberfläche, daher sollen die Profile offen und zusätzlich an der Oberfläche aufgerauht oder mit Unebenheiten ausgestattet sein.

Es ist auch bereits bekanntgeworden, in einem Betonbalken ein Element vorzusehen, welches in einem Kanal zu dem Zweck vorübergehend auf Druck vorgespannt wird, um eine außerhalb des Rohres befindliche Zugbewehrung nach dem Spannen mittels einer Presse bis zum Einbetten und Erhärten des Betons, also bis zur Herstellung der Haftverbindung zwischen der Zugbewehrung und dem Beton, im gespannten Zustand zu halten. Das Rohr hat nur die Aufgabe, den Beton von dem temporären Druckspannungsglied fernzuhalten. Die außen um das Rohr herum befindliche Zugbewehrung ist wesentlich zur Verhütung des Ausknickens des im Inneren des Rohres befindlichen Druckgliedes. Der Hauptunterschied gegenüber dem Erfindungsgegenstand besteht aber darin, daß das Druckglied nicht im Betonbalken verbleibt, sondern nach Erhärten des Betons und Herstellung der Haftverbindung zwischen diesem und der Zugbewehrung von letzterer gelöst und herausgezogen wird, wogegen es sich beim Erfindungsgegenstand um ein dauernd im Betonbalken bleibendes Druckspannglied handelt.

Die auf Druck vorgespannten Bewehrungen gemäß der Erfindung können aus Stäben gebildet sein, die ein gegenüber dem Kreisquerschnitt nicht wesentlich erhöhtes Trägheitsmoment besitzen. Sie können z. B. den gleichen Querschnitt aufweisen wie die auf Zug vorgespannten Bewehrungsstäbe und auch aus dem gleichen Werkstoff bestehen wie diese, wodurch die Arbeit und die Lagerhaltung vereinfacht werden. Dadurch, daß durch die Wände der Kanäle, in welchen diese Druckbewehrungen verlegt sind, ein Ausknicken derselben begrenzt ist, ist ja für die Belastbarkeit dieser Druckbewehrungen nicht mehr die Knickfestigkeit, sondern tatsächlich die Druckfestigkeit maßgebend, so daß die Druckbewehrungen in gleichem Maße auf Druck vorgespannt werden können, wie die Zugbewehrungen auf Zug. Es kann dadurch eine namhafte Verringerung des Betonquerschnittes in der Druckzone erreicht und das Eigengewicht des Tragwerkes verkleinert werden, wodurch wieder die Belastbarkeit durch die Nutzlast erhöht wird. Auf diese Weise werden neue Möglichkeiten im Stahlbetonbau geschaffen, und es wird beispielsweise ermöglicht, größere Stützweiten als bisher bei kleineren Konstruktionshöhen der Tragwerke zu erreichen. Im Grenzfall ist durch Kombination von vorgespannten Zug- und Druckbewehrungen ein Zustand herstellbar, bei dem aus der Druck- und Zugvorspannung nur reine Biegung entsteht. — Zweckmäßig ist wenigstens ein Teil der auf Druck und der auf Zug vorgespannten Bewehrungen an den Enden in einem gemeinsamen Spannhaupt zusammengeführt. Die Anzahl der im Spannhaupt zusammengeführten, auf Druck vorgespannten und der auf Zug vorgespannten Bewehrungen und/oder die Vorspannungen derselben wird vorzugsweise so gewählt, daß sich die Zug- und Druckkräfte in der Hauptrichtung wenigstens annähernd das Gleichgewicht halten. Auf diese Weise wird die Endverankerung der Bewehrungen vereinfacht, und es kann mit einem Spannhub den Bewehrungen sowohl die Zugspannung als auch die Druckspannung erteilt werden. Wenn sich die auf Zug und auf Druck vorgespannten Bewehrungsstäbe nicht vollständig das Gleichgewicht halten, so müssen nur

die Differenzkräfte zwischen den auf Druck und auf Zug vorgespannten Bewehrungsstäben vom Träger oder von der Führung des Verankerungskörpers aufgenommen werden. Die bei der Verankerung im gemeinsamen Spannhaupt normal zur Hauptrichtung auftretenden Seitenkomponenten der Druck- und Zugkräfte können durch Führungen des Spannhauptes längs Stützflächen aufgenommen werden.

Bei geradlinig geführten, auf Druck vorgespannten

ίο Bewehrungen besteht infolge des Spieles der Bewehrungsstäbe in den sie aufnehmenden Kanälen die Möglichkeit eines begrenzten Ausknickens oder Ausweichens. Wenn es erforderlich ist, können die auf Druck vorgespannten Bewehrungsstäbe mit einem Profil ausgebildet werden, welches eine Knickung erschwert, während für die auf Zug vorgespannten Bewehrungsstäbe einfache Rundprofile Verwendung finden können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden jedoch die auf

so Druck vorgespannten Bewehrungsstäbe in gekrümmter Lage verlegt, derart, daß sie an ihren konvexen Seiten an den konkaven Flächen der Kanäle abgestützt sind. Auf diese Weise wird unabhängig von der Größe des Spiels der auf Druck vorgespannten Bewehrungsstähle in den Kanälen eine Abstützung der Bewehrungsstähle erreicht, welche ein Ausknicken oder Ausweichen derselben verhindert, so daß es nicht erforderlich erscheint, knicksichere Profile zu verwenden.

Die erfindungsgemäß vorgespannten Druckbewehrungen können auch bei Stahl- oder Leichtmetallkonstruktionen, im besonderen bei den letzteren mit Erfolg verwendet werden, da sie die Verwendung hochfester Werkstoffe bei hohen Beanspruchungen und damit eine Ersparnis an Baustoffen ermöglicht, ohne daß das Tragwerk hierbei große Formänderungen erleidet. Die an sich bekannte Verwendung von vorgespannten Zugbewehrungen bei Stahl- und Leichtmetalltragwerken war bisher nicht besonders wirtschaftlich, da der Anteil der Zugvorspannung, der nur zentrischen Druck im Querschnitt erzeugt, den kostbaren Werkstoff des Tragwerkes oft unnötig beansprucht. Dieser zentrische Druck im Querschnitt wird zum Teil durch die auf Zug vorgespannten Bewehrungen hervorgerufen. Bei Verwendung von auf Druck vorgespannten Bewehrungen läßt sich aber dieser Nachteil verringern oder aufheben. Da bei Druckgliedern im Stahl oder Leichtmetallbau die Knicksicherheit wegen der Plastifizierung des Baustoffes mit der Höhe der Beanspruchung abnimmt, ist oft aus diesem Grunde ein größerer Materialaufwand, als festigkeitsmäßig bedingt, erforderlich. Durch die konzentrierung der Druckkraft in vorgespannte Druckbewehrungen aus hochwertigem Material kann dieses einerseits voll ausgenutzt werden und andererseits der umgebende Werkstoff bei geringerer Beanspruchung zur Stabilisierung herangezogen werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch veranschaulicht.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Träger;

F i g. 2, 3, 4, 5 und 6 zeigen die Spannungsbilder; F i g. 7 zeigt ein Trägerende mit dem Spannhaupt; F i g. 8 und 9 zeigen verschiedene Arten der Führung der auf Druck vorgespannten Bewehrungsstäbe in Kanälen des Tragwerkes.

F i g. 1 zeigt einen Balken 1 auf zwei Auflagern 2 und 3. 4 stellt einen an sich bekannten, auf Zug vorgespannten Bewehrungsstab dar, während 5 einen auf

Claims (6)

Druck vorgespannten Bewehrungsstab zeigt. Selbstverständlich können mehrere solcher Bewehrungsstäbe 4 und 5 vorgesehen sein. Im Querschnitt in der Trägermitte entstehen nun die in den Diagrammen in F i g. 2 bis 6 dargestellten Spannungen, wobei das Zeichen + die Zugspannungen und das Zeichen — die Druckspannungen anzeigt. F i g. 2 zeigt das Diagramm der Spannungen im Trägerquerschnitt infolge Eigengewicht ohne Berücksichtigung der Vorspannung. Diese Spannungen sind mit Og bezeichnet. Infolge der unten angeordneten auf Zug vorgespannten Bewehrung 4 entsteht nun der im Diagramm nach F i g. 3 dargestellte Spannungsverlauf, wobei ovz die durch die Zugvorspannung erzeugten Spannungen bezeichnet. Berücksichtigt man die oben angeordnete, auf Druck vorgespannte Bewehrung 5 allein, so ergibt sich der im Diagramm nach F i g. 4 dargestellte Spannungsverlauf, wobei die durch die Druckvorspannung erzeugten Spannungen mit ovd bezeichnet sind. Wenn am oberen und am unteren Rand Og + ovz + OvlI = 0, was durch geeignete Wahl der Spannstäbe und der Spannkräfte erreicht werden kann, bleibt der Beton unter Belastung tatsächlich spannungslos. Da dieser Grenzfall einen sehr unwirtschaftlichen Aufwand an Spannstahl erfordern würde, wird man sich meist mit einer kleineren Druckspannbewehrung begnügen. F i g. 5 zeigt nun beispielsweise ein Diagramm, bei welchem die Druckspannungen (-χ-) die halbe Größe der Druckspannungen gemäß dem Diagramm nach F i g. 4 aufweisen. Es wird hier ein Zwischenzustand angestrebt, der im Diagramm nach F i g. 6 dargestellt ist, wobei ^ ο die Summe der Spannungen darstellt. F i g. 7 zeigt nun eine Anordnung, bei welcher die auf Druck vorgespannte Bewehrung 5 und die auf Zug vorgespannte Bewehrung 4 in ein gemeinsames Spannhaupt 6 zusammengeführt sind. Am Ende des vorzuspannenden Trägers 1 ist eine waagerechte Stützfläche 7 vorgesehen, die das Spannhaupt 6 trägt, in dem die Zugspannbewehrung 4 mit der Druckspannbewehrung 5 derart verankert ist, daß die senkrechte Komponente der beiden Spannkräfte über die Stützfläche 7 in das Auflager 2 übertragen wird. Die waagerechte Komponente der beiden Spannkräfte hingegen wird über eine senkrechte Stützfläche 8 in den Betonkörper des Trägers geleitet. Da in der Regel die Druckspannkraft kleiner sein wird als die Zugspannkraft, wird an der Stützfläche 8 Druck übertragen, der jedoch erheblich kleiner ist als derjenige, welcher ohne Druckspannbewehrung zu übertragen sein würde. Die Verlegung der Druckbewehrung kann nun gemäß der Erfindung in offenen oder geschlossenen Kanälen des Trägers 1 erfolgen. F i g. 8 zeigt einen solchen geschlossenen geradlinig geführten Kanal 9, in welchem ein auf Druck vorgespannter Bewegungsstab 5 geführt ist. Hier besteht innerhalb des Kanals 9 infolge des Spiels zwischen dem Stab 5 und den Wänden des Kanals 9 die Möglichkeit eines geringen Ausknickens oder Ausweichens, was in Fig. 8 in Brei ten verzerrung übertrieben dargestellt ist. Hier ist ein Rundstahl 5 verwendet, jedoch kann es auch vorteilhaft sein, einen Formstahl zu verwenden, der ein nennenswertes Eigenträgheitsmoment aufweist. Es könnten z. B. Walzprofile verwendet werden, welche infolge ihrer größeren Knicksicherheit vorteilhaft sein können. F i g. 9 zeigt eine Ausbildung, bei welcher ein auf Druck vorgespannter Bewehrungsstab 5 in einem stetig gekrümmten Kanal 10 verlegt ist. Unter der ίο Wirkung der Druckvorspannung legt sich nun dieser Stab durchweg an die konvexe Fläche 11 des Kanals an, so daß er in seiner ganzen Länge gegen die konvexe Fläche 11 abgestützt ist. Die auf den Stab 5 hierbei wirkenden Abstützkräfte sind symbolisch durch die Pfeile 12 angedeutet. Diese Abstützkräfte halten den Stab 5 nun in stabiler Gleichgewichtslage, so daß ein Ausknicken nicht mehr in Betracht kommt. Die Krümmung des Kanals 10 muß nicht unbedingt in einer Ebene liegen, sondern es kann auch eine räumliche Krümmung vorgesehen sein, wobei sich der Bewehrungsstab 5 eben unter der Wirkung der Druckvorspannung stets an die konkave Seite des Kanals 10 anlegt. Patentansprüche:

1. Balken, insbesondere aus Beton, mit auf Zug und auf Druck vorgespannten Bewehrungen, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Druck vorgespannte Bewehrung in engen, vorgeformten, geschlossenen oder offenen Kanälen des Balkens liegt, deren Wände die Reaktionskräfte der Druckspannbewehrung aufnehmen.

2. Balken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der auf Druck und der auf Zug vorgespannten Bewehrung an den Enden in einem gemeinsamen Spannhaupt zusammengeführt ist.

3. Balken nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der auf Druck vorgespannten Bewehrung ein gegenüber einem Kreisquerschnitt nicht wesentlich erhöhtes Trägheitsmoment aufweist.

4. Balken nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Druck vorgespannten Bewehrungsstäbe in gekrümmter Lage verlegt sind, derart, daß sie an ihrer konvexen Seite an den konkaven Flächen der Kanäle abgestützt sind.

5. Balken nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der im Spannhaupt zusammengeführten, auf Druck vorgespannten und der auf Zug vorgespannten Bewehrungen und/oder die Vorspannungen derselben so gewählt sind, daß sich die Zug- und Druckkräfte in der Hauptrichtung wenigstens annähernd das Gleichgewicht halten.

6. Balken nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Verankerung in einem gemeinsamen Spannhaupt normal zur Hauptrichtung auftretenden Seitenkomponenten der Druck- und Zugkräfte durch Führungen des Spannhauptes längs Stützflächen aufgenommen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 832 670, 928 601;
USA.-Patentschriften Nr. 1 967 827, 2 039 398.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen