Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Krafteinleitungselement zur Verankerung
eines bandförmigen Verbundwerkstoffs 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 zum Verbundwerkstoff
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. Dabei sollen
die Zugkräfte des Verbundwerkstoffes über den gesamten Endverankerungsbereich
übertragen werden. Da die Verbundwerkstoffe in der Regel eine Breite
aufweisen, die ein Vielfaches, typischerweise Faktor 25 - 150 der Dicke des
Verbundwerkstoffes ist, 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 aufwendig, was eine Verschlechterung
der Ästhetik mitbringt.
Ein wesentliches Prinzip der heute verwendeten Krafteinleitungselemente
besteht darin, dass alle Fasern des Verbundwerkstoffes ohne Unterbrechung
über den gesamten Bereich des Krafteinleitungselementes verlaufen müssen.
Um diesem Prinzip gerecht zu werden, weisen diese Krafteinleitungselemente
Bolzen oder Bügel auf, die sich ausserhalb des Querschnitts des Verbundwerkstoffes
befinden. Damit der für eine zuverlässige Kraftübertragung erforderliche
gleichmässige Klemmdruck gewährleistet ist, müssen die zwischen den Bolzen
gespannten Stahlplatten um so dicker gestaltet werden, je breiter der Verbundwerkstoff
ist. Aus diesem Grund sind solche Krafteinleitungselemente heute auf
Breiten des Verbundwerkstoffes von zirka 90 mm beschränkt.
In WO 99/10613 A1 und WO 96/21785 wird ein Krafteinleitungselement
beschrieben, das Klemm-Keile anstelle von Bolzen und Platten verwendet, die
über elliptische Ringbügel an den Verbundwerkstoff angepresst werden. Um
die Abmessungen dieser Ringbügel in akzeptabler Grösse zu halten, ist diese
Krafteinleitung auf den Verbundwerkstoff mit einer Breite von 60 mm beschränkt.
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 eines erfindungsgemässen Krafteinleitungselementes
gemäss Anspruch 1 gelöst.
Die Lösung der Aufgabe wird somit durch ein neues Krafteinleitungselement
zur Verankerung eines bandförmigen Verbundwerkstoffs an einer Tragstruktur
erreicht, bei welchem mindestens eine Aussparung im Verbundwerkstoff
ausgeführt ist, durch welche mindestens ein Zugelement eine Anpressplatte
an den Verbundwerkstoff andrückt. Mit diesen Anpressplatten erfolgt eine
Kraftübertragung von der Tragstruktur auf den Verbundwerkstoff. Das Krafteinleitungselement
kann vorzugsweise einen Klemmkopf darstellen.
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, durch eine geeignete
Anordnung von Zugelementen, z.B. Bolzen innerhalb der Querschnittsfläche
quer zur Längsrichtung des bandförmigen Verbundwerkstoffs eine zuverlässige
Krafteinleitung herzustellen, dies entgegen dem bisher befolgten Prinzipien und
trotz lokaler Unterbrechung von Fasern im Bereich des Krafteinleitungselements.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass das
erfindungsgemässe Krafteinleitungselement für jede Breite des Verbundwerkstoffes
eingesetzt werden kann. Die Aussparungen, z.B. Löcher sind scharfkantig
und beschädigen nach Durchführung der Bohrung mit einem diamantbestückten
Bohrer den Verbundwerkstoff kaum, wobei zu beachten ist, dass die
Zugelemente bis maximal 50%, vorzugsweise 35% der Querschnittsfläche quer
zur Längsrichtung des bandförmigen Verbundwerkstoffs beanspruchen können,
um die gewünschte Zugkraft im Bereich von 180 bis 250 kN bei Verwendung
eines Krafteinleitungselementes zu garantieren. Die Krafteinleitungselemente
sind schlank und flach, was den Eingriff in die Tragstruktur auf ein Minimum
beschränkt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen. So kann die Quer-Traverse an einer beliebigen Stelle an
den Anpressplatten 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 Seitenansicht eines Krafteinleitungselementes;
- Fig. 1 a
- Eine Draufsicht des Krafteinleitungselementes mit zwei Zugelementen;
- Fig. 1 b
- Eine Draufsicht des Krafteinleitungselementes mit vier Zugelementen;
- Fig. 2
- Eine Seitenansicht einer weiteren Ausführung des Krafteinleitungselementes
mit einer im wesentlichen mittig angeordneten Quer-Traverse;
- Fig. 2a
- Eine Draufsicht des Krafteinleitungselementes nach Fig. 2 mit einer mittig
angeordneten Quer-Traverse mit zwei Zugelementen;
- Fig. 2b
- Eine Draufsicht der Krafteinleitungselemente nach Fig. 2 mit einer mittig
angeordneten Quer-Traverse in einer weiteren Ausführungsform mit
acht Zugelementen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In den Figuren 1, 1a, 1 b sowie 2, 2a, 2b ist ein Krafteinleitungselement 1
dargestellt.
In Figuren 1 bzw. 1a und 1b ist ein Krafteinleitungselement 1 gezeigt,
das über eine Quer-Traverse 2 zu mindestens einer Gewindestange 9 in einem
nicht dargestellten Verankerungsrohr bzw. Schubdorn gehalten ist, 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 2 des Krafteinleitungselementes 1 führt. Der Verbundwerkstoff
5 wird zuerst mit Hilfe einer Presse, die am Ende des Verbundwerkstoffs
5 temporär angeordnet wird, in der Zugrichtung 11 gespannt, und
danach wird diese Spannkraft z.B. durch Drehen einer Gewindeschraube 8 über
die Quer-Traverse 2 in die Gewindestange 9 eingeleitet.
Das Krafteinleitungselement 1 umfasst zwei Anpressplatten 3, wobei das
Krafteinleitungselement 1 den Verbundwerkstoff 5 mit mindest einem Zugelement
4 gleichmäßig zusammendrückt. Zur Erhöhung der gleichmäßigen Anpresskraft
und somit 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 zwischen Anpressplatte 3 und Verbundwerkstoff
5 zu verbessern. Die Verwendung von Zugelementen 4, welche
durch den Verbundwerkstoff 5 ragen, resultiert in einer gleichmäßigen Anpresskraft
der Anpressplatten 3 an den Verbundwerkstoff 5. Das
Krafteinleitungselement 1 kann schlank und flach ausgeführt sein, was den
Eingriff in die Tragstruktur 10 auf ein Minimum beschränkt. Die Dicke der
Anpressplatten 3 liegt je nach Lamellenbreite /-dicke vorzugsweise zwischen
0.5 - 1.5 cm. Auch ist das erfindungsgemäße Krafteinleitungselement 1 für
größere Lamellenbreiten, als dies bisher möglich war, verwendbar.
Die Zugelemente 4 können metallische Klammern, Bolzen oder Schrauben
sein, wobei mittels der Zugelemente 4 die Anpressplatten 3 mit einem
gleichmässigen Anpressdruck an den Verbundwerkstoff 5 gedrückt werden.
Die Anordnung der Zugelemente 4 erfolgt in der Weise, dass ein optimaler
Kraftabbau der Lamellenzugkraft bis zur Aussparung 6 des Zugelementes 4
stattfindet. Der Abstand zwischen den einzelnen Zugelementen 4, gemessen
vom Rand der Aussparung, ist vorzugsweise grösser als 10 mm, insbesondere
in einem Bereich von 15 bis 30 mm. Auch liegen die Zugelemente 4 vom Rand
der Aussparung 6 vorzugsweise mindestens 10 mm von der Seite des Plattenrandes
entfernt, insbesondere liegen sie in einem Bereich von 15 bis 25 mm
entfernt.
Die beiden Anpressplatten 3 werden an den Verbundwerkstoff 5 mit
mindest einem Zugelement 4 gepresst oder können unter Verwendung eines
Klebstoffes und mindest eines Zugelementes 4 in zweifacher Weise verbunden
werden.
Die Anzahl, Anordnung der Aussparungen 6 sowie der Zugelemente 4
und deren Dimensionierung richtet sich nach der erforderlichen Anpresskraft.
Sie werden nur auf Zug beansprucht und müssen für Schubkräfte nicht dimensioniert
werden.
Beim Zusammenbau wird zuerst die Anordnung der Zugelemente 4 an
die Anpressplatte 3 festgelegt. Mit Hilfe einer speziellen Schablone, die mit den
Löchern für die Zugelemente 4 auf der Anpressplatte 3 übereinstimmt, werden
mit einem diamantbestückten Bohrer vorzugsweise scharfkantig und präzis
Aussparungen 6 durch den Verbundwerkstoff 5 ausgeführt. Die so ausgeführten
Aussparungen 6 schädigen den Verbundwerkstoff 5 kaum. Es hat sich gezeigt,
dass die Durchmesser der Aussparungen 6 bis zu maximal 50%, vorzugsweise
35% der Querschnittsfläche quer zur Längsrichtung des bandförmigen
Verbundwerkstoffs 5 beanspruchen können, um z.B. eine gewünschte
Zugkraft im Bereich von 180 bis 250 kN bei Verwendung des Krafteinleitungselementes
1 zu garantieren.
Die Quer-Traverse 2 kann stirnseitig an das Krafteinleitungselement 1
angeordnet sein und kann aus einem Stück bestehen, wobei dann der Verbundwerkstoff
5 durch die Quer-Traverse 2 geführt wird. Die Quer-Traverse
kann auch aus zwei oder mehr Teilen bestehen, wobei dann die Teile nach
dem Umfassen des Verbundwerkstoffs 5 miteinander verschraubt werden.
Die bei diesem Spannprozess auftretenden Spannungen im Verbundwerkstoff
sind im Spannungsdiagramm 7 qualitativ dargestellt, wobei x der Weg
entlang des Krafteinleitungselementes 1 ist und y die Kraft am Ort x ist. Da die
Quer-Traverse 2 nicht mit dem Verbundwerkstoff 5 verklebt ist, sind die Spannungsspitzen
am Ort der Quer-Traverse 2 und den Anpressplatten 3 am höchsten
und vermindern sich gegen Null bis zum Ende der Anpressplatte 3 des
Krafteinleitungselementes 1.
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.
Ferner können die Anpressplatten 3 breiter als der Verbundwerkstoff 5
ausgeführt sein. Dann können im Ueberhangsbereich, ausserhalb des Bereiches
des Verbundwerkstoffs 5, Löcher in der Anpressplatte 3 angeordnet sein.
Dies hat den Vorteil, dass nach dem Vorspannen in Zugrichtung 11 durch diese
neben dem Verbundwerkstoff 5 positionierten Löcher in den Anpressplatten
Schrauben in die Tragstruktur 10 zur Entlastung oder Eliminierung der Gewindestange
9 gesetzt werden können.
Figur 1 und 1a zeigen, dass der Verbundwerkstoff 5 mit zwei Zugelementen
4 über Anpressplatten 3 gehalten wird. In der Figur 1b wird der Verbundwerkstoff
5 mit vier Zugelementen 4 gehalten.
In Figuren 2 bzw. 2a und 2b ist eine weitere Ausführungsform gezeigt,
bei der die Quer-Traverse im wesentlichen mittig an den Anpressplatten 3 angeordnet
ist. Die Spannungsspitzen, die dabei auftreten, sind im Spannungsdiagramm
7 dargestellt und sind mit denen in Figur 1 vergleichbar.
In Figur 2a wird der Verbundwerkstoff 5 mittels der Anpressplatten und
zwei Zugelementen 4 und in Figur 2b mittels der Anpressplatten und acht Zugelementen
4 gehalten.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Quer-Traverse kann an einer
beliebigen Stelle an den Anpressplatten 3 angeordnet sein. Die Anzahl der
Zugelemente ist an sich unerheblich und muss den jeweiligen Erfordernissen
angepasst werden. Es kann gegebenenfalls auch nur eine Anpressplatte verwendet
werden.
Bezugszeichenliste
- 1
- Krafteinleitungselement
- 2
- Quer-Traverse
- 3
- Anpressplatte
- 4
- Zugelement
- 5
- Bandförmiger Verbundwerkstoff
- 6
- Aussparung
- 7
- Spannungsdiagramm
- 8
- Gewindeschraube
- 9
- Gewindestange
- 10
- Tragstruktur
- 11
- Zugrichtung