Betonstähle (Spannstähle) zur Bewehrung von Stahl (Spann-)beton weisen zur Erzielung eines ausreichenden Verbundes zwischen dem Stahl und dem Beton Rippen auf. Damit ist die Kraftübertragung zwischen dem Stahl und dem Beton und umgekehrt so sichergestellt, daß im Gebrauchszustand kurze Verankerungs- bzw. Übertragungslängen erreicht werden.

Im Laufe der Entwicklungen haben sich eine Reihe von Bedingungen für die Herstellung von Betonstählen, insbesondere von kaltverformten Betonstählen, wie sie z.B. für Beton¬ stahlmatten oder Betonstahl im Ring benutzt werden, geändert. Dazu gehören z.B. neue Erkenntnisse zu nichtlinearen Bemessungsverfahren im Stahlbetonbau. Der Verbund von Betonstählen wurde bislang nur im elastischen Bereich der Spannungs-Dehnungslinie des Stahls in Betracht gezogen. Die Anwendung der nichtlinearen Bemessung zieht auch die Verbundwirkung im plastischen Bereich des Stahls mit ein (DE-Al-4011486). Hier hat sich gezeigt, daß ein zu "harter" über Rippen erzeugter Verbund am Betonriß zu wenig Stahldehnung freigibt. Es ist ein Verbund anzustreben, der im Gebrauchszustand die bis¬ herigen bautechnischen Regelungen zuläßt, aber im plastischen Bereich der Spannungs- Dehnungslinie des Betonstahls weicher ist.

Ein großer Teil der Betonstähle wird durch Warm- oder Kaltverformung als Betonstahl im Ring produziert und zu Stabstahl oder zu Betonstahlmatten verarbeitet. Um den Stahl in die Form zu bringen, wie er als Bewehrung dienen kann, muß er mit geeigneten Maschi- nen gerichtet werden. Gerippte Stähle weisen stets eine Unrundheit auf. Femer werden die Rippen beim Richtvorgang in der Regel stark abgetragen. Die am Stabumfang vorhandenen Rippen entfachen beim Richtvorgang ferner einen erheblichen Lärm. Bei Betonstählen, die im Ring hergestellt werden, ist deshalb eine Verbesserung der Richteigenschaft und eine Reduzierung des Lärms beim Richten anzustreben.

In den Rippen der Betonstähle befindet sich ein beträchtlicher Teil der Masse. Zur Erzeu¬ gung der Rippen sind bis zu 25 % Verformung nötig, die alleine einen großen Energieauf¬ wand bedeuten und dementsprechend viel Energie verbrauchen. Im Hinblick auf eine Ener¬ gieeinsparung besteht deshalb der Zwang zur Reduzierung der zur Erzeugung der Rippen aufzubringenden Energie.

Die eben angesprochenen hohen Verformungsgrade reduzieren beim Kaltverformen die Ausgangswerte der Duktilitätsparameter Agt (Dehnung bei Höchstlast) und Rm/Re (Zug¬ festigkeit/Streckgrenze) beträchtlich. Die wünschenswerten Nennwerte (siehe ENV 10080) sind daher schwer erreichbar.

Das Schweißen von Betonstahlmatten erfolgt in Anlagen, die bis zu 120 Takte/min ausfüh¬ ren. Die Erzielung von konstant guten Schweißverbindungen ist nur möglich, wenn Un- rundheiten, wie sie durch Rippen bedingt sind, möglichst klein gehalten werden. Dies gilt besonders für das Schweißen von Doppelstäben. Im Hinblick hierauf sind Stäbe mit einer Oberfläche anzustreben, die einem glatten Rundstahl möglichst nahe kommen.

Daraus ergeben sich folgende Zielsetzungen für die Oberflächengestaltung von Beton¬ stählen.

Bei der Herstellung:

Geringer Verformungsaufwand, werkstofftechnisch günstigere Aufbringimg der Kaltver¬ formung und damit geringer Energieverbrauch und Walzenverschleiß bei der Erzeugung der Oberflächengestalt.

Bei der Weiterverarbeitung:

Gute Richtfähigkeit bei geringer Lärmemission, verbesserte Schweißeignung. Vermeidung von Oberflächenverletzungen am Betonstahl und Reduzierung des Verschleißes am Richt¬ werkzeug.

Für den Gebrauch als Bewehrung:

Ausreichender Verbund im Gebrauchszustand und Ermöglichung von aktivierbarer Stahl¬ dehnung am Betonriß (plastisches Gelenk), hohe Werte von Agt und Rm/Re. Geringe Kerbwirkung und dadurch hohe Dauerschwingfestigkeit.

Untersuchungen haben gezeigt, daß sich im Hinblick auf diese Zielsetzungen am besten ein Betonstahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 eignet.

Ein Betonstahl dieser Art ist durch die DE-AS 10 84 464 bekannt geworden.

Diese Druckschrift beschreibt einen Bewehrungsdraht oder -stab, insbesondere für Spann¬ beton, dessen Oberfläche sich regelmäßig wiederholende beidseitige Vertiefungen aufweist, wobei die Vertiefungen elliptisch ausgebildet sind und nahezu den halben Stabumfang ein¬ nehmen. Die Vertiefungen sind im Bereich ihrer kurzen Achse durch schmale Wülste ge- trennt, die schräg zur Stabachse liegen. Diese Wülste werden, ähnlich wie Schrägrippen, durch Einfräsungen in der Prägewalze gebildet, in die das Material beim Walzen verdrängt wird.

Die GB-PS 1 343 757 beschreibt einen Betonstahl, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 an- gegebenen Art, bei dem die Vertiefungen elliptisch ausgebildet sind, wobei die Längsach¬ sen der Ellipsen unter einem Neigungswinkel von 30 bis 70° gegenüber der Stabachse an¬ geordnet sein können. Um die Biegeeigenschaften der Stäbe zu verbessern, werden die Flanken der Vertiefungen symmetrisch ausgebildet und es wird der Flankenwinkel auf 50° begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberflächengestalt eines Betonstahls nach dem Gattungsbegriffs des Anspruches 1 so auszubilden, daß trotz eines geringeren Ver¬ formungsaufwandes, der bessere Duktilitätsparameter Agt und Rm/Re ermöglicht, ein aus¬ reichender Verbund gewährleistet wird. Es soll bei einer Einbeziehung plastischer Ver- formungen des Betonstahls (nichtlineare Bemessung) ein weicher Verbund, der möglichst

große Relativverschiebungen zwischen Stahl und Beton zuläßt, ermöglicht werden. Gleichzeitig soll im Hinblick auf eine gute Richtfähigkeit und eine verbesserte Schwei߬ eignung die Oberflächengestalt des Betonstahls möglichst der eines runden Stabes mit glatter Oberfläche angeglichen werden. Im Hinblick auf eine hohe Dauerschwingfestigkeit sollen Kerbspannungen möglichst gering gehalten werden. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines Betonstahls mit den genannten Eigenschaften angegeben werden.

Der erfmdungsgemäße Betonstahl ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekenn¬ zeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Betonstahls sind den Ansprüchen 2 bis 12 zu entnehmen. Das erfmdungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruches 13 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den restlichen An¬ sprüchen zu entnehmen.

Während beim bekannten Betonstahl nach der DE- AS 10 84 464, der insbesondere für Spannbeton vorgesehen ist, eine gleichmäßig hohe Zugfestigkeit und eine hohe Haftfestig¬ keit angestrebt werden - dies wird durch eine starke Kaltverformung eines kaltgezogenen glatten Runddrahtes und die Ausbildung von Wülsten durch nach außen verdrängtes Material erreicht - wird beim erfindungsgemäßen Betonstahl durch Einwalzen von nur flachen Vertiefungen die Verformung klein und damit die Duktilität groß gehalten. Mit Ausnahme der eingewalzten Vertiefungen bleibt die glatte Fläche des runden Stabes erhalten, d.h. eine Wulstbildung wird vermieden im Hinblick auf die Verbesserung der Richtfähigkeit und zur Ermöglichung eines "weichen" Verbundes bei Einsatz des Beton¬ stahls.

Durch die Ausbildung der Vertiefungen mit unterschiedlicher Tiefe ebenso wie durch die Ausbildung von Vorsprüngen bzw. Mulden in der Bodenfläche der Vertiefungen wird ein abgestufter "Versagensmodus" erreicht. Bevor die Betonkonsole an einer großen Ver¬ tiefung abschert, schert sie an einer kleinen Vertiefung ab und gibt dadurch einen Deh¬ nungsweg frei. Ähnlich geschieht dies, wenn in der Bodenfläche einer Vertiefung ein Vorsprung oder eine Mulde ausgebildet ist. Dieser Mechanismus ermöglicht größere

Relativverschiebungen zwischen Stahl und Beton. Der Betonstahl nach der Erfindung eignet sich damit in besonderer Weise als Bewehrungselement für Stahlbetonbauteile, die unter Ausnutzung örtlicher plastischer Verformungen der Bewehrung bemessen werden.

Da die Begrenzungslinie der Vertiefungen aus Kreisbögen gebildet ist und gerade Ab¬ schnitte, in denen sich Kerbspannungen konzentrieren können, vermieden sind, ferner die Flanken der Vertiefungen abgerundet in die Bodenflächen übergehen, werden bei einer Beanspruchung des Betonstahls Kerbspannungen, die die Dauerschwingfestigkeit beein¬ trächtigen, weitgehend vermieden.

Durch die an eine Ellipse angenäherte Form einer Vertiefung wird im Vergleich beispiels¬ weise zu einer runden Form der Vertiefung bei vorgegebener Verbundwirkung der Flä¬ chenanteile der glatten Oberfläche im Vergleich zu dem der Vertiefungen vergrößert, wo¬ durch Richtfähigkeit und Schweißeignung verbessert werden. Außerdem sollen im Hinblick auf eine gute Richtfähigkeit die Vertiefungen benachbarter Längsreihen in Längsrichtung des Stabes gegeneinander versetzt sein.

Im Hinblick auf die angestrebten Duktilitätsparameter Agt und Rm/Re wird nicht nur insgesamt die Querschnittsreduktion beim Einwalzen der Vertiefungen niedrig gehalten, sondern es wird zur Herstellung des gewalzten Betonstahls ein mehrstufiges Verfahren angewandt. Bei diesem wird ein Walzdraht in einem ersten Kaltverformungsvorgang mit einer Querschnittsreduzierung von 8 bis 15 % zu einem Rundstahl gewalzt und es werden in einem weiteren Kaltverformungsvorgang mit einer Querschnittsreduzierung von 2 bis 7% die Vertiefungen eingewalzt. Statt des ersten Verformungsvorganges können zwei oder auch drei Kaltverformungsvorgänge mit jeweils entsprechend geringerer Querschnitts¬ reduzierung vorgesehen werden, in denen der Stab auf einen runden Querschnitt gebracht wird, bevor die Vertiefungen eingewalzt werden.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von sieben Figuren näher er- läutert. Es zeigen

Fig. 1 die Abwicklung eines erfindungsgemäßen Betonstahls mit drei Längsreihen von ellipsenförmigen Vertiefungen,

Fig. 2 den Schnitt II-II von Fig. 2 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine Längsreihe von zur Stabachse schräg angeordneten ellipsenförmigen Ver¬ tiefungen in einer Darstellung entsprechend Fig. 1,

Fig. 4 ein Diagramm das die Verbundeigenschaften eines erfindungsgemäßen Beton- Stahls im Vergleich zu denen eines bekannten kaltgerippten Betonstahls dar¬ stellt,

Fig. 5 einen der Fig. 2 entsprechenden Querschnitt eines weiteren Ausführungsbei- spiels, und

Fig. 6 und 7 den Fig. 2 und 3 entsprechende Ansichten eines weiteren Betonstahls.

Der in Fig. 1 in der Abwicklung dargestellte Abschnitt eines Betonstahls weist drei Längs¬ reihen 1, 2, 3 von Vertiefungen 4 auf. Die Längsreihen sind gleichmäßig über den Stab- umfang verteilt. Die Vertiefungen benachbarter Längsreihen sind in Längsrichmng des Stabes gegeneinander versetzt. Das Maß der Versetzung entspricht bei drei Längsreihen etwa einem Drittel des Abstandes zweier benachbarter Vertiefungen einer Längsreihe. Mit Ausnahme der Vertiefungen 4 ist die Staboberfläche 5 glatt ausgebildet, d.h. sie entspricht der eines glatten Rundstabes.

Die Begrenzungslinie einer Vertiefung ist in der in Fig. 1 dargestellten Abwicklung des Betonstahls durch Kreisbögen 6 und 7 gebildet, die verschiedene Radien aufweisen und be¬ züglich der Vertiefung 4 jeweils axial-symmetrisch angeordnet sind. Die Kreisbögen 6 mit kleinerem Radius sind symmetrisch zur Symmetrieachse 8 und die Kreisbögen mit größe- rem Radius sind symmetrisch zur Symmetrieachse 9 angeordnet. Die Symmetrieachse 9

der Kreisbögen 7 mit größerem Radius verläuft bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 unter 90° zur Stabachse, d.h. quer zur Stabachse, die Symmetrieachse 8 verläuft parallel zur Stabachse.

Größe und Abstand der Vertiefungen 4 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wie folgt, festgelegt:

D = 0,75-d _s B _* 0,72-d _s s * 0,25-d _s b « 0,80 d _s t _* 0,06 d _s wobei d _s den Nenndurchmesser des Stabes,

D die Erstreckung der Vertiefung in Umfangsrichtung des Stabes, B die Erstreckung der Vertiefung in Längsrichtung des Stabes, gemessen in der Mitte der Quererstreckung D, s den Abstand zwischen den Begrenzungslinien benachbarter Vertiefungen in Längsrichtung des Stabes, gemessen in der Mitte der Quererstreckung D, b den Abstand zwischen den Begrenzungslinien benachbarter Längsreihen von Vertiefungen in Querrichtung des Stabes, und t die Tiefe der Vertiefung bedeuten.

Bei den angegebenen Abmessungen liegt der Anteil der Gesamtfläche der Vertiefungen an der Gesamtfläche des Stabes bei etwa 40 %.

In Fig. 2 ist der Querschnitt einer Vertiefung in Längsrichtung des Stabes dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß die Vertiefung flach ausgebildet, mit konstanter Tiefe t in die Staboberfläche 5 eingewalzt und durch steile Flanken 10 begrenzt ist. Die Flanken 10 gehen über Abrundungen 11 mit kleinem Radius in die Bodenfläche 12 über.

Durch die zur Stabachse querliegende ovale Form der Vertiefungen läßt sich trotz flacher Ausbildung der Vertiefungen eine ausreichende Verbundwirkung erzielen. Die erfmdungs¬ gemäße Oberflächengestaltung des Betonstahls ist für Bemessungsverfahren, bei denen ört¬ lich plastische Verformungen der Bewehrung, d.h. eine Gelenkrotation ausgenutzt wird, besser als Stäbe mit auf die Oberfläche aufgebrachten Rippen oder Wülsten geeignet, da durch die erfindungsgemäße Oberflächengestaltung ein "weicher" Verbund ermöglicht wird.

Fig. 3 stellt einen Ausschnitt aus einer Rippenreihe einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betonstahls dar. Hier sind ovale Vertiefungen schräg zur Stabachse an¬ geordnet. Der Winkel gegenüber der Stabachse ist mit bezeichnet und sollte im Bereich zwischen 60° und 90° liegen. Ein Winkel = 90° entspricht der Ausfuhrungsform nach Fig. 1.

Im Hinblick auf die obige Bemessungsregel der Größe und des Abstandes der Vertiefungen ist zu beachten, daß B die Erstreckung der Vertiefung in Längsrichtung des Stabes, ge¬ messen in der Mitte der Quererstreckung D, bedeutet, d.h. gemessen längs der Mittellinie der betreffenden -Längsreihe von Vertiefungen. Das gleiche gilt für den Parameter s, d.h. den Abstand zwischen den Begrenzungslinien benachbarter Vertiefungen in Längsrichtung des Stabes.

Das erfmdungsgemäße Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Betonstahls unter¬ scheidet sich von den bekannten Verfahren dadurch, daß zunächst in einem ersten Kaltver¬ formungsvorgang ein runder Walzdraht zu einem Rundstahl kaltgewalzt wird und in einem weiteren Kaltverformungsvorgang die flachen Vertiefungen eingewalzt werden. Der erste Kaltverformungsvorgang, der auch in zwei oder drei Kaltverformungsvorgänge aufgeteilt werden kann, dient in erster Linie der Festigkeitserhöhung des Betonstahls. Je nach Ausgangsmaterial - dies können Walzdrähte 380 bis 420 der BSTM-Qualität sein - wird hier eine Querschnittsverformung von 10 bis 20 % erforderlich sein, die beim Aufteilen in 2 oder 3 Kaltverformungsvorgänge entsprechend verringert werden kann. Falls 3

Kaltverformungsvorgänge vorgesehen sind, ermöglichen diese die Herstellung eines exakten runden Querschnitts der gewünschten Abmessung. Bei mehreren Kaltverformungs- vorgängen zur Herstellung des Rundstahls sollte die Querschnittsreduzierung im ersten Verformungsschritt größer als in den darauffolgenden Schritten zur Herstellung des Rundstahls sein.

Da zunächst der Querschnitt des runden Walzdrahtes auf kaltem Wege gleichmäßig reduziert wird, können bei diesem Verformungsvorgang Spannungsspitzen vermieden werden. Im abschließenden Kaltverformungsvorgang beim Einwalzen der flachen Ver- tiefungen wird die Querschnittsreduzierung auf 7 % vorzugsweise 5 % begrenzt, wobei durch das Einprägen von nur flachen Vertiefungen auch in diesem Kaltverformungsvor¬ gang der Stahl relativ gleichmäßig beansprucht wird. Die Gesamtverformung einschließlich des Einwalzens der Vertiefungen erfolgt somit gleichmäßig und sanft in zwei oder mehr Schritten, wodurch in Verbindung mit der Oberflächengeometrie des Betonstahls hervor- ragende Duktilitätsparameter Agt und Rm/Re erzielt werden können. Dies führt in Ver¬ bindung mit dem durch die Oberflächengeometrie des Betonstahls erzielbaren weicheren Verbund zu einer besonderen Eignung bei einem Einsatz des Betonstahls unter Ausnutzung örtlicher plastischer Verformungen (Gelenkrotation) der Bewehrung.

Der erfmdungsgemäße Betonstahl bzw. Betondraht ist in erster Linie zur Herstellung von Betonstahlmatten gedacht. Hierfür ist eine Mindeststreckgrenze von 500 N/mm ² vor¬ geschrieben. Als Ausgangsmaterial zur Herstellung des Betonstahls eignen sich insbesonde¬ re Walzdrähte einer Streckgrenze von 380 bis 420 N/mm ² mit Analysenwerten von Kohlenstoff: 0,04 bis 0,14 Gew % Mangan: 0,35 bis 0,70 Gew %

Silicium: 0,20 bis 0,30 Gew %.

Im folgenden wird ein konkretes Ausführungsbeispiel beschrieben.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde in einem ersten Verformungsvorgang aus

einem glatten runden Walzdraht vom Durchmesser 8,0 mm ein runder Draht eines Durch¬ messers von 7,5 mm gewalzt. Die Querschnittsreduktion betrug 11 %.

Angaben zu dem als Ausgangsmaterial verwendeten Walzdraht: Nenndurchmesser: 8,0 mm

Ovalität: 7,85 bis 8,17

Zugfestigkeit: 421 N/mm ²

Bruchdehnung (A10): 34 %

Chem. Zusammensetzung: C: 0,07; Mn: 0,61; Si: 0,20; P: 0,016; Si: 0,037; Cu: 0,26; Cr: 0,11; Ni: 0,14; Mo: 0,02; N: 0,009;

In den rundgewalzten Draht wurden in einem zweiten Verformungsvorgang drei zur Längsachse des Drahts parallele Reihen von Vertiefungen entsprechend Fig. 3 eingewalzt, deren Tiefe 0,6 mm betrug. Der Winkel zur Längsachse betrug 60 % . Der Draht wurde nicht mechanisch entspannt. Es ergaben sich die folgenden Festigkeitswerte:

Streckgrenze: 508 - 536 N/mm ²

Zugfestigkeit . i 07 - 1 10 Streckgrenze ' '

Dehnung bei Höchstlast (Agt): 4,7 - 7,1 %

Die oben angegebenen Werte geben die Bereichsgrenzen mehrerer Versuche wieder.

Um die Verbundeigenschaften des so hergestellten erfindungsgemäßen Betonstahls zu untersuchen, wurden Ausziehversuche aus Betonkörpern mit unten- und obenliegenden Versuchsstäben entsprechend den festgelegten Verbundbereichen durchgeführt. Außerdem wurden Vergleichsversuche mit einem herkömmlichen kaltgerippten Draht durchgeführt, der drei Längsreihen von Schrägrippen aufwies.

Versuchsparameter:

Lage der Stähle: untenliegend und obenliegend

Betonierrichtung quer zur Stabachse

Betondeckung 1,75 ^• Stabdurchmesser Betongüte B 25

In dem Diagramm nach Fig. 4 ist das Ergebnis des erfindungsgemäßen Drahts mit I _u bzw. I ₀ bezeichnet, wobei die Indizes u und o untenliegend bzw. obenliegend bedeuten. Der Vergleichsdraht ist mit II _U bzw. II ₀ bezeichnet. Auf der Abszisse ist der Ausziehweg s, ge- messen am spannungslosen Stabende, auf der Ordinate die bezogene Verbundspannung auf¬ getragen.

Ein Vergleich der Kurven zeigt, daß im Bereich geringer Relativverschiebungen (e < 0,1 mm) d.h. im Gebrauchszustand die bezogenen Verbundspannungen im üblichen Streube- reich liegen. Die maximalen Verschiebungen bei Höchstlast betragen jedoch beim gerippten Draht: 0,2 bzw. 0,35 mm, und beim erfindungsgemäßen Draht: 0,33 bzw. 0,9 mm.

Der erfmdungsgemäße Betonstahl zeichnet sich somit durch einen im Gebrauchszustand etwa gleichgroßen Verbund aus, der aber wesentlich größere Verschiebungen zuläßt.

Eine weitere Verbesserung im Hinblick auf einen "weichen" Verbund kann erreicht werden, wenn zusätzlich Maßnahmen vorgesehen werden, die einen abgestuften "Ver¬ sagensmodus" realisieren. Solche Maßnahmen sind in Fig. 5 bzw. in den Fig. 6 und 7 dargestellt.

Bei dem Betonstahl nach Fig. 5 - die Darstellung entspricht der von Fig. 2, d.h. es handelt sich um einen Längsschnitt des Stabes durch die Mitte der Vertiefungen - sind die Ver¬ tiefungen in unterschiedlichen Tiefen tl bzw. t2 ausgebildet. Bei einer Beanspruchung wird zunächst die Betonkonsole im Bereich der kleinen Vertiefung tl abgeschert bevor sie im

Bereich der großen Vertiefungen t2 abgeschert wird. Hierdurch wird ein größerer Deh¬ nungswert freigegeben und damit ein weicherer Verbund erzielt.

Ein abgestufter "Versagensmodus" wird auch erreicht, wenn die Vertiefungen 4 verschie- den große Quererstreckungen D (vgl. Fig. 3), gemessen senkrecht zur Längsachse des Sta¬ bes zwischen den zur Längsachse parallelen Tangenten an der Begrenzungslinie der be¬ treffenden Vertiefung, aufweisen.

Femer wird der gleiche Effekt erreicht, wenn, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt, die den Fig. 2 und 3 entsprechen, wenigstens ein Teil der Vertiefungen Vorsprünge 13 aufweist. Anstelle der Vorsprünge könnten auch Mulden innerhalb der Bodenfläche der Vertiefungen vorgesehen werden.