Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung eines im Baubereich üblicherweise eingesetzten Standardprofils, welches heute üblicherweise in Stahl-Material ausgeführt wird, bekannt als T-Träger oder Doppel-T-Träger.

Ein solcher Träger besteht aus drei länglichen Platten, die in Längsrichtung miteinander verbunden und im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, hat einen druckstabilen Obergurt und einen zugstabilen Untergurt, auch Flansch genannt, sowie einen den Untergurt und Obergurt verbindenden Steg, der typischerweise symmetrisch in der Mitte der Flansche angeordnet ist. Es gibt auch U-Profile mit Steg an einer der Beiden Seiten, oder auch Kastnprofile mit 2 Stegen an den Seiten.

Die Erfindung bezieht sich auch auf solche oder ähnliche und andere Profile, wie:

• P-Profil mit parallelen Innenflächen der Flansche, auch als „Peiner“ oder Peiner Träger bezeichnet

• U-Profil mit geneigten Innenflächen der Flansche

• U-Profil mit parallelen Innenflächen der Flansche

• T-Profil gleichschenklig

• L-Profil (auch Winkeleisen, Winkelprofil oder Winkelträger)

• sowie alle mögliche Variationen von Kastenprofilen und

• V-Profilen, sowie Kombinationen dieser Profile

Mit solchen Profilen wird eine in Bezug auf die Masse des eingesetzten Materials und damit dessen Gewicht optimale Tragkraft für die jeweilige Anwendung erzielt.

Bei Doppel-T-Trägem bestimmt die Höhe des Mittelstegs im Wesentlichen die Steifigkeit des Trägers. Sekundäre Maßnahmen für die Erhöhung der Steifigkeit ist die gezielte Erhöhung der Zugstabilität des Untergurts und die gezielte Erhöhung der Drucksteifigkeit des Obergurts. Da solche Träger aus Stahl warmgewalzt werden, sind Obergurt und Untergurt der Einfachheit halber identisch ausgeführt.

Der Vorteil von Stahlträgern dieser Art ist die billige Herstellbarkeit in großen Mengen und die zuverlässige Tragfähigkeit. Fehlstellen sind bei solchen Profilen selten und können vernachlässigt werden im praktischen Einsatz. Außerdem können zusätzliche Stahlteile zur Verbindung von Trägern mit anderen tragenden Teilen leicht vor Ort am Bau nach Bedarf jederzeit und an jeder Stelle angeschweißt werden.

Der Nachteil ist das mit 7,8g/cm ³ extrem hohe spezifische Gewicht von Stahl und die Tatsache, dass die Stahlherstellung mit großen Energie-Mengen und hohen CO ₂ -Emissionen verbunden ist. Als Ersatz von Stahl kommen bisher nur Aluminium-Träger vor, die zwar leichter sind, aber einen noch höheren ökologischen Foot-Print besitzen, wie Stahl. Die Mengen an benötigten Massenstählen sind aus diesem Grund mit Aluminium nicht darstellbar.

Allgemein gilt Stahl aus diesem Grund als unverzichtbares Baumaterial, welches scheinbar selbst aus klimaschutz-technischer Sicht nicht ersetzbar ist, weshalb an der Reduktion von Stahl durch Wasserstoff gearbeitet wird, wodurch der Stahl jedoch noch energieintensiver in der Herstellung wird.

In jüngsten Berichten von SITRA, die im Auftrag der finnischen Regierung erstellt wurden, wird jedoch klar, dass die heutigen Mengen an Stahl, Aluminium und Zement die verbleibenden Mengen an noch zu emittierendem CO ₂ alleine für sich bis zum Jahr 2100 in Anspruch nehmen, wenn das 2°C Ziel nach dem Pariser Klimaabkommen eingehalten werden soll. Diese Tatsache legt es zwingend nahe, zunächst das Unverzichtbarkeitsparadigma von Stahl bzw. Metall zu überdenken.

In der EP 10620 92 und der EP 273 94 71 wird beschrieben, dass Stahl und Aluminium durch eine Kombination aus Stein und Carbonfaserlaminat (CFK - Carbonfaser Komposit) ersetzt werden können, wenn dem Stein die fehlende Zugstabilität durch die extrem zugsteife Carbonfaser gegeben wird. Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird mit Hilfe von Harzen hergestellt, zum Beispiel Exoxydharzen oder hochtemperaturstabilen Bindern auf Wasserglas- und Silikonbasis, die in der Lage sind sich mit dem Carbonmaterial zu vernetzen oder zu verbinden. Durch diese Verbindungen entsteht unter bestimmten Umständen auch eine Vorspannung, die bei der bzw. durch die Verbindung dauerhaft eingebaut werden kann.

Die Erfindung beschreibt einen technischen Weg, wie ein solcher Doppel-T-Träger beispielhaft gestaltet werden kann, um die Nutzung des CFK-Stein-Verbundes (CFS - CarbonFaserStein oder CarbonFiberStone) auf praxis-taugliche und optimierte Strukturen bzw. Geometrien, wie sie im Baubereich bekannt sind, zu übertragen. Die technische Ausführung wird in den Abbildungen 1 bis 8 beispielhaft für einen Doppel-T-Träger und einen einfachen T-Träger dargestellt. Die Hauptherausforderung ist dabei, die senkrecht aufeinander stehenden Flächen kraftschlüssig miteinander zu verbinden, ohne dass lokale Spannungsspitzen die Geometrie frühzeitig durch lokales Versagen zum Komplett-Versagen bringen. Der Kraftschluss der Flächen wird prinzipiell mit Hilfe von Klebstoffen oder Adhäsiven hergestellt. Das gilt für die Herstellung des CFK-Stein-Verbundes (CFS), sowie für die Verbindung der CFS-Teile selbst. Zu diesem Zweck wird zunächst das Basis-Plattenmaterial in Abbildung 1 hergestellt, welches die Carbonschicht (4) mittig zwischen zwei Steinplatten anordnet.

Dann werden die zu verbindenden Teile mit Zinkung versehen, so wie im Tischlereiwesen Holzplatten mit Zinken vorbereitet werden, welche die orthogonale Verbindung von Holzplatten optimieren. Auch beim Holz wird dabei letztlich der Effekt genutzt, dass orthogonal aufeinander treffende Faserschichten übergreifend bzw. überlappend miteinander verbunden werden, da stumpfe Klebung ohne geometrische Überlappung sich nur auf den Kraftschluss des Klebers beschränken würde, der letztlich wegen seiner unzureichenden Zugstabilität schnell versagen würde. Durch die Zinkung der Übergänge wird die Kraftübertragung von einer zugstabilen Ebene in die orthogonal dazu stehende zugstabile Ebene fast vollständig erreicht, wenn die beiden zugstabilen Ebenen, in unserm exemplarischen Fall in den Abbildungen 1 bis 8 die in der Steinschicht angeordneten Carbonschichten, sich im Querschnitt betrachtet räumlich überschneiden.

In Bruchversuchen konnte nachgewiesen werden, dass ein Doppel-T-Träger aus CFS-Platten ähnlich hohe Lasten tragen kann, wie ein vergleichbarer Träger aus Stahl, wobei der CFS-Träger deutlich leichter ist, da Stein mit einem spezifischen Gewicht von 2,8g/cm ³ deutlich leichter ist als Stahl ist, und Stein und Carbon in Summe deutlich weniger CO ₂ -Emissionen bei der Herstellung verursachen, als Stahl. Es können Einsparungen von 30-50% erwartet werden. Die Gesamtkonstruktion zeigt sich dabei im Bruchversuch elastisch, ohne dass die Verklebung der Zinkung beim Durchbiegen des Trägers aufbricht.

Um eine ausreichende Zugstabilität im Untergurt zu gewährleisten, sind auch nur relativ dünne und leichte Schichten Carbon nötig, die das Gesamtgewicht in Bezug auf das Gesamtvolumen zusätzlich senken. Die Drucksteifigkeit am Obergurt und im Steg wird durch die Steinkomponente erreicht. Es können außer Carbon auch noch viele andere Fasermaterialien zum Einsatz kommen, die einen deutlich geringeren ökologischen Fußabdruck besitzen, als Carbonfasern. Als Beispiele sind je nach Anwendung auch Glasfasern, Basaltfasern, Steinfasern, Stahlfasern und Flachsfasern geeignet. Der Carbonfaser kommt jedoch aus technischer Sicht eine besondere Bedeutung zu, da sie im Unterschied zu den meisten anderen Fasern eine deutlich höhere Zug-Steifigkeit besitzt. Das gilt insbesondere für Graphen-basierte Strukturen, das zwar im engeren Sinn keine Faser ist, aber als Bewehrung in Zukunft auch in Frage kommt.

Eine weitere zielführende Maßnahme um den Carbon-Footprint weiter zu senken, ist die Herstellung von Carbon und Graphen aus nachhaltigen Ressourcen, zum Beispiel aus Algenöl oder anderen pflanzlich basierten Ölen von Algen oder Hefen, Carbonfasem aus Lignin, also aus Holzabfällen der Papierherstellung, oder Carbonfasern aus synthetisch hergestelltem Methanol mit Hilfe der erweiterten Fischer-Tropsch-Synthese und Wassergas-Shift-Reaktion. Graphen kann mit Hilfe von elektrischer Energie auch direkt aus CO ₂ gewonnen werden. In diesen Fällen stammt ein Teil des Baumaterials, in dem Fall, dass die zugstabile Schicht aus Carbonfasem oder Graphen besteht, im Wesentlichen aus CO ₂ -Quellen, wobei der zuvor in Form von CO ₂ klima-schädlich wirkende Kohlenstoff nunmehr in der Faser und damit auch im Baumaterial in fester Form dauerhaft gebunden ist. Auch deshalb kommt der Carbonfaser als zugstabilem Material eine besondere Bedeutung zu.

Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in Abbildung 1 und Abbildung 2 eine CFS-Platte (1) als Obergurt und eine zweite darunterliegende stabilisierende CFS-Platte (2) als Untergurt, jeweils mit innenliegender Carbonschicht (4) in den Platten, wobei senkrecht zu den Platten (1) und (2) ein Steg (3) aus CFS, ebenfalls mit innenliegender Carbonschicht angeordnet ist, der die Gesamtanordnung aussteift. Die Abbildung (1) zeigt die Zinkung und Ausschnitte (5) aller Platten, die ermöglichen, dass die Platten ineinandergreifende Strukturen haben, die einen platten-übergreifenden Kraftschluss gewährleisten, wenn die Platten mit Hilfe von Klebstoffen ineinandergreifend verbunden werden. Die Optimierung der Bauteile wird dadurch erreicht, dass der Obergurt mehr Steinanteil bekommt, als der Untergurt und der Untergurt mehr Carbonanteil, als der Obergurt. Auf diese Weise kann auch der Carbon-Footprint optimiert werden.

Abbildungen 3 und 4 zeigen den Aufbau der Abb. 2 im Querschnitt (F-F) und (G-G), mit der die beiden Platten (1) und (2) mit Hilfe von Zinken mechanisch kraftschlüssig über die CFS-Platte (3) verbunden sind. Beispielhaft wird in den Abbildung 5 bis 8 das gleiche für einen T-Träger gezeigt. Die beiden Bauformen stehen stellvertretend für das Prinzip, die CFS-Platten mit Hilfen von Zinkung der Klebekanten zu verbinden, um auch alle möglichen anderen Strukturen rechtwinklig oder schrägwinklig und kraftschlüssig dadurch zu verbinden, dass sich die zugstabilen Carbon-Flächen aus Sicht der Querschnitts betrachtet in einer Schnittlinie überschneiden oder zumindest Zusammentreffen.