CH706824B1 - Verankerungssystem für einen Traggrund im Bauwesen, sowie Verfahren zum Anbringen und Vorspannen eines Ankerstabes. - Google Patents

Abstract

Das Verankerungssystem ist geeignet für Fels und Beton (2) und jeglichen festen Traggrund. Der Ankerstab (4) aus zum Beispiel einer Gewindestange aus einer Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA für Shape Memory Alloy (engl.) genannt, wird in der Ankerbohrung (3) mit einer Füllmasse (5) als Verankerungsmedium festgehalten. Zur Verfüllung der Ankerbohrung (3) zwischen Ankerstab (4) und Wandung der Ankerbohrung (3) wird eine hitzebeständige Füllmasse (5) aus einer Polymerverbindung auf Zweikomponenten-Basis oder einer solchen auf zementöser Basis verwendet. Dann wird der Ankerstab (4) durch Wärmeeinbringung von aussen über seinen aus der Füllmasse herausragenden Stummel auf seine austenite Phase erhitzt, was den Ankerstab (4) vorspannt. Schliesslich wird der Ankerstab (4) nach Abkühlung der Füllmasse (5) auf Aussentemperatur abgekühlt. Eine Widerlagerplatte (10) liegt auf der Aussenwand (1) um die Mündung der Ankerbohrung (3) auf und wird mit dem Ankerstab (4) verspannt.

Description

[0001] Diese Erfindung betrifft ein Verankerungssystem zum Einsatz in einem für einen Anker geeigneten Traggrund. Das Verankerungssystem ist auch dazu geeignet, Fels- und Betonanker zu setzen, wie solche in der Bauindustrie für viele Vorhaben unabdingbar sind, und ausserdem betrifft die Erfindung das Verfahren zum Anbringen und Vorspannen eines Ankerstabes und zur Umsetzung dieses Verankerungssystems.

[0002] Beim Erstellen eines Bauwerkes oder beim Sanieren eines bereits erstellten Bauwerks werden oftmals Anker zur Stabilisierung und Sicherung in einen bestehenden Traggrund gesetzt. Der Traggrund kann von beliebiger Gestalt sein, solange er geeignet ist, einem Anker Widerstandskraft zu bieten, sodass sich also der Anker im Traggrund verkrallen oder haften kann. Der Traggrund kann daher etwa ein natürlicher Traggrund wie zum Beispiel Fels oder Eis, oder ein künstlich erstellter Traggrund aus Beton, Stahlbeton, Holz oder einem anderen Material sein.

[0003] Bisher werden für die Sanierung von Baustrukturen, deren Lastaufnahme-Kapazitäten sich erniedrigten, oder solchen, die dem Risiko einer wesentlichen Deformation infolge von unvermittelt steigenden Lasten ausgesetzt sind, vor allem äussere mechanische Spannungselemente eingesetzt, die mechanisch oder hydraulisch vorgespannt werden. Im Zusammenhang mit dem Anbringen solcher Spannungselemente spielen die Anker eine grosse Rolle. Sollen Ankerstäbe in einem in das Bauwerk eingebrachten Loch hohe Lasten aufnehmen, so ist die Kraftübertragung vom Bauwerk auf den Ankerstab von entscheidender Bedeutung. Gebräuchliche Systeme setzen Stahlstangen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen wie beispielsweise Gewinde, gerippte oder andere Strukturen als Ankerstäbe ein, und diese werden mittels einer Füllmasse im Ankerloch mit dem Traggrund kraftschlüssig verklebt. Die Füllmasse besteht vorzugsweise aus Polymerverbindungen auf Zweikomponenten-Basis oder solchen auf zementöser Basis. Die Füllmasse wird injiziert oder als Zweikomponenten-Patrone in das Bohrloch eingelegt. Nach Aushärtung der Füllmasse ist der Anker belastbar.

[0004] Bei vielen Bauwerken mit weit auskragenden Betondecken werden dieselben randständig und auch durch Säulen abgestützt, etwa bei Tiefgaragen. Die Ansatzstellen bei den Säulen sind besonders belastet, und es droht dort ein «Durchstanzeffekt» bei Überbelastung. Zur Verhinderung dieses Effektes werden Durchstanzbewehrungen in die Betonabdeckung eingebaut. Bei einigen Bauwerken sind diese Durchstanzbewehrungen zu wenig stark ausgeführt oder fehlen überhaupt, und sie sollten entsprechend saniert werden. Hierzu werden ebenfalls Anker im Bereich der Säulenabstützungen nachträglich eingebaut, wozu zylindrische Bohrungen in den Beton eingebracht werden. Die eingelassenen Anker in Form von Stahlstangen werden hernach mittels eines Injektionsmörtels oder Klebstoffes, zum Beispiel mittels eines Epoxyharzes, im Loch verklebt und mittels einer Gewindemutter und Widerlagerplatte von der Abdeckungsseite her vorgespannt.

[0005] Das Einkleben der Stahlstangen ist allerdings anfällig für Fehler. Grössere oder kleinere Lufteinschlüsse in der verankernden Masse können nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden. Ein weiterer Nachteil dieses Verankerns liegt darin, dass der Anker-verstärkte Bereich der Abdeckung sich weitgehend einer wärmebedingten Verformung starr widersetzt, womit bei hoher Wärmebelastung die Gefahr besteht, dass Spannungsrisse und entsprechende Abdeckungsbrüche sich von den Säulenbereichen in die freitragenden Abdeckungsbereiche verlagern. Aufgrund der entlang der Ankerstabes verteilten Verankerungsverklebung ist ein Spannen des Ankerstabes, etwa durch Anziehen einer widergelagerten Mutter an einem Endgewinde des Ankerstabes nach dem Aushärten der Klebemasse nicht mehr möglich.

[0006] Alternative Verankerungssysteme arbeiten mit einer Endverankerung. Zum Beispiel zeigt die WO 2009/027 543 ein solches Endverankerungssystem. Am Ende des erstellten Sackloches wird eine Kavität ausgeräumt, in welche nach dem Setzen des Ankers ein Epoxyharz als Verankerungsmedium unter Druck eingepumpt wird. Dabei sichert ein verbleibender Zwischenraum zwischen der Wandung der Sackbohrung und dem Ankerstab die Entlüftung des sich füllenden Raumes der Aufweitungskavität, die mit einer strukturierten Oberfläche ausgebildet wird, etwa mit umlaufenden Rillen für eine besonders gute Verkrallung. Des Weiteren sind Anker mit mechanischen Widerhaken in ihrem Endbereich bekannt. Alle Endverankerungen aber weisen den Nachteil auf, dass die Länge des Ankerstabes nicht für eine Kraftübertragung auf den Beton genutzt wird, sondern der Anker eben nur in seinem Endbereich Kraft überträgt.

[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verankerungssystem und ein Verfahren zum Anbringen eines Ankerstabs anzugeben, bei welchem die Kraftübertragung des Stahlankers in den Traggrund über die gesamte Verankerungslänge erfolgt. Das Verfahren zur Applikation soll nach Aushärtung der Füllmasse eine lineare Vorspannung des Ankers über seine gesamte Länge ermöglichen.

[0008] Diese Aufgabe wird gelöst von einem Verankerungssystem für feste Traggründe, mit einer Ankerbohrung im Traggrund und in der Ankerbohrung eingemörteltem oder in einer Füllmasse steckendem Ankerstab, das sich dadurch auszeichnet, dass der Ankerstab aus einer Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA für Shape Memory Alloy (engl.) genannt, von polymorpher und polykristalliner Struktur besteht, welche durch Erhöhung ihrer Temperatur aus ihrem martensiten Zustand auf ihren austeniten Zustand bringbar ist, sodass sie in einen vorgespannten Zustand übergeht, in welchem der Ankerstab in seiner Einmörtelung oder in der Füllmasse in vorgespannt und somit fest verankert ist.

[0009] Die Aufgabe wird weiter gelöst durch das Verfahren zum Anbringen und Vorspannen eines Ankerstabes in einem festen Traggrund zur Umsetzung des Verankerungssystems nach vorgenanntem Anspruch, das sich dadurch auszeichnet, dass <tb>a)<SEP>eine Ankerbohrung im zu verstärkenden Traggrund erstellt wird, <tb>b)<SEP>ein Ankerstab aus einer Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA genannt, in Form einer Stange mit rauer Oberflächenstruktur in die Ankerbohrung gesetzt wird, <tb>c)<SEP>der Raum zwischen Ankerstab und Wandung der Ankerbohrung vollständig mit einer hitzebeständigen Füllmasse verfüllt wird, <tb>d)<SEP>der Ankerstab aus Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA genannt, nach Aushärtung der Füllmasse von seinem aus der Füllmasse herausragenden Stummel her durch Wärmeeinbringung auf die Temperatur seiner austeniten Phase erhitzt wird, sodass er infolge der verhinderten Kontraktion eine lineare Vorspannung innerhalb der Füllmasse erzeugt.

[0010] Anhand der Zeichnungen wird das Verankerungssystem vorgestellt und in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben, und seine Funktion und Wirkung wird erklärt. Ausserdem wird das Verfahren zum Anbringen und Vorspannen eines Ankerstabs beschrieben und erklärt.

Es zeigt:

[0011] <tb>Fig. 1 :<SEP>ein vorbereitetes Ankerloch; <tb>Fig. 2 :<SEP>ein Ankerloch mit eingesetztem Ankerstab vor der Verfüllung des Ankerlochs; <tb>Fig. 3 :<SEP>ein Ankerloch mit eingesetztem Ankerstab und Verfüllung des freibleibenden Raumes mit dem Verankerungsmedium, beim Einbringen von Wärme in den Gewindestab; <tb>Fig. 4 :<SEP>den fertig gesetzten und vorgespannten Anker.

[0012] Zunächst muss das Wesen von Formgedächtnis-Legierungen [engl. Shape Memory Alloy (SMA)] verstanden werden. Es handelt sich um Legierungen, die eine bestimmte Struktur aufweisen, die wärmeabhängig veränderbar ist, jedoch nach Wärmeabfuhr wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehrt. Wie andere Metalle und Legierungen, enthalten SMAs mehr als eine Kristallstruktur, sind also polymorph und somit polykristalline Metalle. Die dominierende Kristallstruktur der SMAs hängt einerseits von ihrer Temperatur ab, andrerseits von der von aussen wirkenden Spannung – sei es Zug oder Druck. Die Phase auf hoher Temperatur heisst austenit, jene auf der tiefen Temperatur martensit. Das Besondere an diesen SMAs ist, dass sie ihre initiale Struktur und Form nach Erhöhen der Temperatur in die hohe Temperaturphase wieder annehmen, auch wenn sie zuvor in der tiefen Temperaturphase deformiert wurden. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um Vorspannkräfte in Baustrukturen zu applizieren.

[0013] Wenn keine Wärme künstlich in das SMA eingebracht oder aus ihm abgeführt wird, so befindet es sich auf der Umgebungstemperatur. Die SMAs sind innerhalb eines artspezifischen Temperaturbereichs stabil, das heisst, ihre Struktur ändert sich innerhalb von gewissen Grenzen der mechanischen Belastung nicht. Für Anwendungen in der Baubranche im Aussenbereich wird der Schwankungsbereich der Umgebungstemperatur von –20 °C bis +60 °C vorausgesetzt. Innerhalb dieses Temperaturbandes sollte also ein SMA, das hier zum Einsatz kommt, seine Struktur nicht verändern. Die Transformations-Temperaturen, bei denen sich die Struktur des SMAs ändert, kann je nach Zusammensetzung der SMAs beträchtlich variieren. Die Transformationstemperaturen sind auch lastabhängig. Mit steigender mechanischer Belastung der SMA steigen auch seine Transformationstemperaturen. Wenn das SMA innerhalb gewisser Belastungsgrenzen stabil bleiben soll, so ist diesen Grenzen grosse Beachtung zu schenken. Werden SMAs für Bauverstärkungen eingesetzt, so muss nebst der Korrosionsbeständigkeit und Relaxationseffekte auch die Ermüdungsqualität der SMAs berücksichtigt werden, besonders wenn die Lasten über die Zeit variieren. Dabei unterscheidet man zwischen der strukturellen Ermüdung und der funktionellen Ermüdung. Die strukturelle Ermüdung betrifft die Akkumulation von mikrostrukturellen Defekten wie auch die Formation und die Ausbreitung von Oberflächen-Rissen, bis das Material letztendlich bricht. Die funktionelle Ermüdung hingegen ist die Folge der graduellen Degradation entweder des Formgedächtnis-Effektes oder der Dämpfungskapazität durch auftretende mikrostrukturelle Veränderungen im SMA. Das Letztere ist verbunden mit der Modifikation der Spannungs-Dehnungs-Kurve unter zyklischer Belastung. Die Transformations-Temperaturen werden dabei ebenfalls verändert.

[0014] Für das Aufnehmen von dauerhaften Lasten im Bausektor eignen sich SMAs auf der Basis von Eisen Fe, Mangan Mn und Silizium Si, wobei die Zugabe von bis zu 10% Chrom Cr und Nickel Ni das SMA zu einem ähnlichen Korrosionsverhalten bringt wie rostfreier Stahl. In der Literatur findet man, dass die Zugabe von Kohlenstoff C, Kobalt Co, Kupfer Cu, Stickstoff N, Niobium Nb, Niobium-Karbid NbC, Vanadium-Stickstoff VN und Zirkonium-Karbid ZrC die Formgedächtnis-Eigenschaften in verschiedener Weise zu verbessern vermögen. Besonders gute Eigenschaften zeigt ein SMA aus Fe-Ni-Co-Ti, welches Lasten bis zu 1000 MPa aufnimmt, hoch resistent gegen Korrosion ist, und dessen obere Temperatur zur Überführung in den austeniten Zustand ca. 100 °C beträgt.

[0015] Das vorliegende Verankerungssystem macht sich die Eigenschaften von SMAs zunutze. Die Anker in Form von Rundstählen mit rauen Oberflächen, zum Beispiel mit Gewindeoberflächen, werden in die Ankerbohrungen eingesetzt und die Ankerbohrungen mit einer hitzebeständige Polymer-Masse verfüllt, wodurch die Anker darin verankert werden. Als Besonderheit bestehen die Ankerstäbe aus einer Formgedächtnis-Legierung (SMA), welche so ausgelegt ist, dass durch Wärmeeintrag die Legierung in ihren Ursprungszustand zurückkehrt, das heisst in einen kontrahierten Zustand. Werden die Ankerstäbe also auf die Temperatur für den austeniten Zustand erhitzt, so nehmen sie ihre ursprüngliche Form an und behalten diese bei, auch unter Last. Der erzielte Effekt ist, dass die in die hitzebeständige Füllmasse eingegossenen Ankerstäbe nach Erhitzung infolge der durch die Einbetonierung verhinderten Rückformung ihrer Formgedächtnis-Legierung (SMA) eine Vorspannung erzeugen, wobei sich diese Vorspannung gleichmässig bzw. linear über die gesamte Länge der Anker erstreckt. Die ausgehärtete Füllmasse gewährleistet, dass der Anker in der Ankerbohrung mit sehr hohen dauerhaften Klebkräften verankert ist.

[0016] Für das praktische Anbringen und Vorspannen eines solchen Ankers wird daher wie folgt vorgegangen: Zunächst wird von der Aussenwand 1 der Baustruktur aus eine Ankerbohrung 3 im Beton 2 oder Fels erstellt, wie in Fig. 1 dargestellt. Dann wird ein Anker 4 in Form einer Stahlstange aus einer Formgedächtnis-Legierung (SMA) mit rauer Oberflächenstruktur in die Ankerbohrung 3 eingesetzt, sodass diese in der Bohrung möglichst koaxial verläuft, wie das in Fig. 2 gezeigt ist. Eine Gewindestange eignet sich besonders wegen ihrer spezifischen Oberflächenstruktur als Ankerstab, wobei die Oberfläche eines Ankerstabes aber auch irgendwelche anders geformten Noppen oder Rippen aufweisen kann. Dann wird der Raum zwischen diesem Ankerstab 4 und der Wandung der Ankerbohrung 3 vollständig mit einer hitzebeständigen Füllmasse 5 verfüllt, vorteilhaft mit einer hitzebeständigen Polymermatrix. Dieser Zustand ist in Fig. 3 gezeigt. Der Ankerstab ist jetzt fest in die ausgehärtete Füllmasse eingemörtelt. Im nächsten Schritt wird der Ankerstab 4 durch Wärmeeinbringung von seinem äusseren, aus der Ankerbohrung herausragenden Stummel her auf eine Temperatur zwischen 150 °C und 300 °C erhitzt. Das kann im einfachsten Fall mittels eines Gasbrenners erfolgen, indem dessen Flamme auf den aus der Ankerbohrung 3 herausragenden Stummel der Ankerstange 4 gerichtet wird. Vorteilhafter aber wird ein elektrisch oder mittels Gas betriebenes Heizgerät 7 aussen um den aus der Gebäudestruktur herausragenden Ankerstab 4 angelegt, und Wärme H wird von demselben kontrolliert in den Ankerstab 4 eingeleitet. Die Pfeile im Heizgerät 7 deuten den Wärmefluss vom Gerät in den Ankerstab 4 an. Die nötige Temperatur soll 150° bis 300 °C betragen, je nach der eingesetzten Formgedächtnis-Legierung (SMA) des Ankerstabs 4. Das Heizgerät 7 mit elektrischem Kabel 8 kann hierzu einen Temperaturfühler aufweisen, welcher auf dem herausragenden Ankerstab 4 anliegt und dessen Temperatur misst. Die Temperatur muss einfach sicherstellen, dass der Austenit-Zustand des Ankerstabs 4 über seine ganze Länge sicher erreicht wird. Es wird eine Zeitlang dauern, bis die Wärme H bis zuhinterst in das Ende des Ankerstabs 4 geflossen ist. Der Ankerstab 4 erwärmt auch die anliegende Füllmasse, weswegen diese hitzebeständig sein muss und wenigstens die erreichten Temperaturen von zwischen 150° bis 300° C unbeschadet aushalten muss, ohne ihre Struktur zu verändern.

[0017] Nach Abkühlung der Füllmasse 5 auf die Aussentemperatur bleibt der nun innerhalb seiner Verankerung vorgespannte Ankerstab 4 dank seiner Materialeigenschaft dauerhaft weiter vorgespannt, auf einem Zug von 200 bis 500 Mega-Pascal (1 MPa = 10<6>N/m<2>). Er kann mittels einer Gewindemutter 9 und einer Widerlagerplatte 10, welche auf die Aussenwand 1 um die Ankerbohrung 3 gelegt wird, auf dieselbe einwirken. Solchermassen befestigte Ankerstäbe 4 sind aber in jedem Fall über ihre gesamte Länge gleichmässig gespannt.

Claims (9)

1. Verankerungssystem für feste Traggründe, mit einer Ankerbohrung (3) im Traggrund und in der Ankerbohrung (3) eingemörteltem oder in einer Füllmasse steckendem Ankerstab (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstab (4) aus einer Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA für Shape Memory Alloy genannt, von polymorpher und polykristalliner Struktur besteht, welche durch Erhöhung ihrer Temperatur aus ihrem martensiten Zustand auf ihren austeniten Zustand bringbar ist, sodass sie in einen vorgespannten Zustand übergeht, in welchem der Ankerstab (4) in seiner Einmörtelung oder in der Füllmasse vorgespannt und somit fest verankert ist.

2. Verankerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstab (4) aus einer Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA genannt, aus Eisen Fe, Mangan Mn und Silizium Si, mit einer Zugabe von bis zu 10% Chrom Cr und Nickel Ni besteht.

3. Verankerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstab (4) aus einer Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA genannt, aus Eisen Fe, Nickel Ni, Cobalt Co und Titanium Ti besteht, welche Lasten bis zu 1000 MPa aufnimmt und resistent gegen Korrosion ist, und die einen Übergang in die austenite Phase bei ca. 100 °C aufweist.

4. Verankerungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstab (4) aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht, die zusätzlich zu den angegebenen Stoffen versetzt ist mit einem oder mehreren der folgenden Elemente: Kohlenstoff C, Kobalt Co, Kupfer Cu, Stickstoff N, Niobium Nb, Niobium-Karbid NbC, Vanadium-Stickstoff VN und Zirkonium-Karbid ZrC.

5. Verankerungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstab (4) aussen die Form eines Gewindestabes aufweist.

6. Verankerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Ankerstabs (4) mit unterschiedlich ausgerichteten Rippen ausgeformt ist.

7. Verfahren zum Anbringen und Vorspannen eines Ankerstabes in einem festen Traggrund zur Umsetzung des Verankerungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Ankerbohrung (3) im zu verstärkenden Traggrund (2) erstellt wird, b) ein Ankerstab (4) aus einer Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA genannt, in Form einer Stange mit rauer Oberflächenstruktur in die Ankerbohrung (3) gesetzt wird, c) der Raum zwischen Ankerstab (4) und Wandung der Ankerbohrung (3) vollständig mit einer hitzebeständigen Füllmasse (5) verfüllt wird, d) der Ankerstab (4) aus Formgedächtnis-Legierung, abgekürzt SMA genannt, nach Aushärtung der Füllmasse (5) von seinem aus der Füllmasse herausragenden Stummel her durch Wärmeeinbringung auf die Temperatur seiner austeniten Phase erhitzt wird, sodass er infolge der verhinderten Kontraktion eine lineare Vorspannung innerhalb der Füllmasse (5) erzeugt.

8. Verfahren zum Anbringen und Vorspannen eines Ankerstabes in einem festen Traggrund nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass c) die hitzebeständige Füllmasse (5) aus einer Polymerverbindung auf Zweikomponenten-Basis oder einer solchen auf zementöser Basis besteht, und d) dass die Überführung in die austenite Phase bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 300 °C erfolgt, und dass die erzeugte lineare Vorspannung zwischen 200 bis 500 Mega-Pascal liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Vorspannung des Ankerstabes (4) in der Füllmasse (5) eine Widerlagerplatte (10) auf den Bereich um die Mündung der Ankerbohrung (3) aufgelegt wird und mit dem Ankerstab (4) verspannt wird.