[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen armierter Betonstopfen und mehrere zueinander
alternative Verfahren zur Herstellung eines Beton-Holz-Verbundelements.
[0002] In der Konstruktion von neuen Häusern, Werkhallen und in der Altbausanierung besteht
ein hoher Bedarf an statisch einwandfreien Verbindungen von Holzbalken/Holzrahmen
mit Betonelementen. Derartige Betonelemente werden mit den Holzbalken/Holzrahmen zu
sogenannten Holz/Beton-Verbundtragwerken zusammengefügt und werden beispielsweise
als Wände, Tragdecken oder (Fertig-)Dachelemente eingesetzt. Diese Holz/Beton-Verbundtragwerke
haben gegenüber dem reinen Holzbau den Vorteil, dass sie trotz des Betonanteils dennoch
vergleichsweise leicht sind und trotz des Holzanteils dennoch noch eine genügend hohe
Wärmespeichermasse aufweisen. Weiter verbessern derartige Tragwerke die akustischen
Eigenschaften eines Gebäudes entscheidend und haben ebenfalls eine gute Feuerwiderstandsdauer.
Mit dem verbesserten Schallschutzverhalten verringern sie zudem spürbare Schwingungen
von Böden und steifen somit das Gebäude statisch hervorragend aus. Abgesehen von diesen
technischen Vorteilen befriedigen die sichtbaren Holzbalken auch die ästhetischen
Wünsche der Bauherrschaft.
[0003] Zur Verbindung von einzelnen Holz/Beton-Verbundelementen zu diesen Holz/Beton-Verbundtragwerken
sind verschiedene mehr oder weniger aufwendige Lösungen bekannt. Eine Lösung sieht
beispielsweise die Ausbildung von Ortbeton-Taschen vor, die allerdings auf einer ansonsten
im Holzbau eher betonfreien Trockenbaustelle vor Ort ausbetoniert werden müssen. Die
Verwendung von Beton ist auf einer derartigen Trockenbaustelle in der Regel allerdings
unerwünscht und immer mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden. Zusätzlich
werden hier gekreuzt angeordnete Doppelgewindeschrauben verwendet. Diese von unten
angesetzten Schrauben sind jedoch sichtbar, was den ästhetischen Eindruck dieser Verbundtragwerke
schmälern kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, Stahlteile in die Betonplatten
einzulegen, welche nach der Montage der Verbundelemente verschweisst werden müssen.
Allerdings ist im Holzbau die Brandgefahr beim Schweissen relativ hoch.
[0004] Weiter ist es bekannt, Betonschichten auf eine balkenartig Holztragstruktur aufzugiessen.
Für die Verbindung der Holzbalken mit der Betonschicht werden Verschraubungen aller
Art sowie Betonstopfen verwendet, die in in die Tragbalken gebohrte Löcher eingesetzt
werden. Aufgrund der statisch nicht ausschaltbaren Relativbewegung von Betonschicht
zu den Holzbalken werden diese Verschraubungen und Betonstopfen jedoch hohen Scherkräften
ausgesetzt, die dazu führen können, dass die Verschraubung reisst und die Betonstopfen
brechen.
[0005] Allen derzeit bekannten Lösungen hängt daher entweder der Makel an, dass sie zwar
statisch einwandfreie Verbundtragwerke liefern, der Material- und Arbeitsaufwand zur
Erstellung dieser Verbundtragwerke aber hoch und damit das gesamte Verbundtragwerk
relativ kostspielig ist oder der Makel an, dass die Erstellung des Holz-Beton-Verbundelements
relativ einfach erzielt werden kann, die statische Festigkeit aber nur mit besonders
hohem Einsatz von Verschraubungen und Betonstopfen erzielt werden kann. Aufgrund der
auftretenden Scherkräfte besteht sogar die Gefahr, dass die Betonstopfen brechen können
und die Betonschicht dann frei auf dem Balken schwimmt, was in der Regel aus statischen
Gründen nicht akzeptabel ist.
[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die
Aufgabe zugrunde, das Problem der Verbindung von Holz/Beton-Verbundelementen zur Erstellung
von Holz/Beton-Verbundtragwerken mit einfacheren Mitteln und kostengünstiger zu lösen.
[0007] Bezüglich des Betonstopfens wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch einen armierten
Betonstopfen gelöst, der einen zylindrisch aufgebauten metallischen Armierungskern
und einen diesen Armierungskern durchdringenden und umgebenden Betonkörper. Ein derartig
armierter Betonstopfen kann dabei aufgrund seines metallischen Stützkerns die Bruchfestigkeit
und Flexibilität gegenüber den auftretenden Scherkräften erheblich erhöhen und bietet
somit die gewünschte Zugfestigkeit.
[0008] Eine alternative erfindungsgemässe Lösung bezüglich des Betonstopfens sieht einen
armierten Betonstopfen vor, der ein zylindrisch geformtes metallisches Hüllrohr und
eine den Zylinderhohlraum im wesentlichen ausfüllende hochfeste Betonmasse aufweist.
Bei dieser Variante sticht die besonders hohe Scherfestigkeit hervor, weil sich hier
die Zugspannfähigkeit des Hüllrohrs mit der Druckfestigkeit des mit hochfestem Beton
ausgefüllten Hohlraum vorteilhaft kombinieren lässt.
[0009] Die letztgenannte Variante kann dahingehend ertüchtigt werden, dass das Hüllrohr
gegenüber der Betonmasse einseitig einen Überstand aufweist, wobei in den Überstand
schlitzartige Einschnitte eingeformt sind. Auf diese Weise kann die Bildung von Lunkern
am oberen Rand des Betonstopfens beim Ausgiessen des Betonelements (gleichzeitiges
Eingiessen des Betonstopfens) sicher ausgeschlossen werden. Alternativ oder ergänzend
kann der armierte Betonstopfen auch so ausgeformt sein, dass das Hüllrohr gegenüber
der Betonmasse einseitig einen Überstand aufweist, wobei der Überstand halbmondartig
geformte Ausnehmungen zur Auflage einer Unterlegscheibe oder eines Schraubenkopfes
aufweist. Somit kann der Betonstopfen mit einer von aussen angebrachten Schraube in
dem Topfloch oder auf der Holzkonstruktion gehalten werden, wodurch ein im Betonstopfen
angebrachtes zentralen Loch damit vermieden werden kann. Der Schraubenkopf bzw. die
Unterlegscheibe liegen dann auf der halbmondartig geformten Ausnehmung auf und halten
so den Betonstopfen in seiner Position.
[0010] Bezüglich der weiter oben erstgenannten Variante kann der Armierungskern in vorteilhafter
Weise als Drahtkäfig ausgestaltet sein. Eine derartige Armierung lässt sich einfach
herstellen und ist sehr gut in einen Fliessbeton einbindbar. Eine besonders einfache
Bauform ergibt sich zum Beispiel, wenn der Armierungskern in Form eines aufgerollten
Maschendrahts gestaltet ist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, metallische Fasern
in einem derartigen Betonstopfen einzugiessen.
[0011] Der Betonstopfen sollte vorliegend eine im Wesentlichen zylindrische Form haben,
wobei der Betonstopfen dabei auch eine kegel- oder kegelstumpfartige Form haben darf.
Ebenfalls ist eine flaschenartige bauchige Form möglich. Diese vorstehend genannten
Formen sollen ebenfalls unter dem Begriff der im wesentlichen zylindrischen Form verstanden
werden. Weiter kann der Betonstopfen auch eine ringförmig verlaufende Nut aufweisen,
beispielsweise zur Aufnahme von Querlasten bei der Vorfertigung.
[0012] Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäss durch ein Verfahren zur
Herstellung eines Beton-Holz-Verbundelements gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte
umfasst:
- a) Bereitstellen einer Holztragstruktur;
- b) optionales Bereitstellen einer Schalung für ein mit Beton aufzufüllendes Volumen
zur späteren Erstellung einer Betonschicht;
- c) Bohren von topfartigen Löchern in die Holztragstruktur auf der der späteren Betonschicht
zugewendeten Seite;
- d) Befestigen eines armierten Betonstopfens, insbesondere nach einem der Ansprüche
1 bis 3, in dem topfartigen Loch der Holztragstruktur mit einem Überstand des Betonstopfens
in das Volumen der zu erstellenden Betonschicht;
- e) Einbringen von Fliessbeton, ggfs. in die Schalung, und dabei Umgiessen des Überstandes
des Betonstopfens; und
- f) Aushärten des Fliessbetons und ggfs. Entfernen der Schalung.
[0013] In einer hierzu alternativen Ausgestaltung wird diese Aufgabe auch erfindungsgemäss
durch eine Verfahren zur Herstellung eines Beton-Holz-Verbundelements mit den folgenden
Verfahrensschritten gelöst:
- a) Bereitstellen einer Holztragstruktur;
- b) optionales Bereitstellen einer Schalung für ein mit Beton aufzufüllendes Volumen
zur späteren Erstellung einer Betonschicht;
- c) Bohren von topfartigen Löchern in die Holztragstruktur auf der der späteren Betonschicht
zugewendeten Seite;
- d) Befestigen eines zylindrisch ausgebauten metallischen Armierungskerns in dem topfartigen
Loch der Holztragstruktur mit einem Überstand des Armierungskerns in das Volumen der
zu erstellenden Betonschicht;
- e) Einbringen von Fliessbeton, ggfs. in die Schalung, und dabei Umgiessen des Überstandes
des Armierungskerns; und
- f) Aushärten des Fliessbetons und ggfs. Entfernen der Schalung.
[0014] Beide Verfahren stellen letztendlich das gewünschte Ergebnis eines scherfesten, duktilen
Verbundes der hölzernen Tragstruktur und der flächigen Betonplatte relativ zueinander
her. Beim erstgenannten Verfahren sind die armierten Betonstopfen in die Löcher einzusetzen
und darin zu befestigen. Beim zweitgenannten Verfahren wird nur der Armierungskörper
in das Loch eingesetzt und darin befestigt. In beiden Verfahren wird anschliessend
durch das Einbringen/Eingiessen eines fliessfähigen Betons der notwendige Verbund
mit Betonstopfen bzw. Armierungskern hergestellt.
[0015] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrenserfindungen kann es vorgehen sein,
dass das topfartige Loch am Lochboden mit einem senkrecht oder seitlich verlaufenden,
aus dem Holzbalken austretenden Entlüftungskanal ausgestattet wird. Auf diese Weise
kann sichergestellt werden, dass beim Auffüllen des Loches mit Fliessbeton keine die
statische Belastbarkeit extrem verringernden Luftlöcher verbleiben. Besonders bei
Konstellationen und Aufgabenstellungen, bei denen der Boden des Loches höher liegt
als die Lochwandungen, kann hierdurch sicher ein derartiges Auftreten von Luftresten
im Loch vermieden werden. Derartige Konstellationen können sich zum Beispiel bei der
Vorfertigung der Holz-Beton-Elemente ergeben, wenn die Holzbalken von oben her in
ein Bett aus Fliesbeton eingelegt werden und der Fliessbeton dann in die topfförmigen
Löcher eindringen und den Armierungskern durchdringen/umfliessen muss. Eine diesbezüglich
typische Anwendung ist beispielsweise die Erstellung von Deckenelementen, die von
Fertighausherstellern vorgefertigt werden, indem die Holzbalken sozusagen über Kopf
in das Fliessbeton-Bett gelegt werden.
[0016] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht auf einen armierten Betonstopfen mit Bemassung;
Figur 2 ein erstes Holz-Beton-Verbundelement mit vor dem Betonieren eingesetzten Betonstopfen
nach Figur 1 mit Bemassung;
Figur 3 eine schematische Ansicht auf einen Ausschnitt aus einem Holzbalken mit in
ein Bohrloch eingesetztem Armierungskern;
Figur 4 ein zweites Holz-Beton-Verbundelement mit vor dem Betonieren eingesetzten
Armierungskernen nach Figur 3 mit Bemassung;
Figur 5 einen armierten Betonstopfen mit Hüllrohr und mit hochfestem Beton aufgefülltem
Hohlraum;
Figur 6 den mit einem Schraubenkopf festgesetzten armierten Betonstopfen gemäss Figur
5; und
Figur 7 eine Schnittansicht des mit dem Schraubenkopf festgesetzten armierten Betonstopfen
gemäss der Figur 6.
[0017] Figur 1 zeigt in schematischer Ansicht einen armierten zylindrisch ausgestalteten
Betonstopfen 2 und einen dazu nur geringfügig geänderten Betonstopfen 2', die beide
in ihrem Inneren einen zylindrisch aufgebauten metallischen Armierungskern 4 aufweist.
Dieser Armierungskern ist aus einem Maschendraht aufgebaut, der zum Beispiel ein Raster
10mm x 10mm und eine Drahtstärke von 1 mm ausweist. Der Draht ist hier vorliegend
ein rostfreier Edelstahl; er könnte aber beispielsweise auch als Schwarzstahl oder
feuerverzinkter Stahl ausgestaltet sein. Das Raster kann je nach Grösse und Beanspruchung
des Betonstopfens 2 gegen Scherkräfte auch kleiner oder grösser (z.B. 16mm x 16 mm
oder 25mm x 25mm) gewählt sein. Ebenso kann auch die Drahtstärke beispielsweise auch
1.5 mm oder eben entsprechend den statischen Anforderungen gewählt sein. Der Armierungskern
4 ist von einem ihn durchdringenden und ihn umgebenden Betonkörper 6 umgeben. Der
Betonkörper 6 wird zum Beispiel durch das Eingiessen von Fliessbeton in eine hier
nicht weiter dargestellte Form erzeugt. Der Armierungskern 4 ist somit als einbetonierter
Drahtkäfig ausgestaltet; er kann beispielsweise auch mehrlagig in Form eines aufgerollten
Maschendrahts ausgestaltet sein. Der Betonstopfen 2 weist ein zentrales, entlang der
Zylinderachse verlaufendes Loch 8 auf, in das eine Schraube 10 (wie in Figur 2 gezeigt)
eingesetzt werden und der Betonstopfen 2 auf einem Holzbalken 12 befestigt werden
kann. Der nur geringfügig modifizierte Betonstopfen 2' weist eine ringförmig verlaufende
Nut 7 auf, die beispielsweise zur Aufnahme von Querlasten bei der Vorfertigung dienen
kann.
[0018] Die Figur 2 zeigt nun ein erstes Holz-Beton-Verbundelement 14 mit vor dem Betonieren
eingesetzten Betonstopfen 2 nach Figur 1 mit Bemassung. Zur Erstellung des Holz-Beton-Verbundelements
14 wird zunächst der Holzbalken 12 bereitgestellt und mit den statischen Anforderungen
Rechnung tragenden Topflöchern 16 ausgestattet. Die Topflöcher haben dabei beispielsweise
einen Durchmesser von 70 mm und eine Tiefe von 30 mm. Zur späteren Erstellung einer
Betonschicht 18 kann eine hier nicht weiter dargestellte Schalung zur Umgrenzung des
mit Beton aufzufüllenden Volumens vorgesehen sein. Die Topflöcher 16 befinden sich
dabei selbstverständlich auf der der späteren Betonschicht 18 zugewendeten Seite.
Mittels der Schraube 10 wird nun in jedem Topfloch 16 ein armierter Betonstopfen 2
festgesetzt, wobei die Betonstopfen 2 aus den Topflöchern 16 herausragen und somit
auch in das Volumen der zu erstellenden Betonschicht 18 hineinragen. Nun mehr kann
der Fliessbeton in das vorsehene Volumen eingefüllt werden, wobei dabei auch der Überstand
der Betonstopfen 2, hier vorliegend etwa 40 mm, voll in die Betonschicht 18 eingegossen/eingebettet
wird. Nach dem Aushärten des Fliessbetons und der allfälligen Entfernen der Schalung
liegt dann das Holz-Beton-Verbundelement 14 fertig vor. Die armierten Betonstopfen
2 schaffen dabei die notwendige Stabilität gegen die auftretenden Scherkräfte. Dieses
Vorgehen mit den vergleichsweise umfanggrossen Betonstopfen 2 kann somit die Verwendung
von einer Vielzahl von Holz-Beton-Verschraubungen pro Betonstopfen 2 ersetzen.
[0019] Die Figur 3 zeigt nun die Ausgangslage bei einem gegenüber den Figuren 1 und 2 geringfügig
geändertem Vorgehen. Anstelle eines vorgefertigten Betonstopfens 2 wird - wie in Figur
3 gezeigt - zunächst nur der Armierungskern 4 in das Topfloch 16 eingesetzt und mittels
der Schraube 10 darin festgesetzt. Wie in Figur 4 gezeigt, wird dann der Fliessbeton
zur Erstellung der Betonschicht 18 eingegossen und der gesamte Armierungskern 4 von
dem Fliesbeton umgossen. Damit im Topfloch 16 keine Luftblasen verbleiben, verfügt
jedes Topfloch 16 am Lochboden mit einem senkrecht verlaufenden, aus dem Holzbalken
12 austretenden Entlüftungskanal 20.
[0020] Figur 5 zeigt nun einen weiteren armierten Betonstopfen 22. Dieser Betonstopfen 22
umfasst ein zylindrisch geformtes metallisches Hüllrohr 24 und eine den Zylinderhohlraum
im wesentlichen ausfüllende hochfeste Betonmasse 26. Das Hüllrohr 24 weist in einer
typischen Dimensionierung einen Aussendurchmesser von 40 bis 60 mm auf und hat dabei
eine Wandstärke von 2 bis 6 mm.
[0021] Figur 6 zeigt nun eine Variante 28 des Betonstopfens 22. Dieser geringfügig modifizierte
Betonstopfen 28 kann dahingehend ertüchtigt werden, dass das Hüllrohr 24 gegenüber
der Betonmasse 26 einseitig einen Überstand 30 (siehe Figur 5) aufweist, wobei in
den Überstand 30 schlitzartige Einschnitte 32 eingeformt sind. Auf diese Weise kann
die Bildung von Lunkern am oberen Rand des Betonstopfens 28 beim Ausgiessen des Betonelements
(gleichzeitiges Eingiessen des Betonstopfens 28) sicher ausgeschlossen werden. Ergänzend
sind in den Überstand 30 auch zwei halbmondartig geformte Ausnehmungen 34 zur Auflage
einer Unterlegscheibe oder eines Schraubenkopfes 36 aufweist. Somit kann der Betonstopfen
28 mit einer von aussen angebrachten Schraube 38 in dem Topfloch oder auf der Holzkonstruktion
gehalten werden, wodurch ein im Betonstopfen 28 angebrachtes zentralen Loch damit
vermieden werden kann. Der Schraubenkopf 36 bzw. die Unterlegscheibe liegen dann auf
der halbmondartig geformten Ausnehmung 34 auf und halten so den Betonstopfen 28 in
seiner Position, was in Figur 7 entsprechend in dem Schnittbild dargestellt ist.
[0022] Falls wie gezeigt tellerkopfartige Holz-Beton-Verbundschrauben 38 zum Einsatz kommen
und diese vorzugsweise immer auf der zum Schubnullpunkt (Mittelachse der Holzbalkenspannweite)
orientierten Stirnseite des Betonstopfens 28 sitzt, dient die optional angebrachte
zusätzliche Schraubensicherungen dazu ein seitliches Verdrehen des Betonstopfens 28
unter Last zu verhindern, wie auch gleichzeitig ein ggfs. auftretendes Blockscheren
des Holzes zwischen den Betonstopfen 28, insbesondere bei engeren Stopfenabständen,
zu vermeiden.
[0023] Ein wichtiger Vorteil der Nocke(Betonstopfen 28) liegt in der Tatsache begründet,
dass dort, wo die Schubkräfte am größten sind, (kurz vor Auflager an der Wand) alle
Schraubsysteme, besonders jene, die unter 45 Grad einseitig geneigt werden, an der
baupraktischen Umsetzung scheitern, da grundsätzlich zu wenig Platz für Bauschrauber
und Werker existiert. In der Regel werden dann dort die Schrauben senkrecht gesetzt
mit dem Resultat, dass diese nur ganz minimale Schubkräfte aufnehmen können und dass
gerade dort, wo die größten Kräfte ankommen, also eine klare Schwächung aller geneigten
Schraubsysteme.Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der armierten Nocke/des armierten
Betonstopfens, die/der ja von oben senkrecht eingebracht wird.
1. Armierter Betonstopfen (2, 2'), umfassend einen zylindrisch aufgebauten metallischen
Armierungskern (4) und einen diesen Armierungskern (4) durchdringenden und umgebenden
Betonkörper (6).
2. Armierter Betonstopfen (2, 2') nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Armierungskern als Drahtkäfig ausgestaltet ist.
3. Armierter Betonstopfen (2, 2') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Armierungskern in Form eines aufgerollten Maschendrahts gestaltet ist.
4. Armierter Betonstopfen, umfassend ein zylindrisch geformtes metallisches Hüllrohr
und eine den Zylinderhohlraum im wesentlichen ausfüllende hochfeste Betonmasse.
5. Armierter Betonstopfen nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Hüllrohr gegenüber der Betonmasse einseitig einen Überstand aufweist, wobei in
den Überstand schlitzartige Einschnitte eingeformt sind.
6. Armierter Betonstopfen nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Hüllrohr gegenüber der Betonmasse einseitig einen Überstand aufweist, wobei der
Überstand halbmondartig geformte Ausnehmungen zur Auflage einer Unterlegscheibe oder
eines Schraubenkopfes aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Beton-Holz-Verbundelements (14), umfassend die folgenden
Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen einer Holztragstruktur, vorzugsweise Holzbalken (12);
b) optionales Bereitstellen einer Schalung für ein mit Beton aufzufüllendes Volumen
zur späteren Erstellung einer Betonschicht (18);
c) Bohren von topfartigen Löchern (16) in die Holztragstruktur (12) auf der der späteren
Betonschicht (18) zugewendeten Seite;
d) Befestigen eines armierten Betonstopfens (2), insbesondere nach einem der Ansprüche
1 bis 6, in dem topfartigen Loch (16) der Holztragstruktur (12) mit einem Überstand
des Betonstopfens (2) in das Volumen der zu erstellenden Betonschicht (18);
e) Einbringen von Fliessbeton, ggfs. in die Schalung, und dabei Umgiessen des Überstandes
des Betonstopfens (2); und
f) Aushärten des Fliessbetons und ggfs. Entfernen der Schalung.
8. Verfahren zur Herstellung eines Beton-Holz-Verbundelements (14), umfassend die folgenden
Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen einer Holztragstruktur, vorzugsweise Holzbalken (12);
b) optionales Bereitstellen einer Schalung für ein mit Beton aufzufüllendes Volumen
zur späteren Erstellung einer Betonschicht (18);
c) Bohren von topfartigen Löchern (16) in die Holztragstruktur (12) auf der der späteren
Betonschicht (18) zugewendeten Seite;
d) Befestigen eines zylindrisch ausgebauten metallischen Armierungskerns (4) in dem
topfartigen Loch (16) der Holztragstruktur (12) mit einem Überstand des Armierungskerns
(4) in das Volumen der zu erstellenden Betonschicht (18);
e) Einbringen von Fliessbeton, ggfs. in die Schalung, und dabei Umgiessen des Überstandes
des Armierungskerns (4); und
f) Aushärten des Fliessbetons und ggfs. Entfernen der Schalung.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das topfartige Loch (16) am Lochboden mit einem senkrecht oder seitlich verlaufenden,
aus dem Holzbalken austretenden Entlüftungskanal (20) ausgestattet wird.