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Eisenbahnschwelle aus Stahlbeton und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Eisenbahnschwelle aus Beton mit längs beweglich in den
Beton eingebetteten, an den Enden mit Gewinde versehenen Spannelementen in Form
von Stäben aus Stahl, auf welche unter Zwischenschaltung von zur Druckverteilung
geeigneten Platten Muttern aufgeschraubt sind. Die genannten Muttern und Platten
bilden Endverankerungen, durch welche Spannkräfte auf den Beton übertragen werden,
welche man nach dem Erhärten des Betons in die Stahlstäbe einleitet.
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Neben Betonschwellen mit einer- schlaffen Bewehrung kennt man auch
Schwellen mit Spannelementen aus Stahl von hoher Festigkeit, die in der Längsrichtung
der Schwelle verlaufen und die in dieselben vor dem Abbinden des Betons eingetragenen
Vorspannkräfte später, d. h. nachdem zwischen dem Beton und den vorgespannten Einlagen
eine Haftung eingetreten ist, auf den Beton übertragen.
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Eine erste Gruppe von vorbekannten, auf Verbundwirkung beruhenden
Stahlbetonschwellen verwendet als Spannelemente glatte dünne Stahldrähte. Bei den
bekannten Schwellen dieser Art ist in vielen Fällen die Haftung zwischen dem Beton
und den Stahldrähten ungenügend. Aus diesem Grund hat man schon vorgeschlagen, die
Haftung der Drähte durch eine Oberflächenbehandlung der Stahldrähte oder durch Verwendung
besonderer Profilierung des Drahtes zu verbessern. Dabei wurden sowohl Drähte mit
Kerbungen als auch solche benutzt, deren Profile verwunden wurden
oder
die aus mehreren miteinander verdrillten Drahtlitzen bestanden. Wenn es auf diesen
Wegen auch gelingt, die Haftfestigkeit zu erhöhen, so müssen solche Verbesserungen
mit einer Verteuerung der Herstellung erkauft werden, welche bei Eisenbahnschwellen,
die in großen Massen benötigt -werden; die Wirtschaftlichkeit in Frage stellen.
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Bei einer zweiten Gruppe von bekannten Eisenhahnschwellen aus Stahlbeton,
die nach dem gleichen Prinzip, d. h. mit Verbundwirkung arbeiten, werden stärker
bemessene Stahleinlagen, vornehmlich in Form von paarweise angeordneten Stahlstäben,
vor dem Abbinden des Betons in besonders ausgebildete Schalungen eingelegt und an
ihren Enden durch eine zwischen einer Ankerplatte und die Stahleinlage eingeschaltete
Keilverbindung verankert. Abgesehen davon, da:ß Verankerungen dieser Art sich für
Eisenbahnschwellen schon wegen ihrer Umständlichkeit - weniger eignen, müssen bei
ihnen Verbiegungen der Enden der Stahlstäbe vorgenommen werden, die mit Rücksicht
auf die Sprödigkeit des Stahlmaterials bedenklich erscheinen, insbesondere wenn
man berücksichtigt, daß bei Eisenbahnschwellen mit Überbeanspruchungen, z. B. durch
Unrundlaufen des Wagenmaterials oder bei Federbrüchen und Entgleisungen von Eisenbahnfahrzeugen
zu rechnen ist.
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Allen auf die Erzielung einer Verbundwirkung abstellenden Vorschlägen
ist, wenn sie bei der Herstellung von Schwellen angewendet werden, der Nachteil
gemeinsam, daß zur Erzeugung und zur Aufrechterhaltung der Vorspannkräfte bis zum
völligen Erhärten des Betons besondere Spannbetten mit schweren Spannwiderlagern
oder verstärkte Schalungen in Sonderausführungen benötigt werden, was hohe Anlage-
und Unterhaltungskosten erfordert.
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Neben den bisher behandelten Gruppen von vorbekannten Betonschwellen
kennt man auch Schwellen, bei denen die Stahleinlagen unter Verzicht auf eine Verbundwirkung
in den Beton so eingefügt werden, daß beim Abbindevorgang des Betons keine Haftung
zwischen Beton und Stahl eintritt, sondern die Längsbeweglichkeit der Stahleinlage
erhalten bleibt. Das kann z. B. durch vor der Betonierung erfolgendes Umhüllen der
Stahleinlagere mit einem Gleitmittel, z. B. Bitumen,, bewirkt werden. Das Vorspannen
der so vorbereiteten Stahleinlagen erfolgt erst nach dem Erhärten des Betons. Nach
diesem bekannten Vorschlag wurde in der Praxis bisher hauptsächlich in der Form
gearbeitet, da.ß vor der Betonierung der Schwelle in die - Schalung ein Bündel aus
Stahldrähten eingebettet wurde, die mit einem Gleitmittel bestrichen waren. Jeder
Draht wurde dabei schlaufenförmig zu einem endlosen Linienzug verformt.
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- Schwellen, die sich einer solchen Schlaufenverankerung bedienen,
sind an die Verwendung von vergleichsweise dünnen. Stahldrähten gebunden. Nachteilig
-ist dabei vOT allem- der Umstand, daß die von Haus aus spröden Drähte in den Schlaufen
erneut kaltverformt werden müssen, wodurch die Arbeitsreserve, die für Überbeanspruchungen
notwendig ist, verringert wird.
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Um bei den bekannten Schwellen dieser Art die Möglichkeit zu schaffen,
in die Drahtschlaufen Vorspannkräfte einzuleiten, wird der Betonkörper der Schwelle
durch Anbringen einer in der Mitte liegenden Streckfuge in zwei Hälften aufgeteilt.
Nach dem völligen Erhärten des Betons werden die beiden Schwellenhälften mit Hilfe
hydraulischer Pressen, die außen an ihnen angreifen, auseinandergezogen, und die
Lücke in der Schwellenmitte wird ausbetoniert und dadurch die den Drahtschlaufen
erteilte Vorspannung auf der gewünschten Höhe gehalten.
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Die Anbringung einer Streckfuge stellt einen schwachen Punkt dar,
der die Sicherheit der Schwelle gefährden und ihre Lebensdauer vermindern kann.
Die Unmöglichkeit, das Betongefüge in einem Guß herzustellen, in Verbindung mit
der Schwierigkeit, die Streckfuge nachträglich so auszufüllen, daß an dieser Stelle
auch Biegezugspannungen übertragen werden können, lassen es geboten erscheinen,
nach einer anderen Lösung zu suchen, die gleichzeitig auch folgendem Umstand Rechnung
trägt: Bei Eisenbahnschwellen aus Beton ist es wichtig, daß die Auflagerstellen
für die Schienen genau den der vorgeschriebenen Spurweite entsprechenden Abstand
voneinander erhalten. Sowohl bei Schwellen, deren Stahleinlagen vor der Betonierung
vorgespannt werden, wie auch bei solchen, bei denen durch eine Streckfuge die Möglichkeit
geschaffen wird, die Stahleinlagen durch Auseinanderziehen der Schwellenhälften
nachträglich vorzuspannen, macht die Sicherstellung der Maßhaltigkeit Schwierigkeiten.
Im übrigen besteht sowohl bei Schwellen mit Verbundwirkung, als auch bei solchen,
die auf diese Wirkung verzichten und die Stahleinlagen erst nach dem Erhärten des
Betons anspannen, folgender Nachteil: Bei keiner dieser vorbekannten Schwellen besteht
praktisch die Möglichkeit, Spannungsverluste auszugleichen, die einerseits durch
die elastischen Verkürzungen von Stahl und Beton und andererseits durch das Schwinden
und Kriechen des Betons unter der Wirkung der Vorspannkraft eintreten. Es bestand
also bisher nur die Möglichkeit, von vornherein Vorspannkräfte einzutragen, die
weit höher sind, als sie späterhin in der fertigen Schwelle rechnungsmäßig wirksam
werden. Ein solches Vorgehen ist jedoch aus verschiedenen Gründen nachteilig.
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Schließlich ist auch eine Betonschwelle bekannt, die aus zwei Tragkörpern
für die Schienen und aus einem Zwischenstück besteht, das von den beiden Tragkörpern
durch je eine nachgiebige.Schicht getrennt ist. Die drei Teile der Schwelle werden
durch einen in der neutralen Zone verlaufenden Stahlstab verbunden, auf dessen Enden
die sich an den- Stirnflächen der Schwellenkörper abstützenden Muttern aufgeschraubt
sind. Der Stahlstab dieser bekannten Schwelle dient lediglich zum Zusammenhalten
der
drei Schwellenteile. Das Zwischenstück muß seine Lage gegenüber den beiden Außenstücken
verändern können, so daß der Stahlstab über die zum Zusammenhalten der Schwellenteile
erforderlichen Kräfte hinaus nicht angespannt werden kann. Überdies ist der Stab
in der neutralen Zone der Schwelle angeordnet, was beweist, daß an eine Vörspannung
des Stabes nicht gedacht war.
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Die Erfindung zeigt einen Ausweg aus den geschilderten Schwierigkeiten
und besteht in erster Linie darin, daß die genannten Spannelemente aus naturhartem
Stahl mit hoher natürlicher Streckgrenze hergestellt und daß die an den Enden der
Stäbe angebrachten Gewinde im Kaltwalzverfahren angerollt sind, wobei die unter
dem Einfluß des Kriechens und Sehwindens des Betons -eintretende Verringerung der
in einer bestimmten meßbaren Höhe eingeleiteten Vorspannkräfte durch nachträgliches
erneutes Anspannen der Stahlstäbe ausgleichbar ist.
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Naturharter Stahl mit hoher natürlicher Streckgrenze ist an sich bekannt.
Ebenso haben im Kaltwalzverfahren aufgerollte Gewinde, insbesondere im Flugzeugbau,
bereits Anwendung gefunden, weil hier die erhöhte Festigkeit der Gewinde gegenüber
den dynamischen Beanspruchungen entscheidend ist. Bei der Herstellung von Eisenbahnschwellen
aus Spannbeton hat das Aufrollen von Gewinden durch Kaltwalzung keinen Eingang gefunden,
obwohl gerade hier mit seiner Anwendung überraschend vorteilhafte Wirkungen erzielt
werden können. Durch das Aufrollen eines Gewindes auf einen Stahlstab wird nämlich
ein Teil der verdrängten Masse des Stabes zusammengepreßt und ein anderer Teil über
den Außendurchmesser des Stabes nach außen gedrückt. Die Werkstoffestigkeit wird
durch die Kaltverformung im Kernquerschnitt um etwa 15 °/o, erhöht; hierdurch wird
der Ouerschnittsverlust gegenüber dem Schaftquerschnitt ausgeglichen, so daß der
Kernquerschnitt die gleiche Tragfähigkeit hat wie der Schaftquerschnitt. Ein weiterer
wesentlicher Vorteil der aufgerollten Gewinde besteht darin, daß keine verdickten
Enden notwendig sind, die bei der sonst üblichen Art der Herstellung von Gewinden
durch Aufschneiden wegen der herabgesetzten Tragfähigkeit erforderlich wären. Bei
der Verwendung von Spannelementen mit solchen verdickten Enden würden außerdem beim
Anspannen unerwünschte Hohlräume entstehen, die nachträglich nicht mehr ausgefüllt
werden können.
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Gegenüber den schon einleitend erwähnten bekannten Schwellen, bei
denen als Spannelemente dünne Stahldrähte verwendet werden, wird beim Gegenstand
der Erfindung eine bessere Endverankerung der Stäbe sichergestellt. Dies wirkt sich
insbesondere bei schlagartigen Beanspruchungen der Schwelle aus. Für diese Beanspruchungen
sowie für jede andere Art der Überbeanspruchung ist die Verwendung von naturhartem
Stahl insofern günstig, als dieser ein besonders hohes Arbeitsvermögen besitzt.
Von wesentlicher Bedeutung für das günstigere Verhalten der Schwelle nach der Erfindung
bei schlagartigen Beanspruchungen ist die Tatsache, daß die stabförmigen Spannelemente
auf ihrer ganzen Länge mit gleichmäßiget Dehnung zu arbeiten vermögen, während die
bekannten fest einbetonierten dünnen Stahldrähte nur an der Stelle der Überbeanspruchung
in Spannung kommen und infolge ihres geringen Arbeitsvermögens dort leicht abreißen.
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Eine zweckmäßigeAusgestaltung des Erfindungsgegenstandes besteht darin,
daß die Endverankerungen der Stahlstäbe in Aussparungen versenkt sind, die an den
Stirnseiten der Betonschwelle angebracht sind und .nach dem Einträgen der Vorspannkräfte
mit Betonpfropfen verschlossen werden. Dadurch erhält der Betonkörper der Schwelle
ein besseres Aussehen, und 'die Endverankerungen der Spannelemente sind gegen Beschädigungen
geschützt.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden die Vorspannkräfte
an einem Ende der Stahlstäbe mit Hilfe hydraulischer Pressen eingetragen, deren
Zugspindel unmittelbar auf das Gewinde am Ende des stabförmigen Spannelementes aufschraubbar
ist, während sich der Preßzylinder an der der Stirnfläche der Schwelle anliegenden
Drückverteilungsplatte abstützt. Dadurch werden die Vorspannkräfte mit baulich einfachen
Mitteln genau an der Stelle eingetragen, an der sie auf den Beton wirken sollen.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren, das eine besonders
einfache und billige Herstellung der neuen Schwelle ermöglicht. Zu diesem Zweck
werden die stabförmigen Spannelemente in spannungslosem Zustand in einen Formkasten
eingebracht und in diesem durch konisch gestaltete Einsätze gehalten, die zugleich
als Kerne für die Bildung von Aussparungen in den Stirnseiten der Schwelle dienen,
in denen später die Endverankerungen so angeordnet werden, daß sie versenkt in den
Ausnehmungen liegen. Dadurch wird mit einfachen Mitteln' die richtige Lage der Spannelemente
in dem Formkasten während der Betonierung sichergestellt, und die für das Anspannen
und die spätere Verankerung wichtigen Gewindeköpfe können sich nicht mit Beton zusetzen.
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Über die genannten Vorteile hinaus weist die neue Schwelle kurz zusammengefaßt
folgende Vorteile auf: Einfache, billige und den besonderen Erfordernissen einer
Massenfertigung Rechnung tragende Herstellung, Möglichkeit zum Ausgleichen von Spannungsverlusten
durch Nachspannen der Spannelemente, Fortfall von teuren Spannbetten und verstärkten
Schalungen, einfache und rationell herstellbare Ausbildung der Verankerung, rasches
und leichtes Ausschalen, wirksamer Schutz aller Stahlteile gegen Rost, leichte Wiedergewinnung
und erneute Verwendbarkeit der Spannelemente bei Zerstörung des Betons der Schwelle.
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Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der durch sie erzielten
Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der
Zeichnung
dargestellten Ausführüngsbeispieles der neuen Schwelle und der Art ihrer Herstellung.
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Fig. i zeigt einen Längsschriift durch einen Formkasten zur Herstellung
der neuen Schwelle; -Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch die=- fertige Schwelle nach
der Linie II-II der Fig. 4-und Fig. 3 ein Querschnitt- entlang der Line:III-III
der Fig. 2; Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die fertige Schwelle; -Fig. 5 zeigt einen
Teilschnitt durch -den Formkasten vor dem Einbringen des Betons in z ergrößertem
Maßstab; _ " Fig. 6 erläutert in einem Längsschnitt das Anspannen eines Stahlstabes
mit Hilfe einer hydraulischen Fresse; . -Fig. 7 ist eine Stirnansicht der fertigen
_Schwelle vor dem Ausfüllen der'stirnseitigen Ausspgrungen. Die Schwelle besteht
aus dein mit z bezeichneten Betonkörper, in welchem beim Ausführungsbeispiel zwei
Spannelemente in Form von Stäben 2 aus Rundstahl angeordnet sind. Die Anzahl der
Spannelemente ist jedoch für die Erfindung belanglos. Es genügt auch ein einziger
Stahlstab. Als Material für die Stahlstäbe ist naturharter Stahl von möglichst hoher
Streckgrenze (etwa 55 kg/mm2) angenommen. Die Stahlstäbe :2 sind an ihren beiden
Enden mit Gewindeköpfen 5 versehen. Diese Gewinde werden mit Hilfe einer Kaltwalzung
bekannter Art angerollt.
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3 und 4 sind Dübel aus Holz zur späteren Befestigung der Schwellenschrauben,
die in den Betonkörper i eingefügt werden. 3' und 4' sind die im Formkasten vorgesehenen
Kerne zur Erzeugung der Öffnungen zum späteren Einsetzen der genannten Dübel.
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In jedem Stirnende des Schwellenkörpers i sind zwei sich nach innen
verjüngende Aussparungen 6 vorgesehen, die die Verankerungen für die Stahlstäbe
2 in versenkter Anordnung aufnehmen. Die Verankerungen bestehen jeweils aus dem
bereits erwähnten Gewindekopf 5, einer Druckverteilungsplatte 7 und einer Mutter
B. Letztere wird zweckmäßig aus weicherem Stahl als die Spannelemente, z. B. aus
normalem Schraubenstahl, hergestellt.
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Die Schwelle wird in dem aus Fig. i in Verbindung mit den Fig. 5 und
6 ersichtlichen, z. B. aus Blech bestehenden Formkasten 9 eingeformt, der entsprechend
der gewünschten Umrißform des Schwellenkörpers ausgebildet ist.
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In den verstärkten Stirnwänden des Formkastens sind auf- jeder Seite
in geeigneter Weise zwei topfförmige Einsatzkörper io befestigt. Wie besonders Fig.
-5 deutlich zeigt, stützt sich der Einsatzkörper io mit einem Flansch gegen einen
aufgesteckten Ringkörper 18, dessen andere Fläche entsprechend der schrägen Stirnwand
des Formkastens g gegen die Achse schräg verläuft. In den Böden ii der Einsatzkörper
io ist je eine mit Gewinde versehene zentrische Bohrung angebracht, in welche der
Gewindekopf 5 des Stahlstabes 2 eingeschraubt werden kann. Durch entsprechendes
Aufschrauben von -je einem Einsatzkörper io auf die beiden Gewindeköpfe eines Stahlstabes
wird erreicht; daß der betreffende Stab mit leichter Verspannung in dem Formkasten
9 gehalten wird, so daß während der Betonierungs- und der z. B. durch Rüttelung
erfolgenden Verdichtungsvorgänge Lageänderungen des Stahlstabes nicht eintreten
können. Bevor der Beton in den Formkasten 9 eingebracht wird, erhalten die Stahlstäbe
eine Umhüllung z. B. mit Bitumen, wodurch verhindert wird, daß eine Haftverbindung
zwischen Beton und Stahlstab eintritt. " Nach dem Verdichten ' des Betons werden
' die Einsatzkörper io herausgeschraubt und abgenommen. Der -Formkästen kann zur
Beschleunigung des Abbindevörganges in einem klimatisierten Raum abgestellt werden.
Das Ausformen erfolgt -durch einfaches Kippen des Formkastens, zweckmäßig unter
gleichzeitiger leichter Rüttelung der Form. " Nach ausreichender Erhärtung des Betons
werden die Vorspannkräfte in die Stahlstäbe 2 eingetragen. Zu diesem Zweck wird
auf das eine Ende des Stahlstabes 2 die Druckverteilungsplatte 7 aufgeschoben und
die Mutter 8 angedreht. Die Platte 7 kann auch bereits vor dem Betonieren auf die
Stahlstäbe2 aufgeschoben werden. Auf der anderen Schwellenseite wird, wie die Fig.6
zeigt, in die Aussparung 6 eine: hydraulische Presse 13 bekannter Bauart derart
eingefügt, daß die mit einer Gewindebohrung versehene Zugspindel 14 auf das Gewinde
5 aufgeschraubt wird. Die Presse wird dabei durch eine nicht' dargestellte Aufhängung
gehalten. Das Aufschrauben der Zugspindel 14 auf den Gewindekopf 5 wird von außen
her mit Hilfe eines Handrades 16 vorgenommen. Das rohrförmige Gehäuse i9 der Presse
13 ist zweckmäßig an dem in die Aussparung 6 einzusetzenden Ende verjüngt und stützt
sich gegen die Druckverteilungsplatte 7 ab. In dem verjüngten Teil ist eine seitliche
Öffnung 15 vorgesehen; durch die hindurch mittels eines geeigneten Werkzeuges jeweils
die Schraubenmutter 8 nachgezogen werden kann. Am anderen Ende ist das Gehäuse i9
mit einer zylindrischen Ausdrehung zur Aufnahme eines Druckkolbens 2o versehen,
der auf der Zugspindel 14 durch eine Mutter od. dgl. 21 gehalten ist. Durch Zufuhr
eines Druckmittels durch das Rohr 22 in den zylindrischen Druckraum 13' der Presse
13 werden ; Vorspannkräfte meßbarer Größe erzeugt und auf den Stahlstab 2 zur Einwirkung
gebracht.
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Nach der Eintragung ausreichender Vorspannkräfte wird die zuvor auf
dem Gewindekopf lose aufgedrehte Mutter 8 z. B. mit Hilfe eines besonderen, in der
Zeichnung nicht dargestellten Werkzeuges festgezogen. Der Spannvorgang kann in gewissen
Zeitabständen wiederholt werden. Wenn keine erheblichen" Spannungsabfälle mehr zu
erwarten sind, wird die Aussparung 6 an der Spannseite nach erfolgter Wegnahme der
Presse durch einen Betonpfropfen 23 verschlossen. Dieser Pfropfen verankert sich
ausreichend an dem in die Aussparung hineinragenden Gewindekopf; gegebenenfalls
-kann zur weiteren Sicherung die zuni Ausfüllen der Aussparung 6 verwendete Masse
aus
schwindfreiemMaterial bestehen. DieAussparung6 an der anderen
Schwellenseite kann sogleich nach dem Ausschalen und dem Aufbringen der Druckverteilungsplatte
und der zugehörigen Mutter durch einen Betonpfropfen verschlossen werden.
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Das Herstellungsverfahren kann in einer etwas abgewandelten Form auch
wie folgt durchgeführt werden Statt in den Formkasten g vor der Betonierung die
in Fig. i dargestellten Stahlstäbe einzufügen, kann man im Formkasten stabförmige
Kernkörper in der gleichen Art und Weise anordnen, wie dies in Fig. i für die Stäbe
2 dargestellt ist. Diese Formkörper werden sogleich nach dem Ausformen der Schwelle
aus dem Betonkörper i herausgezogen, wodurch sich in diesem in der Längsrichtung
verlaufende Hohlräume -bilden. In diese Hohlräume werden später die eigentlichen
Stahlstäbe :2 eingeschoben.
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Um die aus Stahl bestehenden Teile der Schwelle gegenüber dem Beton
elektrisch zu isolieren, empfiehlt es sich, die Stahlstäbe sowie alle Teile der
Verankerungen, die mit dem Beton in Berührung treten, vor der Betonierung mit einem
zusammenhängenden Überzug eines elektrisch isolierend wirkenden Mittels zu versehen.
Gegebenenfalls kann man so vorgehen, daß auf die Metallteile zunächst ein elektrisch
isolierender Überzug aufgebracht und diesem dann noch ein Anstrich aus einem Gleitmittel
hinzugefügt wird.