EP3234277A1 - Method for producing prestressed structures and structural parts by means of sma tension elements, and structure and structural part equipped therewith - Google Patents

Method for producing prestressed structures and structural parts by means of sma tension elements, and structure and structural part equipped therewith

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EP3234277A1
EP3234277A1 EP15817138.9A EP15817138A EP3234277A1 EP 3234277 A1 EP3234277 A1 EP 3234277A1 EP 15817138 A EP15817138 A EP 15817138A EP 3234277 A1 EP3234277 A1 EP 3234277A1
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EP
European Patent Office
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component
tension element
flat steel
memory alloy
shape memory
Prior art date
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Pending
Application number
EP15817138.9A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Masoud MOTAVALLI
Benedikt WEBER
Wookijn LEE
Rolf BRÖNNIMANN
Christoph CZADERSKI
Christian Leinenbach
Moslem Shahverdi
Julien Michels
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Re-Fer AG
Eidgenoessische Materialprufungs und Forschungsanstalt EMPA
Original Assignee
Re-Fer AG
Eidgenoessische Materialprufungs und Forschungsanstalt EMPA
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Filing date
Publication date
Application filed by Re-Fer AG, Eidgenoessische Materialprufungs und Forschungsanstalt EMPA filed Critical Re-Fer AG
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Definitions

  • This invention relates to a method for creating tensioned components in new designs (poured in situ on the site) or in the prefabrication and for the subsequent reinforcement of existing structures or more generally of any components.
  • Tensile elements made of shape memory alloys often referred to as “shape memory alloy profiles” or “SMA profiles” for a short time, are applied to the building for subsequent application of a voltage. With this additional clamping extensions can be attached to an existing structure under prestress.
  • the invention also relates to a building or component that was created or subsequently reinforced using this method. to which attachments were docked by this method.
  • shape memory alloys based on steel in the form of tension elements or tension rods are used for generating the prestressing.
  • a prestressing of a structure generally increases its serviceability by reducing existing cracks, preventing cracking at all, or only occurring at higher loads.
  • Such a bias is already today for reinforcement against the bending of concrete parts or for lashing, for example, supports to increase the axial load resp. used for shear reinforcement.
  • the new battery factory "Gygafactory" Tesla in Nevada, USA to be the largest factory in the world, with 1 million m 2 manufacturing area, namely two floors, each 500'000m second (the largest ever factory of aircraft manufacturer Boeing in Everett in the member state of Washington , USA, comprises a total of 400'000m 2 )
  • pretensioning cables are inserted into the concrete, they must be protected from corrosion with much effort by means of cement mortar, which is introduced by means of an injection into the cladding tubes.
  • An external bias is also generated in the prior art with fiber composites which are adhered to the surface of concrete or to a building or component. In this case the fire protection is often very expensive, since the adhesives have a low glass transition temperature.
  • the corrosion protection is the reason that in traditional concrete a minimum coverage of the steel inserts of about 3cm must be complied with. As a result of environmental influences (namely CO2 and SO2 in the air), carbonation takes place in the concrete. Because of this carbonation, the basic environment in the concrete (pH 12) falls to a lower value, ie to a pH of 8 to 9. If the internal reinforcement is in this carbonated area, the corrosion protection of conventional steel is no longer guaranteed , The 3cm overlap of the steel accordingly guarantees a corrosion resistance for the inner reinforcement over a lifetime of the structure of about 70 years. Carbonation is much less critical when using the novel shape memory alloy because the novel shape memory alloy has significantly higher corrosion resistance compared to ordinary structural steel. As a result of the bias of a concrete part resp. Mortar cracks are closed and accordingly the penetration of pollutants is greatly reduced.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for tempering new structures and components of all kinds for the reinforcement, either for the purpose of improving the serviceability or the state of fracture of the building or component, to ensure a more flexible use of the building for Subsequent cantilever attachments, or to increase the durability and fire resistance of the structure or component. It is a further object of the invention to provide a structure and a component having biases or gains generated using this method.
  • the object is first of all solved by a method for producing prestressed structures or components made of concrete or other materials by means of tension elements made of a shape memory alloy, be it of new structures and components or for the reinforcement of existing structures and components, which is characterized in that at least one tensile element made of a shape memory alloy of polymorphic and polycrystalline structure, which can be brought by increasing its temperature from its state as martensite to its permanent state as austenite, placed on the building or component or on this is applied freely running or this tension element is guided around at least one corner, wherein one or more end anchors penetrate into the structure or component, or the tension element one or more times wraps around a building or component as a band, in which case the two ends the Switzerlandimplantations are connected by traction with each other or each separately with one or more end or intermediate anchors that penetrate into the building or component, are connected to the same, or the pull element overlaps or crosses one or more times for a deadlock or cross, and that the tension element as a result it then contracted active and controlled heat input with heating
  • a building or component created by this method, which is characterized in that it comprises at least one tension element made of a shape memory alloy that runs along the building or component outside or on the building or component is designed to extend freely and is connected to the same by means of end anchors or additionally bonding, or the building or component is completely enclosed by the tension element as a band, the two end portions of the tension element are endverankert or zugkraftschlüssig connected, and the tension member is permanently biased by heat input.
  • Figure 1 A concrete beam or a concrete slab poured on the
  • Figure 2 a concrete component which is enclosed on three sides by a tension element in the form of a flat SMA flat steel;
  • FIG. 3 shows a cylindrical component, which is wrapped around by a SMA flat steel, forming overlapping regions
  • FIG. 4 A silo is constricted with wrap-around tension elements in the form of SMA strip steel
  • Figure 5 A timber construction with over the cross strained
  • Figure 6 A compound of two overlapping with their end portions
  • FIG. 7 shows a variant of a clawing of end regions of a SMA flat steel with an outer flush transition
  • FIG. 8 shows a further variant of a clipping of end regions of an SMA flat steel with externally flush transition, additionally secured by means of transverse screw bolts;
  • shape memory alloys must. Shape Memory Alloy (SMA)]. These are alloys that have a specific structure that can be changed depending on the heat, but that returns to their initial state after heat dissipation. Like other metals and alloys, shape memory alloys (SMA) contain more than one crystal structure, so they are polymorphic and thus polycrystalline metals. The dominating crystal structure of shape memory alloys (SMA) depends on the one hand on their temperature, on the other hand on the externally acting tension - be it train or pressure. At high temperature it is an austenite, and at the low temperature it is a martensite. The special feature of these shape memory alloys (SMA) is that they resume their initial structure and shape after raising the temperature to the high temperature phase, even if they were previously deformed in the low temperature phase. This effect can be exploited to apply prestressing forces in building structures.
  • SMA Shape Memory Alloy
  • the shape memory alloys (SMA) are stable within a species-specific temperature range, ie their structure does not change within certain limits of mechanical stress. For applications in the construction industry in the outdoor area, the fluctuation range of the ambient temperature of -20 ° C to + 60 ° C is required. Within this temperature band, a shape memory alloy (SMA) used here should not change its structure.
  • the transformation temperatures at which the structure of the shape memory alloy (SMA) changes may vary considerably depending on the composition of the shape memory alloy (SMA). The Transformation temperatures are also load-dependent. With increasing mechanical stress of the shape memory alloy (SMA), their transformation temperatures also increase.
  • shape memory alloy If the shape memory alloy (SMA) is to remain stable within certain load limits, then great attention must be paid to these limits.
  • shape memory alloys (SMA) are used for structural reinforcement, the fatigue quality of the shape memory alloy (SMA), in addition to corrosion resistance and relaxation effects, must be taken into account, especially if the loads vary over time.
  • structural fatigue and functional fatigue Structural fatigue involves the accumulation of microstructural defects as well as the formation and propagation of surface cracks until the material eventually breaks.
  • Functional fatigue on the other hand, is the result of the gradual degradation of either the shape memory effect or the damping capacity due to microstructural changes in the shape memory alloy (SMA). The latter is associated with the modification of the stress-strain curve under cyclic loading. The transformation temperatures are also changed.
  • shape memory alloys For the recording of permanent loads in the construction sector are shape memory alloys (SMA) based on iron Fe, manganese Mn and silicon Si, the addition of up to 10% chromium Cr and nickel Ni the SMA to a similar Corrosion behavior brings like stainless steel. It is found in the literature that the addition of carbon C, cobalt Co, copper Cu, nitrogen N, niobium Nb, niobium carbide NbC, vanadium nitrogen VN and zirconium carbide ZrC can improve the shape memory properties in various ways.
  • SMA shape memory alloy
  • the present reinforcement system utilizes the properties of shape memory alloys (SMAs), and preferably those of a shape memory alloy (SMA) based on significantly more corrosion resistant steel compared to mild steel, because such shape memory alloys (SMAs) are essential are cheaper than about SMAs made of nickel-titanium (NiTi).
  • SMAs shape memory alloys
  • the steel-based shape memory alloys (SMAs) are used in the form of preferably flat steel.
  • a flat steel made of a shape memory alloy short a SMA flat steel, applied to a building or a component and anchored with its end portions in the same by this method. If necessary, the flat steel is also inter-anchored if necessary. An additional bond makes sense for security reasons. Then the SMA flat steel is heated by supplying power. As a result of the heating of the adhesive is softened, but this is not a problem, since the adhesive cures on cooling again and can guarantee the safety in the final state. This leads to a contraction of the SMA flat steel and causes a corresponding bias on the building or component. The prestressing forces are introduced at the end areas of the SMA flat steel via end anchors in the structure or component.
  • the tension elements are fastened diagonally at the corners (nailed or screwed) through the steel connectors.
  • the core is therefore a method for producing prestressed concrete structures or components 4 as shown schematically in Figure 1, by means of tension elements made of an SMA alloy, for example, as shown here in the form of flat steel 1 from such a shape memory alloy whether of new structures and components 2 or for the reinforcement of existing constructions of concrete, stones or other building materials.
  • One or more end anchors 4 penetrate deep into the structure or component 2.
  • the flat steel 1 encloses a building or component 2 once or several times, then the two ends of the flat steel 1 can be connected to each other by traction or separately connected to one or more end anchors 4, which penetrate into the building or component 2 or cross one or more times for a deadlock.
  • end anchors 4 can also be used.
  • the flat steel 1 is subsequently contracted as a result of an active and controlled heat input with heating means and generates a permanent tensile stress and correspondingly a permanent bias on the structure or component 2.
  • electrical connections 3 are provided to allow the flat steel to be placed under an electrical voltage that induces a current flow therethrough. Due to the electrical resistance of the tie rod this is hot and he is thereby transferred to the permanently contracted austenite state.
  • a suitable adhesive 18 may be introduced for additional bonding, for example on an epoxy or PU basis.
  • tension element are used with at least on their side facing the bond rough surface, to improve the adhesive bond.
  • the end anchorage in the case of such bonding can also be used only for the generation of a biasing force and it can be designed a safety reserve, so that the initiation of the breaking load of the tension elements in the building or component solely by the hardened bond.
  • the end anchors or any intermediate anchors can be removed after the contraction of the tension elements for reasons of space or aesthetic reasons.
  • the end anchorage can also be dimensioned such that it must withstand only the prestressing of the tension element as a result of the heating in addition to a reserve force.
  • the additional bond due to the bonding offers additional security, as damage to the tension element greatly reduces the risk of explosive chipping. This is important for personal protection, especially when passersby can be close to the building, as is the rule in urban areas.
  • a tension member 1 in the form of a flat steel is guided around two corners 5 of a cantilevered concrete slab 2. In the two end regions of the flat steel this is connected by means of several end anchors 4 fixed to the concrete slab 2.
  • this flat steel is permanently contracted and creates a permanent bias around this side of the concrete slab. This we stable and remains free of cracks.
  • the tension element 1 or the flat steel can be permanently anchored or in addition also inter-anchored, or it can also be introduced by means of a bond its tensile force on the building, or the force is applied via a combination of mechanical anchors and a bond.
  • FIG. 3 shows an application in which a tension element 1 in the form of a SMA flat steel was wound around a component.
  • the flat steel at one end of the cylindrical member, such as a column is first performed more than once as a band around the same and then wrapped along a helical line, the cylindrical member upwards as a tape and also at the top again several times wrapped the component overlapping, is hardly more a strong final anchoring more necessary.
  • the contraction of the flat steel strip causes jamming at the two ends formed rings 10, and also over the entire wrapping by the contraction occurs a very strong constriction of the component, which stabilizes this substantially and protects against cracking.
  • This wrap-around application can also be used to reinforce cement or other pipes.
  • Figure 4 shows an application to a large silo 1 1 of many meters in diameter as a liquid container, be it made of concrete or steel segments.
  • a large silo 1 1 of many meters in diameter as a liquid container, be it made of concrete or steel segments.
  • tension elements 1 are looped at a certain distance from each other around the entire structure, frictionally connected with their overlapping end regions and then contracted by heat input, so that sets a firm and permanent prestressed lashing, which significantly enhances the structure.
  • FIG. 5 shows an application to a timber construction.
  • Wooden structures with vertical beams 15 and beams 16 supported thereon are widely used, with the beams 16 and beams 15 bolted or nailed together by means of special steel connector elements 14.
  • the steel connector elements 14 are interconnected as shown with crossing tension members 1 in the form of SMA profiles, the end anchorage by means of bolts, which enforce the steel connector elements and SMA profiles.
  • the penetration takes place by pre-drilling the SMA profile and the steel connector element and then inserting a nail or a screw connection through these two elements into the wood. Then heat is entered and the SMA profiles contract and tighten the wood construction to previously unknown stability.
  • FIG. 6 shows a variant in which the end regions 6 of the flat steel have a toothing in their surface area.
  • Two flat steels 1 can be placed on top of each other so that their teeth intermesh, so that a clawing and thus a rich composite arises.
  • This composite can be secured by means of tape wrapping or by means of a screw, but it can not solve as long as it is claimed to train.
  • this compound can also be used when the two identically designed end portions of a single flat steel come to lie one above the other by enclosing a component.
  • FIG. 7 shows an example in which a connection is designed in such a way that the two flat steels extend with upper and lower sides lying in one another, ie a flush transition is produced.
  • helical gearing is realized in the end region 6 of the flat steel, which can also be secured by means of a screw connection or by a wrapping tape.
  • FIG. 8 shows a connection in which the ends of the flat steels to be joined are formed into open hooks, wherein in the example shown the flat steel coming from the left has three such hooks 13, each with a recess between the hooks 13. In the thus formed two recesses engage two identical hooks 13, in the example shown upwards instead of downwards curved running at the ends of the flat steel coming from the right.
  • FIG. 9 shows another one Connection in which the end portions 6 of the flat steels are formed into two equal barbs, which come to lie positively in one another, wherein the connection can also be secured as shown with a screw connection, as shown by means of a connection in two places, to each one Screw 8 or a bolt passing through the two flat steels and these are ultimately clamped together by means of a lock nut 9.
  • the preload force is significantly smaller than the breaking load of the tension element, accordingly it takes over the length of the tension element lower steel cross-sections than in the anchoring.
  • connection of the end portions of the flat steels can thus be generally realized by the overlapping sides of the end portions 6, this form-fitting interlock and dig into each other. But they can also be connected to the overlap points merely by one or more screws 8 mechanically zugkraftschlüssig each other, wherein the penetrating screws 8 are clamped with a lock nut 9.
  • Another way of anchoring is to loop at least one shape memory alloy strip steel 1 around a component 7 so that the band overlaps over a region whereupon voltage is applied between electrical contacts at the end regions of the band so that the flat steel 1 is heated due to its electrical resistance and transferred from its state as martensite to a permanent state as austenite. As a result, a permanent confinement of the component 7 is effected.
  • a structure or component equipped with such a SMA flat steel has at least one tension element 1 in the form of a flat steel made of a shape memory alloy which runs along the structure or component exterior and is connected to the same by means of end anchors 4.
  • the structure or component 7, as shown in FIG. 3 or 4 can be completely enclosed or looped around by one or more flat steels 1, the two end regions of the flat steels 1 being connected in a force-fit manner, and the flat steel or strips 1 through Heat input permanently biased.
  • the wraps can also form overlapping areas so that the flat steel 1 causes a permanent constriction of the component 7 after heat input and contraction and the overlapping areas 10 produce a sufficient static friction force to obtain the constriction.
  • SMA flat steel For subsequent reinforcement of the SMA flat steel is placed in any direction, but mainly in the pulling direction on a concrete structure and anchored to the same end. Then the SMA flat steels are heated by electricity, which leads to the shortening of these SMA flat steels. The shortening causes a preload and the forces are introduced via the end anchors directly into that of the concrete structure or component, or in the case of wrappings even over the entire length of the steel profile.
  • the heating of the SMA flat steel 1 is advantageously carried out electrically by establishing a resistance heating by a voltage is applied to the applied heating cable 3, as shown in Figure 1, so that the SMA flat steel or SMA flat steel strip 1 is heated as a current conductor , Because with long SMA flat steels or strips, heating by means of electrical resistance heating would take too much time, and then too much heat would be introduced into the concrete, multiple power connections are established along the length of the SMA flat steel or strip.
  • the SMA flat steel can then be heated in stages by applying a voltage to two adjacent heating cables, and then to the next two, which are adjacent, and so on, until the entire SMA flat steel is brought to the austenite condition short-term high voltages and currents required, so that a normal mains voltage of 220V / 1 10V is not sufficient, even a voltage source of 500V not, as it is often set up on construction sites. Rather, the voltage is supplied by an on-site mobile energy unit that generates the voltage with a number of series connected lithium batteries with sufficiently thick power cables so that a high amperage current can be sent through the SMA flat steel. Heating should only take place for a very short time, so that the required temperature of approx.
  • 100 ° to 250 ° in the SMA flat steel 2 is continuously achieved within 2 to 5 seconds and thus generates its contraction force. This prevents the subsequent concrete from being damaged.
  • two conditions must be adhered to, firstly it takes about 10-20A per mm 2 cross-sectional area and secondly about 10-20V per 1 m flat steel length to reach the state of flat steel as austenite within seconds.
  • the batteries must be connected in series.
  • the number, the size and the type of batteries must be selected accordingly, so that the required current (ampere) and the required voltage (volts) are available, and the energy reference must be controlled by a controller, so at the touch of a button - tuned to a certain flat steel length and flat steel thickness, for exactly the right period of time the flat steel is under tension and the necessary current flows.
  • the heating can be done in stages, by power connections after certain sections be provided where then the voltage can be applied. In this way, in sections - one section after the other over the entire length of a flat steel, the heat required can be used to finally put the entire length in the state of an austenite.

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Abstract

The method is distinguished in that at least one tension element (1), for example in the form of a flat steel composed of a shape memory alloy of polymorphic and polycrystalline structure which can be brought from its state as martensite to its permanent state as austenite by increasing its temperature, is placed on the structure or structural part (2). This tension element (1) can also be guided around one or more corners (5). One or more end anchors (4) penetrate into the structure or structural part (2). Such a flat steel can also wrap one or more times as a band around a structure or structural part (2), in which case the two ends of the flat steel are either connected to one another so as to be fixed in terms of tensile force or are each separately connected to the structure or structural part (2) by one or more end anchors (4) which penetrate into said structure or structural part (2), or else intersect one or more times to produce a clamping connection. The flat steel (1) contracts as a result of a subsequent active and controlled input of heat using heating means and generates a permanent tensile stress and correspondingly a permanent prestress on the structure or the structural part (2). A structure or structural part thus equipped is characterized in that it has at least one tension element (1) composed of a shape memory alloy which extends along the outer side of the structure or structural part and is connected thereto by means of end anchors (4). Alternatively, the structure or structural part (2) can also be completely enclosed by a tension element (1) in the form of a flat steel as a band, wherein the two end regions are connected so as to be fixed in terms of tensile force, and the flat steel is permanently prestressed by the input of heat.

Description

Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken und Bauteilen mittels SMA-Zugelementen sowie damit ausgerüstetes  Method for the production of prestressed structures and components by means of SMA tension elements and also equipped therewith
Bauwerk und Bauteil  Building and component
[0001] Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung von gespannten Bauteilen in Neukonstruktionen (in situ auf der Baustelle gegossen) oder in der Vorfabrikation sowie für die nachträgliche Verstärkung von bestehenden Bauwerken oder ganz allgemein von irgendwelchen Bauteilen. Dabei werden Zugelemente aus Formgedächtnis-Legierungen, unter Fachleuten oft als Shape- Memory-Alloy-Profile oder kurz SMA-Profile bezeichnet, zum nachträglichen Anlegen einer Spannung an das Bauwerk angelegt. Mit diesem nachträglichen Spannen können auch Anbauten an ein bestehendes Bauwerk unter Vorspannung angebracht werden. Zusätzlich betrifft die Erfindung auch ein Bauwerk oder Bauteil, das unter Anwendung dieses Verfahrens erstellt oder nachträglich verstärkt wurde resp. an welches Anbauten nach diesem Verfahren angedockt wurden. Als Besonderheit werden hierzu für die Erzeugung der Vorspannung Formgedächtnis-Legierungen auf der Basis von Stahl in Form von Zugelemente bzw. Zugstäben eingesetzt. [0002] Eine Vorspannung eines Bauwerks erhöht allgemein dessen Gebrauchstauglichkeit, indem existierende Risse verkleinert werden, die Rissbildung überhaupt verhindert wird oder diese erst bei höheren Lasten auftritt. Eine solche Vorspannung wird bereits heute zur Verstärkung gegen das Durchbiegen von Betonteilen oder zur Umschnürung beispielsweise von Stützen zur Erhöhung der Axialbelastung resp. zur Schubverstärkung verwendet. Die neue Batteriefabrik „Gygafactory" von Tesla in Nevada, USA soll die grösste Fabrik weltweit werden, mit 1 Mio. m2 Fabrikationsfläche, nämlich zwei Stockwerke von je 500'000m2. (Die bisher grösste Fabrik des Flugzeugbauers Boeing in Everett im Gliedstaat Washington, USA, umfasst insgesamt 400'000m2). Für das Fundament der„Gygafactory" werden Betonblöcke von 20m x 5m aneinander gereiht verlegt. Jeder solche Betonblock wird später eine von Hunderten von Säulen tragen (Neue Zürcher Zeitung NZZ, Nr. 272 vom 22.1 1 .2014, Seite 35). Die Stabilität eines solchen Betonblocks würde durch die rundumführende Umschlingung mit einem SMA-Zugband erheblich verstärkt und vor späterer Rissbildung weit besser geschützt. This invention relates to a method for creating tensioned components in new designs (poured in situ on the site) or in the prefabrication and for the subsequent reinforcement of existing structures or more generally of any components. Tensile elements made of shape memory alloys, often referred to as "shape memory alloy profiles" or "SMA profiles" for a short time, are applied to the building for subsequent application of a voltage. With this additional clamping extensions can be attached to an existing structure under prestress. In addition, the invention also relates to a building or component that was created or subsequently reinforced using this method. to which attachments were docked by this method. As a special feature, shape memory alloys based on steel in the form of tension elements or tension rods are used for generating the prestressing. A prestressing of a structure generally increases its serviceability by reducing existing cracks, preventing cracking at all, or only occurring at higher loads. Such a bias is already today for reinforcement against the bending of concrete parts or for lashing, for example, supports to increase the axial load resp. used for shear reinforcement. The new battery factory "Gygafactory" Tesla in Nevada, USA to be the largest factory in the world, with 1 million m 2 manufacturing area, namely two floors, each 500'000m second (the largest ever factory of aircraft manufacturer Boeing in Everett in the member state of Washington , USA, comprises a total of 400'000m 2 ) For the foundation of the "Gygafactory" concrete blocks of 20m x 5m are laid side by side. Each such concrete block will later carry one of hundreds of columns (Neue Zürcher Zeitung NZZ, No. 272 of 22.1 1 .2014, page 35). The stability of such a concrete block would be greatly enhanced by the all-round looping with an SMA drawstring and much better protected against later cracking.
[0003] Eine weitere Anwendung der Vorspannung von Bauteilen aus Beton oder anderen Baustoffen sind Rohre für Flüssigtransporte und Silos resp. Tankbehälter, welche zur Erzeugung einer Vorspannung umschnürt werden. Zur Vorspannung werden im Stand der Technik Rundstähle oder Kabel in den Beton oder das Baumaterial eingelegt oder nachträglich extern auf der Oberfläche des Bauteils auf der Zugseite fixiert. Die Verankerung und Krafteinleitung aus dem Vorspannelement in den Beton ist bei all diesen bekannten Methoden aufwändig. Für die Verankerungselemente (Ankerköpfe) fallen hohe Kosten an. Bei externer Vorspannung gilt es, die Vorspannstähle resp. -kabel zusätzlich mittels einer Beschichtung gegen Korrosion zu schützen. Das ist deswegen nötig, weil herkömmlich verwendete Stähle nicht korrosionsfest sind. Werden die Vorspannkabel in den Beton eingelegt, so müssen sie mit viel Aufwand mittels Zementmörtel, welcher mittels einer Injektion in die Hüllrohre eingebracht wird, gegen Korrosion geschützt werden. Eine externe Vorspannung wird im Stand der Technik auch mit Faserverbundwerkstoffen erzeugt, welche auf die Oberfläche von Beton oder auf eine Bauwerk oder Bauteil aufgeklebt werden. In diesem Fall ist der Brandschutz oftmals sehr aufwändig, da die Klebstoffe eine tiefe Glasübergangstemperatur aufweisen. Another application of the bias of components made of concrete or other building materials are pipes for liquid transport and silos resp. Tank container, which are tied to produce a bias voltage. For biasing in the prior art round steel or cable inserted into the concrete or the building material or subsequently fixed externally on the surface of the component on the tension side. The anchoring and force from the biasing element in the concrete is complex in all these known methods. The anchoring elements (anchor heads) involve high costs. For external prestressing, the prestressing steels resp. In addition, by means of a coating to protect against corrosion. This is necessary because conventionally used steels are not corrosion resistant. If the pretensioning cables are inserted into the concrete, they must be protected from corrosion with much effort by means of cement mortar, which is introduced by means of an injection into the cladding tubes. An external bias is also generated in the prior art with fiber composites which are adhered to the surface of concrete or to a building or component. In this case the fire protection is often very expensive, since the adhesives have a low glass transition temperature.
[0004] Der Korrosionsschutz ist der Grund dafür, dass im traditionellen Beton eine minimale Überdeckung der Stahleinlagen von ca. 3cm eingehalten werden muss. Infolge von Umwelteinflüssen (namentlich CO2 und SO2 in der Luft) findet im Beton eine Karbonatisierung statt. Wegen dieser Karbonatisierung fällt das basische Milieu im Beton (pH-Wert 12) auf einen tieferen Wert, das heisst auf einen pH-Wert von 8 bis 9. Liegt die Innenbewehrung in diesem karbonatisierten Bereich, so ist der Korrosionsschutz des herkömmlichen Stahls nicht mehr gewährleistet. Die 3cm starke Überdeckung des Stahls garantiert entsprechend einen Korrosionswiderstand für die Innenbewehrung über eine Lebensdauer des Bauwerks von ca. 70 Jahren. Beim Verwenden der neuartigen Formgedächtnis- Legierung ist die Karbonatisierung wesentlich weniger kritisch, da die neuartige Formgedächtnis-Legierung im Vergleich zu gewöhnlichem Baustahl eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Infolge der Vorspannung eines Beton- Teils resp. Mörtels werden Risse geschlossen und entsprechend wird das Eindringen von Schadstoffen stark reduziert. The corrosion protection is the reason that in traditional concrete a minimum coverage of the steel inserts of about 3cm must be complied with. As a result of environmental influences (namely CO2 and SO2 in the air), carbonation takes place in the concrete. Because of this carbonation, the basic environment in the concrete (pH 12) falls to a lower value, ie to a pH of 8 to 9. If the internal reinforcement is in this carbonated area, the corrosion protection of conventional steel is no longer guaranteed , The 3cm overlap of the steel accordingly guarantees a corrosion resistance for the inner reinforcement over a lifetime of the structure of about 70 years. Carbonation is much less critical when using the novel shape memory alloy because the novel shape memory alloy has significantly higher corrosion resistance compared to ordinary structural steel. As a result of the bias of a concrete part resp. Mortar cracks are closed and accordingly the penetration of pollutants is greatly reduced.
[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Vorspannen von neuen Bauwerken und Bauteilen aller Art für die Verstärkung zu schaffen, wahlweise zwecks Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit oder des Bruchzustandes des Bauwerks oder Bauteils, zum Gewährleisten einer flexibleren Nutzung des Gebäudes für nachträgliche auskragende Anbauten, oder zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit sowie des Brandwiderstandes des Bauwerks oder Bauteils. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Bauwerk und ein Bauteil anzugeben, welches unter Anwendung dieses Verfahren erzeugte Vorspannungen oder Verstärkungen aufweist. The object of the present invention is therefore to provide a method for tempering new structures and components of all kinds for the reinforcement, either for the purpose of improving the serviceability or the state of fracture of the building or component, to ensure a more flexible use of the building for Subsequent cantilever attachments, or to increase the durability and fire resistance of the structure or component. It is a further object of the invention to provide a structure and a component having biases or gains generated using this method.
[0006] Die Aufgabe wird zunächst gelöst von einem Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen aus Beton oder anderen Materialen mittels Zugelementen aus einer Formgedächtnis-Legierung, sei es von neuen Bauwerken und Bauteilen oder für die Verstärkung von bestehenden Bauwerken und Bauteilen, das sich dadurch auszeichnet, dass mindestens ein Zugelement aus einer Formgedächtnis-Legierung von polymorpher und polykristalliner Struktur, welche durch Erhöhung ihrer Temperatur aus ihrem Zustand als Martensit auf ihren bleibenden Zustand als Austenit bringbar ist, auf das Bauwerk oder Bauteil aufgelegt oder an dieses frei verlaufend angelegt wird oder dieses Zugelement um wenigstens eine Ecke geführt ist, wobei eine oder mehrere Endverankerungen in das Bauwerk oder Bauteil eindringen, oder aber das Zugelement ein Bauwerk oder Bauteil ein- oder mehrmals als Band umschlingt, wobei in diesem Fall die beiden Enden des Zugelementes entweder zugkraftschlüssig miteinander verbunden werden oder je gesondert mit einer oder mehreren End- oder Zwischenverankerungen, die in das Bauwerk oder Bauteil eindringen, mit demselben verbunden werden, oder aber sich das Zugelement ein oder mehrmals für eine Verklemmung überlappt oder kreuzt, und dass sich das Zugelement infolge eines anschliessenden aktiven und gesteuerten Wärmeeintrages mit Heizmitteln kontrahiert und eine permanente Zugspannung erzeugt und entsprechend eine permanente Vorspannung sowie eine Restzugkraft bis zur Bruchlast des Zugelementes auf das Bauwerk oder das Bauteil erzeugt. The object is first of all solved by a method for producing prestressed structures or components made of concrete or other materials by means of tension elements made of a shape memory alloy, be it of new structures and components or for the reinforcement of existing structures and components, which is characterized in that at least one tensile element made of a shape memory alloy of polymorphic and polycrystalline structure, which can be brought by increasing its temperature from its state as martensite to its permanent state as austenite, placed on the building or component or on this is applied freely running or this tension element is guided around at least one corner, wherein one or more end anchors penetrate into the structure or component, or the tension element one or more times wraps around a building or component as a band, in which case the two ends the Zugelementes are connected by traction with each other or each separately with one or more end or intermediate anchors that penetrate into the building or component, are connected to the same, or the pull element overlaps or crosses one or more times for a deadlock or cross, and that the tension element as a result it then contracted active and controlled heat input with heating means and generates a permanent tensile stress and correspondingly generates a permanent bias and a residual tensile force to the breaking load of the tension element on the building or the component.
[0007] Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst von einem Bauwerk oder Bauteil, erstellt nach diesem Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, dass es mindestens ein Zugelement aus einer Formgedächtnis-Legierung aufweist, das längs der Bauwerks- oder Bauteilaussenseite verläuft oder am Bauwerk oder Bauteil frei verlaufend angelegt ist und mit demselben mittels Endverankerungen oder zusätzlich einer Verklebung verbunden ist, oder das Bauwerk oder Bauteil vollständig vom Zugelement als Band umschlossen ist, wobei die beiden Endbereiche des Zugelementes endverankert oder zugkraftschlüssig verbunden sind, und das Zugelement durch Hitzeeintrag permanent vorgespannt ist. The object is further achieved by a building or component, created by this method, which is characterized in that it comprises at least one tension element made of a shape memory alloy that runs along the building or component outside or on the building or component is designed to extend freely and is connected to the same by means of end anchors or additionally bonding, or the building or component is completely enclosed by the tension element as a band, the two end portions of the tension element are endverankert or zugkraftschlüssig connected, and the tension member is permanently biased by heat input.
[0008] Mit der Neuentwicklung können Bauwerke nachträglich wirksam vorgespannt werden und entsprechend können auch Bauteile wie Balkonauskragungen, Balkonbrüstungen, Rohrleitungen etc. dünner dimensioniert werden. Die Bauteile werden dadurch leichter und wirtschaftlicher in der Verwendung. [0009] Anhand der Zeichnungen wird das Verfahren beschrieben und erklärt. Es werden Anwendungen beim Neubau resp. bei der Vorfabrikation sowie Anwendungen für die nachträgliche Verstärkung von bestehenden Bauwerken, egal aus welchem Baumaterial, sowie spezielle auch von Beton konstruktionen und anderen Bauteilen beschrieben und erläutert. With the new development buildings can be subsequently effectively biased and accordingly also components such as Balkonauskragungen, Balkonbrüstungen, pipelines, etc. can be made thinner. The components are thereby lighter and more economical to use. The method is described and explained with reference to the drawings. There are applications for new construction resp. in the prefabrication and applications for the subsequent reinforcement of existing structures, no matter which building material, as well as special and concrete constructions and other components described and explained.
Es zeigt: It shows:
Figur 1 : Einen Beton-Träger oder eine Beton-Platte, gegossen auf der Figure 1: A concrete beam or a concrete slab poured on the
Baustelle oder im Vorfabrikationswerk, mit aufgelegtem, endverankerten Zugelement in Form eines SMA-Flachstahl aus einer Formgedächtnis-Legierung und allenfalls einer zusätzlichen Verklebung;  Construction site or in the prefabrication, with applied, end anchored tension element in the form of a SMA flat steel made of a shape memory alloy and possibly an additional bond;
Figur 2: ein Beton-Bauteil das an drei Seiten von einem Zugelement in Form eines flachen SMA-Flachstahls umschlossen ist; Figure 2: a concrete component which is enclosed on three sides by a tension element in the form of a flat SMA flat steel;
Figur 3: Ein zylinderförmiges Bauteil, das von einem SMA-Flachstahl umschlungen ist, unter Bildung von überlappenden Bereichen; FIG. 3 shows a cylindrical component, which is wrapped around by a SMA flat steel, forming overlapping regions;
Figur 4: Ein Silo das mit umschlingenden Zugelementen in Form von SMA- Bandstählen eingeschnürt ist; Figure 4: A silo is constricted with wrap-around tension elements in the form of SMA strip steel;
Figur 5: Eine Holzbau-Konstruktion mit über das Kreuz verspannter Figure 5: A timber construction with over the cross strained
Zugelemente aus SMA-Profilen zur Erhöhung der Stabilität der Konstruktion;  Tension elements made of SMA profiles to increase the stability of the construction;
Figur 6: Eine Verbindung zweier mit ihren Endbereichen überlappender Figure 6: A compound of two overlapping with their end portions
Zugelemente durch Verkrallung;  Tension elements by clawing;
Figur 7: Eine Variante einer Verkrallung von Endbereichen eines SMA- Flachstahls mit aussen bündigem Übergang; Figur 8: Eine weitere Variante einer Verkrallung von Endbereichen eines SMA-Flachstahls mit aussen bündigem Übergang, zusätzlich gesichert mittels querender Schraub-Bolzen; FIG. 7 shows a variant of a clawing of end regions of a SMA flat steel with an outer flush transition; FIG. 8 shows a further variant of a clipping of end regions of an SMA flat steel with externally flush transition, additionally secured by means of transverse screw bolts;
[0010] Zunächst muss das Wesen von Formgedächtnis-Legierungen [engl. Shape Memory Alloy (SMA)] verstanden werden. Es handelt sich um Legierungen, die eine bestimmte Struktur aufweisen, die wärmeabhängig veränderbar ist, jedoch nach einer Wärmeabfuhr wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehrt. Wie andere Metalle und Legierungen, enthalten Formgedächtnis-Legierungen (SMA) mehr als eine Kristallstruktur, sind also polymorph und somit polykristalline Metalle. Die dominierende Kristallstruktur der Formgedächtnis-Legierungen (SMA) hängt einerseits von ihrer Temperatur ab, andrerseits von der von aussen wirkenden Spannung - sei es Zug oder Druck. Bei hoher Temperatur handelt es sich um einen Austenit, und auf der tiefen Temperatur um einen Martensit. Das Besondere an diesen Formgedächtnis-Legierungen (SMA) ist, dass sie ihre initiale Struktur und Form nach Erhöhen der Temperatur in die hohe Temperaturphase wieder annehmen, auch wenn sie zuvor in der tiefen Temperaturphase deformiert wurden. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um Vorspannkräfte in Baustrukturen zu applizieren. First, the nature of shape memory alloys must. Shape Memory Alloy (SMA)]. These are alloys that have a specific structure that can be changed depending on the heat, but that returns to their initial state after heat dissipation. Like other metals and alloys, shape memory alloys (SMA) contain more than one crystal structure, so they are polymorphic and thus polycrystalline metals. The dominating crystal structure of shape memory alloys (SMA) depends on the one hand on their temperature, on the other hand on the externally acting tension - be it train or pressure. At high temperature it is an austenite, and at the low temperature it is a martensite. The special feature of these shape memory alloys (SMA) is that they resume their initial structure and shape after raising the temperature to the high temperature phase, even if they were previously deformed in the low temperature phase. This effect can be exploited to apply prestressing forces in building structures.
[0011] Wenn keine Wärme künstlich in die Formgedächtnis-Legierung (SMA) eingebracht oder aus ihr abgeführt wird, so befindet sie sich auf der Umgebungstemperatur. Die Formgedächtnis-Legierungen (SMA) sind innerhalb eines artspezifischen Temperaturbereichs stabil, das heisst ihre Struktur ändert sich innerhalb von gewissen Grenzen der mechanischen Belastung nicht. Für Anwendungen in der Baubranche im Aussenbereich wird der Schwankungsbereich der Umgebungstemperatur von -20°C bis +60°C vorausgesetzt. Innerhalb dieses Temperaturbandes sollte also eine Formgedächtnis-Legierung (SMA), die hier zum Einsatz kommt, ihre Struktur nicht verändern. Die Transformations-Temperaturen, bei denen sich die Struktur der Formgedächtnis-Legierung (SMA) ändert, kann je nach Zusammensetzung der Formgedächtnis-Legierung (SMA) beträchtlich variieren. Die Transformationstemperaturen sind auch lastabhängig. Mit steigender mechanischer Belastung der Formgedächtnis-Legierung (SMA) steigen auch ihre Transformationstemperaturen. Wenn die Formgedächtnis-Legierung (SMA) innerhalb gewisser Belastungsgrenzen stabil bleiben soll, so ist diesen Grenzen grosse Beachtung zu schenken. Werden Formgedächtnis-Legierungen (SMA) für Bauverstärkungen eingesetzt, so muss nebst der Korrosionsbeständigkeit und den Relaxationseffekten auch die Ermüdungsqualität der Formgedächtnis-Legierung (SMA) berücksichtigt werden, besonders wenn die Lasten über die Zeit variieren. Dabei unterscheidet man zwischen der strukturellen Ermüdung und der funktionellen Ermüdung. Die strukturelle Ermüdung betrifft die Akkumulation von mikrostrukturellen Defekten wie auch die Formation und die Ausbreitung von Oberflächen-Rissen, bis das Material letztendlich bricht. Die funktionelle Ermüdung hingegen ist die Folge der graduellen Degradation entweder des Formgedächtnis-Effektes oder der Dämpfungskapazität durch auftretende mikrostrukturelle Veränderungen in der Formgedächtnis-Legierung (SMA). Das Letztere ist verbunden mit der Modifikation der Spannungs-Dehnungskurve unter zyklischer Belastung. Die Transformations-Temperaturen werden dabei ebenfalls verändert. If no heat is artificially introduced into the shape memory alloy (SMA) or removed from it, so it is at the ambient temperature. The shape memory alloys (SMA) are stable within a species-specific temperature range, ie their structure does not change within certain limits of mechanical stress. For applications in the construction industry in the outdoor area, the fluctuation range of the ambient temperature of -20 ° C to + 60 ° C is required. Within this temperature band, a shape memory alloy (SMA) used here should not change its structure. The transformation temperatures at which the structure of the shape memory alloy (SMA) changes may vary considerably depending on the composition of the shape memory alloy (SMA). The Transformation temperatures are also load-dependent. With increasing mechanical stress of the shape memory alloy (SMA), their transformation temperatures also increase. If the shape memory alloy (SMA) is to remain stable within certain load limits, then great attention must be paid to these limits. When shape memory alloys (SMA) are used for structural reinforcement, the fatigue quality of the shape memory alloy (SMA), in addition to corrosion resistance and relaxation effects, must be taken into account, especially if the loads vary over time. A distinction is made between structural fatigue and functional fatigue. Structural fatigue involves the accumulation of microstructural defects as well as the formation and propagation of surface cracks until the material eventually breaks. Functional fatigue, on the other hand, is the result of the gradual degradation of either the shape memory effect or the damping capacity due to microstructural changes in the shape memory alloy (SMA). The latter is associated with the modification of the stress-strain curve under cyclic loading. The transformation temperatures are also changed.
[0012] Für das Aufnehmen von dauerhaften Lasten im Bausektor eignen sich Formgedächtnis-Legierungen (SMA) auf der Basis von Eisen Fe, Mangan Mn und Silizium Si, wobei die Zugabe von bis zu 10% Chrom Cr und Nickel Ni das SMA zu einem ähnlichen Korrosionsverhalten bringt wie rostfeier Stahl. In der Literatur findet man, dass die Zugabe von Kohlenstoff C, Kobalt Co, Kupfer Cu, Stickstoff N, Niobium Nb, Niobium-Karbid NbC, Vanadium-Stickstoff VN und Zirkonium- Karbid ZrC die Formgedächtnis-Eigenschaften in verschiedener Weise zu verbessern vermögen. Besonders gute Eigenschaften zeigt eine Formgedächtnis- Legierung (SMA) aus Fe-Ni-Co-Ti, welche Bruchspannungen bis zu 1000 MPa aufnimmt, hoch resistent gegen Korrosion ist, und deren obere Temperatur zur Überführung in den Zustand eines Austeniten ca. 100 - 250°C beträgt. Die Vorspannung (recovery stress) beträgt bei dieser Legierung üblicherweise 40-50% der Bruchlast. [0013] Das vorliegende Verstärkungssystem macht sich die Eigenschaften von Formgedächtnis-Legierungen (SMAs) zunutze, und vorzugsweise jene einer Formgedächtnis-Legierung (SMA) auf der Basis von im Vergleich zu Baustahl wesentlich korrosionsbeständigerem Stahl, weil solche Formgedächtnis- Legierungen (SMAs) wesentlich preiswerter sind als etwa SMAs aus Nickel-Titan (NiTi). Die Formgedächtnis-Legierungen (SMAs) auf Stahlbasis werden in Form von vorzugsweise Flachstählen eingesetzt. For the recording of permanent loads in the construction sector are shape memory alloys (SMA) based on iron Fe, manganese Mn and silicon Si, the addition of up to 10% chromium Cr and nickel Ni the SMA to a similar Corrosion behavior brings like stainless steel. It is found in the literature that the addition of carbon C, cobalt Co, copper Cu, nitrogen N, niobium Nb, niobium carbide NbC, vanadium nitrogen VN and zirconium carbide ZrC can improve the shape memory properties in various ways. Particularly good properties are exhibited by a shape memory alloy (SMA) made of Fe-Ni-Co-Ti, which absorbs fracture stresses of up to 1000 MPa, is highly resistant to corrosion, and whose upper temperature for conversion to the state of austenite is about 100-250 ° C is. The recovery stress in this alloy is usually 40-50% of the ultimate load. The present reinforcement system utilizes the properties of shape memory alloys (SMAs), and preferably those of a shape memory alloy (SMA) based on significantly more corrosion resistant steel compared to mild steel, because such shape memory alloys (SMAs) are essential are cheaper than about SMAs made of nickel-titanium (NiTi). The steel-based shape memory alloys (SMAs) are used in the form of preferably flat steel.
[0014] Im Grundsatz wird nach diesem Verfahren ein Flachstahl aus einer Formgedächtnis-Legierung, kurz ein SMA-Flachstahl, an ein Bauwerk oder ein Bauteil angelegt und mit seinen Endbereichen in demselben verankert. Allenfalls wird der Flachstahl bei Bedarf auch zwischenverankert. Eine zusätzliche Verklebung macht aus Sicherheitsgründen Sinn. Dann erfolgt die Erhitzung des SMA-Flachstahls durch Stromzufuhr. Infolge der Erhitzung wird der Kleber aufgeweicht, dies ist jedoch unproblematisch, da der Kleber bei der Abkühlung wieder nachhärtet und die Sicherheit im Endzustand garantieren kann. Dies führt zu einer Kontraktion des SMA-Flachstahls und bewirkt entsprechend eine Vorspannung auf das Bauwerk oder Bauteil. Die Vorspannkräfte werden an den Endbereichen des SMA-Flachstahls über Endverankerungen in das Bauwerk oder Bauteil eingeleitet. In principle, a flat steel made of a shape memory alloy, short a SMA flat steel, applied to a building or a component and anchored with its end portions in the same by this method. If necessary, the flat steel is also inter-anchored if necessary. An additional bond makes sense for security reasons. Then the SMA flat steel is heated by supplying power. As a result of the heating of the adhesive is softened, but this is not a problem, since the adhesive cures on cooling again and can guarantee the safety in the final state. This leads to a contraction of the SMA flat steel and causes a corresponding bias on the building or component. The prestressing forces are introduced at the end areas of the SMA flat steel via end anchors in the structure or component.
[0015] Bei der Vorfabrikation von Stahlbetonbauteilen, beispielsweise Balkonoder Fassadenplatten oder Rohren, an welchen die neuartigen SMA-Stahlprofile angelegt und vorgespannt werden, bieten sich weitere Vorteile. Dank Vorspannung dieser vorfabrizierten Betonbauteile, können die Querschnitte des Bauteils reduziert werden. Da das Bauteil infolge interner Vorspannung rissfrei ausgebildet ist, liegt viel mehr Schutz gegen Chlorid-Eindringung resp. Karbonatisierung vor. Das heisst, solche Bauteile werden nicht nur leichter sondern viel widerstandsfähiger und entsprechend dauerhafter. Die Erfindung kann auch angewendet werden, um ein Bauwerk für den Brandfall besser zu schützen, wozu die direkte Kontraktion der SMA-Flachstähle durch Wärmeeintrag zunächst bewusst unterlassen wird. In einem Brandfall aber ziehen sich die angebauten SMA-Flachstähle durch die Hitzeeinwirkung des Brandes zusammen. Eine Gebäudehülle aus Beton, welche mit SMA-Flachstählen verstärkt wurde, generiert somit im Brandfall automatisch eine Vorspannung und dadurch eine Verbesserung des Brandwiderstandes. Das Bauwerk wird im Brandfall sozusagen rundum zusammengeklammert und wird viel später einstürzen, wenn überhaupt. Weitere Einsatzgebiete: In the prefabrication of reinforced concrete components, such as balcony or facade panels or pipes on which the new SMA steel profiles are created and biased, there are further advantages. Thanks to the prestressing of these prefabricated concrete components, the cross sections of the component can be reduced. Since the component is formed free of cracks due to internal bias, is much more protection against chloride penetration, respectively. Carbonation before. This means that such components are not only lighter but much more resistant and accordingly more durable. The invention can also be used to better protect a building in case of fire, for which purpose the direct contraction of the SMA flat steel by heat input is initially deliberately omitted. In the event of a fire, however, the attached SMA flat steels contract due to the heat generated by the fire. A building envelope made of concrete, which was reinforced with SMA flat steel, thus automatically generates a preload in case of fire and thus an improvement of the fire resistance. In the event of fire, the building will be clasped all around and will collapse much later, if at all. Further applications:
- Verbinden von Rohrleitungen beispielsweise aus Stahl oder Guss.  - Connecting pipes, for example, steel or cast iron.
- Bei Erdbeben- oder Windsicherungen bei Holzfachwerken werden die Zugelemente diagonal an den Ecken durchgreifend durch die Stahlverbinder befestigt (genagelt oder geschraubt).  - For earthquake or wind protection in timber trusses, the tension elements are fastened diagonally at the corners (nailed or screwed) through the steel connectors.
- Unterschiedliche Fixierungen: auf Holz genagelt oder verschraubt, auf Stahl geschraubt oder genietet, auf Beton oder Mauerwerk mechanische verankert.  - Different fixations: nailed or screwed on wood, screwed on steel or riveted, anchored to concrete or masonry mechanical.
[0016] Im Kern geht es also um ein Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken oder Bauteilen 4 wie in Figur 1 schematisch dargestellt, mittels Zugelementen aus einer SMA-Legierung, zum Beispiel wie hier gezeigt in Form von Flachstählen 1 aus einer solchen Formgedächtnis-Legierung, sei es von neuen Bauwerken und Bauteilen 2 oder für die Verstärkung von bestehenden Bauwerken aus Beton, Steinen oder andere Baumaterialen. Dazu wird mindestens ein Flachstahl 1 aus einer Formgedächtnis-Legierung von polymorpher und polykristalliner Struktur, welche durch Erhöhung ihrer Temperatur aus ihrem Zustand als Martensit auf ihren bleibenden Zustand als Austenit bringbar ist, zunächst auf das Bauwerk oder Bauteil 2 aufgelegt bzw. angelegt. Das Auflegen oder Anlegen kann auch um Ecken erfolgen oder ein Bauteil vollständig umfassen oder umschlingen. Eine oder mehrere Endverankerungen 4 dringen tief in das Bauwerk oder Bauteil 2 ein. Wenn der Flachstahl 1 ein Bauwerk oder Bauteil 2 ein- oder mehrmals umschliesst, so können die beiden Enden des Flachstahles 1 entweder zugkraftschlüssig miteinander verbunden werden oder je gesondert mit einer oder mehreren Endverankerungen 4, die in das Bauwerk oder Bauteil 2 eindringen, mit demselben verbunden werden, oder aber sich ein oder mehrmals für eine Verklemmung kreuzen. Es können selbstverständlich auch Zwischenverankerungen 12 eigesetzt werden. Der Flachstahl 1 wird hernach infolge eines aktiven und gesteuerten Wärmeeintrages mit Heizmitteln kontrahiert und erzeugt eine permanente Zugspannung und entsprechend eine permanente Vorspannung auf das Bauwerk oder das Bauteil 2. Wie in Figur 1 gezeigt, sind elektrische Anschlüsse 3 vorhanden, damit der Flachstahl unter eine elektrische Spannung gesetzt werden kann, der einen Stromfluss durch ihn induziert. Aufgrund des elektrischen Widerstandes des Zugstabes wird dieser heiss und er wird dadurch in den dauerhaft kontrahierten austeniten Zustand überführt. Zusätzlich kann zwischen dem Flachstahl und dem Bauwerk oder Bauteil ein geeigneter Klebstoff 18 für eine zusätzliche Verklebung eingebracht werden, zum Beispiel auf Epoxid- oder PU-Basis erfolgt. In diesem Fall werden Zugelement mit wenigstens auf ihrer der Verklebung zugewandten Seite rauer Oberfläche eingesetzt, zur Verbesserung des Klebeverbundes. Wahlweise kann die Endverankerung im Fall einer solchen Verklebung auch bloss für die Erzeugung einer Vorspannkraft eingesetzt werden und es kann eine Sicherheitsreserve ausgelegt werden, sodass die Einleitung der Bruchlast des Zugelemente in das Bauwerk oder Bauteil einzig durch die erhärtete Verklebung erfolgt. Andrerseits können im Falle des Einsatzes von Endverankerungen und einer zusätzlichen Verklebung die Endverankerungen oder allfällige Zwischenverankerungen nach der Kontraktion der Zugelemente aus Platzgründen oder ästhetischen Gründen entfernt werden. Die Endverankerung kann allenfalls auch so bemessen werden, dass diese nur die Vorspannung des Zugelementes infolge des Erhitzens zusätzlich einer Reservekraft aushalten muss. Der zusätzliche Verbund durch die Verklebung bietet zusätzliche Sicherheit, da bei Schädigung des Zugelementes das Risiko eines explosionsartigen Abplatzens stark reduziert wird. Das ist für den Personenschutz wichtig, gerade wenn Passanten sich nahe am Bauwerk aufhalten können, wie das in städtischen Gebieten die Regel ist. The core is therefore a method for producing prestressed concrete structures or components 4 as shown schematically in Figure 1, by means of tension elements made of an SMA alloy, for example, as shown here in the form of flat steel 1 from such a shape memory alloy whether of new structures and components 2 or for the reinforcement of existing constructions of concrete, stones or other building materials. For this purpose, at least one flat steel 1 made of a shape-memory alloy of polymorphic and polycrystalline structure, which can be brought as austenite by increasing its temperature from its state as martensite to its permanent state, first placed on the building or component 2 or created. The laying on or applying can also be done around corners or completely enclose or wrap around a component. One or more end anchors 4 penetrate deep into the structure or component 2. If the flat steel 1 encloses a building or component 2 once or several times, then the two ends of the flat steel 1 can be connected to each other by traction or separately connected to one or more end anchors 4, which penetrate into the building or component 2 or cross one or more times for a deadlock. Of course, intermediate anchors 12 can also be used. The flat steel 1 is subsequently contracted as a result of an active and controlled heat input with heating means and generates a permanent tensile stress and correspondingly a permanent bias on the structure or component 2. As shown in Figure 1, electrical connections 3 are provided to allow the flat steel to be placed under an electrical voltage that induces a current flow therethrough. Due to the electrical resistance of the tie rod this is hot and he is thereby transferred to the permanently contracted austenite state. In addition, between the flat steel and the building or component, a suitable adhesive 18 may be introduced for additional bonding, for example on an epoxy or PU basis. In this case, tension element are used with at least on their side facing the bond rough surface, to improve the adhesive bond. Optionally, the end anchorage in the case of such bonding can also be used only for the generation of a biasing force and it can be designed a safety reserve, so that the initiation of the breaking load of the tension elements in the building or component solely by the hardened bond. On the other hand, in the case of the use of end anchors and an additional bond, the end anchors or any intermediate anchors can be removed after the contraction of the tension elements for reasons of space or aesthetic reasons. At most, the end anchorage can also be dimensioned such that it must withstand only the prestressing of the tension element as a result of the heating in addition to a reserve force. The additional bond due to the bonding offers additional security, as damage to the tension element greatly reduces the risk of explosive chipping. This is important for personal protection, especially when passersby can be close to the building, as is the rule in urban areas.
[0017] In Figur 2 ist eine Anwendung dargestellt, bei welcher ein Zugelement 1 in Form eines Flachstahls um zwei Ecken 5 einer auskragenden Betonplatte 2 herumgeführt ist. In den beiden Endbereichen des Flachstahls ist dieser mittels mehrerer Endverankerungen 4 fest mit der Betonplatte 2 verbunden. Durch die Erhitzung mittels Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Enden des Zugelementes 1 bzw. Flachstahls wird dieser Flachstahl dauerhaft kontrahiert und erzeugt eine permanente Vorspannung rund um diese Seite der Betonplatte. Diese wir stabiler und bleibt rissfrei. Das Zugelement 1 bzw. der Flachstahl kann endverankert oder zusätzlich auch zwischenverankert sein, oder es kann auch mittels einer Verklebung seine Zugkraft auf das Bauwerk eingeleitet werden, oder die Krafteinleitung erfolgt über eine Kombination von mechanischen Verankerungen und einer Verklebung. In Figure 2, an application is shown, in which a tension member 1 in the form of a flat steel is guided around two corners 5 of a cantilevered concrete slab 2. In the two end regions of the flat steel this is connected by means of several end anchors 4 fixed to the concrete slab 2. By heating by applying a voltage between the two ends of the tension element 1 and flat steel, this flat steel is permanently contracted and creates a permanent bias around this side of the concrete slab. This we stable and remains free of cracks. The tension element 1 or the flat steel can be permanently anchored or in addition also inter-anchored, or it can also be introduced by means of a bond its tensile force on the building, or the force is applied via a combination of mechanical anchors and a bond.
[0018] Die Figur 3 zeigt eine Anwendung, bei welcher ein Zugelement 1 in Form eines SMA-Flachstahls um ein Bauteil herum gewickelt wurde. Weil der Flachstahl an einem Ende des zylindrischen Bauteils, etwa einer Säule zunächst mehr als einmal als Band um dieselbe geführt ist und hernach längs einer Schraubenlinie das zylindrische Bauteil nach oben als Band umwickelt und auch am oberen Ende wiederum mehrmals das Bauteil überlappend umwickelt, ist kaum mehr eine starke Endverankerung mehr nötig. Das Kontrahieren des Flachstahl-Bandes bewirkt ein Verklemmen an den beiden endseitig gebildeten Ringen 10, und auch über die ganze Umwicklung erfolgt durch die Kontraktion eine sehr starke Einschnürung des Bauteils, was dieses substantiell stabilisiert und vor einer Rissbildung schützt. Diese Anwendung mittels einer Umschlingung kann auch zur Verstärkung von Zement- oder anderen Rohren zum Einsatz kommen. 3 shows an application in which a tension element 1 in the form of a SMA flat steel was wound around a component. Because the flat steel at one end of the cylindrical member, such as a column is first performed more than once as a band around the same and then wrapped along a helical line, the cylindrical member upwards as a tape and also at the top again several times wrapped the component overlapping, is hardly more a strong final anchoring more necessary. The contraction of the flat steel strip causes jamming at the two ends formed rings 10, and also over the entire wrapping by the contraction occurs a very strong constriction of the component, which stabilizes this substantially and protects against cracking. This wrap-around application can also be used to reinforce cement or other pipes.
[0019] Die Figur 4 zeigt eine Anwendung an einem grossen Silo 1 1 von vielen Metern Durchmesser als Flüssigkeitsbehälter, sei es aus Beton oder Stahlsegmenten erstellt. Hier werden mehrere Zugelemente 1 in einem bestimmten Abstand zueinander um das ganze Bauwerk geschlungen, mit ihren überlappenden Endbereichen kraftschlüssig verbunden und hernach durch Wärmeeintrag kontrahiert, sodass sich eine feste und dauerhafte vorgespannte Umschnürung einstellt, welche das Bauwerk ganz wesentlich verstärkt. Figure 4 shows an application to a large silo 1 1 of many meters in diameter as a liquid container, be it made of concrete or steel segments. Here, several tension elements 1 are looped at a certain distance from each other around the entire structure, frictionally connected with their overlapping end regions and then contracted by heat input, so that sets a firm and permanent prestressed lashing, which significantly enhances the structure.
[0020] Die Figur 5 zeigt eine Anwendung an einer Holzbaukonstruktion. Holzkonstruktionen mit vertikalen Trägern 15 und darauf abgestützten Balken 16 sind weit verbreitet, wobei die Balken 16 und Träger 15 mittels speziellen Stahl- Verbinderelementen 14 miteinander verschraubt oder vernagelt werden. Die Stahl- Verbinderelemente 14 werden wie gezeigt mit sich kreuzenden Zugelementen 1 in Form von SMA-Profilen miteinander verbunden, wobei die endseitige Verankerung mittels Bolzen erfolgt, welche die Stahl-Verbinderelemente und SMA-Profile durchsetzen. Das Durchsetzen erfolgt, indem das SMA-Profil sowie das Stahl- Verbinderelement vorgebohrt werden und danach ein Nagel oder eine Verschraubung durchgreifend durch diese beiden Elemente ins Holz eingeführt wird. Dann wird Wärme eingetragen und die SMA-Profile ziehen sich zusammen und verspannen die Holzkonstruktion zu bisher unbekannter Stabilität. Figure 5 shows an application to a timber construction. Wooden structures with vertical beams 15 and beams 16 supported thereon are widely used, with the beams 16 and beams 15 bolted or nailed together by means of special steel connector elements 14. The steel connector elements 14 are interconnected as shown with crossing tension members 1 in the form of SMA profiles, the end anchorage by means of bolts, which enforce the steel connector elements and SMA profiles. The penetration takes place by pre-drilling the SMA profile and the steel connector element and then inserting a nail or a screw connection through these two elements into the wood. Then heat is entered and the SMA profiles contract and tighten the wood construction to previously unknown stability.
[0021] Die Endverankerungen der Flachstähle können in vielerlei Ausführungen realisiert werden. In den Figuren 6 bis 9 werden Beispiele hierfür dargestellt. Die Figur 6 zeigt eine Variante, bei welcher die Endbereiche 6 des Flachstahls in ihrem Oberflächenbereich eine Verzahnung aufweisen. Zwei Flachstähle 1 können so aufeinander gelegt werden, dass ihre Verzahnungen ineinandergreifen, sodass eine Verkrallung und damit ein satter Verbund entsteht. Dieser Verbund kann mittels einer Bandumwicklung oder mittels einer Verschraubung gesichert werden, jedoch kann sie sich nicht lösen, solange sie auf Zug beansprucht ist. Anstelle der Verbindung zweier Flachstähle kann diese Verbindung auch eingesetzt werden, wenn die beiden identisch gestalteten Endbereiche eines einzigen Flachstahls durch eine Umschliessung eines Bauteils übereinander zu liegen kommen. Die Figur 7 zeigt ein Beispiel, wo eine Verbindung so gestaltet ist, dass die beiden Flachstähle mit in einer Ebene liegenden Ober- und Unterseiten zueinander verlaufen, also ein bündiger Übergang erzeugt wird. Hier ist im Endbereich 6 der Flachstähle eine Schrägverzahnung realisiert, die ebenfalls mittels einer Schraubenverbindung oder durch ein umwickelndes Band gesichert werden kann. Die Figur 8 zeigt eine Verbindung, bei welcher die Enden der miteinander zu verbindenden Flachstähle in offene Haken ausgebildet sind, wobei im gezeigten Beispiel der von links kommende Flachstahl drei solche Haken 13 aufweist, mit je einer Aussparung zwischen den Haken 13. In die so gebildeten zwei Aussparungen greifen zwei gleiche Haken 13, im gezeigten Beispiel nach oben statt nach unten gekrümmt verlaufend an den Enden des von rechts kommenden Flachstahls ein. Nach dem Ineinanderschieben der Haken 13 der beiden Flachstähle wird von der Seite her ein Bolzen 17 in das Innere der Haken 13 geschoben, welcher das Innere der Haken 13 hernach durchquert. Damit sind diese kraftschlüssig miteinander verbunden. Die Figur 9 zeigt eine weitere Verbindung, bei welcher die Endbereiche 6 der Flachstähle in zwei gleichstarke Widerhaken ausgeformt sind, die formschlüssig ineinander zu liegen kommen, wobei die Verbindung ebenfalls wie gezeigt mit einer Schraubenverbindung gesichert werden kann, etwa wie gezeigt mittels einer Verbindung an zwei Stellen, an welchen je eine Schraube 8 bzw. ein Bolzen die beiden Flachstähle durchsetzt und diese letztlich mittels einer Kontermutter 9 miteinander verspannt sind. Bei Verbolzungen ist zu berücksichtigen, dass die Vorspannkraft massgeblich kleiner ist als die Bruchlast des Zugelementes, entsprechend braucht es über die Länge des Zugelementes geringere Stahlquerschnitte als bei der Verankerung. The end anchors of the flat steel can be realized in many designs. Examples are shown in FIGS. 6 to 9. FIG. 6 shows a variant in which the end regions 6 of the flat steel have a toothing in their surface area. Two flat steels 1 can be placed on top of each other so that their teeth intermesh, so that a clawing and thus a rich composite arises. This composite can be secured by means of tape wrapping or by means of a screw, but it can not solve as long as it is claimed to train. Instead of the connection of two flat steels, this compound can also be used when the two identically designed end portions of a single flat steel come to lie one above the other by enclosing a component. FIG. 7 shows an example in which a connection is designed in such a way that the two flat steels extend with upper and lower sides lying in one another, ie a flush transition is produced. Here, helical gearing is realized in the end region 6 of the flat steel, which can also be secured by means of a screw connection or by a wrapping tape. FIG. 8 shows a connection in which the ends of the flat steels to be joined are formed into open hooks, wherein in the example shown the flat steel coming from the left has three such hooks 13, each with a recess between the hooks 13. In the thus formed two recesses engage two identical hooks 13, in the example shown upwards instead of downwards curved running at the ends of the flat steel coming from the right. After the telescoping of the hooks 13 of the two flat steels, a bolt 17 is pushed from the side into the interior of the hooks 13, which traverses the interior of the hooks 13 thereafter. So they are positively connected with each other. FIG. 9 shows another one Connection in which the end portions 6 of the flat steels are formed into two equal barbs, which come to lie positively in one another, wherein the connection can also be secured as shown with a screw connection, as shown by means of a connection in two places, to each one Screw 8 or a bolt passing through the two flat steels and these are ultimately clamped together by means of a lock nut 9. When bolting is to be considered that the preload force is significantly smaller than the breaking load of the tension element, accordingly it takes over the length of the tension element lower steel cross-sections than in the anchoring.
[0022] Die Verbindung der Endbereiche der Flachstähle kann also generell realisiert sein, indem auf den sich überlappenden Seiten der Endbereiche 6 diese formschlüssig ineinandergreifen und sich verkrallen. Sie können aber auch einfach an den Überlappungsstellen bloss durch eine oder mehrere Schrauben 8 mechanisch zugkraftschlüssig miteinander verbunden werden, wobei die durchdringenden Schrauben 8 mit einer Kontermutter 9 verspannt werden. Eine weitere Möglichkeit der Verankerung bietet an, indem mindestens ein Flachstahl 1 aus einer Formgedächtnis-Legierung als Band um ein Bauteil 7 geschlungen wird, sodass sich das Band über einen Bereich überlappt, wonach mittels zwischen elektrischen Kontakten an den Endbereichen des Bandes eine Spannung angelegt wird, sodass sich der Flachstahl 1 infolge seines elektrischen Widerstandes erhitzt und von seinem Zustand als Martensit in einen bleibenden Zustand als Austenit überführt wird. Dadurch wird eine permanente Umschnürung des Bauteils 7 bewirkt. The connection of the end portions of the flat steels can thus be generally realized by the overlapping sides of the end portions 6, this form-fitting interlock and dig into each other. But they can also be connected to the overlap points merely by one or more screws 8 mechanically zugkraftschlüssig each other, wherein the penetrating screws 8 are clamped with a lock nut 9. Another way of anchoring is to loop at least one shape memory alloy strip steel 1 around a component 7 so that the band overlaps over a region whereupon voltage is applied between electrical contacts at the end regions of the band so that the flat steel 1 is heated due to its electrical resistance and transferred from its state as martensite to a permanent state as austenite. As a result, a permanent confinement of the component 7 is effected.
[0023] Eine mit einem solchen SMA-Flachstahl ausgerüstetes Bauwerk oder Bauteil weist in jedem Fall mindestens eine Zugelement 1 in Form eines Flachstahls aus einer Formgedächtnis-Legierung auf, der längs der Bauwerksoder Bauteilaussenseite verläuft und mit demselben mittels Endverankerungen 4 verbunden ist. Alternativ kann das Bauwerk oder Bauteil 7 wie in Figur 3 oder 4 dargestellt vollständig von einem oder mehreren Flachstählen 1 umschlossen oder umschlungen sein, wobei die beiden Endbereiche der Flachstähle 1 zugkraftschlüssig verbunden sind, und der oder die Flachstähle 1 durch Hitzeeintrag permanent vorgespannt werden. Die Umschlingungen können auch überlappende Bereiche bilden, sodass der Flachstahl 1 nach Hitzeeintrag und Kontraktion eine permanente Einschnürung des Bauteils 7 bewirkt und die überlappenden Bereiche 10 eine hinreichende Haftreibungskraft zum Erhalten der Einschnürung erzeugen. In any case, a structure or component equipped with such a SMA flat steel has at least one tension element 1 in the form of a flat steel made of a shape memory alloy which runs along the structure or component exterior and is connected to the same by means of end anchors 4. Alternatively, the structure or component 7, as shown in FIG. 3 or 4, can be completely enclosed or looped around by one or more flat steels 1, the two end regions of the flat steels 1 being connected in a force-fit manner, and the flat steel or strips 1 through Heat input permanently biased. The wraps can also form overlapping areas so that the flat steel 1 causes a permanent constriction of the component 7 after heat input and contraction and the overlapping areas 10 produce a sufficient static friction force to obtain the constriction.
[0024] Bei einem Wärmeeintrag kontrahiert die Legierung nämlich dauerhaft in ihren Ursprungszustand zurück. Werden die SMA-Flachstähle also auf die Temperatur für den Zustand als Austenit erhitzt, so nehmen sie ihre ursprüngliche Form an und behalten diese bei, auch unter Last. Der erzielte Effekt ist mit diesen Formgedächtnis-Legierungen (SMA) ist eine Vorspannung auf das Bauwerk oder ausgerüstete Bauteil, wobei sich diese Vorspannung gleichmässig bzw. linear über die gesamte Länge des Profils aus einer Formgedächtnis-Legierung erstreckt. In the case of heat input, the alloy contractually returns to its original state. Thus, when the SMA flat steels are heated to the temperature for being austenite, they assume their original shape and maintain it, even under load. The effect achieved with these shape memory alloys (SMA) is a preload on the structure or finished component, which preload extends evenly over the entire length of the shape memory alloy profile.
[0025] Für eine nachträgliche Verstärkung wird der SMA-Flachstahl in beliebigen Richtungen, hauptsächlich aber in Zugrichtung auf ein Beton-Bauwerks aufgelegt und mit demselben endseitig verankert. Dann werden die SMA-Flachstähle mittels Elektrizität erhitzt, was zur Verkürzung dieser SMA-Flachstähle führt. Die Verkürzung bewirkt eine Vorspannung und die Kräfte werden über die Endverankerungen direkt in das des Beton-Bauwerks oder Bauteil eingeleitet, oder im Falle von Umwicklungen sogar über die ganze Länge des Stahlprofils. For subsequent reinforcement of the SMA flat steel is placed in any direction, but mainly in the pulling direction on a concrete structure and anchored to the same end. Then the SMA flat steels are heated by electricity, which leads to the shortening of these SMA flat steels. The shortening causes a preload and the forces are introduced via the end anchors directly into that of the concrete structure or component, or in the case of wrappings even over the entire length of the steel profile.
[0026] Bei der Vorfabrikation von Stahlbetonbauteilen, beispielsweise Balkonoder Fassadenplatten oder Rohren, auf welche die neuartigen SMA-Flachstähle aufgelegt und vorgespannt werden, bieten sich weitere Vorteile. Dank Vorspannung dieser vorfabrizierten Betonbauteile können die Querschnitte des Bauteils reduziert werden. Da das Bauteil infolge interner Vorspannung rissfrei ausgebildet ist, liegt viel mehr Schutz gegen Chlorid-Eindringung resp. Karbonatisierung vor. Das heisst, solche Bauteile werden nicht nur leichter sondern viel widerstandsfähiger und entsprechend dauerhafter. [0027] Die Erhitzung der SMA-Flachstähle 1 erfolgt vorteilhaft elektrisch durch Errichtung einer Widerstandheizung, indem eine Spannung an die angelegten Heizkabel 3 angelegt wird, wie in Figur 1 gezeigt, sodass sich der SMA-Flachstahl oder das SMA-Flachstahlband 1 als Stromleiter erhitzt. Weil bei langen SMA- Flachstählen oder -bändern die Erhitzung mittels elektrischer Widerstandheizung zu viel Zeit beanspruchen würde, und dann zuviel Wärme in den Beton eingetragen würde, werden über die Länge des SMA-Flachstahls oder -Bandes mehrere Stromanschlüsse eingerichtet. Der SMA-Flachstahl kann dann etappenweise erhitzt werden, indem eine Spannung an zwei jeweils benachbarte Heizkabel angelegt wird, und hernach an die beiden nächsten, die benachbart sind, usw. bis der ganze SMA-Flachstahl auf den Zustand als Austenit gebracht ist Es werden hierzu kurzzeitig hohe Spannungen und Stromstärken benötigt, sodass eine gewöhnliche Netzspannung von 220V/1 10V nicht ausreicht, auch eine Spannungsquelle von 500V nicht, wie sie oft auf Baustellen eingerichtet wird. Vielmehr wird die Spannung von einer für den Baustellen-Einsatz mobilen Energieeinheit geliefert, welche die Spannung mit einer Anzahl in Serie geschalteter Lithium-Batterien erzeugt, mit hinreichend dicken Stromkabeln, sodass ein Strom mit hohem Amperewert durch den SMA-Flachstahl schickbar ist. Die Erhitzung sollte nur sehr kurzzeitig erfolgen, sodass man also innert 2 bis 5 Sekunden durchgehend die nötige Temperatur von ca. 100° bis 250° im SMA- Flachstahl 2 erzielt und damit seine Kontraktionskraft erzeugt. Damit wird vermieden, dass der anschliessende Beton Schaden nimmt. Hierzu sind zwei Bedingungen einzuhalten, nämlich erstens braucht es etwa 10-20A pro mm2 Querschnittsfläche und zweitens etwa 10-20V pro 1 m Flachstahl-Länge, um innert Sekunden den Zustand des Flachstahls als Austenit zu erreichen. Die Batterien müssen in Serie geschalten werden. Die Anzahl, die Grösse und der Typ der Batterien müssen entsprechend gewählt werden, so dass der benötigte Strom (Ampere) und die benötigte Spannung (Volt) abrufbar sind, und der Energiebezug muss von einer Steuerung geregelt werden, damit auf Knopfdruck - abgestimmt auf eine bestimmte Flachstahllänge und Flachstahldicke, genau die richtige Zeitperiode lang des Flachstahls unter Spannung steht und der nötige Strom fliesst. Bei langen Flachstählen von mehreren Metern kann das Erhitzen etappenweise erfolgen, indem nach bestimmten Abschnitten Stromanschlüsse vorgesehen werden, wo dann die Spannung angelegt werden kann. In dieser Weise kann abschnittsweise - ein Abschnitt nach dem andern über die Gesamtlänge eines Flachstahls die nötige Wärme eingebraucht werden, um schliesslich die gesamte Länge in den Zustand eines Austeniten zu versetzen. In the prefabrication of reinforced concrete components, such as balcony or façade panels or pipes on which the novel SMA flat steel are placed and prestressed, there are further advantages. Thanks to the prestressing of these prefabricated concrete components, the cross-sections of the component can be reduced. Since the component is formed free of cracks due to internal bias, is much more protection against chloride penetration, respectively. Carbonation before. This means that such components are not only lighter but much more resistant and accordingly more durable. The heating of the SMA flat steel 1 is advantageously carried out electrically by establishing a resistance heating by a voltage is applied to the applied heating cable 3, as shown in Figure 1, so that the SMA flat steel or SMA flat steel strip 1 is heated as a current conductor , Because with long SMA flat steels or strips, heating by means of electrical resistance heating would take too much time, and then too much heat would be introduced into the concrete, multiple power connections are established along the length of the SMA flat steel or strip. The SMA flat steel can then be heated in stages by applying a voltage to two adjacent heating cables, and then to the next two, which are adjacent, and so on, until the entire SMA flat steel is brought to the austenite condition short-term high voltages and currents required, so that a normal mains voltage of 220V / 1 10V is not sufficient, even a voltage source of 500V not, as it is often set up on construction sites. Rather, the voltage is supplied by an on-site mobile energy unit that generates the voltage with a number of series connected lithium batteries with sufficiently thick power cables so that a high amperage current can be sent through the SMA flat steel. Heating should only take place for a very short time, so that the required temperature of approx. 100 ° to 250 ° in the SMA flat steel 2 is continuously achieved within 2 to 5 seconds and thus generates its contraction force. This prevents the subsequent concrete from being damaged. For this purpose, two conditions must be adhered to, firstly it takes about 10-20A per mm 2 cross-sectional area and secondly about 10-20V per 1 m flat steel length to reach the state of flat steel as austenite within seconds. The batteries must be connected in series. The number, the size and the type of batteries must be selected accordingly, so that the required current (ampere) and the required voltage (volts) are available, and the energy reference must be controlled by a controller, so at the touch of a button - tuned to a certain flat steel length and flat steel thickness, for exactly the right period of time the flat steel is under tension and the necessary current flows. For long flat steels of several meters, the heating can be done in stages, by power connections after certain sections be provided where then the voltage can be applied. In this way, in sections - one section after the other over the entire length of a flat steel, the heat required can be used to finally put the entire length in the state of an austenite.
Ziffernverzeichnis digits directory
1 Zugelement, Flachstahl 1 tension element, flat steel
2 Bauwerk, Bauteil  2 structure, component
3 Elektrische Anschlüsse  3 electrical connections
4 Endverankerungen  4 end anchors
5 Ecken  5 corners
6 Endbereich des Zugelementes bzw. Flachstahls  6 end region of the tension element or flat steel
7 Bauteil, auskragend  7 component, cantilevered
8 Schraube  8 screw
9 Kontermutter zu Schraube 8  9 lock nut to screw 8
10 Ringe, überlappende Bereiche  10 rings, overlapping areas
1 1 Silo  1 1 silo
12 Zwischenverankerung  12 intermediate anchorage
13 Haken an den Ende der Flachstähle  13 hooks on the end of the flat steel
14 Stahl-Verbinderelemente  14 steel connector elements
15 Träger  15 carriers
16 Balken  16 bars
17 Bolzen zu Haken 13  17 bolts to hook 13
18 Klebstoff  18 glue

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen (2) aus Beton oder anderen Materialen mittels Zugelementen (1 ) aus einer Formgedächtnis-Legierung, sei es von neuen Bauwerken und Bauteilen oder für die Verstärkung von bestehenden Bauwerken und Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zugelement (1 ) aus einer Formgedächtnis-Legierung von polymorpher und polykristalliner Struktur, welche durch Erhöhung ihrer Temperatur aus ihrem Zustand als Martensit auf ihren bleibenden Zustand als Austenit bringbar ist, auf das Bauwerk oder Bauteil (2) aufgelegt oder frei verlaufend am Bauwerk oder Bauteil angelegt wird oder dieses Zugelement (1 ) um wenigstens eine Ecke (5) geführt ist, wobei eine oder mehrere Endverankerungen (4) in das Bauwerk oder Bauteil (2) eindringen, oder aber das Zugelement (1 ) ein Bauwerk oder Bauteil (2) ein- oder mehrmals als Band umschlingt, wobei in diesem Fall die beiden Enden des Zugelementes (1 ) entweder zugkraftschlüssig miteinander verbunden werden oder je gesondert mit einer oder mehreren End- (4) oder Zwischenverankerungen (12), die in das Bauwerk oder Bauteil (1 ) eindringen, mit demselben verbunden werden, oder aber sich das Zugelement (1 ) ein oder mehrmals für eine Verklemmung überlappt oder kreuzt, und dass sich das Zugelement (1 ) infolge eines anschliessenden aktiven und gesteuerten Wärmeeintrages mit Heizmitteln kontrahiert und eine permanente Zugspannung erzeugt und entsprechend eine permanente Vorspannung sowie eine Restzugkraft bis zur Bruchlast des Zugelementes (1 ) auf das Bauwerk oder das Bauteil (2) erzeugt. 1 . Method for producing prestressed structures or components (2) from concrete or other materials by means of tension members (1) made of a shape memory alloy, be it new structures and components or for the reinforcement of existing structures and components, characterized in that at least one Tensile element (1) made of a shape memory alloy of polymorphic and polycrystalline structure, which can be brought as austenite by increasing its temperature from its state as martensite to its permanent state, placed on the building or component (2) or running freely on the building or component is applied or this tension element (1) is guided around at least one corner (5), wherein one or more end anchors (4) penetrate into the structure or component (2), or else the tension element (1) is a structure or component (2) one or more times as a band wraps, in which case the two ends of the tension element (1) mite either traction be connected to each other or separately with one or more end (4) or intermediate anchors (12), which penetrate into the structure or component (1) are connected to the same, or the tension element (1) one or more times for a Jamming overlaps or crosses, and that the tension element (1) contracts due to a subsequent active and controlled heat input with heating means and generates a permanent tension and accordingly a permanent bias and a residual tensile force to the breaking load of the tension element (1) on the building or component (2) generated.
2. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen mittels Zugelementen (1 ) aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (1 ) in Bandform als Flachstähle eingesetzt werden, und dass beim Erstellen von Verankerungen durch Überlappungen oder Kreuzungen der bandförmigen Zugelemente zusätzlich die Zugelemente querende Bolzen eingesetzt werden. 2. A method for producing prestressed structures or components by means of tension elements (1) made of a shape memory alloy according to claim 1, characterized in that the tension elements (1) are used in strip form as a flat steel, and that when creating anchors by overlaps or intersections the band-shaped Tensile elements in addition to the tension elements crossing bolts are used.
Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen mittels Zugelementen (1 ) aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein gerades Zugelement (1 ) mit beliebigem Querschnittsprofil aus einer Formgedächtnis- Legierung auf eine Wand eines Bauwerk oder auf die Aussenseite eines Bauteils (2) aufgelegt wird, und seine beiden Endbereiche mit einer oder mehreren Endverankerungen (4) fest mit dem Bauwerk oder Bauteil (2) verbunden werden, indem diese Endverankerungen (4) in das Bauwerk oder Bauteil (2) eindringen, und hernach mittels zwischen elektrischen Kontakten (3) an den Endbereichen des Zugelements (1 ) eine Spannung U angelegt wird, sodass sich das Zugelement (1 ) infolge seines elektrischen Widerstandes erhitzt und von seinem Zustand als Martensit in einen bleibenden Zustand als Austenit überführt wird, sodass das Zugelement (1 ) eine permanente Zugspannung sowie eine Restzugkraft bis zur Bruchlast des Zugelementes (1 ) auf das Bauwerk oder Bauteil (2) ausübt und diese an den Endverankerungen (4) in dasselbe (2) eingeleitet wird. A method for producing prestressed structures or components by means of tension members (1) made of a shape memory alloy according to claim 1, characterized in that at least one straight tension element (1) with any cross-sectional profile of a shape memory alloy on a wall of a building or on the outside a component (2) is placed, and its two end portions with one or more end anchors (4) fixedly connected to the building or component (2) by these end anchors (4) penetrate into the building or component (2), and thereafter by means of between electrical contacts (3) at the end regions of the tension element (1) a voltage U is applied, so that the tension element (1) is heated due to its electrical resistance and is transferred from its state as martensite in a permanent state as austenite, so that Tensile element (1) a permanent tensile stress and a residual tensile force to the breaking load of the tension element (1) exerting on the structure or component (2) and introducing it to the end anchorages (4) in the same (2).
Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen mittels Zugstäben aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zugelement (1 ) als Flachstahl oder mit anderer Querschnittsgeometrie aus einer Formgedächtnis- Legierung unter ein- oder mehrmaliger Krümmung (5) auf die Aussenseite eines Bauwerk oder auf die Aussenseite eines Bauteils (2) aufgelegt wird, und seine beiden Endbereiche (6) mit einer oder mehreren Endverankerungen (4) oder zusätzlichen Zwischenverankerungen (12) fest mit dem Bauwerk oder Bauteil (2) verbunden werden, indem diese Endverankerungen (4) in das Bauwerk oder Bauteil (2) eindringen, und hernach mittels zwischen elektrischen Kontakten an den Endbereichen (6) des Flachstahls eine Spannung angelegt wird, sodass sich der Flachstahl (1 ) infolge seines elektrischen Widerstandes erhitzt und von seinem Zustand als Martensit in einen bleibenden Zustand als Austenit überführt wird, sodass er eine permanente Zugspannung um den eingefassten Teil des Bauwerk oder Bauteil (2) ausübt, sowie eine Restzugkraft bis zur Bruchlast des Zugelementes (1 ), und diese an den Endverankerungen (4) in dasselbe eingeleitet wird. A method for producing prestressed structures or components by means of tensile bars made of a shape memory alloy according to claim 1, characterized in that at least one tension element (1) as flat steel or with other cross-sectional geometry of a shape memory alloy under one or more curvatures (5) the outside of a building or on the outside of a component (2) is placed, and its two end portions (6) with one or more end anchors (4) or additional intermediate anchors (12) firmly connected to the building or component (2) by These end anchors (4) penetrate into the structure or component (2), and then by means of between electrical contacts to the end regions (6) of the flat steel, a voltage is applied so that the flat steel (1) heated due to its electrical resistance and its state when Martensite is transferred to a permanent state as austenite, so that it exerts a permanent tensile stress around the enclosed part of the structure or component (2), and a residual tensile force to the breaking load of the tension element (1), and this at the end anchors (4) in the same is initiated.
Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen mittels Zugelementen aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Zugelement (1 ) in Form eines Flachstahls oder eines Profils mit anderer Querschnittsgeometrie aus einer Formgedächtnis-Legierung auf Eisenbasis um ein Bauteil (7) geschlungen wird, sodass sich die beiden Enden des Zugelementes (1 ) überlappen und mechanisch zugkraftschlüssig miteinander verbunden werden, wonach mittels zwischen elektrischen Kontakten an den Endbereichen des Zugelements (1 ) eine Spannung angelegt wird, sodass sich das Zugelement (1 ) infolge seines elektrischen Widerstandes erhitzt und von seinem Zustand als Martensit in einen bleibenden Zustand als Austenit überführt wird, sodass das Zugelement (1 ) eine permanente Einschnürung des Bauteils (7) bewirkt. A method for producing prestressed structures or components by means of shape memory alloy tension elements according to claim 1, characterized in that at least tension element (1) in the form of a flat steel or a profile having a different cross-sectional geometry of an iron-based shape memory alloy around a component (7 ) is wound, so that the two ends of the tension element (1) overlap and mechanically zugkraftschlüssig are interconnected, after which by means of electrical contacts at the end regions of the tension element (1) a voltage is applied, so that the tension element (1) due to its electrical Resistance is heated and transferred from its state as martensite in a permanent state as austenite, so that the tension element (1) causes a permanent constriction of the component (7).
Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen mittels Zugstäben aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (1 ) ein Flachstahl aus einer Formgedächtnis-Legierung ist und seine beiden Enden mechanisch zugkraftschlüssig miteinander verbunden werden, indem sie auf den sich überlappenden Seiten der Endbereiche (6) formschlüssig ineinandergreifen und sich ineinander verkrallen. A method for producing prestressed structures or components by means of shape-memory alloy tensile bars according to claim 5, characterized in that the tension element (1) is a shape-memory alloy flat steel and its two ends are connected to each other mechanically by traction overlapping sides of the end portions (6) intermesh positively and dig into each other.
7. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen mittels Zugstäben aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (1 ) ein Flachstahl aus einer Formgedächtnis-Legierung ist und seine beiden Enden mechanisch zugkraftschlüssig miteinander verbunden werden, indem sie mittels mindestens einer sie an der überlappenden Stelle durchdringenden Schraube (8) oder bei einer Verkrallung mittels endseitiger Haken (13) mit einem diese durchquerenden Bolzen (17) miteinander verbunden werden. 7. A method for producing prestressed structures or components by means of tensile bars made of a shape memory alloy according to claim 5, characterized in that the tension element (1) is a flat steel made of a shape memory alloy and its two ends are mechanically zugkraftschlüssig interconnected by by means of at least one of them penetrating at the overlapping point Screw (8) or in a Verkrallung means end-side hooks (13) with a traversing these bolts (17) are interconnected.
8. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken oder Bauteilen mittels Zugstäben aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zugelement (1 ) in Form eines Flachstahls aus einer Formgedächtnis-Legierung auf Eisenbasis als Band um ein Bauteil (7) geschlungen wird, sodass dieses sich über einen Bereich überlappt, wonach mittels zwischen elektrischen Kontakten an den Endbereichen dieses Flachstahl-Bandes eine Spannung angelegt wird, sodass sich der Flachstahl infolge seines elektrischen Widerstandes erhitzt und von seinem Zustand als Martensit in einen bleibenden Zustand als Austenit überführt wird, sodass das Band eine permanente Einschnürung des Bauteils (7) bewirkt und der überlappende Bereich hinreichende Haftreibungskraft zum Erhalten der Einschnürung erzeugt. 8. A method for producing prestressed structures or components by means of shape memory alloy tensile bars according to claim 1, characterized in that at least one tensile element (1) in the form of a flat steel made of an iron-based shape memory alloy as a strip around a component (7) is wound so that it overlaps over a range, according to which a voltage is applied by means of between electrical contacts at the end portions of this flat steel strip, so that the flat steel is heated due to its electrical resistance and transferred from its state as martensite in a permanent state as austenite so that the tape causes a permanent constriction of the component (7) and the overlapping region generates sufficient static friction force to obtain the constriction.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerung mit dem Bauwerk oder Bauteil je nach Traggrund desselben mittels einer oder mehrerer folgender Befestigungsmittel erfolgt: Dübel, Spreizdübel, Nägel, Anker, Klebeanker, zementös verfüllte Anker, oder mittels einer Vernietung oder Verschraubung, 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the anchoring to the building or component depending on the supporting base thereof by means of one or more of the following fasteners: dowels, expansion dowels, nails, anchors, adhesive anchors, cementitious filled anchor, or by a riveting or screwing,
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Endverankerung der Zugelemente (1 ) an den Bauwerken oder Bauteilen eine Verklebung der Zugelemente (1 ) mit dem Traggrund der Bauwerke oder Bauteile mit einem Klebstoff (18) auf Epoxid- oder PU-Basis erfolgt, wobei Zugelement eingesetzt werden, die wenigstens auf ihrer einen Seite eine raue Oberfläche zur Verbesserung des Klebeverbundes aufweisen. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that in addition to the final anchoring of the tension elements (1) on the structures or components, an adhesion of the tension elements (1) with the base of the structures or components with an adhesive (18) on epoxy or PU base takes place, with tension element are used, which have at least on one side a rough surface to improve the adhesive bond.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endverankerung der Zugelement (1 ) nur für die Vorspannkraft einschliesslich einer Sicherheitsreserve ausgelegt wird, sodass die Einleitung der Bruchlast des Zugelemente (1 ) in das Bauwerk oder Bauteil einzig durch die erhärtete Verklebung mittels Klebstoff (18) erfolgt. 1 1. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the end anchoring of the tension element (1) is designed only for the prestressing force including a safety margin, so that the initiation of the breaking load of the tension elements (1) in the building or component only by the hardened bonding by means of adhesive (18).
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Endverankerung der Zugelemente (10) nach dem Aushärten des Klebstoffs (18) der Verklebung entfernt wird. 12. The method according to claim 10, characterized in that the end anchorage of the tension elements (10) after curing of the adhesive (18) of the bond is removed.
13. Bauwerk oder Bauteil, erstellt nach einem der Verfahren gemäss Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Zugelement (1 ) aus einer Formgedächtnis-Legierung aufweist, das längs der Bauwerks- oder Bauteilaussenseite verläuft oder frei verlaufend am Bauwerk oder Bauteil angelegt ist und mit demselben mittels Endverankerungen (4) oder zusätzlich einer Verklebung mittels Klebstoff (18) verbunden ist, oder das Bauwerk oder Bauteil (2) vollständig vom Zugelement (1 ) als Band umschlossen ist, wobei die beiden Endbereiche des Zugelementes (1 ) endverankert oder zugkraftschlüssig verbunden sind, und das Zugelement (1 ) durch Hitzeeintrag permanent vorgespannt ist. 13. structure or component, prepared according to one of the methods according to claim 1 to 12, characterized in that it comprises at least one tension element (1) made of a shape memory alloy, which runs along the building or component outside or free running on the building or component is applied and with the same by means of end anchors (4) or in addition a bond by means of adhesive (18) is connected, or the building or component (2) is completely enclosed by the tension element (1) as a band, wherein the two end portions of the tension element (1) are permanently anchored or traction connected, and the tension element (1) is permanently biased by heat input.
14. Bauwerk oder Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Zugelement (1 ) in Form eines Flachstahls aus einer Formgedächtnis-Legierung aufweist, der um ein oder mehrere Krümmungen (5) längs der Aussenseite des Bauwerks oder des Bauteils (2) verläuft und mit demselben mindestens mittels Endverankerungen (4) oder zusätzlich mittels Zwischenverankerungen (12) verbunden ist. 14. A structure or component according to claim 13, characterized in that it comprises at least one tension element (1) in the form of a flat steel made of a shape memory alloy, the one or more bends (5) along the outside of the building or the component (2 ) and is connected to the same at least by means of end anchors (4) or additionally by means of intermediate anchors (12).
15. Bauwerk oder Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Zugelement (1 ) in Form eines Flachstahls aus einer Formgedächtnis-Legierung aufweist, welcher das Bauteil (7) mehrmals als Band umschlingt und überlappende Bereiche bildet, sodass er nach Hitzeeintrag eine permanente Einschnürung des Bauteils (7) bewirkt und die überlappenden Bereiche (10) hinreichende Haftreibungskraft zum Erhalten der Einschnürung erzeugen. 15. Building or component according to claim 13, characterized in that it comprises at least one tension element (1) in the form of a flat steel made of a shape memory alloy, which wraps around the component (7) several times as a band and forms overlapping areas, so that he after heat entry causing a permanent constriction of the component (7) and the overlapping regions (10) generate sufficient static friction force for obtaining the constriction.
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