Die Erfindung betrifft ein Verstärkungselement, wie es vorzugsweise zur Stabilisierung und Verstärkung von Bauteilen an Bauten zum Einsatz kommen kann, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verstärkungselementes sowie ein mit einem Verstärkungselement ausgestattetes Bauteil.
Verstärkungselemente der hier in Rede stehenden Art sind einerseits bei einem Neubau von erheblicher Bedeutung, um beispielsweise die Erdbebensicherheit des Gebäudes zu gewährleisten. Andererseits können auch ältere Bauten nachträglich mit derartigen Verstärkungselementen ausgestattet werden, weil ein zu verstärkendes Bauteil zum Beispiel durch übergemässe Beanspruchungen Schäden aufweist, die behoben werden müssen. Dabei ist es im Baubereich bekannt, zur Verstärkung von Bauteilen Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit einzusetzen. Hierfür sind insbesondere faserverstärkte Kunststoffe geeignet. Diese weisen neben der genannten hohen Zugfestigkeit auch ein sehr geringes Eigengewicht auf und sind problemlos zu handhaben. Darüber hinaus lassen sich faserverstärkte Kunststoffe sehr einfach verarbeiten. Ein nachträgliches Verstärken von Stahlbeton ist damit ohne Schwierigkeiten möglich. Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK-Werkstoffe) können zum Beispiel in Lamellenform zur Querverstärkung von Brücken, zur Nutzlasterhöhung von Decken und zum Versteifen von Holzkonstruktionen dienen. Auch Stützen und Pfeiler werden mit derartigen, nur wenige Millimeter dicken CFK-Lamellen gesichert.
Bekannt sind bei der Verarbeitung dieser kohlefaserverstärkten Kunststoffe sowohl kreuzweise ausgerichtete Faserrichtungen als auch unidirektional, also gleichsinnig ausgerichtete Faserverläufe. Neben einem einschichtigen Auftrag auf das zu verstärkende Bauteil sind mehrlagige Anordnungen derartiger faserverstärkter Kunststofflamellen bereits in Anwendung.
Andere Verstärkungselemente, wie Stahllaschen sowie Gewebe aus Kohle- oder Glasfasern werden ebenfalls eingesetzt, um eine Stabilisierung oder Schubverstärkung der zu stabilisierenden Bauteile zu erreichen. Allerdings weisen sämtliche bislang bekannten Systeme Nachteile auf.
So ist die nachträgliche Stahlverstärkung von Bauteilen im Baubereich durch eine sehr aufwändige Herstellung gekennzeichnet. Ferner ergeben sich hierbei zum Teil erhebliche Korrosionsprobleme. Infolge des relativ hohen Gewichtes einer Stahlverstärkung sind die Applikationen schwierig, das heisst, die Anpassung am Bauteil ist nicht ohne weiteres möglich. Zudem ergeben sich optische Beeinträchtigungen durch derartige Stahlverstärkungen, die bei bestimmten Bauteilen an Gebäuden unerwünscht sind.
Bei der Verwendung von CFK-Schubwinkeln zur Bauteilverstärkung hat sich herausgestellt, dass dieses rohstoff- und energieintensive Material durch die bisher bekannten Methoden nicht optimal eingesetzt werden kann. Ähnlich verhält es sich bei im Einsatz befindlichen Gewebematerialien. Zudem müssen diese Materialien vielfach unter erheblichem Aufwand nachträglich an dem Bauteil verankert werden. Eine derartige Verankerung wird zumeist mittels zusätzlicher Stahlprofile vorgenommen, die an dem Bauteil befestigt werden müssen und somit zusätzliche Arbeitsgänge erfordern.
Ein Verstärkungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verstärkungselemente zur Verstärkung von Bauteilen bereitzustellen, welche die Nachteile bisheriger Verstärkungselemente vermeiden. Darüber hinaus ist ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung eines derartigen Verstärkungselementes ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich jeweils anschliessenden Unteransprüchen angegeben.
Die Fasern des Verstärkungselementes wird durch den Umformprozess kaum belastet und gestreckt, so dass Vorschädigungen innerhalb des Verstärkungselementes wirksam vermieden werden können. Das Verstärkungselement wirkt wie ein freies Zugglied ohne Verbund. Es kann sowohl zur Vermeidung von Brüchen an Bauteilen im Baubereich eingesetzt werden, als auch, um diese Bauteile vorsorglich vor Beschädigungen aufgrund sich einstellender Alterungsprozesse zu schützen. Zudem ermöglicht das erfindungsgemässe Verstärkungselement eine Erhöhung der Belastbarkeit der mit diesem Verstärkungselement ausgestatteten Bauteile. Das Verstärkungselement ist flexibel einsetzbar und kann ohne grossen Aufwand an den zu verstärkenden Bauteilen vorgesehen werden.
Durch dieses Verstärkungselement mit einem Umformbereich in einem spitzen Winkel α werden die Fasern des Verstärkungselementes weniger geknickt respektive gestreckt als bei der Herstellung herkömmlicher Schubwinkel welche mit einem Winkel α = 90° hergestellt werden. Dadurch werden die Fasern, insbesondere hochmodulige Kohlenstoff-Fasern, nicht vorgeschädigt. Der Unformprozess ist zudem einfacher als wenn die Profile mit einem Winkel α = 90° hergestellt würden. Somit wird durch die erfindungsgemässen Verstärkungselemente die Effizienz verbessert und ein System zur Verfügung gestellt, welche alle Vorteile bezüglich Kosten und Materialeinsatz kombiniert.
Das erfindungsgemässe Verstärkungselement kann durch einen Umformprozess in die gewünschte Form gebracht werden, bevor es an einem Bauteil befestigt wird. Somit steht ein Verstärkungselement zur Verfügung, das unmittelbar auf das zu verstärkende Bauteil aufgelegt und mit diesem verbunden werden kann.
Da das Verstärkungselement vorgefertigt werden kann, entsteht der Herstellungsaufwand nicht in der Bauphase, also nicht vor Ort am Bauwerk, so dass sich hieraus in der Bauphase erhebliche Zeit- und damit Kostenvorteile ergeben.
Das Profil kann gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung ein Flachprofil, ein U-Profil, ein T-Profil oder ein L-Profil sein. Massgeblich für die Wahl des Profils ist dabei ausschliesslich die mittels des Verstärkungselementes zu erreichende Festigkeit sowie die Anpassbarkeit an das zu verstärkende Bauteil.
In jedem Fall ist das Verstärkungselement unter einem Winkel α in Bezug auf die Längserstreckung anbringbar und erfüllt damit den allgemeinen Erfindungsgedanken.
Als Bauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei insbesondere Tragwerke, Teile von Tragwerken oder Unterzüge als Teile von Gebäuden im Baubereich zu verstehen. Die genannten Unterzüge werden an Stahlbetondecken, Brückenträgern, beispielsweise in Längs- und/oder Querrichtung vorgesehen und dienen zum Beispiel auch der Verstärkung von Wandausbrüchen oder Wandöffnungen. Ebenso kann ein erfindungsgemässes Verstärkungselement beim Versetzen von Stürzen, wie Fenster- oder Türstürzen, zum Einsatz kommen.
Die Vielfältigkeit der vorliegenden Anwendungsbereiche zeigt auch die Möglichkeiten der Wahl unterschiedlicher Querschnitte eines derartigen Bauteils. So kann es einen polygonalen oder zykloiden Querschnitte aufweisen.
Zur Verbesserung der Verbindung zwischen Verstärkungselement und zu verstärkendem Bauteil, im Sinne einer hohen Dauerfestigkeit, kann das Verstärkungselement zumindest an einem seiner Enden ein Verankerungsteil aufweisen. Dieses Verankerungsteil dient einer zusätzlichen Befestigung des Verstärkungselementes an dem zu verstärkenden Bauteil.
Gemäss einer Ausgestaltung dieser Erfindung kann das Verankerungsteil von dem Querschnitt des Profils ausgehend in einen polygonalen oder zykloiden Querschnitt übergehen. Somit weist nicht nur das Profil selbst, sondern auch das Verankerungsteil einen polygonalen oder zykloiden Querschnitt auf.
Zur weiteren Verbesserung der Verbindungsmöglichkeit zwischen dem Verstärkungselement und dem zu verstärkenden Bauteil ist es darüber hinaus sinnvoll, wenn das Verankerungsteil mehrgliedrig ausgeführt wird. Mehrgliedrig bedeutet hierbei, dass das Ende des Verankerungsteiles in einzelne Segmente oder Abschnitte unterteilt wird oder im einfachsten Fall zumindest eine Ausnehmung aufweist. Dies kann genutzt werden, um beispielsweise ein Befestigungselement aufzunehmen oder ein solches Befestigungselement durch die somit gebildeten Öffnungen oder Ausnehmungen hindurch zu führen.
Dementsprechend wird weiterhin vorgeschlagen, dass das Verankerungsteil eine zu der Aufnahme oder Durchführung eines Befestigungselementes geeignete Geometrie aufweist. Im Sinne der Erfindung kann ein Befestigungselement ein Dübel, eine Schraube, ein Niet oder ein ähnliches Mittel darstellen. Dieses muss lediglich geeignet sein, eine lösbare oder dauerhaft feste Verbindung zwischen dem Verstärkungselement und dem zu verstärkenden Bauteil im Bereich des Verankerungsteiles zu erzeugen.
In einer anderen Verbindungsart ist das Verankerungsteil in eine Ausnehmung des Bauteils einsetzbar. Diese zwar mit einem geringfügigen Mehraufwand verbundene Verbindungsvariante zwischen Verstärkungselement und zu verstärkendem Bauteil ermöglicht eine sehr stabile und dauerhaft feste Verbindung der genannten Bauteile. Allerdings ist es hierfür erforderlich, in dem zu verstärkenden Bauteil eine entsprechende Ausnehmung vorzusehen, in die das Verankerungsteil eingreifen kann.
Um eine den auftretenden Belastungen gerecht werdende Verbindung zwischen dem Verstärkungselement und dem zu verstärkenden Bauteil zu erzeugen, ist es von besonderem Vorteil, zwischen diesen Elementen eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Eine stoffschlüssige Verbindung kann dabei beispielsweise eine Klebeverbindung sein. Wird das Verstärkungselement aus thermoplastischem oder duroplastischem Matrixharz erzeugt, so ist dieses im Rohzustand flüssig und verfestigt sich bei oder nach der Verarbeitung. Das Matrixharz wird auf das zu verstärkende Bauteil aufgetragen und verbindet sich stoffschlüssig mit diesem, indem es aushärtet. Die so geschaffene Verbindung ist witterungsbeständig und entspricht den an das zu verstärkende Bauteil gestellten Anforderungen.
Bevorzugt wird das Verstärkungselement durch hochmodulige Kohlenstofffasern gebildet, wobei die Faserrichtung des Verstärkungselementes unidirektional ausgerichtet sein kann.
Als Verstärkungselement kann ein FRP-Element (Fibre-Reinforced-Polymer-Element) zum Einsatz kommen. Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ist das Verstärkungselement ein FRP-Zugelement oder ein FRP-Schubwinkel. Diese vorgenannten Ausführungsvarianten des Verstärkungselementes ermöglichen die eingangs bereits beschriebenen Vorteile, dass das Verstärkungselement vor Aufbringung auf das zu verstärkende Bauteil gefertigt werden kann und nicht erst an der Baustelle beziehungsweise am Bauteil erzeugt werden muss.
Um die an das zu verstärkende Bauteil gestellten Anforderungen optimal erfüllen zu können, besteht das Verstärkungselement insbesondere aus Kohle-, Glas-, Aramit- oder Basaltfasermaterial mit einem hohen Exa-Wert und hoher Zugfestigkeit.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Verstärkungselementes ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Die Vorfertigung des Verstärkungselementes im Sinne des vorgenannten Verfahrens weist die Vorteile auf, dass eine faserschonende Bearbeitung des Faserverbundwerkstoffes möglich wird. Somit stellen sich keine Beschädigungen des Profils ein und dieses erfüllt im Vergleich mit bekannten Lösungen wesentlich höhere Festigkeitsanforderungen. Damit sind folglich höhere Stabilisierungswirkungen des zu verstärkenden Bauteils erreichbar, als dies bei bekannten Ausführungen der Fall ist.
Gemäss einem weiteren Vorschlag wird darüber hinaus davon ausgegangen, dass wenigstens ein Verankerungsteil an zumindest einem Ende des Verstärkungselementes angeformt wird. Die Anformung kann dabei in einem oder in mehreren aufeinander folgenden Arbeitsschritten erfolgen. Somit wird das Verankerungsteil unmittelbar aus dem Verstärkungselement herausgearbeitet. Es ergibt sich eine einheitliche Stoffstruktur, was sich insgesamt positiv auf die Festigkeitswerte des Verstärkungselementes auswirkt.
Als Umformprozesse für die Erzeugung des Umformbereiches des Verstärkungselementes kommen Handlaminieren, Vakuum-Back-Molding, Heisspressen, Thermoformen, Pressformen, Wickeln oder ein Tape-Legeverfahren zum Einsatz.
Besondere Vorteile hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften ergeben sich gemäss einer Weiterentwicklung des zuvor genannten Verfahrens auch dadurch, dass die einzelnen Schichten des insgesamt mehrschichtig ausgeführten Verstärkungselementes diskontinuierlich oder kontinuierlich übereinander geschichtet und unter Einfluss von Temperatur und Druck miteinander verpresst beziehungsweise gemeinsam geformt werden, um anschliessend durch einen Abkühlungsvorgang das fertige Verstärkungselement zu erzeugen.
Eine besonders vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemässen Verstärkungselementes, wie es zuvor eingehend näher beschrieben wurde, lässt sich für ein Tragwerk, ein Tragwerksteil oder einen Unterzug eines Bauwerkes angeben.
Demgemäss ist auch ein Bauteil mit einem erfindungsgemässen Verstärkungselement Gegenstand der Erfindung, wobei das Verstärkungselement bezogen auf die Längserstreckung des Bauteils unter einem Winkel α an dem Bauteil befestigt ist. Verstärkungselement und Bauteil sind gemäss einer Ausgestaltung dieses Bauteils stoffschlüssig miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann durch die dem faserverstärkten Kunststoff inhärente Klebewirkung oder einen separaten Klebewerkstoff erzeugt werden.
Ein erfindungsgemässes Bauteil mit einem Verstärkungselement ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement zumindest ein an dem Verstärkungselement vorhandenes Verankerungsteil aufweist und über dieses Verankerungsteil mittels eines Befestigungselementes eine Verbindung zwischen dem Verstärkungselement und dem Bauteil gebildet wird. Diese Verbindung kann eine lösbare oder eine dauerhaft feste Verbindung sein.
Ebenso ist es entsprechend einer Ausgestaltung möglich, dass das Bauteil mit dem Verstärkungselement zumindest ein an dem Verstärkungselement vorhandenes Verankerungsteil aufweist, das in eine Ausnehmung des Bauteils einsetzbar ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Verbindung zu bewirken.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
In der
In der
Darüber hinaus ist die Verwendung von unidirektional verstärkten thermoplastischen Flachprofilen als Ausgangsmaterialien zu erwähnen, die nur im vorgesehenen Krümmungsbereich erwärmt und entsprechend umgeformt werden. Die Höhe der Erwärmungstemperatur wird dabei so eingestellt, dass die Kunststoffmatrix lokal und zeitlich begrenzt aufweichen kann, wobei der Erweichungszustand bis in einen Verflüssigungsbereich erfolgen kann. Nach der Umformung des Flachprofils zu dem um α geneigten FRP-Schubwinkel erfolgt eine kurzzeitige Abkühlung, so dass das Profil 1 in seiner Endposition verbleibt und so unmittelbar auf das zu verstärkende Bauteil aufgebracht werden kann.
Durch den so erzeugten Schubwinkel mit einem spitzen Winkel α werden die Fasern des Verstärkungselementes weniger geknickt respektive gestreckt als bei der Herstellung herkömmlicher Schubwinkel welche mit einem Winkel α = 90° hergestellt werden. Dadurch werden die Fasern, insbesondere hochmodulige Kohlenstoff-Fasern, nicht vorgeschädigt. Der Unformprozess ist zudem einfacher als wenn die Profile mit einem Winkel α = 90° hergestellt würden. Somit wird durch die erfindungsgemässen Verstärkungselemente die Effizienz verbessert und ein System zur Verfügung gestellt, welche alle Vorteile bezüglich Kosten und Materialeinsatz kombiniert.
Eine andere Variante zur Erzeugung eines erfindungsgemässen Verstärkungselementes ist als Stadienplan in der
Wie aus der Darstellung der
So kann zunächst zwischen den Rundprofilen 1.1 und 1.2 ein schichtweises Auftragen von flachen Streifen des Faserverbundwerkstoffes erfolgen, so dass insgesamt das in der Mitte der
Eine weitere Variante besteht darüber hinaus darin, die ursprünglichen Rundprofile 1.1 und 1.2 durch einen entsprechend geeigneten Umformvorgang in ein Flachprofil 1 zu überführen. Dabei kann eine Erwärmung vorgesehen werden.
Die besondere Gestaltung des Verstärkungselementes gemäss
Einen Anwendungsfall für die vorliegende Erfindung zeigt beispielhaft die
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