Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Krafteinleitungselement zur Verankerung
eines bandförmigen Verbundkunststoffs nach dem Oberbegriff des ersten
Anspruches.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Anbringen eines Krafteinleitungselementes
an eine Tragstruktur sowie die Verwendung eines Krafteinleitungselementes
zur Verstärkung einer Tragstruktur.
Stand der Technik
Zum nachträglichen Verstärken von Tragstrukturen werden seit einigen
Jahren nebst Stahllamellen auch Lamellen aus Verbundwerkstoffen eingesetzt.
Diese Verbundwerkstoffe werden entweder schlaff ohne Längsvorspannung
oder über Endverankerungen vorgespannt mit der Tragstruktur verklebt.
Derartige Endverankerungen sind bekannt und verschiedene Befestigungsmethoden
zur Kraftübertragung von einem Krafteinleitungselement zur Lamelle
sind bereits im Markt eingeführt. Die heute verfügbaren Krafteinleitungselemente
sind aber aufwändig bezüglich Material- und Herstellung und voluminös
bezüglich der äußeren Abmessungen, was einerseits zu unwirtschaftlichen
und anderseits zu gestalterisch unbefriedigenden Lösungen führt.
Bei den meisten der bisher verwendeten Krafteinleitungen werden die
bei der Vorspannung auftretenden Zugkräfte des Verbundwerkstoffes über
Reibkräfte durch Klemmen vom Krafteinleitungselement auf den Verbundwerkstoff
übertragen. Dabei handelt es sich um Anpressplatten, welche den
Verbundwerkstoff mit einem gleichmässigen Klemmdruck verankern. Die übertragbaren
Zugkräfte des Verbundwerkstoffes sind massgeblich von einem
gleichmässigen Klemmdruck über den gesamten Endverankerungsbereich abhängig.
Da die Lamellen in der Regel eine Breite aufweisen, die ein Vielfaches,
typischerweise Faktor 25 bis 150 der Dicke des Verbundwerkstoffes
aufweisen, ist ein gleichmässiger Klemmdruck über die Breite des Verbundwerkstoffes
nur mit massiven, das heisst mit dicken und steifen Anpressplatten
möglich. Die Platzverhältnisse gestalten sich schwierig und die Eingriffe in die
Tragstruktur bzw. Bauwerk sind aufwändig, was hohe Kosten mit sich bringt.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des bestehenden
Standes der Technik zu überwinden und ein Krafteinleitungselement
zur Verfügung zu stellen, das für jede Breite des Verbundwerkstoffes
bzw. Lamellenbreite eingesetzt werden kann und wenig Raum in der Tragstruktur
erfordert.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe von erfindungsgemässen
Krafteinleitungselementen gemäss Anspruch 1 gelöst.
Hierbei wird ein neues Krafteinleitungselement zur Verankerung eines
bandförmigen Verbundwerkstoffs an einer Tragstruktur verwendet, mit dem
der Verbundwerkstoff mit Anpressplatten mit Hilfe von gleichmässig verteilten
Druckelementen oder mittels einer auf der gesamten Anpressfläche wirkenden
hydraulischen Druckkammer gegen ein bügelförmiges Joch abgestützt gehalten
wird. Mit diesen Anpressplatten erfolgt eine Kraftübertragung von der
Tragstruktur auf den Verbundwerkstoff. Das Krafteinleitungselement kann vorzugsweise
einen Klemmkopf darstellen.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass das
erfindungsgemässe Krafteinleitungselement eine gleichmässige Anpresskraft
der Anpressplatten auf den Verbundwerkstoff mit Hilfe von gleichmässig verteilten
Druckelementen oder mittels einer auf der gesamten Anpressfläche wirkenden
hydraulischen Druckkammer gegen ein bügelförmiges Joch abgestützt
ausübt, was eine gewünschte Zugkraft im Bereich von 200 und 300 kN garantiert.
Diese gleichmässige Anpresskraft erlaubt die Verwendung eines Verbundwerkstoffes
unabhängig von seiner Breite. Da das bügelförmige Joch und
die Anpressplatten möglichst schlank und flach ausgeführt werden können,
können Eingriffe in die Tragstruktur auf ein Minimum beschränkt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen. So kann die Quer-Traverse an einer beliebigen Stelle an
dem bügelförmigen Joch angeordnet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
- Fig. 1
- Eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform;
- Fig. 1 a
- Ein Querschnitt der ersten Ausführungsform entlang I-I in Fig. 1;
- Fig. 1 b
- Ein Längsschnitt der ersten Ausführungsform entlang II-II in Fig.
1;
- Fig. 1 c
- Ein Längsschnitt der ersten Ausführungsform entlang II-II in Fig.
1;
- Fig. 2
- Eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform;
- Fig. 2a
- Eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführung der
zweiten Ausführungsform;
- Fig. 3
- Eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform;
- Fig. 3a
- Ein Querschnitt der dritten Ausführungsform entlang I-I in Fig. 3;
- Fig. 3b
- Ein Längsschnitt der dritten Ausführungsform entlang II-II in Fig.
3;
- Fig. 4
- Eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform;
- Fig. 4a
- Ein Längsschnitt der vierten Ausführungsform entlang I-I in Fig. 4.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In den Figuren 1, 1a, 1b, 1 c ist ein Krafteinleitungselement 1 dargestellt.
Das Krafteinleitungselement 1 wird über eine Quer-Traverse 2a und mittels
mindest einer Gewindestange 9 in einem nicht dargestellten Verankerungsrohr
bzw. Schubdorn gehalten, welcher in einem Bohrloch in einer Tragstruktur
10 befestigt ist. Die Gewindestange 9 ist seitlich am Krafteinleitungselement
1 angebracht, wobei diese Gewindestange 9 durch die Quer-Traverse
2a und einem bügelförmigen Joch 2b geführt wird. Die Quer-Traverse 2a ist
mit dem bügelförmigen Joch 2b mechanisch verbunden und kann einstückig
ausgebildet sein. Der Verbundwerkstoff 5 wird zuerst mit Hilfe einer Zugpresse,
die temporär am Ende des Verbundwerkstoffs 5 angeordnet wird, in der
Zugrichtung 11 gespannt, und danach wird diese Spannkraft durch Drehen einer
Gewindeschraube 8 über die Quer-Traverse 2a in die Gewindestange 9
eingeleitet.
Das Krafteinleitungselement 1 umfasst zwei Anpressplatten 3, die eine
gleichmäßige Anpresskraft auf den Verbundwerkstoff 5 ausübt. Zur Erhöhung
der übertragbaren Kraft können die Anpressplatten 3 eine spezielle Oberfläche
aufweisen, welche z.B. durch mechanisches Aufrauen mit Schleifen oder
durch eine chemische Vorbehandlung oder Verwendung eines Klebstoffes erreicht
wird, um die Haftung der Anpressplatte 3 und des Verbundwerkstoffs 5
zu verbessern.
Beim Krafteinleitungselement 1 üben Druckelemente 4a, welche gegen
das bügelförmige Joch 2b abgestützt sind, eine gleichmäßige Anpresskraft auf
die Anpressplatten 3 aus. Die Druckelemente 4a sind so angeordnet, dass sie
und haben eine optimale geometrische Anordnung haben. Der Abstand der
einzelnen Druckelemente 4a liegt vorzugsweise bei größer als 20 mm, insbesondere
in einem Bereich von 30 bis 40 mm und der Abstand der Druckelemente
4a von der Seite der Plattenrändern bei vorzugsweise größer als 10
mm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 30 mm.
Die Anzahl und Größe der Druckelemente 4a richtet sich nach der
erforderlichen Anpresskraft. Sie werden nur auf Druck beansprucht und
müssen für Schubkräfte nicht dimensioniert werden. Die erwartete
Versagenslast bewegt sich zwischen 200 und 300 kN. In der Figur 1 sind
vorzugsweise vier Druckelemente 4a dargestellt, welche abgestützt durch das
bügelförmigen Joch 2b auf die Anpressplatten 3 drücken.
Die Dicke der Anpressplatten 3 liegt je nach Lamellenbreite und -dicke
zwischen 0.5 bis 1.5 cm. Das führt zu einem schlanken und flachen Krafteinleitungselement
1, was den Eingriff in die Tragstruktur 10 auf ein Minimum beschränkt.
Beim Zusammenbau wird der Verbundwerkstoff 5 entweder durch die
Quer-Traverse 2a und das bügelförmige Joch 2b geschoben, oder die aus
mehreren Teilen bestehende Quer-Traverse 2a wird nach dem Umfassen des
Verbundwerkstoffs 5 zusammengeschraubt.
In der Figur 1b sind die bei diesem Spannprozess auftretenden Spannungen
in einem Spannungsdiagramm 12 qualitativ dargestellt, wobei x den
Weg entlang des Krafteinleitungselementes 1 und y die Kraft am Ort x darstellt.
Da die Quer-Traverse 2a nicht mit dem Verbundwerkstoff 5 verklebt ist,
sind die Spannungen am Übergang von der Quer-Traverse 2a zu den Anpressplatten
3 am höchsten und gehen gegen Null bis zum Ende der Anpressplatte
3 des Krafteinleitungselementes 1.
Gemäss der Figur 1 c kann die Quer-Traverse 2a an den Verbundwerkstoff
5 durch eine Verklebung 14 verklebt werden, was zu einer Verschiebung
des Orts der höchsten Spannungsspitzen an die Stirnseite der Quer-Traverse
2a führt wie im Spannungsdiagramm 12 qualitativ dargestellt.
Der Verbundwerkstoff 5 kann in Form einer Lamelle ausgestaltet
sein, die aus Fasern und einem Kunstharz besteht. Die Faser können in einer
Richtung d.h. unidirektional ausgebildet sein oder zusätzlich Fasern in anderen
Richtungen, insbesondere eines Winkels plus 45° und minus 45°, zur unidirektionalen
Hauptfaserichtung aufgebaut sein. Die Fasern können vorzugsweise
aus Aramid, Carbon, Glas etc. sein, die in einem Kunstharz eingebettet sind.
Das Kunstharz kann ein Duromer, wie z.B. Epoxy, Acrylate oder ein thermoplastisches
Material, wie z.B. Polyamid, Epoxy, Acrylate sein. Für die Erreichung
einer optimalen Haftung zur Anpressplatte 3 ist die Oberfläche des Verbundwerkstoffs
5 vorzugsweise speziell geprägt, z.B. mittels Schleifen aufgeraut
oder mit einem Klebstoff vorbehandelt oder mit einem Vorbehandlungssystem,
wie z.B. Primer, Plasma etc. behandelt.
In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, bei der die Quer-Traverse
2a an einer im wesentlichen beliebigen Stelle an dem bügelförmigen
Joch 2b angeordnet ist. Die Spannungsspitzen, die dabei auftreten, sind im
Spannungsdiagramm 12 schematisch dargestellt. An der Quer-Traverse 2a tritt
eine gleichbleibende Spannung auf, da sie nicht mit dem Verbundwerkstoff 5
verbunden ist.
Figur 2a zeigt eine weitere Ausführungsform des Krafteinleitungselements
1, welches hier aus zwei Hälften in Richtung des Verbundwerkstoffes 5
besteht. Durch eine Verklebung 14 ist die Anpressplatte und die Quer-Traverse
mit dem Verbundwerkstoff 5 verbunden, wodurch im Bereich der
Quer-Traverse 2a ebenfalls Spannungen abgebaut werden.
Die Figur 3, 3a, 3b zeigt ein Krafteinleitungselement 13, wobei zur
Kraftübertragung auf die Anpressplatten 3 eine hydraulisch wirkende Druckkammer
4b verwendet wird. Die Druckkammer 4b liegt abgeschlossen zwischen
mindestens einer Anpressplatte 3 und einem bügelförmigen Joch 2b
und wirkt auf die gesamte Anpressfläche der Anpressplatten 3. In die Druckkammer
4b wird ein flüssiges Medium, vorzugsweise aus einem härtbaren Material,
zum Beispiel Kunstharz, durch einen Einlass 7 gefüllt. Dieses flüssige
Material wird an die Anpressplatten 3 und somit an den Verbundwerkstoff 5 mit
einem hydraulischen Druck von mindestens 100 bar, vorzugsweise mindestens
400 bar gepresst. Danach wird der Einlass 7 verschlossen, bei flüssigen
Medien vorzugsweise mit einem Ventil. Besteht das flüssige Medium aus einem
härtbaren Material, wird ein Verschluss nicht benötigt. Danach wird der
Verbundwerkstoff analog zu den vorherigen Beispielen gespannt. Der Spannungsverlauf
ist vergleichbar mit dem in Figur 1 b dargestellten Spannungsverlauf.
In Figur 4, 4a ist eine vierte Ausführungsform mit einem Krafteinleitungselement
13, bei dem eine Quer-Traverse 2a an einer beliebigen Stelle an
dem bügelförmigen Joch 2b angeordnet ist. Analog zu den Figuren 3, 3a, 3b
werden zur Kraftübertragung auf die Anpressplatten 3 zwei hydraulisch wirkende
Druckkammern 4b verwendet, welche durch die Quer-Traverse unterteilt
werden. Der so erzielte Spannungsverlauf entspricht demjenigen der Figur
2.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt.
Bezugszeichenliste
- 1
- Krafteinleitungselement mit Druckelement 4a
- 2a
- Quer-Traverse
- 2b
- Bügelförmiges Joch
- 3
- Anpressplatte
- 4a
- Druckelement
- 4b
- Druckkammer
- 5
- Bandförmiger Verbundwerkstoff
- 6
- Aussparung
- 7
- Einlass für Medium
- 8
- Gewindeschraube
- 9
- Gewindestange
- 10
- Tragstruktur
- 11
- Zugrichtung
- 12
- Spannungsdiagramm
- 13
- Krafteinleitungselement mit Druckkammer 4b
- 14
- Verklebung