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(11) | EP 1 331 327 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verstärkungsvorrichtung |
| (57) Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsvorrichtung für Tragstrukturen, die eine
Lamellenstruktur aufweist, welche in eine Verankerungsvorrichtung mündet, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lamellenstruktur aus einer Mehrzahl von separaten oder separierbaren
Einzelschichten besteht, zwischen denen zumindest im Bereich der Verankerungsvorrichtung
Einlageschichten angeordnet sind. Ausserdem werden Verfahren zur Herstellung einer
solchen Verstärkungsvorrichtung sowie Verfahren zur Sanierung und/oder Verstärkung
von Bauwerken auf der Basis einer derartigen Verstärkungsvorrichtung bereitgestellt.
Vorzugsweise weist die Lamellenstruktur als Einzelschichten Carbonfaserverstärkte
Kunststofflamellen (CFK) auf, die in eine thermoplastische Matrix eingebettet sind.
Bevorzugt basieren die Einzelschichten der Lamellenstruktur auf einem thermoplastischen
Gebrauchskunststoff und weisen als Einlageschichten vorzugsweise zusätzlich dazwischen
angeordnete Gewebeeinlagen oder Metallplatten auf, und zwar besonders bevorzugt ein
bidirektional orientiertes Gewebe, insbesondere ein bidirektional orientiertes Aramidfasergewebe. |
Technisches Gebiet und Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsvorrichtung für Tragstrukturen, die eine Lamellenstruktur aufweist, welche in eine Verankerungsvorrichtung mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenstruktur aus einer Mehrzahl von separaten oder separierbaren Einzelschichten besteht, zwischen denen Einlageschichten angeordnet sind. Ausserdem werden Verfahren zur Herstellung einer solchen Verstärkungsvorrichtung sowie Verfahren zur Sanierung und/oder Verstärkung von Bauwerken auf der Basis einer derartigen Verstärkungsvorrichtung bereitgestellt.
[0002] Die internationale Patentanmeldung PCT/CH98/00346 (veröffentlicht als WO99/10613) offenbart eine gattungsgemässe Verstärkungsvorrichtung. Dort sind die Enden von für die Verstärkung von Tragelementen, wie beispielsweise Betonträgern vorgesehenen CFK-Lamellen in mindestens zwei ca. gleich dicke Fahnen aufgetrennt und in entsprechende, in einem Winkel zueinander angeordnete Halteschlitze jeweils eines Abschlusselements eingeklebt. Diese Anordnung wird nun auf die Zugseite des Tragelements aufgeklebt, wobei die CFK-Lamelle vorzugsweise gegenüber dem Tragelement direkt über die Abschlusselemente vorgespannt wird. Das Abschlusselement kann in eine entsprechende Ausnehmung im Tragelement eingesetzt sein oder direkt auf die Oberfläche des Tragelements aufgeklebt und/oder verdübelt sein, ggf. unter Anwendung einer Querspanneinrichtung.
[0003] Insbesondere im Bereich der Mündung einer derartigen Verstärkungsvorrichtung in die Verankerungsvorrichtung treten jedoch infolge der unvermittelten Querschnittsänderung regelmässig erhebliche, transversal zur Hauptachse der Verstärkungsvorrichtung wirkende Querkräfte auf.. Dadurch werden ungewollt "Sollbruchstellen" innerhalb solcher gattungsgemässer Verstärkungsvorrichtungen geschaffen, welche die Verstärkungsvorrichtung im Laufe der Zeit beschädigen und schliesslich deren Festigkeit bis hin zum Bruch der gesamten Vorrichtung zunehmend beeinträchtigen können.
[0004] Zum Schutz gegen dieses Problem wird daher häufig eine geeignete Querspannvorrichtung im Bereich der Mündung einer derartigen Verstärkungsvorrichtung in die Verankerungsvorrichtung vorgesehen. Diese ist jedoch ihrerseits naturgemäss störungsanfällig und erschwert und verteuert zudem die gesamte Konstruktion erheblich. Ferner wird dadurch die Verstärkungsvorrichtung in Richtung der Hauptachse nicht selten bis an die Belastungsgrenze und darüber hinaus beansprucht, so dass im Bereich der Verankerungsvorrichtung ein Bruch der tragenden Befestigung der Lamellenstruktur auftreten kann.
Aufgabe und Lösung
[0005] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des bestehenden Standes der Technik zu überwinden und eine Verstärkungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die sowohl im Bereich der Mündung in die Verankerungsvorrichtung bruchsicher und belastbar ist, als auch gleichzeitig einer maximalen Belastung der tragenden Hauptverankerung in Richtung der Hauptachse ohne weiteres standhält.
[0006] Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer erfindungsgemässen Verstärkungsvorrichtung gelöst. Die Verstärkungsvorrichtung für Tragstrukturen gemäss der vorliegenden Erfindung weist gemäss den Merkmalen des Anspruchs 1 eine Lamellenstruktur auf, welche in eine Verankerungsvorrichtung mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenstruktur aus einer Mehrzahl von separaten oder separierbaren Einzelschichten besteht, zwischen denen zumindest in Teilbereichen, vorzugsweise im Bereich der Verankerungsvorrichtung Einlageschichten angeordnet sind. Ausserdem werden Verfahren zur Herstellung einer solchen Verstärkungsvorrichtung sowie Verfahren zur Sanierung und/oder Verstärkung von Bauwerken auf der Basis einer derartigen Verstärkungsvorrichtung bereitgestellt. Vorzugsweise weist die Lamellenstruktur als Einzelschichten Carbonfaserverstärkte Kunststofflamellen (CFK) auf, die in eine thermoplastische Matrix eingebettet sind. Bevorzugt basieren die Einzelschichten der Lamellenstruktur auf einem thermoplastischen Gebrauchskunststoff und weisen als Einlageschichten vorzugsweise zusätzlich dazwischen angeordnete Gewebeeinlagen oder Metallplatten auf, und zwar besonders bevorzugt ein bidirektional orientiertes Gewebe, insbesondere ein bidirektional orientiertes Aramidfasergewebe.
Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
[0007] Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsvorrichtung für Tragstrukturen, die eine Lamellenstruktur aufweist, welche in eine Verankerungsvorrichtung mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenstruktur aus einer Mehrzahl von separaten oder separierbaren Einzelschichten besteht, zwischen denen Einlageschichten angeordnet sind. Ausserdem werden Verfahren zur Herstellung einer solchen Verstärkungsvorrichtung sowie Verfahren zur Sanierung und/oder Verstärkung von Bauwerken auf der Basis einer derartigen Verstärkungsvorrichtung bereitgestellt. Vorzugsweise weist die Lamellenstruktur als Einzelschichten Carbonfaserverstärkte Kunststofflamellen (CFK) auf, die in eine thermoplastische Matrix eingebettet sind. Bevorzugt basieren die Einzelschichten der Lamellenstruktur auf einem thermoplastischen Gebrauchskunststoff und weisen als Einlageschichten vorzugsweise zusätzlich dazwischen angeordnete Gewebeeinlagen oder Metallplatten auf, und zwar besonders bevorzugt ein bidirektional orientiertes Gewebe, insbesondere ein bidirektional orientiertes Aramidfasergewebe.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0008] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkungsvorrichtung für Tragstrukturen, die eine Lamellenstruktur aufweist, welche in eine Verankerungsvorrichtung mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenstruktur aus einer Mehrzahl von separaten oder separierbaren Einzelschichten besteht, zwischen denen Einlageschichten angeordnet sind. Bevorzugt münden bei einer solchen Verstärkungsvorrichtung jeweils beide Enden der Lamellenstruktur in eine Verankerungsvorrichtung. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weist eine solche Verstärkungsvorrichtung eine Lamellenstruktur auf, die als Einzelschichten Carbonfaserverstärkte Kunststofflamellen (CFK) aufweist. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einzelschichten der Verstärkungsvorrichtung in eine thermoplastische Matrix eingebettet. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform basieren die Einzelschichten der Lamellenstruktur einer derartigen Verstärkungsvorrichtung auf einem thermoplastischen Gebrauchskunststoff. Gemäss einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Verstärkungsvorrichtung sind zwischen den Einzelschichten der Lamellenstruktur als Einlageschichten zusätzlich Gewebeeinlagen oder Metallplatten angeordnet, wobei vorzugsweise ein bidirektional orientiertes Gewebe als Einlageschicht angeordnet ist, insbesondere ein bidirektional orientiertes Aramidfasergewebe . Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Verstärkungsvorrichtung handelt es sich bei der Verankerungsvorrichtung um eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei von zu einem das Lamellenende räumlich umschliessenden Hohlkörper verbundenen Hohlkörpersegmenten. Diese Hohlkörpersegemente können mit Hilfe von durch die gesamte Lamellendicke geführten Zylinderrbohrungen verbunden werden, vorzugsweise verschraubt. Dabei hat die Verwendung eines thermoplastischen Materials den zusätzlichen, erheblichen Vorteil, dass ein beheizbares Instrument verwendet werden kann, um sehr gezielte und sorgfältig angesetzte Öffnungen im Material zu erzeugen, derart dass die eingebetteten Carbonfasern dem Instrument ausweichen können und daher durch die Bohrung in keiner Weise beschädigt werden, was sich entsprechend vorteilhaft auf die Stabilität und somit insbesondere axiale Belastbarkeit der gesamten Verstärkungsvorrichtung auswirkt.
[0009] In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei einer derartigen Verankerungsvorrichtung um mindestens einen axial justierbaren Zylinder, besonders bevorzugt um mindestens einen axial drehbar gelagerten Zylinder aus Stahl oder insbesondere faserverstärkten Kunststoff, der mit einer Stellschraube versehen sein kann. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Verankerungsvorrichtung um einen Spannkopf, der vorzugsweise mit Hilfe einer axial geführten Gewindestange justierbar und arretierbar ist.
[0010] Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer vorstehend beschriebenen Verstärkungsvorrichtung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es folgende Schritte (a) bis (d) aufweist:
(a) Aufspleissen von üblichen Lamellen zu einer Mehrzahl von Einzelschichten in an sich bekannter Weise;
(b) Einlegen einer Mehrzahl von Einlageschichten zwischen die nach (a) hergestellten Einzelschichten;
(c) Verschmelzen der Lamellenstruktur zu einem sandwichartigen Paket, vorzugsweise durch Einwirkung von Hitze und/oder Druck;
(d) Anbringen der Verankerungsvorrichtung, vorzugsweise mit Hilfe einer geeigneten Klemmvorrichtung.
[0011] Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist ein erfindungsgemässes Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte (a) bis (c) aufweist:
(a) Kombination einer Mehrzahl üblicher Einzelschichten einer üblichen Lamellenstruktur mit einer Mehrzahl von Einlageschichten zu einer vorzugsweise alternierend angeordneten Lamellenstruktur in an sich bekannter Weise;
(b) Verschmelzen der Lamellenstruktur zu einem sandwichartigen Paket, vorzugsweise durch Einwirkung von Hitze und/oder Druck;
(c) Anbringen der Verankerungsvorrichtung, vorzugsweise mit Hilfe einer geeigneten Klemmvorrichtung.
[0012] Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es Verfahren zusätzlich einen Schritt aufweist, im Rahmen dessen der Querschnitt der Lamellenstruktur im Bereich der Verbindung mit der Verankerungsvorrichtung vergrössert wird, indem zusätzliche Einzelschichten und/oder Einlageschichten vorzugsweise alternierend auf die Lamellenstruktur aufgebracht werden.
[0013] Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils beide Enden der Lamellenstruktur in eine Verankerungsvorrichtung münden.
[0014] Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenstruktur als Einzelschichten Carbonfaserverstärkte Kunststofflamellen (CFK) aufweist.
[0015] Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelschichten der Lamellenstruktur in eine thermoplastische Matrix eingebettet sind.
[0016] Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelschichten der Lamellenstruktur auf einem thermoplastischen Gebrauchskunststoff basieren.
[0017] Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Einzelschichten der Lamellenstruktur als Einlageschichten zusätzlich Gewebeeinlagen oder Metallplatten angeordnet sind, vorzugsweise ein bidirektional orientiertes Gewebe, insbesondere ein bidirektional orientiertes Aramidfasergewebe.
[0018] Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verankerungsvorrichtung um eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei von zu einem das Lamellenende räumlich umschliessenden Hohlkörper verbundenen Hohlkörpersegmenten handelt.
[0019] Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verankerungsvorrichtung um mindestens einen axial justierbaren Zylinder, vorzugsweise mindestens einen axial drehbar gelagerten Stahlzylinder mit Stellschraube handelt.
[0020] Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines solchen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verankerungsvorrichtung um einen Spannkopf handelt, der vorzugsweise mit Hilfe einer axial geführten Gewindestange justierbar und arretierbar ist.
[0021] Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Verstärkung und/oder Sanierung von Bauwerken, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man im Rahmen dieses Verfahrens mindestens eines der tragenden Konstruktionselemente dieses Bauwerkes mit einer oben beschriebenen Verstärkungsvorrichtung ausstattet.
[0022] Schliesslich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Verstärkungsvorrichtung wie vorstehend beschrieben zur Verstärkung und/oder Sanierung von Bauwerken, vorzugsweise tragenden Konstruktionselementen auf Betonbasis, insbesondere zur Verstärkung von Brückenkonstruktionen.
[0023] Im folgenden Textabschnitt werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die in den Figuren 1 bis 3 offenbarten, typischen Ausführungsbeispiele näher beschrieben:
Ausführungsbeispiele
[0024] Die Figur 1 zeigt ein Beispiele für eine erfindungsgemässe Verstärkungsvorrichtung und illustriert gleichzeitig das Herstellungsverfahren, wobei im oberen Figurenbereich eine Längsschnittansicht und darunter eine Querschnittsansicht gezeigt wird. Diese Ausführungsform der Verstärkungsvorrichtung kann vorzugsweise wie folgt gemäss den Verfahrensschritten 1. bis 5. hergestellt werden (anstelle der Gewebeeinlagen (1) können auch ersatzweise Metallplatten verwendet werden):
1. Aufteilen der Lamelle in der Dicke zur Vergrösserung der Oberfläche (in z.B. 2-7 Teile):
a) Aufspleissen von handelsüblichen Lamellen:
- die Lamelle kann beispielsweise mittels eines erhitzten Schneidwerkzeuges (z.B. Messer, heisser Draht) in die gewünschte Anzahl Teillamellen in der Dicke aufgeteilt werden. Dieser Prozess ist faserschonender als der bereits bekannte Prozess des Aufspleissens von Duroplast-Lamellen (siehe Offenbarung der WO 00/50706).
- Die Fasern der Lamellenenden können durch erhitzen von der Matrix freigelegt werden. Danach können die Fasern in gewünschter Form ausgelegt und in einem Spannkopf verschmolzen werden.
b) Eine alternative Herstellungsmethode funktioniert wie folgt:
- Eine Lamelle wird aus mehreren dünnen Lagen (sogenannte Tapes) zusammengesetzt. Diese einzelnen dünnen Tapes werden unter Hitze und Druck miteinander zu einer einzigen Lamelle verpresst. Einlegen von Trennfolien beim Herstellungsprozess in den Verankerungsbereichen (keinen Verbund der einzelnen Tapes in den gewünschten Bereichen).
- Zuerst Herstellung des Verankerungskopfes aus den Tapes, erst danach verschweissen der Tapes auf der freien Länge zu einer Lamelle.
- Die Lamelle wird, vorzugsweise über ihre gesamte Dicke, zwischen den Tapes mit bidirektionalem Gewebe (siehe Schritt 2.) versehen.
2. Einlegen von bidirektionalem Gewebe (vorzugsweise Aramidgewebe mit Orientierung von +/- 45°) mit thermoplastischer Matrix. Es wird in jeder 1. entstandenen Trennschicht ein Gewebe eingelegt.
3. Zusätzlich kann gegebenenfalls der Querschnitt im Verankerungsbereich vergrössert werden, indem abwechslungsweise ein Gewebe und ein dünnes (ca. 0.2mm) dickes Lamellentape aussen aufgeklebt werden.
4. Die so erhaltene, sandwichartige Lamellenstruktur wird unter Einwirkung von Hitze und Druck zu einem Paket verschmolzen. Dieser Vorgang muss unter Umständen in mehreren Stufen erfolgen (je Einzelschicht).
5. Im Übergang zwischen Lamelle und Kopf können Querzugkräfte infolge sich der Querschnittsänderung entstehen. Diese können vorzugsweise mittels einer geeigneten Vorrichtung (z.B. Stahl-/ oder Kohlefaserprofil) mit Hilfe von Schrauben zusammengeklemmt werden (3).
[0025] Die Figur 2 gibt mögliche weitere Varianten der Endverankerung einer erfindungsgemässen Verstärkungsvorrichtung in der Verankerungsvorrichtung wieder, wobei im linken Figurenbereich eine Längsschnittansicht und im rechten Figurenbereich eine Querschnittsansicht dargestellt ist.
[0026] Die Literaturstelle EP 1 000 208 B1 (= WO 99/06651) offenbart die gattungsgemässe Ausführungsform der im Rahmen von Figur 2 wiedergegebenen Zick-Zack Form des Lamellenendes. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Zick-Zack förmige Lamellenende zusätzlich so abgebogen, dass durch die somit bewirkte Variation der Lamellenradien in der Verankerungsvorrichtung ein spannungsangepasster Biegeradius realisiert wird, was die Gefahr des vorstehend diskutierten Auftretens von "Sollbruchstellen" im Mündungsbereich der Verankerungsvorrichtung zusätzlich reduziert.)
[0027] Mögliche Herstellungsmethoden für diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung können wie folgt beschrieben werden, wobei die Verankerungsteile aus einem üblichen Gebrauchskunststoff oder aus Metall sein können:
1. Zick-Zack - Form:
a) Zunächst wird die Zick-Zack Form des Lamellenendstückes hergestellt (z.B. durch Erhitzen und Verpressen in einer geeigneten Form), gefolgt vom nachträglichen Einpassen in eine geeignete Positiv- und Negativform.
b) Einpressen des Endes in eine erhitzte Positiv-Negativ Form, welche die Lamelle in die gewünschte Zick-Zack Form bringt. Diese Form wird dann als Verankerungsteil an der Lamelle belassen.
2. Befestigen der Form am Zick-Zack Lamellenendstück:
Die Ummantelungsform (aus einem üblichen Gebrauchskunststoff oder Metall) kann am Rand verklebt (B1), verschraubt (B2), oder vollflächig umschnürt (B3, z.B. mit Aramid-, Glas-, oder vorzugsweise Kohlefasern) ausgeführt werden.
[0028] Gemäss einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform kann die Verankerungsvorrichtung einer wie vorstehend beschriebenen Verstärkungsvorrichtung auf einem Stahlzylinder basieren, wie schematisch in Figur 3 wiedergegeben (im oberen Bereich ist eine Längsschnittansicht und darunter eine Draufsicht dargestellt).
[0029] Mögliche Herstellungsmethoden für diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung können wie folgt beschrieben werden
1. Damit die Lamelle auf einen so kleinen Radius gewickelt werden kann, muss sie aufgespalten werden (oder aufgespalten worden sein). Dies kann analog zur Ausführungsform gemäss Figur 1 (Aufteilen der Lamellendicke zur Vergrösserung der Oberfläche) erfolgen (siehe oben).
2. Aufwickeln der Lamellenstruktur auf einen Zylinder aus Stahl oder vorzugsweise faserverstärkten Kunststoff. Die verschiedenen Einzelschichten der Lamellenstruktur können zur Befestigung durch einen Schlitz geführt werden oder mechanisch (mittels Querriegel und Schrauben) gehalten werden. Der Spannungsabbau erfolgt durch die Haftreibung zwischen Zylinder und CFK-Lamelle. Es sollte deshalb die Oberfläche des Zylinders vorzugsweise möglichst rauh gewählt werden.
3. Durch Erwärmen des Kopfes entsteht ein kompaktes Bauteil.
(a) Aufspleissen von üblichen Lamellen zu einer Mehrzahl von Einzelschichten in an sich bekannter Weise;
(b) Einlegen einer Mehrzahl von Einlageschichten zwischen die nach (a) hergestellten Einzelschichten;
(c) Verschmelzen der Lamellenstruktur zu einem sandwichartigen Paket, vorzugsweise durch Einwirkung von Hitze und/oder Druck;
(d) Anbringen der Verankerungsvorrichtung, vorzugsweise mit Hilfe einer geeigneten Klemmvorrichtung.
(a) Kombination einer Mehrzahl üblicher Einzelschichten einer üblichen Lamellenstruktur mit einer Mehrzahl von Einlageschichten zu einer vorzugsweise alternierend angeordneten Lamellenstruktur in an sich bekannter Weise;
(b) Verschmelzen der Lamellenstruktur zu einem sandwichartigen Paket, vorzugsweise durch Einwirkung von Hitze und/oder Druck;
(c) Anbringen der Verankerungsvorrichtung, vorzugsweise mit Hilfe einer geeigneten Klemmvorrichtung.