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Die
Erfindung betrifft einen Bewehrungsstab aus faserverstärktem Kunststoff,
an seiner Umfangsfläche
versehen mit einer gegenüber
der Stabmantelfläche
radial nach außen
vorstehenden Profilierung in Form von sich zumindest über einen
Teil des Umfangs erstreckenden Rippen und/oder mit gegenüber der
Stabmantelfläche
radial nach innen sich erstreckenden Vertiefungen, wobei in diesem
Fall die radial außen
liegenden Stabmantelbereiche die sich zumindest über einen Teil des Umfangs
erstreckenden Rippen bilden.
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In
der Vergangenheit wurden immer wieder Untersuchungen angestellt,
um für
bestimmte Anwendungsfälle
eine Alternative neben den herkömmlichen
aus Betonstahl oder Edelstahl bestehenden Metallstäben zu schaffen.
Ein wesentlicher Anreiz für Versuche
mit Kunststoffbewehrungsstäben
liegt in der geringeren Wärmeleitfähigkeit
bestimmter Kunststoffe (etwa Polyester, Vinylester etc.); auch lassen sich
durch verschiedene Fasertypen wie etwa Glas-, Aramid- und andere Fasern
die Zugfestigkeit und somit die Stabilität des Bewehrungsstabs sehr
genau dem jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
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Ein
wesentliches Problem der bekannten Kunststoffstäbe besteht jedoch in der Profilierung,
die es im Gegensatz zu den gerippten Metallbewehrungsstäben nicht
in zufriedenstellender Weise schafft, einen belastbaren Verbund
mit dem den Kunststoffbewehrungsstab umgebenden Beton einzugehen.
Denn die in der Regel aus der Stabmantelfläche herausgeformten radial
nach außen
vorstehenden Rippen scheren schon bei relativ geringen axialen Zugbelastungen
ab, da sie selbst bei in die Rippen mit hineinverlagerten Verstärkungsfasern nicht
stabil genug sind, um die bei axialen Zugbelastungen wirksamen Kräfte von
dem den Bewehrungsstab umgebenden Beton in den Bewehrungsstab bzw.
umgekehrt zu übertragen.
Demgemäß besitzen die
gerippten Kunststoffbewehrungsstäbe
in der Praxis keine ausreichenden Verbundeigenschaften.
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Auf
der anderen Seite besteht bei hinreichend flachen Rippen, welche
nicht abscheren, die Gefahr, dass sie ein so genanntes Spaltzugversagen des
mit ihnen bewehrten Betonbauteils verursachen, indem sie ähnlich einem
Keil den formschlüssig
den gerippten Bewehrungsstab umgebenden Beton bei Zugbelastungen
einem immer größer werdenden Stabumfang
aussetzten und ihn schließlich – sofern es
nicht zuvor zu einem Abscheren der Kunststoffrippen kommt – aufsprengen.
Ausgehend von der vom Bewehrungsstab gebildeten Bohrung im Beton
erstreckt sich hierbei ein Riss soweit, bis der Bohrungsdurchmesser
zusammen mit dem Rissspalt groß genug
ist, dass der Bewehrungsstab zusammen mit den Rippen aus seiner
ihm zugestammten Lage in Axialrichtung herausgezogen werden kann.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen faserverstärkten
Kunststoffbewehrungsstab zur Verfügung zu stellen, dessen Rippen
ausreichend stabil sind, um deren Abscheren bei den üblichen
Stabbelastungen zu verhindern und der auf der anderen Seite aber auch
den Effekt des Spaltzugversagens vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die den Übergangsbereich
zwischen radial innenliegendem Rippengrund mit Durchmesser d und
radial außenliegendem
Rippenscheitelbereich mit Durchmesser D bildenden seitlichen Rippenflanken
zumindest in Teilbereichen eine Steigung von mehr als 45° gegenüber der
Stabachse aufweisen, und dass die axiale Breite der Rippenbereiche
mit zumindest halber Rippenhöhe ½ × H = ½ × (D-d)/2
größer ist
als der axiale Abstand zwischen den zumindest die halbe Rippenhöhe aufweisenden Rippenbereichen
zweier benachbarter Rippen.
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Durch
den stumpfen Winkel der Rippenflanken lässt sich verhindern, dass die
Rippenflanken und die Rippen selbst wie ein Keil wirken und den den
Bewehrungsstab umgebenden Beton aufsprengen. Vielmehr stellen die
Rippenflanken in ihren stumpfwinkligen Bereichen eine Abstützfläche zur Verfügung, die
sich bei axialen Zugbelastungen axial am Beton abstützen, ohne
dass die radiale Steigungskomponente den erwähnten Schaden anrichten kann.
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Das
zweitgenannte Merkmal bezieht sich auf die Stabilität der Rippen:
Wenn mit einfachen Worten ausgedrückt die Rippe breiter ist als
der Beton zwischen zwei Rippen, dann kann davon ausgegangen werden,
dass die Rippen auch ausreichend stabil sind, um den üblichen
Zugbelastungen Stand zu halten. Hierbei ist der Verbund mit dem
radial innenliegenden Bewehrungsstab auf einer so großen Fläche wirksam,
dass ein Abscheren der Rippen auszuschließen ist.
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Zweckmäßigerweise
ist die Rippenbasis R, das ist die axiale Breite einer Rippe einschließlich der axialen
Breiten der beiden seitlichen benachbarten Rippenflanken, größer als
die Betonkonsolenbasis B, das ist die axiale Breite eines ungerippten
Rippengrundes einschließlich
der beiden seitlich benachbarten Rippenflanken. Auch dieser Annahme
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem großen Verbundbereich
zwischen Rippe und Bewehrungsstab bei gleichzeitig kleinerem Verbundbereich
zwischen Betonkonsole und angrenzendem Beton die Stabilitätsverhältnisse
dahingehend ausfallen, dass ein Abscheren der Rippen zuverlässig verhindert
werden kann.
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Was
die genannten Bemessungsregeln betrifft, so sind diese insbesondere
dann anzuwenden, wenn die Rippen ähnlich wie Betonstahl eine
Rippenhöhe
H = (D-d)/2 in der Größenordnung
von D/30 bis D/7 aufweisen.
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Schließlich empfiehlt
sich eine Rippenteilung T, das ist vergleichbar einer Wellenlänge die
axiale Breite einer Rippe einschließlich der beiden seitlich benachbarten
Rippenflanken zuzüglich
der axialen Breite eines benachbarten ungerippten Rippengrundes,
in der Größenordnung
von zwischen 1/3 × D
und 2 × D.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich auf beliebige Kunststoff- und Fasermaterialien anwenden, insbesondere
bei Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Zweckmäßigerweise
sind die Verstärkungsfasern
mit in die Rippen hineinverla gert, so dass der Verbund der Rippen
mit dem darunterliegenden Bewehrungsstab im Sinne einer größeren Zugfestigkeit verbessert
wird.
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Was
die Form der Rippen betrifft, so laufen diese zweckmäßigerweise
schraubengangförmig über den
Stabumfang um, geneigt zur Stabachse und abweichend von der Senkrechten
zur Stabachse.
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Es
liegt insbesondere aber auch im Rahmen der Erfindung, die Rippen „negativ" herzustellen, das heißt eine
ungerippte Stabmantelfläche
mit lokalen radialen Vertiefungen zu versehen. In diesem Fall bilden
die Vertiefungen jeweils den radial innenliegenden Rippengrund,
während
die radial außen
liegenden Stabmantelbereiche die Rippen bzw. die Rippenscheitelbereiche
im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung noch einmal beschrieben unter Bezugnahme auf
einen in der beigefügten 1 dargestellten
Axialschnitt durch die Hälften
zweier erfindungsgemäßer Bewehrungsstäbe.
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Der
in 1 dargestellte gerippte Bewehrungsstab 1 weist
mehrere gleichmäßig über den Stabumfang
verteilte radial innenliegende Rippengrundabschnitte 2, 12 auf
sowie relativ zu diesen Abschnitten radial nach außen vorstehende
Rippen 3, 13, wobei der Übergangsbereich zwischen den
außenliegenden
Rippenscheitelbereichen mit Durchmesser D und den innenliegenden
Rippengrundabschnitten mit Durchmesser d von seitlichen Rippenflanken 4, 14 gebildet
sind, die eine Steigung gegenüber
der Stabachse 5 in Form eines Winkels α, β von mehr als 45° aufweisen.
Die Rippenscheitelbereiche 3, 13 sind in beiden
Ausführungsbeispielen aus 1 glattzylindrisch
ausgebildet. Es wäre
aber ebenso möglich,
die Rippen bzw. die Rippenscheitelbereiche gekrümmt auszubilden und ansatzlos
in die angrenzenden Rippenflanken übergehen zu lassen.
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Neben
diesen zumindest in Teilbereichen stumpfwinkligen Rippenflanken
sind die erfindungswesentlichen Größen des Bewehrungsstabs 1 folgende:
Die Rippenhöhe
H wird aus (D-d)/2 errechnet. Diejenigen Rippenbereiche, die zumindest
die halbe Rippenhöhe
(bzw. eine größere Rippenhöhe) aufweisen,
erstre cken sich über
eine axiale Breite A. Zwischen solchen Rippenbereichen mit zumindest
halber Rippenhöhe
besteht ein Abstand B. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun vorgeschrieben, dass A > B sein muss, wodurch sich die genannten Stabilitätsverhältnisse,
also auf den Axialschnitt bezogen ein breiterer „Rippenzahn" als „Betonzahn" ergibt.
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Einfacher
handzuhaben und darüber
hinaus ebenso gültig
ist folgende Annahme: Die Rippenbasis R, das ist die axiale Länge eines
radial außenliegenden
Rippenscheitelbereiches 13 sowie der beiden angrenzenden
Rippenflanken 14, muss größer sein als die Betonkonsolenbasis
B, das ist die axiale Breite eines ungerippten Rippengrundes 12 einschließlich der
beiden seitlich benachbarten Rippenflanken 14.
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Des
Weiteren soll die Rippenhöhe
H, die sich aus (D-d)/2 errechnet, in der Größenordnung von zwischen D/30
und D/7 und insbesondere zwischen 0,5 und 2 mm liegen. Und schließlich soll
die Rippenteilung T, das ist die axiale Breite eines innenliegenden
Rippengrundes 2, 12 plus der axialen Breite einer
Rippenflanke 4, 14 plus der axialen Breite eines Rippenscheitelbereiches 3, 13 plus
einer weiteren Rippenflanke 4, 14, zwischen D/3
und 2 × D
und insbesondere zwischen 5 und 15 mm groß sein.
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Die
beiden in 1 dargestellten Rippenformen
unterscheiden sich dadurch, dass die in der oberen Bildhälfte dargestellte
Rippung Rippenflanken 4 mit geradliniegem Verlauf aufweisen,
während
die Rippen 14 der unteren Bildhälfte sinusähnlich gekrümmt sind, wobei der Wendepunkt
der Steigung der Flanken 14 den maximalen Steigungswinkel β definiert,
der größer als
45° sein
muss. Der Steigungswinkel α der
oberen Rippung ist hingegen über die
gesamte Flankenlänge
gleich.
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Es
sei noch erwähnt,
dass ein kleinerer Steigungswinkel α bzw. β aufgrund der geringeren Abstützfläche am Beton
bei Zugbelastungen an sich weniger ein Abscheren der Rippen hervorruft
als ein stumpfer Winkel größer 45°, da die
Rippen bei axialen Zugbelastungen nicht nur den Beton keilähnlich nach
außen
drücken,
sondern gleichzeitig durch den Beton auch nach radial innen gedrückt werden.
Hingegen sorgen stumpfe Steigungswinkel, deren Rippenflanken sich ja
besser am Beton abstützen
und dessen resultierende axiale Kraftkomponenten größer sind als die nach innen gerichteten radialen
Kraftkomponenten dafür,
dass solche Flanken mit stumpfem Steigungswinkel an sich eher abscheren
als die mit spitzem Steigungswinkel. Insofern ist es für die vorliegende
Erfindung mit stumpfem Steigungswinkel umso wichtiger, dass die
Rippen eine breite Rippenbasis und damit einen guten Verbund mit
dem darunterliegenden Bewehrungsstab besitzen. Erst dann kann man
beide gestellte Aufgaben durch ein und dieselbe Bauform erfüllen, nämlich einerseits
das Abscheren von Rippen und andererseits ein Spaltzugversagen verhindern.
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Zusammenfassend
bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass erstmals stabile
faserverstärkte
Kunststoffbewehrungsstäbe
vorgeschlagen werden können,
deren Rippen weder bei den üblichen
Zugbelastungen abscheren, noch aufgrund der stumpfen Steigungswinkel
zu dem Effekt des so genannten Spaltzugversagens führen.