DE102016124223A1

DE102016124223A1 - Verbindungselementesatz für Bauteile

Info

Publication number: DE102016124223A1
Application number: DE102016124223.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Michler
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Pohlcon De GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbindungselementesatz für vorgefertigte Betonbauteile und ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung, wobei ein erstes Verbindungselement als ein aktivierbarer Formgedächtnisstecker (6) ausgeführt ist oder einen aktivierbaren Formgedächtnisstecker (6) aufweist und ein zweites Verbindungselement als Einlegebuchse (4) ausgeführt und so beschaffen ist, dass der Formgedächtnisstecker (6) zumindest teilweise in der Einlegebuchse (4) aufgenommen werden kann und nach einer Aktivierung des Formgedächtnissteckers (6) eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Formgedächtnisstecker (6) und der Einlegebuchse (4) ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbindungselementesatz für Bauteile, die ein Matrixmaterial wie Beton umfassen, und betrifft insbesondere die den Verbindungselementesatz bildenden Verbindungselemente für vorgefertigte Betonbauteile. Im modularen Bauen mit vorgefertigten Elementen stehen die sonst im Betonbau üblichen monolithischen Verbindungen nicht zur Verfügung. Die zur Verfügung gestellten Verbindungen soll es ermöglichen Betonbauteile sicher miteinander zu verbinden, ohne dass die Verbindungen mechanisch zugänglich sind oder sein müssen. Ergänzend kann es möglich sein, die Verbindungen auch wieder zu lösen.
Bisher werden fertige Betonbauteile mittels eingelegter Einlegeteile verbunden, wobei zumeist eine mechanische Zugänglichkeit geschaffen sein muss um die Verbindung zu sichern. Solche Arten der Verbindung, die in großer Variabilität aus dem Stand der Technik bekannt sind, beschreiben beispielsweise die Druckschriften DE 21 16 538 C3 und DE 36 34 568 C2 .
Alternativ werden die Verbindungen bzw. Teile der Verbindungen in Öffnungen und Aussparungen angeordnet, die vergossen werden, um dann eine dauerhafte Verbindung herzustellen. Dieser Prozess ist meist nicht umkehrbar, die Bauteile sind nicht wieder demontierbar. Lösbare Verbindungen werden ausgeführt, indem die verbindenden Teile mechanisch zugänglich sind und so gelöst werden können.
Ein solches fest vergossenes System beschreibt die Druckschrift WO 2014/026299 A1 . Das in der Druckschrift vorgeschlagene Verankerungssystem ist für feste Traggründe aller Art vorgesehen und weist in bekannter Weise eine Ankerbohrung im Traggrund und in der Ankerbohrung einen eingemörteltem Ankerstab auf. Der Ankerstab besteht aus einer Formgedächtnislegierung (SMA) von polymorpher und polykristalliner Struktur und ist resistent gegen Korrosion ausgeführt. Er weist eine strukturierte Oberfläche mit unterschiedlich ausgerichteten Rippen nach Art von Armierungsstäben oder eine Gewindeform auf. Durch Erhöhung seiner Temperatur auf 150°C bis 300°C wird er aus dem martensitischen Zustand in den austenitischen Zustand gebracht. Mit dem Ankerstab ist durch Verhinderung seiner durch die Zustandsänderung induzierten Durchmessererweiterung in der harten, unnachgiebigen und hitzebeständigen Ummörtelung eine Vorspannung erzeugbar und hohe Zugkräfte sind abtragbar. Nachteilig ist die begrenzte Einsetzbarkeit des Verbindungsystems für eingemörtelte, formschlüssige, nicht wieder lösbare Verbindungen.
Sowohl zum Verbinden als auch zum Lösen der Verbindung von Bauteilen ist eine mechanische Zugänglichkeit erforderlich bzw. es ist ein Vergießen notwendig, das einen weiteren Arbeitsschritt darstellt und wonach die Bauteile im Allgemeinen nicht leicht demontierbar sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zwei Einlegeteile in oder an verschiedenen Bauteilen, z. B. Betonbauteilen, kraftschlüssig miteinander zu verbinden, ohne dass eine mechanische Zugänglichkeit in Bereich der Verbindung erforderlich ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verbindungselementesatz für Bauteile, die ein Matrixmaterial umfassen, wobei der Verbindungselementesatz wenigstens ein erstes Verbindungselement, zur kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung mit einem ersten Bauteil und ein zweites Verbindungselement zur kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung mit einem zweiten Bauteil umfasst. Das erste und das zweite Verbindungselement sind so ausgeführt, dass zwischen beiden eine mechanische Verbindung herstellbar ist. Erfindungsgemäß ist das erste Verbindungselement als ein aktivierbarer Formgedächtnisstecker ausgeführt besteht und zumindest teilweise aus einem aktivierbaren Formgedächtnismaterial. Das zweite Verbindungselement als ist Einlegebuchse ausgeführt und so beschaffen, dass der Formgedächtnisstecker zumindest teilweise in der Einlegebuchse aufgenommen werden kann und nach einer Aktivierung des Formgedächtnissteckers eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Formgedächtnisstecker und der Einlegebuchse ausbildbar ist.
Vorgesehen sind nach der Erfindung demnach wenigstens zwei Einlegeteile, eine Steckeraufnahme und eine Einlegebuchse, die mit zwei verschiedenen Bauteilen, z. B. Betonbauteilen, fest verbunden sind und diese ihrerseits kraftschlüssig miteinander verbinden, ohne dass eine mechanische Zugänglichkeit erforderlich ist.
Zum Einsatz kommt ein Gedächtnismaterial, insbesondere basierend auf einer Metalllegierung, welches unter Einfluss eines Aktivierungsmittels, insbesondere unter Wärmeeinfluss, die zuvor eingeprägte Form ändert, so dass die Form wieder eingenommen wird, die vor dem Einprägen dieser letzten Form vorlag. Diese Eigenschaft wird dazu ausgenutzt, die Einlegeteile kraftschlüssig miteinander zu verbinden, indem ein Formgedächtnisstecker, der das verbindende Teil darstellt, oder ein Teil des Formgedächtnissteckers, über die insbesondere thermische Aktivierung seine Form ändert. Damit sind die beiden Bauteile über Steckeraufnahme, Formgedächtnisstecker und Einlegebuchse sicher verbunden.
Das erfindungsgemäße System kann dahingehend erweitert werden, dass die Verbindung (oder deren Teile) durch eine weitere, beispielsweise thermische Aktivierung wieder gelöst wird. Diese thermische Aktivierung wird vorzugsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung vorgenommen, beispielsweise mittels Induktion, Wärmeleitmedium oder andere Formen des Energieeintrages. Auch eine von außerhalb des Verbindungsbereichs aktivierbare chemische Energiereserve ist vorgesehen. Damit ist es möglich, die thermische Energie gezielt an den Ort der Anwendung, der auch schwer zugänglich sein kann, zu führen und darüber hinaus eine Vielzahl von Verbindungen relativ gleichzeitig zu aktivieren.
Zur Aktivierung der Verbindung ist daher keine mechanische Zugänglichkeit erforderlich. Die Verbindung erfolgt nicht auf Basis einer Mechanik, wie zum Beispiel durch eingeschobene Bolzen, Klinken und Ähnliches, wie aus dem Stand der Technik bekannt, sondern auf einer Formänderung (Gestaltänderung) des verbindenden Bauteils bzw. eines Teils des verbindenden Bauteils und einer daraus resultierenden Kraftwirkung, die zum Kraftschluss führt.
Die bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Verbindung umfasst drei wesentliche Verbindungselemente, von denen zwei, die Einlegebuchse und die Steckeraufnahme, in eine Form für das Matrixmaterial, z. B. den Beton, eingelegt und beim Verfüllen oder Betonieren mit diesem Matrixmaterial form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden. Diese beiden Verbindungselemente werden durch ein drittes Verbindungselement, den Formgedächtnisstecker, miteinander verbunden, der zunächst lose bzw. mit angemessenem Montagespiel in den Verbindungsbereich einbringbar ist und erst durch die Aktivierung, insbesondere thermische Aktivierung, eine feste Verbindung ausbildet. Es ist beispielsweise vorgesehen, dass sich die Dimension des Formgedächtnissteckers so vergrößert, dass er nach der Aktivierung fest in die Einlegebuchse eingepresst verbleibt.
Dieses dritte Verbindungselement, der Formgedächtnisstecker, kann mit einem der eingelegten oder zum Einlegen in die Bauteilform vorgesehenen Verbindungselement, insbesondere der Steckeraufnahme, bereits mechanisch verbunden oder gar monolithisch ausgeführt sein. Als Verbindung kommen eine Schraub- oder Schweißverbindung in Betracht, die Verbindung kann aber auch durch Verkleben oder Vergießen erfolgen. In dem Fall einer vor dem Einlegen hergestellten Verbindung zwischen Steckeraufnahme und Formgedächtnisstecker reduziert sich das System der drei Bauteile auf zwei, indem der Formgedächtnisstecker zur Verbindung zusätzlich in einem vorherigen Fertigungsschritt eine feste Verbindung mit der Buchse erfährt.
Die Bauteile, insbesondere Betonbauteile, werden über die eingelegten Teile, die Einlegebuchse und die Steckeraufnahme, verbunden. Dies wiederum sind über Formschluss rückhängende Steckeraufnahmen, Einlegebuchsen bzw. Bauteilverankerungen oder sie sind nur durch einfachen Reibschluss form- oder kraftschlüssig mit dem Matrixmaterial, insbesondere dem Beton, verbunden. Dieser Teil der Verbindung ist Stand der Technik.
Die Einlegeteile, die Steckeraufnahme mit dem Formgedächtnisstecker und die Einlegebuchse, sind als Buchse-Stecker-Verbindung ausgelegt, wobei der Formgedächtnisstecker im Montagezustand ein gewisses Spiel zur Einlegebuchse aufweist und erst über eine Formänderung mittels insbesondere thermischer Aktivierung eine kraftschlüssige Verbindung in und mit der Einlegebuchse hergestellt wird. Der Formgedächtnisstecker kann hierbei vollständig oder auch nur teilweise, nämlich im Bereich der späteren Verbindung mit der Einlegebuchse, aus dem Gestaltänderungsmaterial hergestellt sein.
Der in die Einlegebuchse ragende Formgedächtnisstecker kann hierbei im Partnerverbindungselement, der Steckeraufnahme, fest verankert oder auch mittels einer Steckerverankerung verankert oder montierbar, z. B. eingeschraubt, sein. Die Steckeraufnahme kann auch als eine zweite Einlegebuchse ausgebildet sein, wobei das verbindende Bauteil, der Formgedächtnisstecker, dann beidseitig mittels Aktivierung in der jeweiligen Einlegebuchse verankert wird. An die Stelle der Steckerverankerung tritt in dem Fall eine weitere Verbindung einer Einlegebuchse mit dem Formgedächtnisstecker, der damit zweiseitig wirkt und zumindest an beiden Endbereichen ein geeignetes Material aufweisen muss.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass keine mechanische Zugänglichkeit zur Verbindung erforderlich ist, und trotzdem auf einen relativ komplizierten Mechanismus verzichtet werden kann, um eine zuverlässige Verbindung zu erhalten. Die Verbindungen lassen sich beispielsweise durch Anlegen einer Spannung mittelbar thermisch aktivieren, es ist lediglich eine leitende Verbindung erforderlich. Damit können Verbindungen sicher aktiviert werden, die nicht unmittelbar zugänglich sind, womit konstruktive Vorteile erreicht werden, oder auch die Arbeitssicherheit verbessert wird. Weiterhin lassen sich nahezu beliebig viele Verbindungen in einem Arbeitsgang aktivieren, diese müssen nur entsprechend leitend miteinander oder mit einer steuerbaren Energiequelle verbunden sein.
In den Bauteilen bzw. den Verbindungselementen können weitere Komponenten integriert sein, die ein Lösen der Verbindung ohne erneute Aktivierung des verbindenden Elements am Formgedächtnisstecker durch Umformung oder Umgestaltung ermöglichen. Dies ist vor allem dann für eine lösbare Verbindung geeignet und vorgesehen, wenn jeweils nur eine Aktivierung für die gewählte Legierung in der geeigneten Form vorgesehen wird. So kann die Komponente, die für das Lösen der Verbindung vorgesehen ist, wiederum durch eine andere Form, z. B. durch höhere Temperatur, aktiviert werden, sodass eine Aktivierung nicht bereits bei der Aktivierung des Formgedächtnissteckers zur Verbindung der Bauteile erfolgt. Eine solche für das Lösen der Verbindung vorgesehene Komponente kann beispielsweise die Steckerverankerung darstellen, die bei Aktivierung den Formgedächtnisstecker an seiner Einspannung freigibt und so die Verbindung löst. Ebenso kann die Verbindung zwischen der Bauteilverankerung und Steckeraufnahme bzw. Einlegebuchse oder ein anderes Bauelement für ein nachträgliches Lösen entsprechend ausgestaltet sein.
Neben dem Vergießen der Einlegebuchse und der Steckerverankerung ist auch ein Bohren und Vermörteln vorgesehen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bauteilverbindung für zwei Bauteile;
2: schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bauteilverbindung, deren Fertigung, Umformung und Aktivierung zu einer Bauteilverbindung und
3: schematisch Ausführungsformen von Formvariationen der Formgedächtnisstecker einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bauteilverbindung 1 für zwei Bauteile 2a, 2b, z. B. ausgeführt als Betonelemente mit dem Matrixmaterial Beton. In jedes der Bauteile 2a, 2b ist eine Steckeraufnahme 3 bzw. eine Einlegebuchse 4, jeweils zum besseren Halt in dem Matrixmaterial verbunden mit einer Bauteilverankerung 5, eingelassen. Die Steckeraufnahme 3 nimmt einen Formgedächtnisstecker 6 auf, der mittels einer Steckerverankerung 7 mit der Steckeraufnahme 3 verbunden ist.
Zur Montage werden die beiden Bauteile 2a, 2b in die gewünschte Lage zueinander gebracht, in der auch der Formgedächtnisstecker 6 in der Einlegebuchse 4 aufgenommen wird. In dieser Position erfolgt die Aktivierung, wobei die hierzu möglichen und nötigen Maßnahmen (beispielsweise Zuleitungen für eine thermische Aktivierung) grafisch nicht wiedergegeben sind. Der Ankerkopf 6a des Formgedächtnisstecker, der zumindest über die notwendige Formgedächtniseigenschaft verfügen muss, dehnt sich bei Aktivierung aus, so dass er eine kraftschlüssige Verbindung mit der Einlegebuchse 4 eingeht. Sobald diese kraftschlüssige Verbindung vorliegt, sind die beiden Bauteile 2a, 2b fest miteinander verbunden.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formgedächtnissteckers 6 zur erfindungsgemäßen Bauteilverbindung, dessen Fertigung, Umformung und Aktivierung zum Einsatz in einer Bauteilverbindung. Ansicht a) zeigt den Formgedächtnisstecker 6 nach der ursprünglichen Formgebung, Ansicht b) nach der Umformung, wobei die Umformung des zur Aktivierung vorbereiteten Formgedächtnissteckers 6‘ auf eine solche Weise erfolgt, dass im Sinne eines Formgedächtnisses eine Rückkehr zur ursprünglichen Form nach entsprechender Aktivierung möglich ist. Nach der Aktivierung wird, wie Ansicht c) zeigt, wiederum die ursprüngliche Gestalt angenommen.
3 zeigt schematisch verschiedene Ausführungsformen von Formvariationen der Formgedächtnisstecker 6, 6‘ einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung, wobei die für eine spätere Aktivierung vorbereitete Situation mit eingeprägtem Formgedächtnis, der Formgedächtnisstecker 6‘, in gestrichelter Darstellung gezeigt ist.
Ansicht a) zeigt den Formgedächtnisstecker 6, 6‘ mit einem zylindrischen Ankerkopf 6a, der eine große Anpressfläche in der Einlegebuchse 4 ermöglicht. Ansichten b) und c) zeigen den Formgedächtnisstecker 6, 6‘ mit einem kegligen Ankerkopf 6a, in jeweils unterschiedlicher Ausrichtung, der einen hohen Anpressdruck in der Einlegebuchse 4 ermöglicht. Eine andere Art des Formgedächtnisses zeigt Ansicht d) mit den dort dargestellten Formgedächtnissteckern 6, 6‘. Diese kommen ohne den Ankerkopf aus, sondern wirken auf ihrer gesamten Länge. Die Vorbereitung des Formgedächtnisses erfolgt dabei durch Torsion des Formgedächtnissteckers 6, so dass ein Formgedächtnisstecker 6‘ mit vermindertem Durchmesser entsteht. Wird dieser aktiviert, klemmt er in der Steckeraufnahme, die dann ohne Steckerverankerung auskommt, und in der Einlegebuchse fest, sodass eine sichere Verbindung entsteht.
Bezugszeichenliste

1: Bauteilverbindung
2a, 2b: Bauteil
3: Steckeraufnahme
4: Einlegebuchse
5: Bauteilverankerung
6, 6‘: Formgedächtnisstecker aktiviert, vorbereitet
6a: Ankerkopf
7: Steckerverankerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2116538 C3 [0002]
DE 3634568 C2 [0002]
WO 2014/026299 A1 [0004]

Claims

Verbindungselementesatz für Bauteile, die ein Matrixmaterial umfassen, wobei der Verbindungselementesatz wenigstens ein erstes Verbindungselement, zur kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung mit einem ersten Bauteil (2a) und ein zweites Verbindungselement zur kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung mit einem zweiten Bauteil (2b) umfasst, wobei das erste und das zweite Verbindungselement so ausgeführt sind, dass zwischen beiden eine mechanische Verbindung herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungselement als ein aktivierbarer Formgedächtnisstecker (6) ausgeführt ist und zumindest teilweise aus einem aktivierbaren Formgedächtnismaterial besteht, wobei das zweite Verbindungselement als Einlegebuchse (4) ausgeführt und so beschaffen ist, dass der Formgedächtnisstecker (6) zumindest teilweise in der Einlegebuchse (4) aufgenommen werden kann und nach einer Aktivierung des Formgedächtnissteckers (6) eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Formgedächtnisstecker (6) und der Einlegebuchse (4) ausbildbar ist.
Verbindungselementesatz nach Anspruch 1, wobei ein thermisch aktivierbarer Formgedächtnissteckers (6) vorgesehen ist und das Formgedächtnismaterial auf einer thermisch aktivierbaren Formgedächtnislegierung basiert.
Verbindungselementesatz nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine weitere Komponente im Bereich der kraftschlüssigen Verbindung integriert ist, die ein Lösen der Verbindung ohne erneute Aktivierung des Formgedächtnissteckers (6) ermöglicht.
Verbindungselementesatz nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der aktivierbare Formgedächtnisstecker (6) so ausgeführt ist dass er durch eine Steckerverankerung (7) mit der Steckeraufnahme (3) verbunden ist und mit der Einlegebuchse (4) kraftschlüssig verbindbar ist, indem nach der Positionierung der Bauteile (2a, 2b) das Formgedächtnis aktiviert wird.
Verbindungselementesatz nach Anspruch 4, wobei die Steckerverankerung (7) monolithisch, als Schraub- oder Schweißverbindung, durch Kleben oder Vergießen erfolgen kann.
Verbindungselementesatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der aktivierbare Formgedächtnisstecker (6) so ausgeführt ist, dass er durch thermische Aktivierung sowohl mit der Steckeraufnahme (3), als auch mit der Einlegebuchse (4) kraftschlüssig verbindbar ist, indem nach der Montage der Bauteile (2a, 2b) das Formgedächtnis aktiviert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung (1) unter Verwendung eines Verbindungselementesatzes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Schritte a. Einlegen einer Steckeraufnahme (3), umfassend einen Formgedächtnisstecker (6), in eine Form für ein Bauteil (2a) und anschließendes Vergießen der Form mit einem Matrixmaterial, b. Einlegen einer Einlegebuchse (4) in eine Form für ein Bauteil (2b) und anschließendes Vergießen der Form mit einem Matrixmaterial, c. Positionierung der Bauteile (2a, 2b) in ihre vorgesehen Lage zueinander, wobei der Formgedächtnisstecker (6) in die Einlegebuchse (4) eingeführt ist, d. Aufbringen der Aktivierungsenergie, wobei sich der Formgedächtnisstecker (6) zumindest innerhalb der Einlegebuchse (4) ausdehnt und dort eine kraftschlüssige Verbindung mit der Einlegebuchse (4) herstellt.