Die Erfindung betrifft einen zur Einbettung in zementhaltigen Bindemitteln verwendbaren Gewindestab gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine aus einem erfindungsgemässen Gewindestab gebildete Verankerungseinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung des Gewindestabs.

In der Geotechnik werden schraubbare Stahlelemente, hergestellt aus konventionellen nicht korrosionsbeständigen Kohlenstoffstählen, als sogenannte Sicherungselemente im Boden eingesetzt. Diese Sicherungselemente umfassen einen Gewindestab und können insbesondere als Bodennägel, Anker oder Mikropfähle ausgestaltet sein. Sie dienen zur Rückverankerung von Baugrubenwänden oder Stützbauwerken (Fig. 1), verankern Steinschlagnetze oder übertragen die Kräfte ganzer Häuser in den Boden.

Je nach Anwendung werden die Sicherungselemente temporär (< 5 Jahre) oder permanent (> 5 Jahre) genutzt. Ist eine Verwendung von mehr als fünf Jahren vorgesehen, spricht man von einem permanenten Sicherungselement.

Bei permanenten Anwendungen sollen die Sicherungselemente entsprechend der Lebensdauer der Bauwerke für bis zu 100 Jahre im Boden verbleiben. Um den Stahl für diesen Zeitraum gegen Korrosion zu schützen, kann das Sicherungselement mit einem sogenannten doppelten Korrosionsschutz versehen werden (Fig. 1). Der Korrosionsschutz wird dadurch hergestellt, dass der Gewindestab in einem Kunststoffrohr zentriert und der Zwischenraum zwischen Gewindestab und Rohr mit Zementmörtel gefüllt wird. Durch das alkalische Milieu des Betons wird der Stahl des Gewindestabs dauerhaft passiviert. In diesem Fall spricht man von einem vorinjizierten System.

Das bekannte System zeigt allerdings in der praktischen Anwendung einige Nachteile auf:

• Das Gewicht des Systems wird durch den Zementmörtel erhöht.
• Biegung der Stäbe muss vermieden werden, da ansonsten der Zementmörtel bricht.
• Um eine Durchbiegung der Anker zu verhindern, können die Teilstücke nicht beliebig lang gewählt werden. Aus der Praxis ist hier eine gängige Länge von 6 m bekannt. Dies führt dazu, dass bei langen Ankern Teilstücke mittels Muffen gekuppelt werden müssen.
• Um die Kupplungen vor Korrosion zu schützen, müssen diese einzeln mit einem Schrumpfschlauch versehen werden. Dies ist aufwändig und kostet viel Zeit.
• Der Korrosionsschutz jedes Ankers muss nach dem Einsetzen mit einer sogenannten Widerstandsmessung in gewissen Ländern überprüft werden.

Es gibt heute bereits einen anderen Lösungsansatz in Form eines permanenten Sicherungssystems aus einem nichtrostenden gerippten Stahl, um die oben beschriebenen Nachteile der vorinjizierten Sicherungssysteme zu umgehen. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit verfügt der Stahl über einen inhärenten Korrosionsschutz, sodass auf ein Hüllrohr mit Zementmörtelumhüllung verzichtet werden kann. Der grosse Nachteil dieser Lösung stellt aber das endständige, durch Zerspanung aufgebrachte Feingewinde dar, um die Stäbe über Muffen kuppeln zu können. Erstens verringert sich der Stahlquerschnitt und somit die übertragbare Kraft des Systems. Ausserdem muss ein solches Feingewinde erfahrungsgemäss als nicht baustellentauglich beurteilt werden.

Die WO 99/31283 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von nichtrostenden ferritischen bzw. ferritisch-martensitischen Betonstählen, wobei insbesondere der Werkstoff 1.4003 nach DIN EN 10088 zur Anwendung kommt. Das Verfahren beruht darauf, dass ein Stahl mit einem Gewichtsanteil von

• bis zu 0.03 % Kohlenstoff (C),
• 10.5 bis 14.0% Chrom (Cr),
• 0.01 bis 4.0% Nickel (Ni),
• 0.01 bis 3.0% Mangan (Mn)
• 0.01 bis 2.0% Molybdän (Mo)
• bis zu 0.03% Stickstoff (N),
• bis zu 0.2% Titan (Ti),
• Silizium (Si), Phosphor (P), Schwefel (S) innerhalb der üblichen Grenzen für Verunreinigungen,
• der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen,

Im Bereich der nichtrostenden Stähle, die in der Norm EN 10088 aufgeführt und beschrieben sind, gibt es weitere Werkstoffe, die heute standardmässig Anwendung finden als gerippte Betonstahlelemente im Stahlbetonbau. Bei den höherfesten nichtrostenden Betonstählen mit einer Mindestdehngrenze Rp0.2 von 650 MPa und einer Dehnung bei Höchstlast von min. 5% handelt es sich um sogenannte austenitisch-ferritische Stähle (auch Duplex-Stähle genannt), die i.d.R. kaltgerippt werden (z.B. Ugigrip 4062, 4362 und 4462 von Ugitech, Inoxripp4486® von Scheibinox), oder auch teilweise warmgerippt hergestellt werden (Ugigrip 4462 von Ugitech). Diese Stahlgüten sind aufgrund ihrer Legierungsbestandteile (insbesondere Cr ≥ 19.5 Gew.-%, Mo ≥ 0.10 Gew.-%, Ni ≥ 1.00 Gew.-%) relativ teuer. Ein weiterer Nachteil ist die Herstellung mittels Kaltwalzen, was ein zusätzlicher Herstellschritt und somit höhere Herstellkosten bedeutet. Zudem wird beim Kaltwalzen die Duktilität grundsätzlich verringert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Gewindestab für den Stahlbetonbau bereitzustellen, mit dem insbesondere die obigen Nachteile vermieden werden. Weitere Aufgaben der Erfindung sind die Bereitstellung einer verbesserten Verankerungseinheit sowie eines Verfahrens zur Herstellung des Ankerelements.

Gelöst werden diese Aufgaben durch den im Anspruch 1 definierten Gewindestab, durch die im Anspruch 6 definierte Verankerungseinheit sowie durch das im Anspruch 8 definierte Herstellungsverfahren.

Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gewindestab zur Einbettung in zementhaltigen Bindemitteln bereitgestellt, wobei der Gewindestab aus einem ferritisch-martensitischen nichtrostenden Stahl mit einem Gewichtsanteil von

• bis zu 0.08 % Kohlenstoff (C),
• bis zu 1.5% Silizium (Si),
• 0.3 bis zu 1.5% Mangan (Mn),
• bis zu 0.05% Phosphor (P),
• bis zu 0.03% Schwefel (S),
• 10.5 bis 18% Chrom (Cr),
• bis zu 1.6% Nickel (Ni),
• bis zu 0.4% Molybdän (Mo),
• bis zu 0.04% Aluminium (Al),
• bis zu 0.2% Niob (Nb),
• bis zu 0.2% Titan (Ti),
• bis zu 0.04% Stickstoff (N),

• Dehngrenze (R_p0.2) von mindestens 670 MPa,
• Dehnung bei Höchstlast (Agt) von mindestens 5%, und
• bezogene Rippenfläche (f_R) von mindestens 0.056.

Der erfindungsgemässe Gewindestab ist zur Einbettung in zementhaltigen Bindemitteln vorgesehen und geeignet. Für die Dimensionierung und Beschaffenheit von Baustahlelementen gibt es einzuhaltende Normen und Richtlinien wie insbesondere die Norm DIN 488, welche die zur Verwendung in Stahlbeton zugelassenen Betonstähle und die Dimensionierung der damit hergestellten Stahlelemente regelt.

Zur Herstellung des erfindungsgemässen Gewindestabs kann grundsätzlich ein nichtrostender Stahl aus einem vergleichsweise breiten Zusammensetzungsbereich verwendet werden mit der Massgabe, dass der Stahl einen nach der Formel $$\mathrm{KFF}=\%\mathrm{Cr}+6\mathrm{x}\%\mathrm{Si}+8\mathrm{x}\%\mathrm{Ti}+4\mathrm{x}\%\mathrm{Mo}+2\mathrm{x}\%\mathrm{Al}-2\mathrm{x}\%\mathrm{Mn}-4\mathrm{x}\%\mathrm{Ni}-40\mathrm{x}\%\left(\mathrm{C}+\mathrm{N}\right)$$ bestimmten Ferritfaktor von mindestens 10.7 und höchstens 11.8 aufweist. In der obigen Formel beziehen sich die %-Angaben auf Gewichtsanteile und das Symbol "x" stellt die Multiplikation dar. Der besagte Ferritfaktor ist auch als Kaltenhauser Ferritfaktor (KFF) bekannt und wird zur Abschätzung von Gefügebestandteilen von (teil-)ferritischen nichtrostenden Stählen herangezogen (C. Siyasiya, G.T. van Rooyen and W.E. Stumpf, Metallurgical factors that affect the strand width during continuous casting of DIN 1.4003 stainless steel, The Journal of the South African Insitute of Mining and Metallurgy 105 (2005), 473-481).

Dadurch, dass der erfindungsgemässe Gewindestab mit einer Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen ist, kann letzteres einerseits zum Aufschrauben von bestimmungsgemäss vorgesehenen Gegenstücken verwendet werden und dient gleichzeitig als haftungswirkende Rippung im gesamten Längenbereich. Dadurch, dass die Profilierung warm aufgewalzt ist, ergibt sich bei der Herstellung kein Materialabtrag und entsprechend auch keine unerwünschte Verminderung des effektiven Querschnitts im Gewindebereich. Die warm aufgewalzte Profilierung ist in der Art eines Grobgewindes dimensioniert, welches im Gegensatz zu einem geschnittenen Feingewinde nicht nur schraubbar, sondern auch robust gegenüber Beschädigungen und Verschmutzungen ist und darüber hinaus eine genügend grobe Zwischenraumstruktur zur Aufnahme des zementhaltigen Bindemittels bildet. Erfindungsgemäss weist das Aussengewinde eine bezogene Rippenfläche f_R gemäss DIN 488 von mindestens 0.056 auf. Die bezogene Rippenfläche ist die auf eine zur Stabachse rechtwinklig stehende Schnittfläche projizierte Rippenfläche, bezogen auf den Nennumfang und den mittleren Rippenabstand.

Die bezogene Rippenfläche f_R ist allgemein als Verhältnis zwischen der Rippenfläche und der Reibungsfläche zwischen zwei Rippen definiert. Für ein durchgängiges Aussengewinde kann folgende Arbeitsformel verwendet werden: $${\mathrm{f}}_{\mathrm{R}}=\mathrm{H}/\mathrm{L}$$ siehe z.B. Gert König, Nguyen Viet Tue, Grundlagen des Stahlbetonbaus: Einführung in die Bemessung nach DIN 1045-1, B.G. Teubner, Stuttgart, (2003) s. 44.

Ganz allgemein erweist sich der erfindungsgemässe Gewindestab als eine im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstige Lösung, indem eine vergleichsweise günstige nichtrostende Legierung in einem vergleichsweise einfachen Herstellprozess verarbeitet wird. So wird das fertige Produkt direkt aus der Walzhitze produziert, wobei ein aufwändiger anschliessender Korrosionsschutz auf der Baustelle wegfällt.

Bisher war es offenbar nicht gelungen, die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Produkte zu lösen, z.B. in Form eines verhältnismässig günstigen nichtrostenden ferritisch-martensitischen Gewindestabes mit durchgehendem schraubbarem Aussenwinde und mit einer höheren Festigkeit Rp0.2 ≥ 670 MPa in Kombination mit einer Dehnung bei Höchstlast Agt von mindestens 5%, hergestellt direkt aus der Walzhitze.

Der erfindungsgemässe Gewindestab ermöglicht die Realisierung eins Kupplungssystems ohne Querschnittsverlust. Zur Erlangung vorgegebener mechanischer Eigenschaften ist somit insgesamt ein geringerer Aussendurchmesser als bei endständig eingeschnittenem Feingewinde erforderlich, was zu einer Gewichtsreduktion von bis zu 40% verhelfen kann. Ausserdem sind kleinere Bohrlochdurchmesser möglich, und zudem können Anker und Nägel aus erfindungsgemässen Gewindestäben schneller verbaut werden als bisher.

Dementsprechend betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung eine Verankerungseinheit für den Stahlbetonbau, umfassend einen erfindungsgemässen Gewindestab sowie mindestens ein Gegenstück aus einem kompatiblen nichtrostenden Stahl, wobei das Gegenstück ein auf das Aussengewinde schraubbares Innengewinde aufweist.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Gewindestabs, wobei man einen Stahl mit einem Gewichtsanteil von:

• bis zu 0.08 % Kohlenstoff (C),
• bis zu 1.5% Silizium (Si),
• 0.3 bis zu 1.5% Mangan (Mn),
• bis zu 0.05% Phosphor (P),
• bis zu 0.03% Schwefel (S),
• 10.5 bis 18% Chrom (Cr),
• 0.2 bis zu 1.6% Nickel (Ni),
• bis zu 0.4% Molybdän (Mo),
• bis zu 0.04% Aluminium (Al),
• bis zu 0.2% Niob (Nb),
• bis zu 0.2% Titan (Ti),
• bis zu 0.04% Stickstoff (N),

Wie bereits oben erläutert, kann durch die Auswahl gewisser Legierungsbestandteile ein gewünschter Ferritfaktor und somit das Gefüge resp. die mechanischen Eigenschaften eingestellt werden. Dies gilt insbesondere für die in der Kaltenhauser-Formel enthaltenen Elemente Chrom, Silizium, Titan, Molybdän, Aluminium, Mangan, Nickel, Kohlenstoff und Stickstoff. Der Chromgehalt ist überdies für die korrosionsresistente Eigenschaft der nichtrostenden Stähle bedeutsam.

Daneben sind für die Auswahl der Legierung die folgenden Kriterien massgeblich.

Kohlenstoff ist ein starker Austenit- und somit auch Martensitbildner. Durch die obere Begrenzung des Kohlenstoffs auf 0.08 Gew.-% wird gewährleistet, dass die Festigkeit nicht zu hoch und die Duktilität nicht zu tief wird. Höhere Kohlenstoffgehalte fördern ausserdem die Bildung von Karbiden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit über eine Chromverarmung an den Korngrenzen nachteilig beeinflusst wird.

Silizium unterstützt die Ferritbildung und ist ein Mischkristallverfestiger. Sein Gehalt ist auf höchstens 1.5 Gew.-% begrenzt, um den Ferrit nicht allzu stark zu verfestigen und verspröden, und somit eine genügende Duktilität zu gewährleisten.

Durch den Mangangehalt, einem weiteren Austenitstabilisator, wird der Martensitgehalt und somit das Festigkeitsniveau des Stahls beeinflusst. Daher ist ein bestimmter Mindestgehalt an Mangan erforderlich, um ein genügend hohes Festigkeitsniveau einstellen zu können. Um allzu hohe Festigkeiten zu vermeiden und um eine genügende Duktilität zu gewährleisten, wird der Mangangehalt auf 1.5 Gew.-% begrenzt.

Phosphor ist ein Stahlschädling und schwächt das Gefüge. Aus diesem Grund wurde der Phosphorgehalt auf 0.05 Gew.-% begrenzt.

Schwefel ist ein Stahlschädling. Zu hohe Schwefelgehalte beeinflussen die Korrosionsbeständigkeit negativ. Aus diesem Grund wird der Schwefelgehalt auf 0.03 Gew.-% begrenzt.

Chrom ist das wichtigste Legierungselement und ursächlich für die Korrosionsbeständigkeit der nichtrostenden Stähle. Dieses Legierungselement führt bei einem Mindestbestandteil von 10.5 Gew.-% zur Ausbildung einer Passivschicht, die das darunterliegende Metall vor dem Angriff durch umgebende Medien schützt. Der Chromgehalt wird auf 18 Gew-% begrenzt, um die Bildung von Sigmaphase zu unterdrücken, welche insbesondere die Duktilität vermindert. Chrom ist ein Ferritbildner.

Nickel ist ein starker Austenitbildner und erweitert den Zustandsbereich des Austenits. Dadurch hat das Element einen Einfluss auf den Martensitanteil und beeinfluss somit auch die Festigkeit. Ein bestimmter Nickelgehalt ist erforderlich, damit eine genügend hohe Festigkeit erreicht werden kann. Um ein genügend duktiles Gefüge mit nicht zu hohem Martensitgehalt zu gewährleisten, wird der Nickelgehalt auf 1.5 Gew.-% begrenzt.

Molybdän ist ein Ferritbildner und ein Element, welches die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle erhöht. Da Molybdän ein teures Legierungselement ist, wird der Gehalt auf 0.4 Gew.-% begrenzt.

Aluminium ist ebenfalls ein Ferritbildner. Aluminium kann bei tiefen Siliziumgehalten als Desoxidationsmittel dazugegeben werden.

Niob stabilisiert den Ferrit und bindet die starken Austenitbildner Kohlenstoff und Stickstoff, wodurch interkristalline Korrosion verhindert wird. Deshalb kann Niob bis zu einem Gehalt von max. 0.2 Gew.-% zugegeben werden.

Titan ist einerseits ein Ferritbildner. Andererseits kann Titan sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff abbinden und somit den Stahl unempfindlicher gegen interkristalline Korrosion machen. Der maximale Titangehalt wird auf 0.2 Gew.-% beschränkt.

Stickstoff erhöht die Stabilität von Austenit und beeinflusst somit die Höhe des Martensitanteils. Der Stickstoffgehalt auf 0.04 Gew.-% beschränkt, um eine genügende Duktilität des Stahls zu gewährleisten.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Insbesondere zur Herstellung von vergleichsweise dünnen Gewindestäben wird vorteilhafterweise ein Warmwalzverfahren mit anschliessender Luftkühlung verwendet (Anspruch 9). Typischerweise wird dabei eine Kühlrate von 1 K/s bewirkt. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Gewindestäbe mit einem Aussendurchmesser bis zu 20 mm fertigen, wobei der Ferritfaktor auf höchstens 11.1 zu begrenzen ist (Anspruch 2). Für noch dünnere Gewindestäbe mit einem Aussendurchmesser bis zu 16 mm kann der Ferritfaktor auf bis zu 11.3 erhöht werden (Anspruch 3).

Zur Herstellung von vergleichsweise dicken Gewindestäben wird vorteilhafterweise ein Warmwalzverfahren verwendet, bei dem das Abkühlen in einem ersten Schritt durch Wasserkühlung auf eine Oberflächentemperatur von 350 bis 500°C mit einer anschliessenden Luftkühlung mit einer Abkühlrate von ungefähr 1 K/s bewirkt wird (Anspruch 10). Durch die anfängliche Wasserkühlung erhält der Gewindestab eine vergleichsweise harte Randschicht um einen vergleichsweise duktilen Kern (Anspruch 4). Insbesondere lassen sich damit Gewindestäbe mit einem Aussendurchmesser 20 bis 100 mm herstellen (Anspruch 5).

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Bodennagels der Schutzstufe 2 mit doppeltem Korrosionsschutz, im Längsschnitt;

Fig. 2

einen Gewindestab, im Längsschnitt;

Fig. 3

eine Darstellung der Dehngrenze (R_p0.2) als Funktion des Ferrit-faktors KFF für einen mittels Luftkühlung hergestellten Stabstahl mit Durchmesser 16 mm;

Fig. 4

eine Darstellung der Dehngrenze (R_p0.2) als Funktion des Ferrit-faktors KFF für einen mittels Wasser- und anschliessender Luftkühlung hergestellten Stabstahl mit Durchmesser 43 mm; und

Fig. 5

eine Darstellung der Dehnung bei Höchstlast (Agt) als Funktion der Festigkeit (Dehngrenze Rp0.2) für verschiedene Abmessungen und Ferritfaktoren; offene Symbole bedeuten Abkühlen durch Luftabkühlung nach der Warmumformung, volle Symbole bedeuten Abkühlen durch Wasser- und anschliessender Luftkühlung nach der Warmumformung.

Ein erfindungsgemässer Gewindestab ist in der Fig. 2 schematisch dargestellt. Dieser weist insbesondere eine warm aufgewalzte Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes auf. Wesentliche Abmessungen des Gewindestabs sind dessen Aussendurchmesser D, die Gewindetiefe H und der Gewindeabstand L.

Ein Stahl mit der in untenstehender Tabelle angegebenen Zusammensetzung 1, die durch einen Ferritfaktor von 11.3 gekennzeichnet ist, wurde mit einer warm aufgewalzten Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen und anschliessend an Luft abgekühlt. Für die vorgesehene Anwendung als Gewindestab ist das Aussengewinde derart ausgebildet, dass es eine bezogene Rippenfläche f_R von mindestens 0.056 aufweist. Die Dehngrenze (R_p0.2) und die Dehnung bei Höchstlast (Agt) sind ebenfalls aus der Tabelle ersichtlich.

Ein Stahl mit der in untenstehender Tabelle angegebenen Zusammensetzung 2, die durch einen Ferritfaktor von 11.5 gekennzeichnet ist, wurde mit einer warm aufgewalzten Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen und anschliessend zunächst mit Wasser abgekühlt bis auf ca. 400°C gefolgt von Luftkühlung. Für die vorgesehene Anwendung als Gewindestab ist das Aussengewinde derart ausgebildet, dass es eine bezogene Rippenfläche f_R von mindestens 0.056 aufweist. Die Dehngrenze (R_p0.2) und die Dehnung bei Höchstlast (Agt) sind ebenfalls aus der Tabelle ersichtlich. Bsp. C Si Mn P S Cr Ni Mo Al Ti N 1 0.02 0.74 0.9 0.02 0.001 12.2 0.56 0.06 0.01 0.01 0.02 2 0.02 0.68 0.63 0.02 0.001 12.3 0.57 0.05 0.01 0.01 0.02 Bsp. KFF Ø T_Walz Abkühlung Rp0.2 Agt 1 11.3 16 mm 950-970°C Luft 725 MPa 5.8% 2 11.5 43 mm 880-910 °C Wasser/ Luft 745 MPa 7.8% KFF: Kaltenhauser Ferritfaktor
T_Walz: Endwalztemperatur