EP2047046B1 - Verstärkungselement, verfahren zur herstellung eines derartigen verstärkungselementes und bauteil, ausgestattet mit einem verstärkungselement - Google Patents

Verstärkungselement, verfahren zur herstellung eines derartigen verstärkungselementes und bauteil, ausgestattet mit einem verstärkungselement Download PDF

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EP2047046B1
EP2047046B1 EP07787774A EP07787774A EP2047046B1 EP 2047046 B1 EP2047046 B1 EP 2047046B1 EP 07787774 A EP07787774 A EP 07787774A EP 07787774 A EP07787774 A EP 07787774A EP 2047046 B1 EP2047046 B1 EP 2047046B1
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EP
European Patent Office
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reinforcing element
profile
component
plane
element according
Prior art date
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Reto Clénin
Albert Maria Vodermayer
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Sika Technology AG
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Sika Technology AG
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    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G23/00—Working measures on existing buildings
    • E04G23/02—Repairing, e.g. filling cracks; Restoring; Altering; Enlarging
    • E04G23/0218—Increasing or restoring the load-bearing capacity of building construction elements
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/07—Reinforcing elements of material other than metal, e.g. of glass, of plastics, or not exclusively made of metal
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E04G2023/0251—Increasing or restoring the load-bearing capacity of building construction elements by using fiber reinforced plastic elements

Definitions

  • the invention relates to a reinforcing element, as it can be used preferably for stabilizing and reinforcing components on buildings, a method for producing such a reinforcing element and a component equipped with a reinforcing element.
  • Reinforcing elements of the type in question here are on the one hand in a new building of considerable importance, for example, to ensure the seismic safety of the building.
  • older buildings can be retrofitted with such reinforcing elements, because a component to be reinforced, for example, due to excessive stresses damage that must be corrected.
  • materials with high tensile strength for the reinforcement of components.
  • fiber-reinforced plastics are particularly suitable. These have in addition to the high tensile strength mentioned also a very low weight and are easy to handle.
  • fiber-reinforced plastics can be processed very easily. Subsequent reinforcement of reinforced concrete is thus possible without difficulty.
  • CFRP materials Carbon fiber-reinforced plastics (CFRP materials), for example, can be used in lamellar form for the transverse reinforcement of bridges, for increasing the payload of ceilings and for stiffening wooden structures. Columns and pillars are also secured with CFRP laminates only a few millimeters thick.
  • the subsequent steel reinforcement of components in the construction sector is characterized by a very complex production. Furthermore, this sometimes results in considerable corrosion problems. Due to the relatively high weight of a steel reinforcement, the applications are difficult, that is, the adaptation to the component is not readily possible. In addition, optical impairments result from such steel reinforcements, which are undesirable for certain components of buildings.
  • a reinforcing element according to the preamble of claim 1 is in WO 01/51736 A described.
  • the invention has for its object to provide reinforcing elements for reinforcing components, which avoid the disadvantages of previous reinforcing elements.
  • a method is provided which allows the production of such a reinforcing element.
  • the fibers of the reinforcing element is hardly loaded and stretched by the forming process, so that pre-damage within the reinforcing element can be effectively avoided.
  • the reinforcing element acts like a free tension member without composite. It can be used both to prevent fractures of components in the construction sector, as well as to prevent these components as a precaution from damage to protect themselves against aging processes.
  • the reinforcing element according to the invention makes it possible to increase the load capacity of the components equipped with this reinforcing element.
  • the reinforcing element can be used flexibly and can be provided without great effort on the components to be reinforced.
  • the reinforcing element according to the invention can be brought into the desired shape by a forming process before it is fastened to a component.
  • a reinforcing element is available, which can be placed directly on the component to be amplified and connected to this.
  • the reinforcing element can be prefabricated, the production cost is not incurred in the construction phase, so not on site on the building, so that this results in the construction phase considerable time and cost advantages.
  • the profile may be a flat profile, a U-profile, a T-profile or an L-profile. Decisive for the choice of the profile is exclusively to be achieved by means of the reinforcing element strength and adaptability to the component to be reinforced.
  • the reinforcing element is attachable at an angle ⁇ with respect to the longitudinal extent and thus fulfills the general inventive concept.
  • a component in the context of the present invention are in particular structures, parts of structures or beams to be understood as parts of buildings in the construction sector.
  • the said beams are provided on reinforced concrete ceilings, bridge girders, for example in the longitudinal and / or transverse direction and serve, for example, the reinforcement of wall outbreaks or wall openings.
  • a reinforcing element according to the invention can be used when displacing falls, such as window or door lintels.
  • the diversity of the present applications also shows the possibilities of choosing different cross-sections of such a component. So it may have a polygonal or cycloid cross sections.
  • the reinforcing element can have an anchoring part at least at one of its ends. This anchoring part serves for additional attachment of the reinforcing element to the component to be reinforced.
  • the anchoring part can proceed from the cross-section of the profile, starting in a polygonal or cycloidal cross-section.
  • the anchoring part has a polygonal or cycloidal cross-section.
  • the anchoring part is made Stationaryrig. Multi-limbed here means that the end of the anchoring part into individual segments or sections is divided or in the simplest case has at least one recess. This can be used, for example, to receive a fastener or to guide such a fastener through the thus formed openings or recesses.
  • the anchoring part has a geometry suitable for receiving or carrying out a fastening element.
  • a fastener may represent a dowel, a screw, a rivet or a similar means. This must only be suitable to produce a detachable or permanently fixed connection between the reinforcing element and the component to be reinforced in the region of the anchoring part.
  • the anchoring part can be inserted into a recess of the component.
  • a cohesive connection can be, for example, an adhesive connection. If the reinforcing element is produced from thermoplastic or thermosetting matrix resin, then this is liquid in the raw state and solidifies during or after processing. The matrix resin is applied to the component to be reinforced and integrally bonds to it by hardening. The connection thus created is weather-resistant and corresponds to the requirements placed on the component to be reinforced.
  • the reinforcing element is formed by high-modulus carbon fibers, wherein the fiber direction of the reinforcing element can be unidirectionally aligned.
  • an FRP element Fiber Reinforced Polymer Element
  • the reinforcing element is a FRP tension element or an FRP shear angle.
  • the reinforcing element consists in particular of carbon, glass, aramid or basalt fiber material with a high Exa value and high tensile strength.
  • the prefabrication of the reinforcing element in the sense of the aforementioned method has the advantages that a fiber-conserving processing of the fiber composite material is possible. Thus, no damage to the profile and this meets in comparison with known solutions significantly higher strength requirements. Thus, higher stabilization effects of the component to be reinforced can be achieved, as is the case with known embodiments.
  • At least one anchoring part is formed on at least one end of the reinforcing element.
  • the Anformung can be done in one or more consecutive steps.
  • the anchoring part is worked out directly from the reinforcing element. This results in a uniform fabric structure, which has an overall positive effect on the strength values of the reinforcing element.
  • a particularly advantageous possible use of a reinforcing element according to the invention can be specified for a supporting structure, a structural part or a joist of a building.
  • a component with a reinforcing element according to the invention is the subject of the invention, wherein the reinforcing element is attached to the component at an angle ⁇ relative to the longitudinal extent of the component.
  • Reinforcing element and component are integrally connected to one another according to an embodiment of this component.
  • the cohesive connection can be produced by the adhesive effect inherent in the fiber-reinforced plastic or a separate adhesive material.
  • a component according to the invention with a reinforcing element is also characterized in that the reinforcing element has at least one anchoring part present on the reinforcing element and a connection between the reinforcing element and the component is formed via this anchoring part by means of a fastening element.
  • This compound can be a detachable or permanently solid compound.
  • the component with the reinforcing element has at least one anchoring part provided on the reinforcing element, which can be inserted into a recess of the component.
  • FIG. 1A is a reinforcing element shown schematically as a blank.
  • the blank is a flat profile 1 produced from a so-called prepreg based on thermoplastic or thermosetting matrices.
  • the fiber course is preferably unidirectional in such a component.
  • the profile 1 shown has a forming area 2. This forming area is rotated at an angle ⁇ relative to the longitudinal direction of the profile 1.
  • the forming area 2 is defined so that it is the intersection of the profile plane with an imaginary plane perpendicular to the profile plane formed by the profile, said plane perpendicular to the profile plane at an angle ⁇ against the longitudinal direction of the profile and thus the possible unidirectional fibers is twisted.
  • the angle ⁇ is an acute angle and is in the range of 20 to 70 °, preferably in the range of 30 to 60 °, more preferably in the range of 40 to 50 °, most preferably 45 °.
  • FIG. 1B is a Stadiumsplan for producing a first embodiment of a reinforcing element according to the invention shown.
  • a profile 1 produced as a flat profile is produced from a so-called prepreg based on thermoplastic or thermosetting matrices.
  • the fiber course is preferably unidirectional in such a component.
  • the profile 1 shown has a forming region 2, which results from a local short-term heating.
  • a localized portion can be changed in material properties to thereby produce the ⁇ -tilted FRP profile.
  • the individual layers of the prepreg can be stacked discontinuously or continuously one above the other and pressed together under the influence of temperature and pressure or formed into a one-piece component. If a warming has taken place, a final cooling is necessary.
  • thermoplastic flat profiles should be mentioned as starting materials, which are heated only in the intended range of curvature and converted accordingly.
  • the height of the heating temperature is adjusted so that the plastic matrix can soften locally and for a limited time, wherein the softening state can take place in a liquefaction region.
  • After the forming of the flat profile to the inclined by ⁇ FRP shear angle is a brief cooling, so that the profile 1 remains in its final position and can be applied directly to the component to be amplified.
  • the fibers, in particular high modulus carbon fibers are not damaged.
  • the efficiency is improved by the inventive reinforcing elements and provided a system that combines all advantages in terms of cost and material usage.
  • FIG. 2 Another variant for producing a reinforcing element according to the invention is as a stadium plan in the FIG. 2 shown in detail.
  • starting materials for this FRP shear angle with acute angle ⁇ and with a deformed anchoring part 4 are preferably used unidirectionally reinforced thermoplastic round profiles, which have the same cross-sectional area as the final product.
  • Such round profiles are heated again with the exception of the anchoring part and pressed into a flat profile.
  • the profile 1 in the left part of the picture FIG. 2 sets the round profile as a blank and the profile 1 in the middle of FIG. 2 Subsequently, a local heating is carried out for a limited time only in the forming area 2 provided for this purpose, so that the forming area 2, according to the third illustration on the right in FIG FIG.
  • the anchoring part 4 is brought into its final form.
  • FIG. 2 is shown enlarged in the last, lower part of the picture.
  • the anchoring part 4 initially having a cycloidal cross-section has now been pressed into a flat shape.
  • the inventive reinforcing element can be generated in total from two individual round sections 1.1 and 1.2. Different approaches are available.
  • a further variant is also to convert the original round profiles 1.1 and 1.2 by a suitably suitable forming process in a flat profile 1.
  • a heating can be provided.
  • the special design of the reinforcing element according to FIG. 4 is that the anchoring part 4 has a circular cross-section.
  • this anchoring part 4 has been described in relation to the profile 1, which in FIG. 4 has already been reshaped in the region of the forming area 2, again bent, so that a multi-curved profile 1 results. That is, here the profile 1 has a second forming area 2, which in the FIG. 4 was not specified on.
  • FIG. 5 This is a component 3, which in the present case consists of a simple, rectangular in cross-section bars, provided with a reinforcing element according to the invention.
  • the reinforcing element consists of the profile 1 and two anchoring parts 4.1 and 4.2. These anchoring parts 4.1 and 4.2 are introduced in the embodiment shown in recesses of the component 3 and anchored therein.
  • the profile 1 in each case has the same angle ⁇ with respect to the longitudinal extension of the component 3 to be reinforced as the deformation region 2. This angle in each case refers to the longitudinal extension of the side surface of the component 3 to be reinforced provided with the reinforcement element.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verstärkungselement, wie es vorzugsweise zur Stabilisierung und Verstärkung von Bauteilen an Bauten zum Einsatz kommen kann, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verstärkungselementes sowie ein mit einem Verstärkungselement ausgestattetes Bauteil.
    • Stand der Technik
  • Verstärkungselemente der hier in Rede stehenden Art sind einerseits bei einem Neubau von erheblicher Bedeutung, um beispielsweise die Erdbebensicherheit des Gebäudes zu gewährleisten. Andererseits können auch ältere Bauten nachträglich mit derartigen Verstärkungselementen ausgestattet werden, weil ein zu verstärkendes Bauteil zum Beispiel durch übergemässe Beanspruchungen Schäden aufweist, die behoben werden müssen. Dabei ist es im Baubereich bekannt, zur Verstärkung von Bauteilen Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit einzusetzen. Hierfür sind insbesondere faserverstärkte Kunststoffe geeignet. Diese weisen neben der genannten hohen Zugfestigkeit auch ein sehr geringes Eigengewicht auf und sind problemlos zu handhaben. Darüber hinaus lassen sich faserverstärkte Kunststoffe sehr einfach verarbeiten. Ein nachträgliches Verstärken von Stahlbeton ist damit ohne Schwierigkeiten möglich. Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK-Werkstoffe) können zum Beispiel in Lamellenform zur Querverstärkung von Brücken, zur Nutzlasterhöhung von Decken und zum Versteifen von Holzkonstruktionen dienen. Auch Stützen und Pfeiler werden mit derartigen, nur wenige Millimeter dicken CFK-Lamellen gesichert.
  • Bekannt sind bei der Verarbeitung dieser kohlefaserverstärkten Kunststoffe sowohl kreuzweise ausgerichtete Faserrichtungen als auch unidirektional, also gleichsinnig ausgerichtete Faserverläufe. Neben einem einschichtigen Auftrag auf das zu verstärkende Bauteil sind mehrlagige Anordnungen derartiger faserverstärkter Kunststofflamellen bereits in Anwendung.
    Andere Verstärkungselemente, wie Stahllaschen sowie Gewebe aus Kohle- oder Glasfasern werden ebenfalls eingesetzt, um eine Stabilisierung oder Schubverstärkung der zu stabilisierenden Bauteile zu erreichen. Allerdings weisen sämtliche bislang bekannten Systeme Nachteile auf.
  • So ist die nachträgliche Stahlverstärkung von Bauteilen im Baubereich durch eine sehr aufwändige Herstellung gekennzeichnet. Ferner ergeben sich hierbei zum Teil erhebliche Korrosionsprobleme. Infolge des relativ hohen Gewichtes einer Stahlverstärkung sind die Applikationen schwierig, das heisst, die Anpassung am Bauteil ist nicht ohne weiteres möglich. Zudem ergeben sich optische Beeinträchtigungen durch derartige Stahlverstärkungen, die bei bestimmten Bauteilen an Gebäuden unerwünscht sind.
  • Bei der Verwendung von CFK-Schubwinkeln zur Bauteilverstärkung hat sich herausgestellt, dass dieses rohstoff- und energieintensive Material durch die bisher bekannten Methoden nicht optimal eingesetzt werden kann. Ähnlich verhält es sich bei im Einsatz befindlichen Gewebematerialien. Zudem müssen diese Materialien vielfach unter erheblichem Aufwand nachträglich an dem Bauteil verankert werden. Eine derartige Verankerung wird zumeist mittels zusätzlicher Stahlprofile vorgenommen, die an dem Bauteil befestigt werden müssen und somit zusätzliche Arbeitsgänge erfordern.
  • Ein Verstärkungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird in WO 01/51736 A beschrieben.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verstärkungselemente zur Verstärkung von Bauteilen bereitzustellen, welche die Nachteile bisheriger Verstärkungselemente vermeiden. Darüber hinaus ist ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung eines derartigen Verstärkungselementes ermöglicht.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich jeweils anschliessenden Unteransprüchen angegeben.
  • Die Fasern des Verstärkungselementes wird durch den Umformprozess kaum belastet und gestreckt, so dass Vorschädigungen innerhalb des Verstärkungselementes wirksam vermieden werden können. Das Verstärkungselement wirkt wie ein freies Zugglied ohne Verbund. Es kann sowohl zur Vermeidung von Brüchen an Bauteilen im Baubereich eingesetzt werden, als auch, um diese Bauteile vorsorglich vor Beschädigungen aufgrund sich einstellender Alterungsprozesse zu schützen. Zudem ermöglicht das erfindungsgemässe Verstärkungselement eine Erhöhung der Belastbarkeit der mit diesem Verstärkungselement ausgestatteten Bauteile. Das Verstärkungselement ist flexibel einsetzbar und kann ohne grossen Aufwand an den zu verstärkenden Bauteilen vorgesehen werden.
  • Durch dieses Verstärkungselement mit einem Umformbereich in einem spitzen Winkel α werden die Fasern des Verstärkungselementes weniger geknickt respektive gestreckt als bei der Herstellung herkömmlicher Schubwinkel welche mit einem Winkel α = 90° hergestellt werden. Dadurch werden die Fasern, insbesondere hochmodulige Kohlenstoff-Fasern, nicht vorgeschädigt. Der Unformprozess ist zudem einfacher als wenn die Profile mit einem Winkel α = 90° hergestellt würden. Somit wird durch die erfindungsgemässen Verstärkungselemente die Effizienz verbessert und ein System zur Verfügung gestellt, welche alle Vorteile bezüglich Kosten und Materialeinsatz kombiniert.
  • Das erfindungsgemässe Verstärkungselement kann durch einen Umformprozess in die gewünschte Form gebracht werden, bevor es an einem Bauteil befestigt wird. Somit steht ein Verstärkungselement zur Verfügung, das unmittelbar auf das zu verstärkende Bauteil aufgelegt und mit diesem verbunden werden kann.
  • Da das Verstärkungselement vorgefertigt werden kann, entsteht der Herstellungsaufwand nicht in der Bauphase, also nicht vor Ort am Bauwerk, so dass sich hieraus in der Bauphase erhebliche Zeit- und damit Kostenvorteile ergeben.
  • Das Profil kann gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung ein Flachprofil, ein U-Profil, ein T-Profil oder ein L-Profil sein. Massgeblich für die Wahl des Profils ist dabei ausschliesslich die mittels des Verstärkungselementes zu erreichende Festigkeit sowie die Anpassbarkeit an das zu verstärkende Bauteil.
  • In jedem Fall ist das Verstärkungselement unter einem Winkel α in Bezug auf die Längserstreckung anbringbar und erfüllt damit den allgemeinen Erfindungsgedanken.
  • Als Bauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei insbesondere Tragwerke, Teile von Tragwerken oder Unterzüge als Teile von Gebäuden im Baubereich zu verstehen. Die genannten Unterzüge werden an Stahlbetondecken, Brückenträgern, beispielsweise in Längs- und/oder Querrichtung vorgesehen und dienen zum Beispiel auch der Verstärkung von Wandausbrüchen oder Wandöffnungen. Ebenso kann ein erfindungsgemässes Verstärkungselement beim Versetzen von Stürzen, wie Fenster- oder Türstürzen, zum Einsatz kommen.
    Die Vielfältigkeit der vorliegenden Anwendungsbereiche zeigt auch die Möglichkeiten der Wahl unterschiedlicher Querschnitte eines derartigen Bauteils. So kann es einen polygonalen oder zykloiden Querschnitte aufweisen.
  • Zur Verbesserung der Verbindung zwischen Verstärkungselement und zu verstärkendem Bauteil, im Sinne einer hohen Dauerfestigkeit, kann das Verstärkungselement zumindest an einem seiner Enden ein Verankerungsteil aufweisen. Dieses Verankerungsteil dient einer zusätzlichen Befestigung des Verstärkungselementes an dem zu verstärkenden Bauteil.
  • Gemäss einer Ausgestaltung dieser Erfindung kann das Verankerungsteil von dem Querschnitt des Profils ausgehend in einen polygonalen oder zykloiden Querschnitt übergehen. Somit weist nicht nur das Profil selbst, sondern auch das Verankerungsteil einen polygonalen oder zykloiden Querschnitt auf.
  • Zur weiteren Verbesserung der Verbindungsmöglichkeit zwischen dem Verstärkungselement und dem zu verstärkenden Bauteil ist es darüber hinaus sinnvoll, wenn das Verankerungsteil mehrgliedrig ausgeführt wird. Mehrgliedrig bedeutet hierbei, dass das Ende des Verankerungsteiles in einzelne Segmente oder Abschnitte unterteilt wird oder im einfachsten Fall zumindest eine Ausnehmung aufweist. Dies kann genutzt werden, um beispielsweise ein Befestigungselement aufzunehmen oder ein solches Befestigungselement durch die somit gebildeten Öffnungen oder Ausnehmungen hindurch zu führen.
  • Dementsprechend wird weiterhin vorgeschlagen, dass das Verankerungsteil eine zu der Aufnahme oder Durchführung eines Befestigungselementes geeignete Geometrie aufweist. Im Sinne der Erfindung kann ein Befestigungselement ein Dübel, eine Schraube, ein Niet oder ein ähnliches Mittel darstellen. Dieses muss lediglich geeignet sein, eine lösbare oder dauerhaft feste Verbindung zwischen dem Verstärkungselement und dem zu verstärkenden Bauteil im Bereich des Verankerungsteiles zu erzeugen.
  • In einer anderen Verbindungsart ist das Verankerungsteil in eine Ausnehmung des Bauteils einsetzbar. Diese zwar mit einem geringfügigen Mehraufwand verbundene Verbindungsvariante zwischen Verstärkungselement und zu verstärkendem Bauteil ermöglicht eine sehr stabile und dauerhaft feste Verbindung der genannten Bauteile. Allerdings ist es hierfür erforderlich, in dem zu verstärkenden Bauteil eine entsprechende Ausnehmung vorzusehen, in die das Verankerungsteil eingreifen kann.
  • Um eine den auftretenden Belastungen gerecht werdende Verbindung zwischen dem Verstärkungselement und dem zu verstärkenden Bauteil zu erzeugen, ist es von besonderem Vorteil, zwischen diesen Elementen eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Eine stoffschlüssige Verbindung kann dabei beispielsweise eine Klebeverbindung sein. Wird das Verstärkungselement aus thermoplastischem oder duroplastischem Matrixharz erzeugt, so ist dieses im Rohzustand flüssig und verfestigt sich bei oder nach der Verarbeitung. Das Matrixharz wird auf das zu verstärkende Bauteil aufgetragen und verbindet sich stoffschlüssig mit diesem, indem es aushärtet. Die so geschaffene Verbindung ist witterungsbeständig und entspricht den an das zu verstärkende Bauteil gestellten Anforderungen.
  • Bevorzugt wird das Verstärkungselement durch hochmodulige Kohlenstofffasern gebildet, wobei die Faserrichtung des Verstärkungselementes unidirektional ausgerichtet sein kann.
  • Als Verstärkungselement kann ein FRP-Element (Fibre-Reinforced-Polymer-Element) zum Einsatz kommen. Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ist das Verstärkungselement ein FRP-Zugelement oder ein FRP-Schubwinkel. Diese vorgenannten Ausführungsvarianten des Verstärkungselementes ermöglichen die eingangs bereits beschriebenen Vorteile, dass das Verstärkungselement vor Aufbringung auf das zu verstärkende Bauteil gefertigt werden kann und nicht erst an der Baustelle beziehungsweise am Bauteil erzeugt werden muss.
  • Um die an das zu verstärkende Bauteil gestellten Anforderungen optimal erfüllen zu können, besteht das Verstärkungselement insbesondere aus Kohle-, Glas-, Aramit- oder Basaltfasermaterial mit einem hohen Exa-Wert und hoher Zugfestigkeit.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Verstärkungselementes ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
    1. 1. Herstellung eines faserverstärkten Profils, vorzugsweise eines Flachprofils,
    2. 2. Umformung des Profils, so dass dieses mindestens einen Umformbereich aufweist, wobei die Umformung des Umformbereiches mittels partieller thermischer Erhitzung des Umformbereiches erfolgt und wobei der Umformbereich in einem Schnitt der Profilebene mit einer gedachten senkrecht auf der Profilebene stehenden Ebene liegt, wobei diese senkrecht auf der Profilebene stehende Ebene in einem spitzen Winkel α gegen die Längsrichtung des Profils verdreht ist.
  • Die Vorfertigung des Verstärkungselementes im Sinne des vorgenannten Verfahrens weist die Vorteile auf, dass eine faserschonende Bearbeitung des Faserverbundwerkstoffes möglich wird. Somit stellen sich keine Beschädigungen des Profils ein und dieses erfüllt im Vergleich mit bekannten Lösungen wesentlich höhere Festigkeitsanforderungen. Damit sind folglich höhere Stabilisierungswirkungen des zu verstärkenden Bauteils erreichbar, als dies bei bekannten Ausführungen der Fall ist.
  • Gemäss einem weiteren Vorschlag wird darüber hinaus davon ausgegangen, dass wenigstens ein Verankerungsteil an zumindest einem Ende des Verstärkungselementes angeformt wird. Die Anformung kann dabei in einem oder in mehreren aufeinander folgenden Arbeitsschritten erfolgen. Somit wird das Verankerungsteil unmittelbar aus dem Verstärkungselement herausgearbeitet. Es ergibt sich eine einheitliche Stoffstruktur, was sich insgesamt positiv auf die Festigkeitswerte des Verstärkungselementes auswirkt.
  • Als Umformprozesse für die Erzeugung des Umformbereiches des Verstärkungselementes kommen Handlaminieren, Vakuum-Back-Molding, Heisspressen, Thermoformen, Pressformen, Wickeln oder ein Tape-Legeverfahren zum Einsatz.
  • Besondere Vorteile hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften ergeben sich gemäss einer Weiterentwicklung des zuvor genannten Verfahrens auch dadurch, dass die einzelnen Schichten des insgesamt mehrschichtig ausgeführten Verstärkungselementes diskontinuierlich oder kontinuierlich übereinander geschichtet und unter Einfluss von Temperatur und Druck miteinander verpresst beziehungsweise gemeinsam geformt werden, um anschliessend durch einen Abkühlungsvorgang das fertige Verstärkungselement zu erzeugen.
  • Eine besonders vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemässen Verstärkungselementes, wie es zuvor eingehend näher beschrieben wurde, lässt sich für ein Tragwerk, ein Tragwerksteil oder einen Unterzug eines Bauwerkes angeben.
  • Demgemäss ist auch ein Bauteil mit einem erfindungsgemässen Verstärkungselement Gegenstand der Erfindung, wobei das Verstärkungselement bezogen auf die Längserstreckung des Bauteils unter einem Winkel α an dem Bauteil befestigt ist. Verstärkungselement und Bauteil sind gemäss einer Ausgestaltung dieses Bauteils stoffschlüssig miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann durch die dem faserverstärkten Kunststoff inhärente Klebewirkung oder einen separaten Klebewerkstoff erzeugt werden.
  • Ein erfindungsgemässes Bauteil mit einem Verstärkungselement ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement zumindest ein an dem Verstärkungselement vorhandenes Verankerungsteil aufweist und über dieses Verankerungsteil mittels eines Befestigungselementes eine Verbindung zwischen dem Verstärkungselement und dem Bauteil gebildet wird. Diese Verbindung kann eine lösbare oder eine dauerhaft feste Verbindung sein.
  • Ebenso ist es entsprechend einer Ausgestaltung möglich, dass das Bauteil mit dem Verstärkungselement zumindest ein an dem Verstärkungselement vorhandenes Verankerungsteil aufweist, das in eine Ausnehmung des Bauteils einsetzbar ist.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Verbindung zu bewirken.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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 1A:
    Ein erfindungsgemässes Verstärkungselement in Form eines Flachprofils als Rohteil;
    FIG 1B:
    Ein erfindungsgemässes Verstärkungselement in Form eines Flachprofils als Roh- und Fertigteil;
    FIG 2:
    Einen Stadienplan zur Herstellung eines anderen erfindungsgemässen Verstärkungselementes aus einem Rundprofil;
    FIG 3:
    Die Erzeugung eines weiteren erfindungsgemässen Verstärkungselementes, das aus zwei Rundprofilen hergestellt wird;
    FIG 4:
    Ein weiteres Verstärkungselement mit einem speziell geformten Verankerungsteil;
    FIG 5:
    Ein Bauteil, ausgestattet mit einem erfindungsgemässen Verstärkungselement.
  • Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • In der Figur 1A ist ein Verstärkungselement als Rohteil schematisch dargestellt. Das Rohteil ist ein Flachprofil 1 aus einem sogenannten Prepreg auf Basis von thermoplastischen oder duroplastischen Matrizes erzeugt. Der Faserverlauf ist bei einem derartigen Bauteil bevorzugt unidirektional. Das gezeigte Profil 1 weist einen Umformbereich 2 auf. Dieser Umformbereich ist in einem Winkel α gegenüber der Längsrichtung des Profiles 1 verdreht. Der Umformbereich 2 ist dabei so definiert, dass er der Schnitt der Profilebene mit einer gedachten, senkrecht auf der durch das Profil gebildeten Profilebene stehenden Ebene ist, wobei diese senkrecht auf der Profilebene stehende Ebene im Winkel α gegen die Längsrichtung des Profils und somit der allfälligen unidirektionalen Fasern verdreht ist. Der Winkel α ist dabei ein spitzer Winkel und liegt im Bereich von 20 bis 70°, bevorzugt im Bereich von 30 bis 60°, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50°, meist bevorzugt 45°.
  • In der Figur 1B ist ein Stadienplan zur Herstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Verstärkungselementes dargestellt. Zunächst wird ein als Flachprofil erzeugtes Profil 1 aus einem sogenannten Prepreg auf Basis von thermoplastischen oder duroplastischen Matrizes erzeugt. Der Faserverlauf ist bei einem derartigen Bauteil bevorzugt unidirektional. Das gezeigte Profil 1 weist einen Umformbereich 2 auf, der durch eine lokale kurzzeitige Erhitzung entsteht. Somit kann ein lokal begrenzter Abschnitt in seinen Materialeigenschaften geändert werden, um dadurch das um α geneigte FRP-Profil zu erzeugen. Die einzelnen Schichten des Prepregs können diskontinuierlich oder kontinuierlich übereinander geschichtet und unter dem Einfluss von Temperatur und Druck miteinander verpresst beziehungsweise zu einem einteiligen Bauteil geformt werden. Sofern eine Erwärmung stattgefunden hat, ist eine abschliessende Abkühlung erforderlich.
  • Darüber hinaus ist die Verwendung von unidirektional verstärkten thermoplastischen Flachprofilen als Ausgangsmaterialien zu erwähnen, die nur im vorgesehenen Krümmungsbereich erwärmt und entsprechend umgeformt werden. Die Höhe der Erwärmungstemperatur wird dabei so eingestellt, dass die Kunststoffmatrix lokal und zeitlich begrenzt aufweichen kann, wobei der Erweichungszustand bis in einen Verflüssigungsbereich erfolgen kann. Nach der Umformung des Flachprofils zu dem um α geneigten FRP-Schubwinkel erfolgt eine kurzzeitige Abkühlung, so dass das Profil 1 in seiner Endposition verbleibt und so unmittelbar auf das zu verstärkende Bauteil aufgebracht werden kann.
  • Durch den so erzeugten Schubwinkel mit einem spitzen Winkel α werden die Fasern des Verstärkungselementes weniger geknickt respektive gestreckt als bei der Herstellung herkömmlicher Schubwinkel welche mit einem Winkel α = 90° hergestellt werden. Dadurch werden die Fasern, insbesondere hochmodulige Kohlenstoff-Fasern, nicht vorgeschädigt. Der Unformprozess ist zudem einfacher als wenn die Profile mit einem Winkel α = 90° hergestellt würden. Somit wird durch die erfindungsgemässen Verstärkungselemente die Effizienz verbessert und ein System zur Verfügung gestellt, welche alle Vorteile bezüglich Kosten und Materialeinsatz kombiniert.
  • Eine andere Variante zur Erzeugung eines erfindungsgemässen Verstärkungselementes ist als Stadienplan in der Figur 2 detailliert gezeigt. Als Ausgangsmaterialien für diesen FRP-Schubwinkel mit spitzen Winkel α und mit einem umgeformten Verankerungsteil 4 dienen bevorzugt unidirektional verstärkte thermoplastische Rundprofile, welche die gleiche Querschnittsfläche wie das Endprodukt aufweisen. Derartige Rundprofile werden mit Ausnahme des Verankerungsteils nochmals erwärmt und zu einem Flachprofil gepresst. Das Profil 1 im linken Bildteil der Figur 2 stellt dabei das Rundprofil als Rohteil und das Profil 1 in der Mitte der Figur 2 das bereits gepresste Flachprofil mit dem noch unverformten Verankerungsteil 4 dar. Anschliessend wird nur in dem hierfür vorgesehenen Umformbereich 2 eine lokale Erwärmung für eine begrenzte Zeit vollzogen, so dass der Umformbereich 2, gemäss der dritten Darstellung auf der rechten Seite in Figur 2, auf das vorgegebene Winkelmass umgeformt werden kann. Die Temperatur sowie die Druckverhältnisse werden während der Umformung derartig eingestellt, dass sich die Kunststoffmatrix für einen begrenzten Zeitraum in dem Umformbereich 2 erweichen beziehungsweise verflüssigen lässt. Nach der Verformung des Umformbereiches 2 erfolgt die Abkühlung des Profils 1. Abschliessend wird das Verankerungsteil 4 in seine endgültige Form gebracht. Bei dem Beispiel der Figur 2 ist im letzten, unteren Bildteil der Ausschnitt A vergrössert gezeigt. Hier ist erkennbar, dass das zunächst einem zykloiden Querschnitt aufweisende Verankerungsteil 4 nunmehr in eine flache Form gepresst wurde.
  • Wie aus der Darstellung der Figur 3 ersichtlich ist, kann das erfindungsgemässe Verstärkungselement insgesamt auch aus zwei einzelnen Rundprofilen 1.1 und 1.2 erzeugt werden. Dabei bieten sich unterschiedliche Vorgehensweisen an.
  • So kann zunächst zwischen den Rundprofilen 1.1 und 1.2 ein schichtweises Auftragen von flachen Streifen des Faserverbundwerkstoffes erfolgen, so dass insgesamt das in der Mitte der Figur 3 gezeigte Flachprofil 1 erzeugt wird, das lediglich an seinen Enden zwei fingerartige Verankerungsteile 4.1 und 4.2 aufweist. Zwischen diesen fingerartigen Verankerungsteilen 4.1 und 4.2 ist eine für das Befestigungselement 5 vorgesehene Ausnehmung 6 vorhanden. Nachdem dieses Flachprofil 1 erzeugt wurde, erfolgt wie bereits bei den zuvor genannten Ausführungsvarianten eingehend beschrieben, eine lokale und zeitlich begrenzte Erwärmung des Umformbereiches 2, so dass das Profil 1 im Bereich dieses Umformbereiches 2 in seine Endlage gebracht werden kann. Das erfindungsgemässe Verstärkungselement ist mit wenigen Verfahrensschritten einfach und unkompliziert herstellbar.
  • Eine weitere Variante besteht darüber hinaus darin, die ursprünglichen Rundprofile 1.1 und 1.2 durch einen entsprechend geeigneten Umformvorgang in ein Flachprofil 1 zu überführen. Dabei kann eine Erwärmung vorgesehen werden.
  • Die besondere Gestaltung des Verstärkungselementes gemäss Figur 4 besteht darin, dass das Verankerungsteil 4 einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Darüber hinaus wurde dieses Verankerungsteil 4 in Bezug auf das Profil 1, welches in Figur 4 bereits im Bereich des Umformbereiches 2 umgeformt wurde, nochmals abgeknickt, sodass sich ein mehrfach gekrümmtes Profil 1 ergibt. Das heisst, hier weist das Profil 1 einen zweiten Umformbereich 2, der in der Figur 4 nicht näher bezeichnet wurde, auf.
  • Einen Anwendungsfall für die vorliegende Erfindung zeigt beispielhaft die Figur 5 . Darin ist ein Bauteil 3, das vorliegend aus einem einfachen, im Querschnitt rechteckigen Balken besteht, mit einem erfindungsgemässen Verstärkungselement versehen. Das Verstärkungselement besteht aus dem Profil 1 und zwei Verankerungsteilen 4.1 und 4.2. Diese Verankerungsteile 4.1 und 4.2 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Ausnehmungen des Bauteils 3 eingebracht und darin verankert. Das Profil 1 weist jeweils in Bezug auf die Längserstreckung des zu verstärkenden Bauteils 3 den gleichen Winkel α auf wie der Umformbereich 2. Dieser genannte Winkel bezieht sich jeweils auf die Längserstreckung der mit dem Verstärkungselement versehenen Seitenfläche des zu verstärkenden Bauteils 3.
    • Bezugszeichenliste
    • α
    Winkel
    1, 1.1, 1.2
    Profil
    2
    Umformbereich
    3
    Bauteil
    4, 4.1, 4.2
    Verankerungsteil
    5
    Befestigungselement
    6
    Ausnehmung

Claims (16)

  1. Verstärkungselement, insbesondere Schubwinkel, bestehend aus einem Profil (1, 1.1, 1.2) aus faserverstärktem Material mit einem Umformbereich (2), wobei das Profil (1, 1.1, 1.2) eine Profilebene mit einer darin liegenden Längsrichtung definiert und wobei das Profil (1, 1.1, 1.2) in diesem Umformbereich (2) verformt ist und damit das Verstärkungselement dreidimensional ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Umformbereich (2) in einem Schnitt der Profilebene mit einer gedachten senkrecht auf der Profilebene stehenden Ebene liegt, wobei diese senkrecht auf der Profilebene stehende Ebene in einem spitzen Winkel(α)gegen die Längsrichtung des Profils (1, 1.1, 1.2) verdreht ist.
  2. Verstärkungselement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das der Winkel (α) im Bereich von 20 bis 70°, bevorzugt im Bereich von 30 bis 60°, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50°, liegt.
  3. Verstärkungselement nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Profil (1, 1.1, 1.2) ein Flachprofil, ein U-Profil, ein T-Profil oder ein L-Profil ist.
  4. Verstärkungselement nach einem der zuvor genannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verstärkungselement an zumindest einem seiner Enden ein Verankerungsteil (4, 4.1, 4.2) aufweist, wobei insbesondere das Verankerungsteil (4, 4.1, 4.2) von dem Querschnitt des Profils (1, 1.1, 1.2) in einen polygonalen oder cycloiden Querschnitt übergeht.
  5. Verstärkungselement nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verankerungsteil (4, 4.1, 4.2) mehrgliedrig ist, und/oder dass das Verankerungsteil (4, 4.1, 4.2) eine zur Aufnahme oder Durchführung eines Befestigungselementes (5) insbesondere eines Dübels, einer Schraube oder eines Nietes, geeignete Geometrie aufweist.
  6. Verstärkungselement nach einem der zuvor genannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verstärkungselement aus thermoplastischem oder duroplastischem Matrixharz besteht.
  7. Verstärkungselement nach einem der zuvor genannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verstärkungselement durch hochmodulige Kohlenstoff-Fasern und/oder Kohle-, Glas-, Aramid- oder Basaltfasermaterial mit hohem ExA-Wert und hoher Zugfestigkeit gebildet wird.
  8. Verstärkungselement nach einem der zuvor genannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Faserrichtung des Verstärkungselementes unidirektional ausgerichtet ist.
  9. Verstärkungselement nach einem der zuvor genannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verstärkungselement ein Schubwinkel ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Verstärkungselementes nach einem der vorstehend genannten Ansprüche,
    gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    - Herstellung eines Profils (1, 1.1, 1.2) aus faserverstärktem Material, vorzugsweise eines Flachprofils,
    - Umformung des Profils (1, 1.1, 1.2), so dass dieses mindestens einen Umformbereich (2) aufweist, wobei die Umformung des Umformbereiches (2) mittels partieller thermischer Erhitzung des Umformbereiches (2) erfolgt und wobei der Umformbereich (2) in einem Schnitt der Profilebene mit einer gedachten senkrecht auf der Profilebene stehenden Ebene liegt, wobei diese senkrecht auf der Profilebene stehende Ebene in einem spitzen Winkel α gegen die Längsrichtung des Profils (1, 1.1, 1.2) verdreht ist.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Verstärkungselementes nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens ein Verankerungsteil (4, 4.1, 4.2) an zumindest einem Ende des Verstärkungselementes angeformt wird.
  12. Verwendung eines Verstärkungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für ein Tragwerk, ein Tragwerksteil oder einen Unterzug eines Bauwerkes.
  13. Bauteil mit einem Verstärkungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil (3) einen polygonalen oder cycloiden Querschnitt aufweist.
  14. Bauteil nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verstärkungselement bezogen auf die Längserstreckung des Bauteils (3) unter dem Winkel (α) an dem Bauteil (3) befestigt ist, wobei der Winkel (α) im Bereich von 20 bis 70°, bevorzugt im Bereich von 30 bis 60°, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50°, liegt.
  15. Bauteil nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verstärkungselement stoffschlüssig mit dem Bauteil (3) verbunden ist.
  16. Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verstärkungselement zumindest ein an dem Verstärkungselement vorhandenes Verankerungsteil (4, 4.1, 4.2) aufweist und über dieses Verankerungsteil (4, 4.1, 4.2) mittels eines Befestigungselementes (5) eine Verbindung zwischen Verstärkungselement und Bauteil (3) gebildet ist, wobei insbesondere das zumindest eine an dem Verstärkungselement vorhandene Verankerungsteil (4, 4.1, 4.2) in eine Ausnehmung (6) des Bauteiles (3) einsetzbar ist.
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