CH716796A2 - Verfahren zum Erstellen von mit Profilen aus superelastischen Formgedächtnislegierungen verstärkten Betonbauwerken sowie Betonbauwerk mit solchen Profilen. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen von neuen Betonbauwerken (1) oder für den Retrofit, indem Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung in eine Oberfläche ausgeformt sind, mit der sie kraft Verkrallung und/oder Verzahnung mit einem anliegenden gehärteten Belag (7) oder Bausubstanz in Wirkverbindung treten können, wobei die superelastische Formgedächtnislegierung bei spontanem Auftreten der induzierten mechanischen Spannung und anschliessender Entlastung über eine kristalline Umformung ausschliesslich durch besagte Spannung und Entlastung zwischen austenitischer und martensitischer Phase wechseln kann, und die Profile (5) im oder am Betonbauwerk (1) angeordnet werden und anschliessend ein Belag (7) oder Bausubstanz die Profile (5) einschliessend aufgetragen oder verfüllt wird, sodass über die Wirkverbindung der Profiloberfläche mit dem anschliessend gehärteten Belag (7) oder Bausubstanz Kräfte vom Betonbauwerk (1) aufnehmbar und/oder an dasselbe abgebbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein so hergestelltes oder nachgerüstetes Betonbauwerk (1).

Description

[0001] Traditionell werden Betonbauten mit Armierungsstählen verstärkt bzw. vorgespannt. Diese weisen gerippte Oberflächen auf, um eine gute Verzahnung mit dem Beton, mit dem sie umgossen werden, zu erzeugen. Diese Armierungsstähle liegen schlaff im Beton und sind auf Zug belastbar. Sie sind die entscheidenden Elemente für die Festigkeit einer Baute, während der Beton jeweils als tragendes Stützelement für Druck-, Schub- und in verminderten Masse auch Zugkräfte wirkt, und eine Schutzfunktion für den Armierungsstahl übernimmt. Solche Konstruktionen sind aber starre Strukturen, das heisst sie können einwirkende grosse, impulsartige oder dynamische Kräfte, wie sie etwa bei Erdbeben entstehen, nur bis zu einem gewissen bescheidenen Grad elastisch absorbieren. Vielmehr drohen die Stähle wie auch der Beton alsbald zu brechen und entsprechende Tragstrukturen stürzen ein oder werden irreparabel beschädigt.

[0002] Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen Betonstrukturen in die Lage versetzt werden, durch verschiedene Ereignisse hervorgerufene Kräfte dissipativ aufzunehmen. Solche Kräfte können zum Beispiel verursacht werden von Erdbeben, Schwingungen, Erdverschiebungen, Anprallungen, das heisst wenn zum Beispiel ein Fahrzeug auf ein Gebäude aufprallt oder wenn eine Schnee- oder Schlammlawine auf ein Gebäude auftrifft. Dissipation kommt aus dem Lateinischen und bedeutet „Zerstreuung“. Es handelt sich um einen irreversiblen Vorgang in einem dynamischen System, bei dem etwa durch Reibung die Energie einer makroskopisch gerichteten Bewegung, die in andere Energieformen umwandelbar ist, in thermische Energie übergeht, d.h. in Energie einer ungeordneten Molekülbewegung, die dann nur noch teilweise umwandelbar ist. Ein solches System heisst dissipativ. Eine gedämpfte Schwingung ist somit ein dissipatives System. Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, Baustrukturen für spontan auftretende, induzierte mechanische Spannungen wie Schwingungen und seismische Belastungen fit zu machen und somit Kräfte und Kraftstösse infolge verschiedener Ereignisse wie oben erwähnt dissipativ zu absorbieren und damit die Sicherheit von Bauwerken zu erhöhen und Bauschäden zu verhindern. Des Weiteren schliesst die Aufgabe auch ein, die spezifischen technischen Merkmale der erfindungsgemässen Baustrukturen anzugeben.

[0003] Diese Aufgabe wird einerseits gelöst von einem Verfahren zum Erstellen von neuen Betonbauwerken oder für den Retrofit, das heisst für das Verstärken von bestehenden Betonbauwerken, wobei dieses Verfahren die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, und andererseits wird die Aufgabe gelöst von einem Betonbauwerk, das die Merkmale des Patentanspruchs 10 einschliesst.

[0004] Anhand der Zeichnungen wird die Aufgabe und Lösung diskutiert und es werden Beispiele für die Umsetzung des Verfahrens zur Erstellung neuer Betonstrukturen und für den Retrofit, das heisst für die Verstärkung bestehender Betonstrukturen, offenbart.

[0005] Es zeigt: Figur 1a: Ein qualitatives Diagramm der Spannung σ in Funktion der Dehnung ε eines normalen Baustahls; Figur 1b: Ein qualitatives Diagramm zur Darstellung des Einflusses der Gitterstruktur eines Materials auf die Wöhlerkurve; Figur 2: Ein qualitatives Diagramm des Verlaufs der Spannung σ in einer superelastischen Formgedächtnislegierung in Funktion der Dehnung ε, wobei Pfeile die Zunahme und anschliessende Abnahme der Dehnung ε andeuten; Figur 3a-c: Die Schritte a bis c für die Nachrüstung einer mit Baustahl armierten Betonstruktur mittels superelastischer Formgedächtnislegierungen zur Erhöhung der Dissipations-Fähigkeit dieser Betonstruktur und damit der von dieser Betonstruktur getragenen Baute; Figur 4: Die Variante des Einbaus von superelastischen Formgedächtnislegierungen in eingefräste Schlitze oder Nuten einer mit Baustahl armierten Betonstruktur, zur Erhöhung ihrer Dissipations-Fähigkeit; Figur 5: Die Variante der Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungen an einer bestehenden Betonstruktur mit Baustahl-Armierungen, zur Erhöhung der Dissipations-Fähigkeit der Baute; Figur 6: Die Variante der Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungen an neu zu erstellenden Betonstrukturen mit Baustahl-Armierungen im Innern, zur Erhöhung der Dissipations-Fähigkeit der Baute; Figur 7: Die Variante der Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungen an bestehenden, konventionell armierten Betonstützen, zur Erhöhung der Dissipations-Fähigkeit dieser Betonstützen, gezeigt anhand des Querschnitts einer solchen Betonstütze; Figur 8: Die Variante der Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungen an neu zu erstellenden Betonstützen, zur Erhöhung der Dissipations-Fähigkeit dieser Betonstützen, gezeigt anhand des Querschnitts einer solchen Betonstütze; Figur 9: Die Variante der Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungen an neu zu erstellenden Betonstützen, zur Erhöhung der Dissipations-Fähigkeit dieser Betonstützen, anhand eines axialen Längsschnittes durch die Betonstütze und ihren Fuss; Figur 10: Die Variante der Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungen an neu zu erstellenden oder bestehenden Betonstützen, zur Erhöhung deren Dissipations- und Tragfähigkeit, mittels axial verlaufender superelastischer Formlegierungen und auch rund um den Umfang verlaufender Verstärkungen.

[0006] Nach diesem Verfahren wird bei den neu zu erstellenden Betonbauwerken - anstelle oder in Kombination mit traditionellem Baustahl oder Vorspannstahl - von vorneherein mindestens ein Profil aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung mit gerippter Oberfläche oder Oberfläche in Gewinde-Form eingelegt. Alternativ wird der Beton einer zu verstärkenden, bereits bestehenden Betonstruktur auf der Aussenseite aufgeraut, und dann wird ein Profil bzw. werden Profile mit gerippter Oberfläche oder mit Gewinde-Form-Oberfläche aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung auf der aufgerauten Aussenseite des Bauwerks befestigt. Es wird hernach ein Belag aus Beschichtungsstoffen, etwa eine Beton-, Mörtel-, Putz- oder Zementschicht, auf die Bauwerk-Aussenseite aufgebracht, zur Überdeckung (Schutz- und Verbundfunktion) dieses Profils bzw. dieser Profile mit ihrer speziellen superelastischen Formgedächtnislegierung. Die so erzeugte Verstärkungsschicht erlaubt eine Kraftübertragung von der superelastischen Formgedächtnislegierung über ihre Verzahnung bzw. Verkrallung auf die Belagsschicht und von dieser weiter über deren Verzahnung bzw. Verkrallung mit der aufgerauten Aussenseite des Baukörpers auf denselben. In ähnlicher Weise kann die Kraftübertragung in einer Ausnehmung im Betonbauwerk, zum Beispiel in einem Schlitz, einer Nut oder in einem Bohrloch durch Einlegen mindestens eines Profils aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung über den Schubverbund der Belagsschicht, typischerweise einer Vermörtelung, erreicht werden. Die Profile können aber auch direkt in den Beton eingelegt sein. Ein entsprechend erstelltes oder ausgerüstetes Bauwerk zeichnet sich dadurch aus, dass dank der Profile mit gerippten Oberflächen oder mit Gewinde-Form-Oberfläche aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung bei schwingungsangeregter oder seismischer Belastung des Bauwerks kinetische Energien dissipiert werden können.

[0007] Bei einer isotherm angelegten Last bzw. einer äusseren mechanischen Spannung oberhalb der Austenit-Endtemperatur, aber unterhalb der Martensit-Verformungstemperatur, zeigt das superelastische Material zunächst ein für Metalle typisches elastisch-plastisches Verhalten. Sobald das Material jedoch die martensitische Spannung erreicht, wandelt sich der kubisch-flächenzentrierte (kfz) Austenit in Martensit um. Austenit hat im Allgemeinen eine kubische Struktur, während Martensit monoklin ist oder eine andere Kristallstruktur aufweist, die sich von der Mutterphase unterscheidet, typischerweise mit geringerer Symmetrie. Bei einem monoklinen martensitischen Material wie beispielsweise Nitinol weist die monokline Phase eine geringere Symmetrie auf, was wichtig ist, da bestimmte kristallographische Orientierungen höhere Dehnungen im Vergleich zu anderen Orientierungen aufnehmen, wenn sie unter einer angelegten Spannung stehen. Daraus folgt, dass das Material dazu neigt, Orientierungen zu bilden, die die Gesamtdehnung vor jeder Erhöhung der angelegten Spannung maximieren. Wird das Material entlastet - bevor eine plastische Verformung auftritt - wird es wieder zu Austenit, sobald die hierfür kritische Spannung erreicht ist. Da während der Umwandlung jedes Atom sein Nachbaratom beibehält, spricht man auch von einer diffusionslosen Phasenumwandlung. Der Vorgang ist reversibel und diese Eigenschaft superelastischer Formgedächtnislegierungen wird als pseudoelastisches Verhalten bezeichnet. Das Material superelastischer Formgedächtnislegierungen erholt sich von nahezu allen Dehnungen, bei denen die Gefügeänderungen hervorgerufen werden. Bei einigen superelastischen SMAs können dies Dehnungen von über 10% sein. Das Material kehrt beim Entlasten durch seine innere Spannung wieder in seine Ursprungsform zurück, wofür ausser der statischen oder dynamischen Einwirkung im Ereignisfall keine von aussen eingebrachte, zusätzliche Aktivierung bzw. Einwirkung notwendig ist.

[0008] Die Figur 1a zeigt ein Spannungs-/Dehnungsdiagramm für konventionellen Baustahl. Anhand eines solchen Diagramms erweisen sich die Materialeigenschaften einer Zugprobe wie Festigkeit, Elastizität, Plastizität, etc., indem das Materialverhalten mittels der materialabhängigen Zugbelastung-Längenänderung-Beziehung schematisch aufgezeigt wird. Dabei wird die Zugbelastung über eine querschnittsflächenabhängige Spannung σ dargestellt und die Dehnung mit ε beziffert. Das Spannungs-/Dehnungsdiagramm unterscheidet verschiedene Bereiche, wie den linear-elastischen Bereich, bei welchem die σ-ε-Beziehung bis zur Streckgrenze Re proportional ist, den nichtlinear-elastischen Bereich, bei welchem die Verformung noch reversibel, aber nicht mehr proportional zur Spannung ist, und den elastischplastischen Bereich, in welchem die Verformung mindestens teilweise plastisch - das heisst irreversibel - ist, bis zur Bruchdehnung A. Dabei ist die Gleichmassdehnung Agbeim Zugversuch die auf die Anfangsmesslänge bezogene plastische Dehnung bei Beanspruchung der Zugprobe mit der Höchstkraft. Diese wird bei der Zugfestigkeit Rm erreicht. Die Gleichmassdehnung Aggibt an, dass sich die Zugprobe bis zur Höchstkraft nicht einschnürt, sondern gleichmässig dehnt. Eine Spannungszunahme ist bis zur Zugfestigkeit Rm möglich, bevor es zu einer Materialquerschnittseinschnürung und schlussendlich zum Bruch kommt. Traditioneller Baustahl eignet sich nur beschränkt dazu, Schwingungen oder kinetische Energie - beispielsweise bei Erdbeben - zu dissipieren, denn er kann elastische Verformungen auf die Dehnung bezogen bloss bis zur Fliessgrenze von ca. 0.2 - 0.5% aufnehmen. Weitere Dehnungen erfolgen inelastisch oder plastisch, und führen bei wiederholter derartiger Einwirkung zum frühzeitigen Versagen aufgrund der Aufkumulierung plastischer Überdehnungen. Um bei einer zyklischen, das heisst sich wiederholenden Zug- und Druck-Belastung, elastisch zu bleiben, sind entsprechend grosse Bewehrungsquerschnitte im Tragwerk notwendig.

[0009] Im Diagramm gemäss der Figur 1b ist die Ermüdungsfestigkeit eines Werkstoffes bei stetig wechselnder Beanspruchung bzw. dynamischer Belastung aufgezeigt (nach dem sog. Dauerschwingversuch nach Wöhler). Im Wöhlerdiagramm unterteilt man prinzipiell drei Bereiche: Bei grossen Spannungsamplituden tritt bereits nach wenigen Lastspielen Materialbruch ein (Bereich der Kurzeitfestigkeit oder Low-Cycle-Fatigue). Eine Probe hält in diesem Bereich nur einer vergleichsweise geringen Anzahl Lastspielen stand. Mehr Bruchlastspiele sind möglich bei entsprechend verringerter Spannungsamplitude (Bereich der Langzeitfestigkeit oder High-Cycle-Fatigue). Unterhalb einer bestimmten Spannungsamplitude tritt praktisch kein Bruch mehr ein und die sogenannte Wöhlerkurve nähert sich asymptotisch einer horizontalen Linie (Dauerfestigkeitsbereich). Bei kubisch-raumzentrierten (krz) Werkstoffen lässt sich häufig eine ausgeprägte Dauerfestigkeit feststellen. Bei kubischflächenzentrierten (kfz) Werkstoffen indessen ist meist keine Dauerfestigkeit im eigentlichen Wortsinne festzustellen. Für diese Werkstoffe fällt die Wöhlerkurve über den gesamten Lastspielzahlbereich kontinuierlich ab.

[0010] Die Figur 2 zeigt ein typisches qualitatives Spannungs-/Dehnungsdiagramm einer superelastischen Formgedächtnislegierung SMA (SMA für shape memory alloy). Dabei wird bei einer solchen polymorphen Legierung zwischen einer Martensit- und einer Austenitphase hin und her gesprungen (wobei in der Praxis stets ein Anteil Restaustenit bzw. Restmartensit bestehen bleibt). Dabei beschreibt die Spannung gegenüber der Dehnung vom austenitischen Zustand zum martensitischen Zustand und wieder zurück eine Hysterese. Bei einem solchen Spannungszyklus kehrt das Material wieder in den Ursprungszustand zurück. Die von der Hysterese-Kurve eingeschlossene Fläche entspricht der Arbeit, die für jeden Zyklus des Materials geleistet wird, und somit der absorbierten Energie.

[0011] Gemäss der Publikation WO 2014/16603 A2 werden Möglichkeiten aufgezeigt, um aktiv vorgespannte Betonbauwerke mit Formgedächtnislegierungen zu erstellen, deren Phasenumwandlung temperaturinduziert ist. Diese Eigenschaft wird zur Erzielung einer Vorspannung in den Bauwerken genutzt. Bei den applizierten Formgedächtnis-Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung hingegen erfolgt eine Phasenumwandlung rein über die Belastung und Entlastung, das heisst ausschliesslich spannungsinduziert. So entsteht unter Zug ein Versatz der verschiedenen Molekularschichten, durch den sich der kubisch-flächenzentrierte Austenit in den spannungsinduzierten Martensit umbildet - wie dies in der Figur 2 am jeweiligen Ende der Hysterese-Schlaufe schematisch dargestellt ist. Über ein Profil aus solchen superelastischen Formgedächtnislegierung führt die Umbildung von Austenit in den spannungsinduzierten Martensit (und wieder zurück) eine grosse Dehnung aus, die bei Entlastung reversibel ist. Die Molekularschichtung geht in den links unten an der Hysterese-Schlaufe schematisch dargestellten Ursprungszustand zurück.

[0012] Nach dem vorliegenden Verfahren können Rundprofile aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung mit gerippter Oberfläche oder mit einer Gewinde-Form-Oberfläche in eine Vermörtelung oder entsprechende Belagsschicht, oder in eine Ausnehmung oder inwendig in Betonbauten versetzt werden. Die Kraftübertragung erfolgt gleichmässig entlang der Längsachse über die spezielle, am superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profil selbst angebrachten Oberfläche mit Rippen oder Gewinde in die Belagsschicht bzw. Bausubstanz, und weiter in die Bau-/Tragstruktur, um diese für spontan auftretende induzierte mechanische Spannungen wie Schwingungen fit zu machen.

[0013] Die Ummantelung der superelastischen Profile mit einer Belagsschicht wie einem zementösen Mörtel oder einer Betonschicht schützt die Profile einerseits gegen Korrosion und gewährleistet andererseits auch einen Hitzeschutz im Brandfall. Bei einem Neubau können die superelastischen Profile traditionelle Bewehrungen ersetzen oder mit solchen kombiniert werden. In letzterem Fall werden bevorzugt in einer Richtung traditionelle Armierungsstähle oder vorgespannte Armierungen aus Speziallegierungen (beispielsweise SMAs mit temperaturinduzierter Phasenumwandlung) verlegt. Die superelastischen Profile werden dann bevorzugt in einer zweiten Richtung, in welche bei Schwingungen Deformationen entstehen können, eingelegt. So kann situativ und optimal die Synergie der Wirkungsrichtung und Tragweise all dieser im Beton innenliegenden Tragkomponenten ausgenutzt werden. Auch bei Verstärkungen von bestehenden Betonbauten sind solche Kombinationen möglich. Üblicherweise sind die superelastischen Formlegierungen der anzuwendenden Profile stahlbasiert.

[0014] In den Figuren 3a-c sind die Schritte a bis c für die Nachrüstung bzw. den Retrofit einer mit Baustahl armierten Betonstruktur mittels superelastischer Formgedächtnislegierungen zur Erhöhung der Dissipations-Fähigkeit dieser Betonstruktur und damit der von dieser Betonstruktur getragenen Baute aufgezeigt. In Figur 3a ist ein Betonelement 1 dargestellt, in dessen Innerem in Längsrichtung ein konventioneller Armierungsstahl 2 verläuft, und quer zu demselben eine Reihe weiterer solcher Armierungsstähle 3 verlaufen. Die Aussenseite dieses Betonelementes 1 ist mit der Ziffer 4 bezeichnet, die hier als erster Schritt für die Applikation mechanisch oder hydromechanisch aufgeraut wurde. Ausgehend von dieser Situation gilt es, ein solchermassen vorbereitetes Betonelement für die dissipative Aufnahme und Absorption von Kräften und entsprechender Energien nachzurüsten, um die von solchen Betonelementen getragene Baute zu verstärken und namentlich gegen Stösse im Rahmen von Erdbeben, sonstige Schwingungen, Erdverschiebungen oder Aufprall-Kraftstösse widerstandsfähiger zu machen. Die hierzu verwendeten superelastischen Formgedächtnislegierungen werden üblicherweise auf Eisenbasis hergestellt.

[0015] Hierzu werden wie in Figur 3b gezeigt auf die Aussenseite 4 des Betonelementes 1 superelastische Formgedächtnislegierungs-Profile 5, üblicherweise superelastische Formgedächtnis-Stahlprofile, montiert, die zu diesem Zwecke mittels Verankerungen vorzugsweise in Form von Kunststoff-Halterungen 6 am Betonelement 1 befestigt werden. Halterungen aus Kunststoff werden deswegen eingesetzt, damit Kontakt-Korrosionen verhindert werden können, die beim Einsatz von Stahl-Halterungen oder dem Direktkontakt mit traditioneller Stahlbewehrung unweigerlich entstehen würden. Die superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profile 5 können in jeder beliebigen sinnvollen Richtung verlaufend angeordnet sein. Ist ein solches Netz oder eine solche Matrix von superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profilen 5 am Betonelement 1 fixiert, so wird dieses Netz oder diese Matrix in einem nächsten Schritt, wie in Figur 3c gezeigt, mit einer Belagsschicht 7, etwa einer Mörtel- oder Betonschicht, komplett überdeckt und innig eingehüllt. Die von den superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profilen 5 aufgenommenen Dehnungskräfte und umgekehrt auch die folgenden Stauchungskräfte bzw. Schubkräfte werden wieder über die Verkrallung bzw. die Verzahnung der Profil-Oberfläche auf die Belagsschicht 7, und von dieser über die Verkrallung mit der rauen Oberfläche 4 des Betonelementes 1 in dasselbe eingeleitet und umgekehrt. Der Retrofit bzw. die Ertüchtigung eines bestehenden Bauwerks zur Erhöhung der Dissipation kinetischer Energie wird erfindungsgemäss über die flächenhaft verbundene Belagsschicht bewerkstelligt. Die Dehnung und Stauchung des Betonelementes 1 selbst wird durch diese Nachrüstung reduziert und gedämpft.

[0016] Die Figur 4 zeigt eine weitere Variante für einen nachträglichen Einbau von superelastischen Formgedächtnislegierungen in einem Betonelement 1. Hierzu werden an demselben Einfräsungen vorgenommen, zur Erzeugung von Nuten 8, die vorzugsweise in gezielten Richtungen am Betonelement 1 verlaufen sollen, nämlich in jene Richtungen, in welchen im Ereignisfall mögliche Dehnungs- oder Stauchungskräfte zu erwarten sind. Hierzu können mittels baustatischer Berechnungsmodelle die erwartungsgemäss angreifenden Kräfte bzw. Lasten ermittelt bzw. ermessen werden, und zwar die kontinuierlich wirkenden und mit einiger Wahrscheinlichkeit können dank solcher Modelle auch die im Ereignisfall - somit spontan - auftretenden Kräfte bzw. Lasten (infolge von Erdbeben, Erdverschiebungen, Anprallungen, etc.) vorhergesehen werden. In diese eingefrästen Nuten 8 bzw. Ausnehmungen werden ein oder mehrere superelastische Formgedächtnislegierungs-Profile 5 eingelegt und die Nuten 8 bzw. Ausnehmungen hernach mit einem Belag 7, typischerweise Mörtel, innig ausgegossen. Der Mörtel dient hier wiederum zur Übertragung der Dehnungs- und Stauchungs-Kräfte von den superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profilen 5 auf das Betonelement 1 und umgekehrt, und hat wiederum eine Schutzfunktion.

[0017] Die Figur 5 zeigt eine Variante für die Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungen 5 an bestehenden (evtl. bereits mit einer Armierung 10 versehenen) Betonstrukturen zur Erhöhung der Dissipations-Fähigkeit der Baute auf. Die mit den superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profilen 5 mit gerippter Oberfläche oder Gewinde-Form-Oberfläche auszurüstenden Bereiche 9 werden zunächst aufgeraut und hernach werden an diese rauen Bereiche 9 anliegend die superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profile 5 aufgelegt, in der gewünschten Richtung für die Aufnahme von Kräften. Danach werden sie beispielsweise mit Armierungsstahl 11 - üblicherweise höhengestapelt - umschlossen/verbügelt, um im traditionellen Sinne eine Einschnürung dieser verstärkten Zone gegen Ausknicken und Betonabplatzungen zu erzielen. Die verbügelte Zone wird mit einem Belag 7, etwa einer Mörtel- oder Betonschicht, innig vergossen, welcher Belag sich seinerseits mit der aufgerauten Oberfläche der besagten Bereiche 9 verkrallt. Alternativ lässt sich die Einschnürungswirkung beispielsweise auch aktiv und gezielt in dieser Zone mittels vorgespannter Bügelprofile einleiten, vorzugsweise mittels einer herkömmlichen Formgedächtnislegierung gemäss der Publikation WO 2014/16603 A2, bei welcher durch Erwärmen der jeweiligen Profile eine Vorspannwirkung erzielt wird. Bei einer Anordnung wie gezeigt ist die Kraftübertragung von den superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profilen 5 über deren Verzahnung auf die Belagsschicht 7 und von dieser über den Schubverbund auf das mit Bügelprofilen verstärkte bzw. vorgespannte Betonelement 1 und umgekehrt sichergestellt.

[0018] In der Figur 6 ist eine Variante für die Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profilen 5 an neu zu erstellenden Betonstrukturen 1 aufgezeigt. Für solche Anwendungen können die superelastischen Formgedächtnislegierungs-Profile 5 mit gerippter Oberfläche oder Gewinde-Form-Oberfläche gezielt direkt in die Baustruktur 1 integriert werden, als Ergänzung oder Ersatz von konventionellen Armierungsstählen. Figur 6 zeigt eine Anordnung, in der konventionelle Baustahl-Armierungen 10 und Armierungsbögen bzw. -bügel 11 wiederum in Zusammenwirkung mit den erfindungsgemässen Profilen 5 die Baustruktur (im gezeigten Beispiel an einem Ende einer Betonwand) verstärken. Genauer verlaufen im Beispiel sechs superelastische Formgedächtnislegierungs-Profile 5 entlang von Betonwänden in der Längsrichtung der zu erwartenden Zug- und Druckkräfte. Diese Bereiche werden bevorzugt mit einer herkömmlichen schlaffen Armierung 10 höhengestapelt verbügelt, um eine Einschnürungswirkung der hochbelasteten Zonen gegen Ausknicken und Betonabplatzungen zu erzielen. Für einen statisch effizienten und richtungsabhängigen Einsatz eignet sich auch hier die Kombination mit herkömmlichen Formgedächtnislegierung gemäss der Publikation WO 2014/16603 A2, bei welcher die Vorspannwirkung durch Erwärmen der jeweiligen Profile erzielt wird. Damit kann die Synergie zwischen der in Längsrichtung der Normalkräfte wirkenden superelastischen Formgedächtnislegierung 5 und der aktiv vorgespannten, herkömmlichen Formgedächtnislegierung in Querrichtung ausgenutzt werden, um die Dissipations-Fähigkeit der Baute massgeblich zu erhöhen.

[0019] Eine spezielle Anwendung betrifft die Verstärkung von Stützen zur Erhöhung deren dissipativer Kapazität. Die Figur 7 zeigt dabei eine bestehende Betonstütze 12 mit axial darin verlegten herkömmlichen Armierungsstählen 2 und konzentrisch zur Stütze 12 verlaufenden, höhengestapelt angeordneten herkömmlichen Armierungen 13 oder temperaturinduziert vorgespannten Formgedächtnislegierungen 15 im Querschnitt dargestellt. Zur Verstärkung wird die Aussenseite 14 der Stütze 12 zunächst aufgeraut, und hernach werden entlang des Umfangs der Stütze 12 axial verlaufende superelastische Formgedächtnislegierungs-Profile 5 mit gerippter Oberfläche oder Gewinde-Form-Oberfläche angebracht. Diese können vorzugsweise mit weiteren, temperaturinduziert vorgespannten Formgedächtnis-Stahlprofilen 15 oder herkömmlichen Armierungen 13, die mit ausgewählten Abständen um die Stütze 12 herum verlaufend angeordnet werden, eingeschnürt werden. Ein Ring oder Bügel 13, 15 wird mittels Dübeln 16 an der bestehenden Stütze 12 befestigt. Wenn der Ring bzw. Bügel 13 aus unedlerem Baustahl besteht, so ist es wichtig, dass Kunststoff-Dübel 16 eingesetzt werden, welche einen direkten Kontakt des Rings bzw. Bügels 13 mit der superelastischen Formgedächtnislegierung der Stahlprofile 5 verhindert. Nur so lässt sich eine Kontakt-Korrosion verhindern, die andernfalls infolge Materialkontakt zwischen dem korrosionsfähigen Baustahl und der sonst korrosionsresistenteren superelastischen Formgedächtnislegierung der Stahlprofile 5 auftritt. Am Schluss wird dieser ganze Aufbau von aussen innig beschichtet bzw. vermörtelt, um eine Kraftübertragung auf die Stütze 12 und umgekehrt sicherzustellen.

[0020] Speziell bei der Neuerrichtung von Betonstützen kommt die Variante gemäss Figur 8 zum Einsatz. Die Figur 8 zeigt eine solche Betonstütze 12 anhand eines Querschnitts. Im Innern sind axial verlaufende superelastische Formgedächtnislegierungs-Profile 5 mit gerippter Oberfläche oder Gewinde-Form-Oberfläche eingelegt und diese sind aussen in gewählten Abständen mit zu kreisrunden Abschnitten gekrümmten, vorzugsweise mit aktiv thermoinduziert vorgespannten Formgedächtnis-Stahlprofilen 15 oder herkömmlichen Armierungen 13 aus gewöhnlichem Baustahl eingefasst. Gerade im Fall, wenn zum Teil gewöhnlicher korrosionsfähiger Baustahl eingesetzt wird, ist es wichtig, dass Kunststoff-Verankerungsdübel, hier Kunststoff-Clips 17, oder andere elektrisch isolierende Verbindungen eingesetzt werden, um einen solchen Kreisring 13 an die superelastischen Formgedächtnis-Stahlprofile 5 zu fixieren, bevor das ganze Armierungsgerüst einbetoniert wird. Mittels solcher korrosionsfester Dübel 16 oder Clips 17 aus Kunststoff kann sichergestellt werden, dass keine Kontakt-Korrosion einsetzt wie das sonst der Fall wäre, wenn korrosionsfähige Materialien wie Baustahl die sonst korrosionsresistenteren superelastischen Formgedächtnis-Stahllegierung der Profile 5 berühren. Diese kreisrunden Abschnitte 13, 15 können indessen durch Krümmung aus geraden Abschnitten geformt sein, indem die Enden der Abschnitte dann ineinander verkrallen oder sich überlappen, respektive ganze Segmente in einer Helix über die Höhe bzw. Höhenabschnitte der Stütze 12 verlaufen. Dieser netzartige Korb innerhalb der zu errichtenden Stütze 12 wird schliesslich komplett in Beton eingegossen, wodurch eine Stütze 12 mit erhöhter dissipativer Kapazität entsteht.

[0021] In Figur 9 ist eine derartige Stütze 12 mitsamt ihrem Fuss 18 in einem axialen Längsschnitt dargestellt. Im gezeigten Beispiel sind die axial verlaufenden Stäbe 5 aus superelastischen Formgedächtnislegierungen mit gerippter Oberfläche oder Gewinde-Form-Oberfläche ausgeführt. Sie können auch in Kombination mit normalen Armierungsbaustählen 2 versetzt werden. Die rund um sie geschlungenen Stäbe bestehen dabei vorzugsweise aus sonstigen aktiv temperaturinduziert vorgespannten Formgedächtnis-Stahlprofilen 15, die mit ihren Enden ineinander verkrallen. Alternativ können hierfür wiederum herkömmliche Baustähle 13 und -Materialien verwendet werden. Für die Stabilisierung und für die Erhöhung der Verformbarkeit des Fusses 18 der Stütze 12 können superelastische Formgedächtnislegierungs-Profile 5 wie gezeigt im unteren Bereich der Stütze 12 eingelegt werden, indem sie innerhalb des Fusses 18 vorzugsweise radial nach aussen gekrümmt sind und sich so ein stückweit in den Fuss 18 hinein erstrecken. Damit vermag eine solche Stütze 12 im Ereignisfall in erheblichem Masse zu schwanken, ohne deswegen zu brechen oder zu kollabieren. Die rundum geschlungenen schlaffen oder aktiv vorgespannten Bewehrungen 13, 15 wirken wiederum gegen Betonabplatzungen und erhöhen die dissipative Kapazität der Tragstruktur zusätzlich.

[0022] Die Figur 10 zeigt eine Variante der Applikation von superelastischen Formgedächtnislegierungen 5 an neu zu erstellenden oder bestehenden Betonstützen 12 zur Erhöhung deren Dissipations-Fähigkeit. Die Stütze 12 und ihr Fuss 18 sind in perspektivischer Darstellung gezeigt. Rund um den Umfang verlaufen herkömmliche Baustähle 13 oder entsprechende Armierungsmaterialien, oder vorzugsweise aktiv temperaturinduziert vorgespannte Formgedächtnis-Stähle 15 gemäss der Publikation WO 2014/16603 A2.

Ziffernverzeichnis

[0023] 1 Betonelement 2 Armierungsstahl 3 Armierungsstähle 4 Aussenseite des Betonelementes 1 5 superelastisches Formgedächtnis-Profil 6 Kunststoff-Halterung 7 Belagsschicht 8 Nut, in Betonelement 1 eingefräst 9 raue Bereiche 10 Baustahl-Armierung 11 Baustahl-Armierungsbogen/-Bügel 12 Betonstütze 13 Baustahl-Ring/-Bügel 14 Aussenseite der Betonstütze 12 15 temperaturinduziert vorgespannte Formgedächtnis-Profile bzw. -Ringe/-Bügel 16 Kunststoff-Dübel 17 Kunststoff-Clips 18 Fuss der Betonstütze 12

Claims (10)

1. Verfahren zum Erstellen von neuen Betonbauwerken (1, 12) oder für den Retrofit, das heisst für das Verstärken von bestehenden Betonbauwerken (1, 12), zur Erhöhung der Dissipationsfähigkeit von kinetischer Energie bei spontan auftretenden induzierten mechanischen Spannungen wie Schwingungen und seismische Belastung, indem Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung in eine Oberfläche ausgeformt sind, mit der sie kraft Verkrallung und/oder Verzahnung mit einem anliegenden gehärteten Belag (7) oder Bausubstanz in Wirkverbindung treten können, wobei die superelastische Formgedächtnislegierung bei spontanem Auftreten der induzierten mechanischen Spannung und anschliessender Entlastung über eine kristalline Umformung aufgrund besagter Spannung und Entlastung zwischen austenitischer und martensitischer Phase wechseln kann, und die Profile (5) im oder am Betonbauwerk (1, 12) angeordnet werden und anschliessend ein Belag (7) oder Bausubstanz die Profile (5) einschliessend aufgetragen oder verfüllt wird, sodass über die Wirkverbindung der Profiloberfläche mit dem anschliessend gehärteten Belag (7) oder Bausubstanz Kräfte vom Betonbauwerk (1, 12) aufnehmbar und/oder an dasselbe abgebbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Falle der Verstärkung eines bestehenden Betonbauwerkes (1, 12) a) die Oberfläche einer zu verstärkenden Stelle am Betonbauwerk (1, 12) aufgeraut wird, b) mit gerippt ausgeformten Oberflächen oder mit Gewindeoberflächen versehene Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung auf die aufgeraute Oberfläche aufgelegt und befestigt werden; c) neben diesen Profile (5) weitere Armierungen (13, 15) schlaff oder vorgespannt angeordnet werden, d) ein Belag (7) oder Bausubstanz aufgetragen oder verfüllt wird, um die Profile (5, 10, 11, 13, 15) darin einzuschliessen, sodass mit Aushärtung eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Profilen (5, 10, 11, 13, 15) und dem Belag (7) bzw. der Bausubstanz entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Falle der Verstärkung eines neu zu erstellenden Betonbauwerks (1, 12) a) mit gerippt ausgeformten Oberflächen oder mit Gewindeoberflächen versehene Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung in das neu zu erstellende Betonbauwerk (1, 12) eingelegt und fixiert werden; b) neben diesen Profile (5) weitere Armierungen (13, 15) schlaff oder vorgespannt angeordnet werden, c) diese Profile (5) bei Erstellung des Betonbauwerks (1, 12) in dessen Belag (7) eingegossen oder von der Bausubstanz des Betonbauwerks (1, 12) ummantelt werden, sodass mit Aushärtung eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Profilen (5, 10, 11, 13, 15) und dem Belag (7) oder der Bausubstanz des Betonbauwerks (1, 12) entsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Falle der Verstärkung eines bestehenden Betonbauwerkes (1, 12) a) in die zu verstärkende Stelle am Betonbauwerk (1) mindestens ein Schlitz oder eine Nut (8) eingefräst oder geschnitten wird, oder mindestens eine Bohrung eingebracht oder Aussparung ausgenommen wird, b) mit gerippt ausgeformten Oberflächen oder mit Gewindeoberflächen versehene Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung in den mindestens einen Schlitz, Nut (8), Bohrung oder Aussparung eingelegt und darin befestigt werden; c) ein Belag (7) oder Bausubstanz in den mindestens einen Schlitz, Nut, Bohrung oder Aussparung eingebracht wird, zur satten Verfüllung und Einbettung der Profile (5) darin, sodass mit Aushärtung eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Profilen (5) und dem Belag (7) oder Bausubstanz im mindestens einen Schlitz, Nut, Bohrung oder Aussparung entsteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, wobei in einer Quer- oder Schrägrichtung zu den angeordneten Profilen (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung zusätzliche Profile (10, 11, 13, 15) zur Armierung schlaff oder vorgespannt angeordnet werden, und das so erzeugte Gitternetz oder Matrix aus Profilen (5, 10, 11, 13, 15) vom aufzutragenden Belag (7) oder Bausubstanz umschlossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Falle der Verstärkung eines bestehenden Betonbauwerks (1, 12) in Form einer Betonstütze (12) a) ein zu verstärkender Abschnitt der Aussenseite (14) der Betonstütze (12) rundum aufgeraut wird, b) um den aufgerauten Bereich axial verlaufende Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung in Abständen verlegt an der Betonstütze (12) fixiert werden, c) der so gebildete Korb oder Matrix aus Profilen (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung von in Abständen zueinander schlaff oder vorgespannt angeordneten Armierungs-Profilen (13, 15) umschlossen wird, d) und entweder eine rund um den zu verstärkenden Abschnitt der Aussenseite (14) der Betonstütze (12) verlaufende, den von den Profilen (5, 13, 15) gebildeten Korb bzw. Matrix umfassende Schalung erstellt wird, und der somit zwischenliegende Bereich mit Beton oder Mörtel verfüllt wird und nach dessen Aushärtung die Schalung entfernt wird, oder e) der zu verstärkende Abschnitt der Aussenseite (14) der Betonstütze (12) samt dem von den Profilen (5, 13, 15) gebildeten Korb bzw. Matrix mit Spritzbeton/-mörtel überdeckt wird, sodass die Profile (5, 13, 15) darin satt eingeschlossen sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei im Falle der Verstärkung eines neu zu erstellenden Betonbauwerks (1, 12) für die Errichtung einer Betonstütze (12) mit Fuss (18) Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung zum einen axial in der zu errichtenden Betonstütze (12) verlaufend verlegt werden, und zum andern im Fuss (18) in von der axialen Verlaufrichtung abgewinkelter Richtung oder in radialer Richtung verlaufend verlegt werden, weiter an der Peripherie des Querschnitts der zu erstellenden Betonstütze (12) mehrere Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung in axialer Richtung verlaufend verlegt werden, und der aus den axialen Profilen (5) aus superelastischer Formgedächtnislegierung gebildete Korb oder Matrix von in Abständen zueinander schlaff oder vorgespannt angeordneten Armierungs-Profilen (13, 15) umschlossen wird, und danach entweder eine rund um die Betonstütze (12) verlaufende Schalung erstellt wird und der zwischenliegende Bereich mit Beton oder Mörtel ausgegossen wird, und nach Aushärtung die Schalung entfernt wird, oder Spritzbeton/-mörtel appliziert wird, sodass die Profile (5, 13, 15) darin satt eingeschlossen sind.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nebst den Profilen (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung Armierungs-Baustähle (2) ohne Formgedächtniseffekt und/oder Armierungen aus einer temperaturinduziert aktivierbaren Formgedächtnislegierung verbaut werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung mittels Kunststoff-Halterungen (6) oder Kunststoff-Dübel (16), Kunststoff-Clips (17) und/oder anderen nicht elektrisch leitenden Elementen am Betonbauwerk (1, 12) gesichert werden, zum Verhindern von Kontaktkorrosion.

10. Betonbauwerk (1, 12), hergestellt oder nachgerüstet zur Erhöhung der Dissipationsfähigkeit von kinetischer Energie bei spontan auftretenden induzierten mechanischen Spannungen wie Schwingungen und seismische Belastung, indem Profile (5) aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung in eine Oberfläche ausgeformt sind, mit der sie kraft Verkrallung und/oder Verzahnung mit einem anliegenden gehärteten Belag (7) oder Bausubstanz in Wirkverbindung treten können, wobei die superelastische Formgedächtnislegierung bei spontanem Auftreten der induzierten mechanischen Spannung und anschliessender Entlastung über eine kristalline Umformung aufgrund besagter Spannung und Entlastung zwischen austenitischer und martensitischer Phase wechseln kann, und die Profile (5) im oder am Betonbauwerk (1, 12) angeordnet sind und ein Belag (7) oder Bausubstanz die Profile (5) einschliessend aufgetragen oder verfüllt ist, sodass über die Wirkverbindung der Profiloberfläche mit dem anschliessend gehärteten Belag (7) oder Bausubstanz Kräfte vom Betonbauwerk (1, 12) aufnehmbar und/oder an dasselbe abgebbar sind.