WO1993020296A1 - Verfahren und vorrichtung zur schubverstärkung an einem bauwerkteil - Google Patents

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WO1993020296A1
WO1993020296A1 PCT/CH1993/000085 CH9300085W WO9320296A1 WO 1993020296 A1 WO1993020296 A1 WO 1993020296A1 CH 9300085 W CH9300085 W CH 9300085W WO 9320296 A1 WO9320296 A1 WO 9320296A1
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lamella
hose
reinforcement
prestressing
structural part
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PCT/CH1993/000085
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Urs Meier
Martin Deuring
Heinz Meier
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Eidgenoessische Materialpruefungs- Und Forschungsanstalt Empa
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    • E04G2023/0262—Devices specifically adapted for anchoring the fiber reinforced plastic elements, e.g. to avoid peeling off

Definitions

  • the present invention relates to a method for shear reinforcement on a longitudinally extended or flat structural part intended for supporting functions, a method for shear reinforcement of a structural part with at least one lamella-like, longitudinally extended reinforcement arranged from the outside on the structural part to reinforce the structural part a method for thrust augmentation on a longitudinally extended or flat, internally with a steel reinforcement a reinforced concrete structural part, the applicational developments of the method, "an apparatus for Schubver ⁇ reinforcement on a longitudinally. widespread or scale, provided for supporting functions structural part, a Kon ⁇ constructive tion structural part, such as a reinforced concrete construction, with a device, and a method for prestressing a fabric-like hose.
  • the reinforcement of concrete structures by gluing steel lamellas with epoxy resin adhesives can be regarded as standard technology today.
  • this object is achieved by a method according to the wording, preferably according to at least one of the claims, in particular according to claim 1 or according to claim 4.
  • prestressing means for the production of an essentially in the Cross-sectional area acting bias can be applied. It is advantageous that these prestressing means are applied essentially in the peripheral area or along at least part of the circumference of the cross-sectional area of the building part, directed towards the building part.
  • the prestressing means can be applied to the part of the building which is not or only slightly shear-stressed, essentially slack or only weakly prestressed, so that an increased prestressing which acts against or in the cross-sectional area only occurs with increased shear stress .
  • the prestressing means can also be applied in a strongly prestressed manner on the building part which is not or only slightly shear-stressed.
  • the aforementioned shear reinforcement is preferably applied in those areas of the building part where shear forces can occur.
  • This pretension in the named areas of the reinforcement lamella substantially reduces the risk of shearing when shear stresses occur.
  • the so-called areas of the Mellen against the interface to the building part or * concrete forces reduces the possibility of shear crack formation or causes a finer crack distribution in the case of shear crack formation.
  • the present invention further proposes a method for reinforcing shear on a longitudinally extended or flat concrete structural part reinforced internally with a flaccid or prestressed steel reinforcement, the longitudinally extended fiber composite lamella, which is arranged on the outside of the structural part and is prestressed firmly connected to the structural part. it is pressed and the lamella is pressed against the building part in a comprehensive manner in the end region, pretensioned by pretensioning means.
  • pretensioning means serve on the one hand to anchor the ends of the lamella in the building part - and on the other hand, due to the pretensioning forces directed against the building part, no shear cracks can occur in the area of the ends of the lamella, which significantly reduces the risk of the slat shearing off.
  • the shear-off of the reinforcing lamella is no longer the critical point, but rather a tearing of the lamella, which, however, represents a significant improvement due to the very high tensile strength of fiber composite lamellae.
  • the prestressing means are preferably designed in the form of laminations, tubes, belts, strips, rods or ropes and consist of a highly tear-resistant fabric, made for example of steel, carbon, glass and / or aromatic polyamide fibers.
  • a highly tear-resistant fabric made for example of steel, carbon, glass and / or aromatic polyamide fibers.
  • other fiber-reinforced plastics such as, for example, monoaxially or unidirectionally stretched rovings, or the above-mentioned fiber composite lamellas proposed for reinforcement are also suitable as pretensioning means.
  • the pretensioning means applied to one side of the cross-sectional area or the pretension encompassing the lamella on the outside and directed against the building part is preferably firmly anchored in the building in the opposite region of the cross-sectional area of the building part, for example in the pressure zone that the pre-tension is maintained lasts.
  • the modulus of elasticity and geometry of the prestressing means are preferably selected such that clamping losses due to creeping of the component and relaxation of the prestressing means are minimized.
  • the building part comprises a plurality of inner shear reinforcements, which are arranged essentially transversely to the building part, it is further proposed to arrange or apply the prestress in or on a cross-sectional area of the building part, essentially centrally between two inner shear reinforcements.
  • the prestressing means essentially centrally between two inner shear reinforcements.
  • the above-mentioned methods according to the invention are particularly suitable for the shear reinforcement of bridges, load-bearing or plate-like beams, floor or ceiling slabs.
  • the methods according to the invention are suitable for the shear reinforcement of any structural parts, such as reinforced concrete structures, which have to perform load-bearing functions.
  • These can also be structural parts made from other materials, such as, for example, from wood, metal, plastics, other inert materials. materials like concrete etc.
  • a device for shear reinforcement on a longitudinally extended or flat structural part intended for supporting functions is further proposed, which is designed to be slack or prestressed by at least one in or on a cross-sectional area of the structural part.
  • Mellen-, belt-, hose-, band-, rod- or rope-like tensioning element is marked.
  • the tensioning element is preferably applied at least along a portion or against at least a portion of the circumference of the cross-sectional area, at least almost slack or pretensioned.
  • the tensioning element preferably consists of a fabric-like material consisting of steel, glass, carbon and / or aromatic polyamide fibers, or another fiber-reinforced plastic, such as unidirectionally stretched rovings or of the above-mentioned ones suggested for reinforcement Composite slats.
  • a structural component of the type described above such as a reinforced concrete construction, can be reinforced with a device according to the invention against shear stress.
  • a structural component with at least one externally arranged, lamellar reinforcement such as a steel lamella or a fiber composite lamella
  • a tensioning element being used. element is arranged in such a way that it drives or presses the lamella transversely to its longitudinal extent, spanning the structural component, on the outside. If a fiber composite lamella is used, it is preferably arranged in a prestressed manner on the construction component.
  • a method for prestressing the above-mentioned prestressing means in particular a fabric-like hose, is proposed, the hose being guided with at least one end through a bore which, in the direction of the prestressing, comprises a conically widening part, in which A viscous adhesive, such as a reactive adhesive, is arranged inside the hose at least in the region of this conically widened portion.
  • the hose is then guided in the pretensioning direction through a further bore or a sleeve, which again has a part that widens conically in the direction of the pretension, a wedge being formed in the interior of the hose, essentially adapted to the conically widened part or cone is arranged, the cone tip of which is directed in the opposite direction of the prestress.
  • the pretensioning is achieved by means of pressing or pulling means in that the hose is pulled through the bore in the prestressing direction and the further bore or the sleeve is pulled through the pressing or pulling means, which pressing or pulling means is preferably at least with the further bore or the sleeve are firmly connected.
  • the tension applied to the hose by means of the pressing or traction means must be maintained until the viscous adhesive mentioned above is substantially cured.
  • the mentioned cone or wedge is at least partially rough on its surface and preferably has at least one essentially circular groove transversely to the pretensioning direction, so that on the one hand when the hose is pretensioned by the pressing or pulling means the wedge or Cone moves into the hose and creates a wedge effect and the hose is anchored.
  • FIG. 1 is a longitudinal perspective view of a concrete support beam provided with a thrust reinforcement proposed according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a reinforced concrete support beam, reinforced with a fiber composite reinforcement lamella
  • FIG. 2a shows the bar of Fig. 2 in cross section
  • FIG. 5 shows in a diagram the deflection of a beam under load, unreinforced, reinforced with a lamella and reinforced with a prestressed lamella
  • Fig. 6a the plate-like structural part of Fig. 6 in cross section along the line II-II and
  • Fig. 7 schematically shows a cross section Device and the principle for prestressing and anchoring a hose-like shear reinforcement on the structural part to be reinforced.
  • a supporting beam 1 is schematically shown in longitudinal view, such as a concrete or reinforced concrete beam.
  • the concrete beam shown has a longitudinal steel reinforcement 7 in order to give the girder a higher load-bearing capacity under load.
  • prestressing means 11 are provided according to the invention in the cross-sectional surfaces 4 of the beam. These prestressing means are arranged against the outer contour 15 in the cross-sectional area 4 either in a slack manner or in a prestressed manner and, on the other hand, firmly anchored to the structural part 1 at the points 13. In the case of slack applied to 'arranging a bias voltage, the biasing means 11 until shearing stress of the support beam 1 a.
  • FIG. 1 a shows a cross-sectional area 4 along the line II from FIG. 1.
  • the pretensioning means 11 shown in FIG. 1 a which is, for example, a rope, belt, hose, lamella, rod or tape-like, highly tear-resistant, easily tensionable fabric or monoaxially stretched rovings can act, runs on the one hand through the two holes 6 in the building part and on the other hand spans the circumference of the cross-sectional area 4 along the section 15, against which section the pretensioning means 11 is either largely limp or is pretensioned.
  • a support 16 is advantageously provided, for example made of fiber composite materials.
  • steel or some other material can also be used, it is important that a tension applied or generated in the tensioning means 11, such as the hose, the rope etc., is maintained. It is therefore also important that the anchoring of the pretensioning means 11 at the " locations 13 is correct.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a reinforced concrete beam 1, which is placed on a support 5 at each end in the two areas 2 and 3. Furthermore, the concrete beam 1 has a longitudinal steel reinforcement 7 and shear reinforcements 8 running transversely to it. In the sense of the ETH Publication No. 8918 mentioned at the outset, the support beam 1 is further provided on its lower surface with a reinforcing lamella 21, for example produced from a carbon fiber composite material, using an epoxy resin matrix. From Fig. 2a, in which the support beam 1 of Fig. 2 is shown in cross section, it is clear that the support beam has a T-shape.
  • the reinforcing lamella 21 used can also be a steel lamella or consist of any fiber composite material, as for example in FIG of the aforementioned ETH Diss. No. 8918.
  • ETH Diss. No. 8918.
  • FIG. 2b The type of fracture according to reference number 31 is a concrete compression in the pressure zone.
  • 32 indicates a steel break in the draft zone.
  • 33 denotes a broken lamella, 34 a cohesive break of the adhesive, 35 an adhesive break on the lamella surface, 36 an adhesive break on the concrete surface, 37 an interlaminar break of the lamella and reference number 38 a concrete shear break in the tensile zone, which generally results in shearing the lamella 21 leads from the carrier 1.
  • FIG. 3 shows the support beam from FIG. 2 again in cross section, but provided with a A pretensioning means 11, again anchored at points 13 in the concrete beam 1.
  • the pretensioning means 11 such as an aramid fiber hose, runs on both sides through bores 6 in the upper plate of the support beam 1 and then on both sides along the base body of the support beam, in order to do so to enclose the reinforcing lamella 21 in a prestressed manner at the lower end.
  • a pad 16 is provided in order to enable a better tension force distribution through the aramid hose 11 against the lamella 21 and, on the other hand, to prevent the hose 11 in the region of the deflection around the base body of the supporting beam 1 and around the lamella 21 is damaged.
  • the pad would be * semicircular 16 to an optimum pressure distribution bibrrucn to ge, however, the pad 16 shown in Fig. 3 provides the application which vor ⁇ technically safe more advantageous, is already sufficient distribution Druckver ⁇ .
  • the base 16 must be made of a material such that the tension in the aramid tube 11 is maintained and is not reduced by pressing the tube 11 in the base 16 and / or compressing the base 16.
  • FIG. 3a the end region 2 of the beam 1 is shown in the region of the support 5 analogously to FIG. 2. It is clear from FIG. 3a that the reinforcement pretensioning means 11 are advantageously arranged in the end region of the slat 21, since the danger of shearing off the beam 1 is greatest in this region. The shearing does not result, for example, from inadequate adhesion due to the adhesive layer 20, but in particular from the concrete shear fractures which occur in the building part and are shown in FIG. 2b.
  • additional pretensioning means 11 are to be provided, distributed over the entire length of the lamella 21, in order to prevent the lamella from detaching along the entire support, it is advantageous to ensure that the aramid hoses used, for example, are essentially in the center be arranged between two shear reinforcements 8.
  • the shear reinforcement proposed according to the invention takes on a function similar to the shear reinforcement in the interior of the structural part, which yes, as can be seen from FIG. 2, is also preferably arranged in the two end regions 2 and 3 of the supporting beam 1.
  • FIG. 4 shows in longitudinal section a supporting beam 1 in the region of the end section 2, where a fiber composite lamella 21 is to be arranged pre-tensioned.
  • the lamella 21 is now stretched in the direction towards the end in the end section 2 of the beam 1 by applying a force P and by applying an adhesive layer 20, such as an epoxy resin layer, with the support beam 1 in pre-stressed state firmly connected.
  • the pre-tensioning of the lamella 21 can be accomplished with any desired tensioning or tensioning device; a description of this process is omitted, since the prestressing is generally known and is described in particular in Diss. ETH No. 8918.
  • a thrust reinforcement proposed according to the invention is arranged in the end region of the slat 21, with which a force F acts on the slat 21 in the direction against the carrier 1. This is to prevent crack formation as much as possible by means of a multi-axis stress condition in the concrete. If cracks occur, the lamella can still be successfully anchored in the building by effective toothing.
  • two aramid hoses 11 are arranged in FIG. 4c, which are prestressed against the end region of the slat 21 via a base 16. At the opposite, not shown end of the beam 1, the lamellae 21 is anchored to the beam 1 in the same way by means of pretensioning means 11.
  • the diagram in FIG. 5 shows that the pretensioning of the lamella 21 has an advantageous effect on the load-bearing capacity of a supporting beam.
  • a reinforced concrete support beam analogous to FIG. 2 is supported, loaded with increasing load and the corresponding deflection is observed.
  • Line 25 in the diagram according to FIG. 5 shows the reinforced concrete beam without external lamella reinforcement
  • line 26 the same Support beam, provided with a carbon fiber lamella
  • line 27 the same support beam, provided with the same carbon fiber lamella, which, for example, is pretensioned between 0% and 90% of the tensile strength and is each anchored to the support beam at the end with prestressing means according to the invention.
  • Line 27 shows the greatest load resistance for the support beam with the prestressed carbon fiber lamella.
  • 2 to 50N / mm can be arranged in a prestressed manner on a supporting beam without the need to use the prestressing means proposed according to the invention.
  • Higher preload forces immediately caused the slat to pop off.
  • the aramid hoses mentioned were provided with a tensile force per hose of 25 kN.
  • FIG. 6 and 6a show how the thrust reinforcement proposed according to the invention can be arranged in a similar manner on a slab-like concrete part.
  • a concrete slab 1 is analogous to FIG. Longitudinally perspective illustrated, wherein the biasing means 11 are arranged in 'the cross sectional area 4 according to the invention, which are firmly anchored at points 13 on the concrete slab.
  • the concrete ceiling or slab 1 has on its underside a longitudinally formed carbon fiber reinforcement lamella 21, analogous to that shown in the previous figures.
  • FIG. 6a shows the cross-sectional area along the line II-II from FIG. 6 and corresponds essentially to FIG.
  • the prestressing means or shear reinforcement means 11 runs from the anchoring points 13 through bores 6 in the concrete slab to the opposite side of the cross-sectional area and encompasses a pressure plate 16 which in turn rests on the lamella 21.
  • the lamella 21 in turn lies on the section 15 from the circumference of the cross section 4.
  • the tensioning means 11 such as, for example, a fabric-like belt or belt
  • the pressure plate 16 is pressed against the lamella 21 pressed, whereby shearing of the lamella 21 in the area of the section 15 of the cross-sectional area 4 on the concrete ceiling 1 is prevented.
  • the concrete slab or ceiling 1 with an internal steel reinforcement, as arranged, for example, in FIGS. 2 and ff.
  • FIGS. 1 to 6 are only examples by means of which the invention is to be explained in more detail. Of course, there may be in these structures for bridges, floors, floor tiles, reinforced concrete beam or to any other flat or longitudinally aus ⁇ strained structural parts, also installed over several fields, made of various materials, such as wood, "metal, concrete, etc., act
  • the type of prestressing described in or on a cross-sectional area in such a concrete structure can also be accomplished in any desired manner, whereby prestressing can already be applied to the part of the structure that is not or only slightly loaded , or the prestressing means can be designed to be largely limp or only weakly prestressed such that an increased prestress only arises when the structural part is subjected to increased load or shear stress.
  • FIG. 7 shows schematically and in section how the pretensioning means defined according to the invention, such as a hose made from an aramid fabric, can be pretensioned and anchored to the structural part.
  • the aramid hose 11 is pulled in the direction of the arrow 50 by means of traction, tensioning or pressing means (not shown), namely initially through the bore 6 in the building part 1.
  • a conical widening is provided in building part 1, at which point the Hose 11 is expanded in area 42 by arranging an adhesive 43 in the interior of area 42.
  • the adhesive may, for example, be an epoxy resin adhesive or the melt of a thermoplastic polymer.
  • the aramid tube is drawn through a circular sleeve 44 arranged at the top of the building part 1, which in turn is conically diverging in the longitudinal direction on its inside.
  • a wedge or cone 4 * 5 in the interior of the hose, the latter is expanded again within the sleeve.
  • the cone 45 is preferably roughened on the surface and additionally has transverse, ring-like recesses 46 to allow ei ⁇ ne bingo a "sloughing" the 'wedge when pulling of the hose 11 in the direction of arrow 50 and at the other hand, upon release of the force 50 immediately to give a wedge effect.
  • it can be fastened, for example, to a trestle-like device 48 via a thread.
  • the tube 11 with its part 49 is pulled in the direction of arrow 50 by the pulling, tensioning or pressing means, not shown, until a sufficient tension has been achieved. This tensile stress is then maintained until the adhesive 43 is completely and sufficiently cured. Depending on the choice of adhesive system, this can be a few minutes or a few hours.
  • the advantage of the pretensioning or anchoring of the tensioning means 11 on the structural part 1 shown in FIG. 7 is that no additional mechanical Anchoring means are to be provided.
  • an exact pretension can also be set, which is then essentially maintained after the pretensioning means 11 is anchored.
  • the prestressing means 11 can be separated flush with the surface of the structural part 1, so that no protruding parts remain.
  • the method for prestressing shown schematically according to FIG. 7 is suitable for any hose-like prestressing means, such as, for example, the aramid hoses mentioned above.
  • the hose does not have to be fabric-like, and the material used can also be chosen arbitrarily.
  • the advantage of choosing a fabric is, of course, that * widening in area 42, in which the adhesive is arranged within the tube, is much easier and better than, for example, an essentially "solid" one "Hose acts.
  • the choice of the fabric material can in turn be varied, for example steel fibers, glass fibers, carbon fibers or others, it is essential that a hose with high tensile strength can be formed.

Abstract

Um ein längs ausgedehntes oder flächiges, für Tragfunktionen vorgesehenes Bauwerkteil (1) gegen auftretende Schubkräfte zu verstärken, werden mindestens an oder in einer Querschnittsfläche (4) des Bauwerkteiles Vorspannmittel (11) schlaff oder vorgespannt angelegt, welche bei Schubbeanspruchung des Bauwerkteils eine im wesentlichen quer zur Längs- bzw. Flächenausdehnung des Bauwerkteils gerichtete Vorspannung gegen das Bauwerkteil erzeugen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Schubverstärkung an ei¬ nem Bauwerkteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schubverstärkung an einem längs ausgedehnten oder flächigen, für Tragfunktionen vorgesehenen Bauwerk¬ teil, ein Verfahren zur Schubverstärkung eines Bau¬ werkteiles mit mindestens einer lamellenartigen, längs ausgedehnten, von aussen am Bauwerkteil ange¬ ordneten Bewehrung zur Verstärkung des Bauwerkteiles, ein Verfahren zur Schubverstärkung an einem längs ausgedehnten oder flächigen, innerlich mit einer Stahlbewehrung verstärkten Betonbauwerkteil, Anwen¬ dungen der Verfahren, "eine Vorrichtung zur Schubver¬ stärkung an einem längs. ausgedehnten oder flächigen, für Tragfunktionen vorgesehenen Bauwerkteil, ein Kon¬ struktionsbauwerkteil, wie eine Stahlbetonkonstruk¬ tion, mit einer Vorrichtung, sowie ein Verfahren zum Vorspannen eines gewebeartigen Schlauches.
Seit vielen J hren beschäftigen sich Forschung und Praxis mit der nachträglichen Verstärkung von Stahl¬ betonkonstruktionen durch Anlegen einer zusätzlichen Bewehrung. Die Anfänge dieser Technik werden in J. Bresson, "Nouvelles recherches et applications con- cernant l'utilisation des collages dans les structu- res. Beton plaguέ.", Annales ITBTP Nr. 278 (1971), Sέrie Beton, Beton armέ Nr. 116, beschrieben und ge¬ hen auf die Sechzigerjähre zurück. Dabei hatte Bres¬ son seine Anstrengungen insbesondere auf die Erfor- schung der Verbundspannung im Bereich der Verankerun¬ gen von aufgeklebten Stahllamellen gerichtet.
Seit rund zwanzig Jahren können somit bestehende Stahlbetonkonstruktionen, wie Brücken, Boden- und Deckenplatten, Längsträger und dergleichen,, durch nachträgliches Aufkleben von Stahllamellen verstärkt werden.
Die Verstärkung von Betonbauwerken durch Ankleben von Stahllamellen mit beispielsweise Epoxidharzklebern darf heute als Standardtechnik betrachtet werden.
Es gibt verschiedene Gründe, die eine Verstärkung notwendig machen:
Erhöhung der Nutzlast,
- Aenderung des statischen Systems, indem bei¬ spielsweise tragende Elemente, wie Stützen, nach¬ träglich entfernt werden oder deren Stützfunktio- nen reduziert werden,
- Verstärkung von ermüdungsgefährdeten Bauteilen,
Erhöhung der Steifigkeit,
Schäden am Tragsystem bzw. Sanierung bestehender Bauwerke sowie
fehlerhafte Berechnung oder Ausführung des Bau¬ werkes. Nachträgliche Verstärkungen mit aufgeklebten Stahlla¬ mellen haben sich an zahlreichen Bauwerken bewährt, wie beispielsweise in den nachfolgenden Literaturzi¬ taten beschrieben: Ladner, M. , Weder, Ch. : "Geklebte Bewehrung im Stahlbetonbau", EMPA Dübendorf, Bericht Nr. 206 (1981) ; "Verstärkung von Tragkonstruktionen mit geklebter Armierung", Schweiz. Bauzeitung, Son¬ derdruck aus dem 92. Jahrgang, Heft 19 (1974) ; "Die Sanierung der Gizenenbrücke über die Muota", Schweiz. Ingenieur & Architekt, Sonderdruck aus Heft 41 (1980) .
Diese Verstärkungsverfahren weisen jedoch Nachteile auf. Stahllamellen können nur in kurzen Längen gelie¬ fert werden, womit nur die Applikation relativ kurzer Lamellen möglich wird. -Somit können Lamellenstösse, die gezwungenermassen notwendig werden, und damit po¬ tentielle Schwachstellen nicht vermieden werden. Die umständliche Handhabung von schweren Stahllamellen auf der Baustelle kann ausserdem bei hohen oder schwer zugänglichen Bauwerken erhebliche ausführungs¬ technische Probleme verursachen. Zudem besteht beim Stahl, auch bei einer sorgfältigen Korrosionsschutz¬ behandlung, die Gefahr des seitlichen Unterrostens der Lamellen bzw. der Korrosion an der Grenzfläche zwischen Stahl und Beton, was zum Ablösen und somit dem Verlust der Verstärkung führen kann.
Entsprechend wurde in der Publikation von U. Meier, "Brückensanierungen mit Hochleistungs-Faserverbund- werkstoffen" , Material + Technik, 15. Jahrgang, Heft 4 (1987), und in der Dissertation von H.P. Kaiser, Diss. ETH Nr. 8918 der ETH Zürich (1989), vorgeschla- gen, die Stahllamellen durch kohlenstoffaserverstärk¬ te Epoxidharzlamellen zu ersetzen. Lamellen aus die¬ sem Werkstoff zeichnen sich durch eine geringe Roh¬ dichte, sehr hohe Festigkeit, ausgezeichnete Ermü¬ dungseigenschaften und eine hervorragende Korrosions¬ beständigkeit aus. Es ist also möglich, anstelle der schweren Stahllamellen leichte, dünne, kohlenstoffa¬ serverstärkte Kunststoffla ellen zu verwenden, die quasi endlos im aufgerollten Zustand auf die Baustel¬ le transportiert werden können. Praktische Ermittlun¬ gen ergaben, dass Kohlenstoffaserlamellen von 0,5mm Dicke eine Zugkraft aufzunehmen vermögen, welche der Fliesskraft einer 3mm dicken FE360 Stahllamelle ent¬ spricht.
Da die vorliegende Erfindung im wesentlichen auf der erwähnten ETH Dissertation aufbaut und u.a. eine Wei¬ terentwicklung der darin beschriebenen technischen Lösung für die Verstärkung von Betonbauwerkteilen darstellt, ist der Inhalt der ETH Dissertation Nr. 8918 von H.P. Kaiser, Zürich ETH 1989, somit integra¬ ler Bestandteil der vorliegenden Beschreibung, womit auf eine ausgedehnte Würdigung dieses Dokumentes ver¬ zichtet wird.
Die Ergebnisse dieser ETH Dissertation zeigten, dass nachträglich mit kohlenstoffaserverstärkten Epoxid¬ harzen verstärkte Stahlbetonbauteile auf Biegung ana¬ log wie herkömmlicher Stahlbeton berechnet werden können. Besondere Beachtung muss allerdings der Schubrissbildung im Beton geschenkt werden. Auftre¬ tende Schubrisse führen zu einem Versatz an der ver¬ stärkten Oberfläche, was in der Regel ein Abschälen bzw. ein Ablösen der Verstärkungslamellen nach sich zieht. Die Schubrissbildung wird somit zu einem we¬ sentlichen Bemessungskriterium sowohl in bezug auf die Tragfähigkeit des unverstärkten Bauwerkteiles wie auch auf eine allfällige Ablösegefahr der nachträg¬ lich angeordneten Verstärkungslamellen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Methode vorzuschlagen, um eine Stahlbetonkon¬ struktion bzw. ein vorgespanntes Betonbauwerk gegen Schubkräfte zu verstärken, um ein Auftreten von Schubrissen weitgehendst zu verhindern resp. um we¬ nigstens eine feinere Riss erteilung zu erwirken.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, mit Verstärkungslamellen, vorzugsweise mit Faserverbund¬ werkstofflamellen verstärkte Bauwerke derart gegen Schubkräfte zu verstärken bzw. zu schützen, um im Be¬ reich der Grenzfläche der Lamelle zum Beton ein Auf¬ treten von Schubrissen weitgehendst zu verhindern und beim Auftreten von Rissen einen Versatz in der Riss¬ ebene weitgehendst zu verhindern.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Verfah¬ ren gemäss dem Wortlaut, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie insbesondere nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 4, gelöst.
Vorgeschlagen wird, dass zur Schubverstärkung an ei¬ nem längs ausgedehnten oder flächigen, für Tragfunk¬ tionen vorgesehenen Bauwerkteil mindestens an oder in einer Querschnittsfläche des Bauwerkteiles Vorspann¬ mittel für die Erzeugung einer im wesentlichen in der Querschnittsfläche wirkenden Vorspannung angelegt werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass diese Vor¬ spannmittel im wesentlichen im peripheren Bereich bzw. entlang mindestens einem Teil des Umfanges der Querschnittsfläche des Bauwerkteiles, gegen das Bau¬ werkteil gerichtet, angelegt werden. Die Vorspannmit¬ tel können am nicht oder nur schwach schubbeanspruch¬ ten Bauwerkteil im wesentlichen schlaff oder nur schwach vorgespannt angelegt werden, so dass sich ei¬ ne verstärkte, gegen die bzw. in der Querschnittsflä¬ che wirkende Vorspannung erst bei erhöhter Schubbean¬ spruchung einstellt. Allerdings können die Vorspann¬ mittel auch bereits stark vorgespannt am nicht oder nur schwach schubbeanspruchten Bauwerkteil angelegt werden.
Die erwähnte Schubverstärkung wird vorzugsweise in denjenigen Bereichen des Bauwerkteiles angelegt, wo Schubkräfte auftreten können.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Schubver¬ stärkung eines Bauwerkteiles mit mindestens einer eingangs erwähnten, lamellenartigen, längs ausgedehn¬ ten, von aussen am Bauwerkteil angeordneten Bewehrung zur Verstärkung des Bauwerkteiles, wobei die lamel¬ lenartige Bewehrung wenigstens in den Bereichen, wo Schubkräfte auftreten, mittels quer zur Lamelle, aus¬ sen diese umgreifend verlaufender Vorspannmittel ge¬ gen das Bauwerkteil gepresst wird. Durch diese Vor¬ spannung in den genannten Bereichen der Verstärkungs¬ lamelle wird die Abschergefahr bei auftretenden Schubspannungen wesentlich vermindert. Zusätzlich wird durch die so von den genannten Bereichen der La- mellen gegen die Grenzfläche zum Bauwerkteil bzw.* Be¬ ton gerichteten Kräfte die Möglichkeit der Schubriss¬ bildung vermindert bzw. bewirkt, dass im Falle von Schubrissbildung eine feinere RissVerteilung ent¬ steht.
Insbesondere bei der Verwendung von den in der ETH Dissertation Nr. 8918 vorgeschlagenen Faserverbundla¬ mellen, wie beispielsweise Kohlenstoffaserlamellen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese zusätz¬ lich am Betonbauwerkteil angeordneten Lamellen vorzu¬ spannen, um die Gebrauchs auglichkeit des Bauteils zu verbessern und das Abscheren der Lamelle infolge Be¬ tonschubbruch in der Zugzone zu verhindern. Die gros- se elastische Dehnbarkeit der Kohlenstoffaserlamellen stellt eine grosse Chance für die erwähnte Vorspan¬ nung dar. Die grosse elastische Dehnung und der auf die jeweiligen Verhältnisse angepasste E-Modul wirken sich günstig auf Spannverluste infolge Schwindens und Kriechens aus. Ein problematischer Punkt allerdings ist die Verankerung der Kohlenstoffaserlamellen beim Vorspannen. Die Kräfte müssen mindestens bis zum vollständigen Erhärten, beispielsweise des verwende¬ ten Epoxidharzklebers, durch Spannlaschen übernommen werden.
Entsprechend schlägt die vorliegende Erfindung weiter ein Verfahren zur Schubverstärkung an einem längs ausgedehnten oder flächigen, innerlich mit einer schlaffen oder vorgespannten Stahlbewehrung bewehrten Betonbauwerkteil vor, wobei die von aussen am Bau¬ werkteil angeordnete, längs ausgedehnte Faserverbund¬ lamelle vorgespannt fest mit dem Bauwerkteil verbun- den wird und die Lamelle je im Endbereich aussen um¬ greifend durch Vorspannmittel vorgespannt gegen das Bauwerkteil gepresst wird. Diese Vorspannmittel die¬ nen einerseits zur Verankerung der Enden der Lamelle im Bauwerkteil -und bewirken anderseits durch die ge¬ gen das Bauwerkteil gerichteten Vorspannkräfte, dass im Bereich der Enden der Lamelle keine Schubrisse auftreten können, womit die Abschergefahr der Lamelle wesentlich reduziert wird.
Durch das Anordnen der erwähnten Vorspannmittel ist nicht mehr das Abscheren der Verstärkungslamelle der kritische Punkt, sondern eher ein Reissen der Lamel¬ le, was allerdings aufgrund der sehr hohen Zugfestig¬ keit von Faserverbundlamellen eine wesentliche Ver¬ besserung darstellt.
Die Vorspannungsmittel sind dabei vorzugsweise .lamel- len-, schlauch-, gurten-, band-, stab- oder seilartig ausgebildet und bestehen aus einem hoch reissfesten Gewebe, hergestellt beispielsweise aus Stahl-, Koh¬ lenstoff-, Glas- und/oder aus aromatischen Polyamid¬ fasern. Als Vorspannmittel eignen sich aber auch an¬ dere faserverstärkte Kunststoffe, wie beispielsweise monoaxial bzw. unidirektional gereckte Rovings, oder die oben angeführten, zur Verstärkung vorgeschlagenen Faserverbundlamellen. Das an einer Seite der Quer¬ schnittsfläche angelegte Vorspannmittel bzw. die die Lamelle aussen umgreifende und gegen das Bauwerkteil gerichtete Vorspannung ist vorzugsweise im gegenüber¬ liegenden Bereich der Querschnittsfläche des Bauwerk¬ teiles, beispielsweise in der Druckzone, fest im Bau¬ werk verankert, so dass die Vorspannung aufrechter- halten bleibt. E-Modul und Geometrie der Vorspannmit¬ tel werden vorzugsweise so gewählt, dass Spannverlu¬ ste infolge Kriechens des Bauteils und Relaxation des Vorspannmittels minimiert werden.
Falls das Bauwerkteil mehrere innere, im wesentlichen quer zum Bauwerkteil angeordnete Schubbewehrungen um- fasst, wird weiter vorgeschlagen, je im wesentlichen mittig zwischen zwei inneren Schubbewehrungen die Vorspannung in oder an einer Querschnittsfläche des Bauwerkteiles anzuordnen bzw. anzulegen. Bei der Ver¬ wendung von Faserverbundlamellen kann es ebenfalls vorteilhaft sein, im wesentlichen verteilt auf die ganze Länge der Lamelle, in Abständen die aussen um¬ greifenden Lamellen gurten-, band-, schlauch- oder seilartigen Vorspannungsmittel anzuordnen, die die Lamelle gegen das Bauwerkteil treiben, um den Ablöse¬ kräften der Lamelle entlang der ganzen Länge entge¬ genzuwirken. Im Falle von vorhandenen inneren Schub¬ bewehrungen ist es auch in diesem Falle vorteilhaft, die Vorspannmittel jeweils im wesentlichen mittig zwischen zwei inneren Schubbewehrungen anzuordnen.
Die oben erwähnten erfindungsgemässen Verfahren eig¬ nen sich insbesondere für die Schubverstärkung von Brücken, trag- oder plattenartigen Balken, Boden¬ oder Deckenplatten. Grundsätzlich eignen sich die er¬ findungsgemässen Verfahren für die Schubverstärkung von irgendwelchen Bauwerkteilen, wie Stahlbetonkon¬ struktionen, die Tragfunktionen auszuüben haben. Es kann sich dabei auch um Bauwerkteile, hergestellt aus anderen Werkstoffen, handeln, wie beispielsweise sol¬ chen aus Holz, Metall, Kunststoffen, anderen inera- lischen Stoffen als Beton etc.
Für die Durchführung der erfindungsgemäss vorgeschla¬ genen Verfahren wird weiter eine Vorrichtung zur Schubverstärkung an einem längs ausgedehnten oder flächigen, für Tragfunktionen vorgesehenen Bauwerk¬ teil vorgeschlagen, welche durch mindestens ein in oder an einer Querschnittsfläche des Bauwerkteiles im wesentlichen schlaff oder vorgespannt angelegtes, la- mellen-, gurten-, schlauch-, band-, Stab- oder seil¬ artiges Spannelement gekennzeichnet ist. Vorzugsweise ist das Spannelement mindestens entlang einem Ab¬ schnitt bzw. gegen mindestens einen Teilabschnitt des Umfanges der Querschnittsfläche wenigstens nahezu schlaff oder vorgespannt angelegt. Das Spannelement besteht vorzugsweise aus einem gewebeartigen Materi¬ al, bestehend aus Stahl-, Glas-, Kohlenstoff- und/ oder aromatischen Polyamidfasern, oder einem anderen faserverstärkten Kunststoff, wie unidirektional ge¬ reckte Rovings oder aus den oben erwähnten, zur Ver¬ stärkung vorgeschlagenen Faserverbundlamellen.
Ein Konstruktionsbauwerkteil der eingangs beschriebe¬ nen Art, wie eine Stahlbetonkonstruktion, kann mit einer erfindungsgemäss definierten Vorrichtung gegen Schubbeanspruchung verstärkt werden.
Insbesondere ein Konstruktionsbauwerkteil mit minde¬ stens einer äusserlich angeordneten, lamellenartigen Bewehrung, wie eine Stahllamelle oder eine Faserver¬ bundlamelle, kann zusätzlich mit mindestens einer er- findungsgemäss definierten Vorrichtung weiter gegen Schub verstärkt werden, wobei mindestens ein Spann- element derart angeordnet ist, dass es die Lamelle quer zu deren Längsausdehnung aussen umspannend gegen das Konstruktionsbauwerkteil treibt bzw. presst. Im Falle der Verwendung einer Faserverbundlamelle wird diese selbst vorzugsweise vorgespannt am Konstruk¬ tionsbauwerkteil angeordnet.
Weiter wird ein Verfahren zum Vorspannen der oben er¬ wähnten Vorspannmittel, im speziellen eines gewebear¬ tigen Schlauches, vorgeschlagen, wobei der Schlauch mit mindestens einem Ende durch eine Bohrung geführt wird, welche in Richtung der Vorspannung eine konisch sich aufweitende Partie umfasst, wobei im -Inneren des Schlauches mindestens im Bereich dieser konisch auf¬ geweiteten Partie ein viskoser Klebstoff, wie bei¬ spielsweise ein Reaktivkleber, angeordnet wird. An- schliessend wird der Schlauch in Vorspannrichtung durch eine weitere Bohrung oder eine Hülse geführt, welche erneut eine in Richtung der Vorspannung ko¬ nisch sich aufweitende Partie aufweist, wobei im In¬ neren des Schlauches ein im wesentlichen angepasst an die konisch aufgeweitete Partie ausgebildeter Keil bzw. Kegel angeordnet ist, dessen Kegelspitze in ent¬ gegengesetzter Richtung der Vorspannung gerichtet ist. Schlussendlich wird die Vorspannung mittels Press- bzw. Zugmitteln derart erreicht, indem der Schlauch in Vorspannrichtung durch die Bohrung und die weitere Bohrung oder die Hülse durch die Press¬ bzw. Zugmittel gezogen wird, welche Press- bzw. Zug¬ mittel vorzugsweise mindestens mit der weiteren Boh¬ rung oder der Hülse fest verbunden sind. Die am Schlauch mittels der Press- bzw. Zugmittel angelegte Spannung muss so lange aufrechterhalten bleiben, bis der oben erwähnte viskose Klebstoff im wesentlichen ausgehärtet ist.
Der erwähnte Kegel bzw. Keil ist an seiner Oberfläche wenigstens teilweise rauh ausgebildet und weist vor¬ zugsweise quer zur Vorspannrichtung mindestens eine im wesentlichen kreisrund ausgebildete Rille auf, da¬ mit einerseits beim Vorspannen des Schlauches durch die Press- bzw. Zugmittel der Keil bzw. Kegel sich in den Schlauch hinein bewegt und eine Keilwirkung er¬ zeugt und der Schlauch verankert wird.
Die Erfindung wird nun anschliessend beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher er¬ läutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 in Längsperspektive einen Betontragbalken, versehen mit erfindungsgemäss vorgeschlage¬ ner Schubverstärkung,
Fig. la im Schnitt den Stahl- und/oder Spannbeton¬ balken von Fig. 1 entlang der Linie I-I,
Fig. 2 im Längsschnitt einen Stahlbetontragbalken, verstärkt mit einer Faserverbundverstär- kungslamelle,
Fig. 2a den Balken von Fig. 2 im Querschnitt,
Fig. 2b einen Ausschnitt des Balkens von Fig. 2 mit eingezeichneten möglichen Brucharten bei auftretender Schubbeanspruchung,
Fig. 3 im Querschnitt den Stahlbetontragbalken von Fig. 2 im Querschnitt, versehen mit einer erfindungsgemässen Schubverstärkung,
Fig. 3a einen Endabschnitt des Balkens von Fig. 2 im Bereich der Auflage und im Bereich des Endes der zusätzlichen Faserverbundlamelle, verse¬ hen mit zwei erfindungsgemässen Schubver¬ stärkungen,
Fig. 4, schematisch im Längsschnitt dargestellt das 4a, Anordnen und Vorspannen einer Verstärkungs- 4b lamelle an einem Bauwerkteil und die dabei auftretenden Schubkräfte nach der Montage und 4c der Lamelle sowie das erfindungsgemässe Ver¬ ankern der vorgespannten Lamelle am Bauwerk¬ teil,
Fig. 5 in einem Diagramm die Durchbiegung eines Balkens bei Belastung, unverstärkt, ver¬ stärkt mit einer Lamelle und verstärkt mit einer vorgespannten Lamelle,
Fig. 6 ein plattenartiges Bauwerkteil, versehen mit einer Verstärkungslamelle und einer erfin¬ dungsgemässen Schubverstärkung,
Fig. 6a das plattenartige Bauwerkteil von Fig. 6 im Querschnitt entlang der Linie II-II und
Fig. 7 schematisch im Querschnitt dargestellt eine Vorrichtung sowie das Prinzip, um eine schlauchartige Schubverstärkung am zu ver¬ stärkenden Bauwerkteil vorzuspannen und zu verankern.
In Fig. 1 ist schematisch in Längsansicht ein Trag¬ balken 1 dargestellt, wie beispielsweise ein Beton¬ bzw. Stahlbetonbalken. Der dargestellte Betonbalken weist eine LängsStahlbewehrung 7 auf, um dem Tragbal¬ ken bei Belastung eine höhere Tragfähigkeit zu ver¬ leihen.
Um bei Schubbelastung des Tragbalkens 1 der Bildung von Schubrissen entgegenzuwirken bzw. um den Tragbal¬ ken gegen Schubkräfte zu verstärken, sind erfindungs- ge äss je in den,QuerSchnittsflächen 4 des Balkens Vorspannmittel 11 vorgesehen. Diese Vorspannmittel sind gegen die äussere Kontur 15 in der Querschnitts¬ fläche 4 entweder schlaff anliegend oder vorgespannt drückend angeordnet und anderseits an den Stellen 13 fest verankert mit dem Bauwerkteil 1 verbunden. Im Falle des schlaff anliegenden An'ordnens stellt sich eine Vorspannung der Vorspannmittel 11 erst bei Schubbeanspruchung des Tragbalkens 1 ein.
In Fig. la ist eine Querschnittsfläche 4 entlang der Linie I-I aus Fig. 1 dargestellt. Das in Fig. la dar¬ gestellte Vorspannmittel 11, bei welchem es sich bei¬ spielsweise um ein seil-, gurten-, schlauch-, lamel- len-, stab- oder bandartiges, hoch reissfestes, gut spannbares Gewebe oder um monoaxial gereckte Rovings handeln kann, verläuft einerseits durch die beiden Bohrungen 6 im Bauwerkteil und umspannt anderseits den Umfang der Querschnittsfläche 4 entlang dem Ab¬ schnitt 15, gegen welchen Abschnitt das Vorspannmit¬ tel 11 entweder weitgehendst schlaff anliegt oder drückend vorgespannt ist. Um eine bessere Verteilung der Spannkraft auf den Abschnitt 15 zu gewährleisten und anderseits eine Ueberbeanspruchung des Spannmit¬ tels 11 beim Austritt aus den Bohrungen 6 beidseitig des Abschnittes 15 zu verhindern, ist vorteilhafter¬ weise eine Unterlage 16 vorgesehen, beispielsweise aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Selbstver¬ ständlich kann auch Stahl oder irgendein anderes Ma¬ terial verwendet werden, wichtig ist, dass eine im Spannmittel 11, wie der Schlauch, das Seil etc., an¬ gelegte oder erzeugte Spannung erhalten bleibt. Es ist deshalb auch wichtig, dass die Verankerung des Vorspannmittels 11 an den" Stellen 13 einwandfrei ist.
In Fig. 2 ist im Längsschnitt ein Stahlbetonbalken 1 dargestellt, welcher je endständig in den beiden Be¬ reichen 2 und 3 je auf einem Auflager 5 aufgelegt ist. Weiter weist der Betonbalken 1 eine Längsstahl- bewehrung 7 auf sowie quer dazu verlaufende Schubbe¬ wehrungen 8. Im Sinne der eingangs erwähnten ETH Dis¬ sertation Nr. 8918 ist der Tragbalken 1 an seiner un¬ teren Oberfläche weiter mit einer Verstärkungslamelle 21 versehen, beispielsweise hergestellt aus einem Kohlenstoffaserverbundwerkstoff, unter Verwendung ei¬ ner Epoxidharzmatrix. Aus Fig. 2a, in welcher der Tragbalken 1 von Fig. 2 im Querschnitt dargestellt ist, wird deutlich, dass der Tragbalken eine T-Form aufweist. Die verwendete Verstärkungslamelle 21 kann auch eine Stahllamelle sein oder aus irgendeinem Fa¬ serverbundwerkstoff bestehen, wie beispielsweise in der erwähnten ETH Diss. Nr. 8918 beschrieben. Auf das Beschreiben der Vorteile der Verwendung von Faserver¬ bundlamellen sowie deren Ausgestaltung, Dimensionie¬ rung und deren Anbringen am Bauwerkteil wird auf die erwähnte ETH Diss. verwiesen und auf eine Wiederho¬ lung verzichtet.
Bei einer ausserordentlich hohen Schubbeanspruchung hat es sich nun gezeigt, dass selbst an einem mit ei¬ ner derartigen zusätzlichen Lamelle verstärkten Bau¬ werkteil verschiedene Brucharten auftreten können. Anhand eines Ausschnittes des Tragbalkens 1 von Fig. 2 sind in Fig. 2b schematisch mögliche Brucharten dargestellt. Bei der Bruchart gemäss Referenzzahl 31 handelt es sich um eine Betonstauchung in der Druck¬ zone. 32 deutet auf einen Stahlbruch in der Zugzone. 33 bezeichnet einen Lamellenbruch, 34 einen Kohä- sionsbruch des Klebstoffes, 35 einen Adhäsionsbruch an der Lamellenoberfläche, 36 einen Adhäsionsbruch an der Betonoberfläche, 37 einen interlaminaren Bruch der Lamelle sowie Referenzzahl 38 einen Betonschub¬ bruch in der Zugzone, was in der Regel zum Abscheren der Lamelle 21 vom Träger 1 führt.
Um insbesondere dem Betonschubbruch in der Zugzone, jedoch auch den anderen dargestellten Brucharten, vor allem im Bereich der Grenzfläche zwischen der Lamelle und dem Betonbalken 1, entgegenzuwirken, wird nun er- findungsgemäss vorgeschlagen und wie in Fig. 3 darge¬ stellt, eine Schubverstärkung vorzusehen durch das Anordnen der in bezug auf Fig. 1 beschriebenen Vor¬ spannmittel 11. Fig. 3 zeigt dabei den Tragbalken von Fig. 2 erneut im Querschnitt, jedoch versehen mit ei- nem Vorspannmittel 11, wiederum verankert an Stellen 13 im Betonbalken 1. Das Vorspannmittel 11, wie bei¬ spielsweise ein Aramidfaserschlauch, verläuft beid- seitig durch Bohrungen 6 in der oberen Platte des Tragbalkens 1 und anschliessend beidseitig entlang dem Grundkörper des Tragbalkens, um an dessen unterem Ende die Verstärkungslamelle 21 vorgespannt zu um- schliessen. Wiederum ist eine .Unterlage 16 vorgese¬ hen, um eine bessere Spannkraftverteilung durch den Aramidschlauch 11 gegen die Lamelle 21 zu ermöglichen und um anderseits zu verhindern, dass der Schlauch 11 im Bereich der Umlenkung um den Grundkörper des Trag¬ balkens 1 und um die Lamelle 21 beschädigt wird. Idealerweise wäre * die Unterlage 16 halbkreisförmig ausgebildet, um eine optimale Druckverteilung zu ge¬ währleisten, jedoch bietet die in Fig. 3 dargestellte Unterlage 16, welche anwendungstechnisch sicher vor¬ teilhafter ist, bereits eine ausreichende Druckver¬ teilung.
Die Unterlage 16 muss, wie bereits vorab erwähnt, aus einem Material derart hergestellt sein, damit die Spannung im Aramidschlauch 11 aufrechterhalten bleibt und nicht durch ein Eindrücken des Schlauches 11 in der Unterlage 16 und/oder ein Zusammendrücken der Un¬ terlage 16 reduziert wird.
In Fig. 3a ist der Endbereich 2 des Balkens 1 analog Fig. 2 im Bereich des Auflagers 5 dargestellt. Aus Fig. 3a wird deutlich, dass vorteilhafterweise die Verstärkungsvorspannmittel 11 im Endbereich der La¬ melle 21 angeordnet sind, da in diesem Bereich die Gefahr der Abscherung vom Balken 1 am grössten ist. Die Abscherung ergibt sich nicht etwa infolge ungenü¬ gender Haftung durch die Klebschicht 20, sondern ins¬ besondere durch die in Fig. 2b dargestellten, am Bau¬ werkteil auftretenden Betonschubbrüche.
Wie in Fig. 3a dargestellt, hat es sich als vorteil¬ haft erwiesen, im Endbereich der Lamelle 21 minde¬ stens zwei Vorspannmittel 11, wie beispielsweise Ara¬ midschlauche, anzuordnen. Falls möglich, ist es wei¬ ter vorteilhaft, die zusätzlichen erfindungsgemässen Vorspannmittel 11 im wesentlichen im Bereich mittig zwischen zwei quer angeordneten Schubbewehrungen 8 des Bauwerkteiles 1 anzuordnen, wobei aber primär darauf zu achten ist, dass das Ende der Lamelle 21 optimal gegen das Bauwerkteil 1 vorgespannt ange¬ drückt wird.
Sollten hingegen, verteilt auf die ganze Länge der Lamelle 21, weitere erfindungsgemässe Vorspannmittel 11 vorgesehen werden, um ein Ablösen der Lamelle ent¬ lang dem ganzen Träger zu verhindern, so ist vorteil¬ hafterweise darauf zu achten, dass die beispielsweise verwendeten Aramidschlauche im wesentlichen mittig zwischen zwei Schubbewehrungen 8 angeordnet werden.
Da insbesondere in den beiden Endbereichen 2 und 3 des Tragbalkens 1 bei Lastbeanspruchung des Tragbal¬ kens Schubkräfte auftreten, ist es vorteilhaft, be¬ sonders in diesen beiden Endbereichen die erfindungs- gemäss vorgeschlagene Schubverstärkung anzuordnen. Im Prinzip übernimmt die erfindungsgemäss vorgeschlagene Schubverstärkung eine ähnliche Funktion wie die Schubbewehrung im Inneren des Bauwerkteiles, die ja, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ebenfalls bevorzugt in den beiden Endbereichen 2 und 3 des Tragbalkens 1 an¬ geordnet ist.
Wie bereits eingangs erwähnt, kann es vorteilhaft sein, die zur Verstärkung des Bauwerkteiles angeord¬ nete Verstärkungslamelle 21 vorzuspannen. Dies ist vor allem bei Verwendung von Faserverbundlamellen aus den bereits genannten Gründen sinnvoll.
In den Fig. 4, 4a und 4b wird schematisch die Proble¬ matik der Vorspannung derartiger Lamellen darge¬ stellt.
Fig. 4 zeigt im Längsschnitt einen Tragbalken 1 im Bereich des Endabschnittes 2, wo eine Faserverbundla¬ melle 21 vorgespannt anzuordnen ist.
Wie aus Fig. 4a ersichtlich, wird nun die Lamelle 21 in Richtung gegen das Ende im Endabschnitt 2 des Bal¬ kens 1 durch Anlegen einer Kraft P gespannt und durch Anbringen einer Klebschicht 20, wie beispiels¬ weise einer Epoxidharzschicht, mit dem Tragbalken 1 im vorgespannten Zustand fest verbunden. Das Vorspan¬ nen der Lamelle 21 kann mit einer x-beliebigen Zug¬ oder Spannvorrichtung bewerkstelligt werden; auf eine Beschreibung dieses Vorganges wird verzichtet, da das Vorspannen allgemein bekannt ist und im speziellen in der Diss. ETH Nr. 8918 beschrieben ist.
In Fig. 4b ist nun dargestellt, was im Endbereich des
Balkens 1 passiert, wenn die Zugkraft P entfällt.
0 Durch die Spannkraft an der Lamelle 21 entsteht nun im Bauwerkteil die Schubspannung S, womit im Bereich 2a am Balken 1 die Gefahr des Auftretens von Schub¬ rissen besteht. Falls die Risse eine gewisse Grosse annehmen, wird als Folge davon die Lamelle 21 absche¬ ren, wobei dieses Abscheren sprungartig geschieht und sich meistens gegen die Mitte des Tragbalkens fort¬ setzt. Damit ist der erwünschte Effekt der Verstär¬ kung des Tragbalkens dahin.
In Fig. 4c schlussendlich ist eine erfindungsgemäss vorgeschlagene Schubverstärkung im Endbereich der La¬ melle 21 angeordnet, womit eine Kraft F auf die La¬ melle 21, in Richtung gegen den Träger 1 wirkt. Damit soll durch einen mehrachsigen Spannungszustand im Be¬ ton die Rissbildung möglichst verhindert werden. Beim Auftreten von Rissen kann durch eine wirksame Verzah¬ nung derselben die Lamelle weiterhin im Bauwerk er¬ folgreich verankert werden. Analog der Fig. 3a werden in Fig. 4c zwei Aramidschlauche 11 angeordnet, welche über einer Unterlage 16 gegen den Endbereich der La¬ melle 21 vorgespannt sind. Am entgegengesetzten, nicht dargestellten Ende des Balkens 1 ist die Lamel¬ le 21 auf dieselbe Art und Weise am Balken 1 durch Vorspannmittel 11 verankert.
Dass das Vorspannen der Lamelle 21 sich auf die Be¬ lastbarkeit eines Tragbalkens vorteilhaft auswirkt, ist anhand des Diagrammes in Fig. 5 dargestellt. Da¬ bei wird ein Stahlbetontragbalken analog Fig. 2, ab¬ gestützt, mit zunehmender Last belastet und die ent¬ sprechende Durchbiegung beobachtet. Dabei zeigt Linie 25 im Diagramm gemäss Fig. 5 den Stahlbetonbalken oh¬ ne äusserliche Lamellenbewehrung, Linie 26 den selben Tragbalken, versehen mit einer Kohlenstoffaserlamel- le, und Linie 27 den selben Tragbalken, versehen mit derselben Kohlenstoffaserlamelle, welche beispiels¬ weise zwischen 0% und 90% der Zugfestigkeit vorge¬ spannt ist und je endständig mit erfindungsgemässen Vorspannmitteln am Tragbalken verankert ist. Dabei zeigt Linie 27 für den Tragbalken mit der vorgespann¬ ten Kohlenstoffaserlamelle den grössten Tragwider¬ stand.
Bei Vorspannungen der genannten Art in der Grössen- ordnung von über ca. 5% der Zugfestigkeit der Lamelle ist das Anordnen der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Vorspannmittel, wie beispielsweise der Aramidfaser- schläuche, unbedingt notwendig, ansonsten die Lamel¬ len unverzüglich von den Endzonen her abgeschert wer¬ den. In Versuchen konnten Kohlenstoffaserlamellen nur
2 bis 50N/mm vorgespannt an einem Tragbalken angeord¬ net werden, ohne dass die Verwendung der erfindungs¬ gemäss vorgeschlagenen Vorspannmittel notwendig gewe¬ sen wäre. Höhere Vorspannkräfte führten unverzüglich zum Abspringen der Lamelle.
Um bei VorSpannkräften in den oben genannten Grössen- ordnungen eine Lamelle gemäss Fig. 4c zuverlässig an einem Tragbalken zu verankern, wurden die genannten Aramidschl uche mit einer Zugkraft pro Schlauch von 25kN versehen.
Um derartig hohe Zugkräfte an den Vorspannmitteln, wie beispielsweise den Aramidschläuchen, aufrechtzu¬ erhalten, ist es natürlich absolut notwendig, dass dieselben im entgegengesetzten Bereich zur Verstär- kungslamelle am Betonträger zuverlässig und fest ver¬ ankert sind.
Ein Verfahren zum wirkungsvollen Verankern von derar¬ tigen Schläuchen wird unter Bezug auf Fig. 7 später eingegangen.
Zunächst wird in den Fig. 6 und 6a noch dargestellt, wie in ähnlicher Art und Weise an einem plattenarti¬ gen Betonteil die erfindungsgemäss vorgeschlagene Schubverstärkung angeordnet werden kann. In Fig. 6 ist analog Fig. 1 in Längsperspektive eine Betonplat- te 1 dargestellt, worin in' der Querschnittsfläche 4 erfindungsgemäss die Vorspannmittel 11 angeordnet sind, welche an den Punkten 13 an der Betonplatte fest verankert sind. Im weiteren weist die Betondecke bzw. -platte 1 an ihrer Unterseite eine längs ausge¬ bildete Kohlenstoffaserverstärkungslamelle 21 auf, analog denjenigen, dargestellt in den vorangehenden Figuren.
Fig. 6a zeigt die Querschnittsfläche entlang der Li¬ nie II-II aus Fig. 6 und entspricht im wesentlichen Fig. la. Das Vorspannmittel bzw. Schubverstärkungs¬ mittel 11 verläuft von den Veranke.rungspunkten 13 durch Bohrungen 6 in der Betonplatte hindurch auf die gegenüberliegende Seite der Querschnittsfläche und umgreift eine Anpressplatte 16, welche ihrerseits auf der Lamelle 21 aufliegt. Die Lamelle 21 ihrerseits liegt am Abschnitt 15 vom Umfang des Querschnittes 4 auf. Durch die Vorspannkraft des Spannmittels 11, wie beispielsweise eines gewebeartigen Gurtes oder Ban¬ des, wird die Anpressplatte 16 gegen die Lamelle 21 gedrückt, womit ein Abscheren der Lamelle 21 im Be¬ reich des Abschnittes 15 der Querschnittsfläche 4 an der Betondecke 1 verhindert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Betonplatte bzw. -decke 1 zusätzlich mit einer inneren Stahlbewehrung zu verse¬ hen, wie beispielsweise in den Fig. 2 und ff. ange¬ ordnet.
Bei den in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Betonbau¬ werken handelt es sich nur um Beispiele, anhand wel¬ cher die Erfindung näher erläutert werden soll. Selbstverständlich kann es sich bei diesen Bauwerken um Brücken, Decken, Bodenplatten, Stahlbetonträger oder um irgendwelche andere flächige oder längs aus¬ gedehnte Konstruktionsteile, auch durchlaufend über mehrere Felder, hergestellt aus den verschiedensten Materialien, wie Holz, " Metall, Beton etc., handeln, welche Tragfunktionen zu übernehmen haben. Auch die Art der erfindungsgemäss beschriebenen Vorspannung in oder an einer Querschnittsfläche in einem derartigen Betonbauwerk kann auf x-beliebige Art und Weise be¬ werkstelligt werden. Dabei kann bereits am nicht oder nur schwach belasteten Bauwerkteil eine Vorspannung angelegt werden, oder aber die Vorspannmittel können derart weitgehendst schlaff oder nur schwach vorge¬ spannt angelegt sein, dass sich eine erhöhte Vorspan¬ nung erst bei erhöhter Belastung bzw. Schubbeanspru¬ chung des Bauwerkteils einstellt. Dabei ist es selbstverständlich möglich, die erfindungsgemässe Schubverstärkung an einem neuen Bauwerk anzuordnen oder für die Sanierung eines bestehenden Bauwerkes zu verwenden. Auch die Wahl der Vorspannmittel ist viel¬ fältig, können doch anstelle der vorgeschlagenen, spezifisch ausgestalteten Gewebematerialien auch sog. unidirektional gereckte Rovings oder Kohlenstoffaser¬ lamellen verwendet werden, analog denjenigen, in den Figuren dargestellt und mit der Referenzzahl 21 be¬ zeichnet. Aber auch Stahlbänder, Seile, Gurten und ähnliche aus anderen Materialien, welche eine hohe Festigkeit aufweisen, können erfindungsgemäss verwen¬ det werden.
Entsprechend ist es möglich, die erfindungsgemäss de¬ finierte Idee auf vielfältigste Art und Weise zu mo¬ difizieren oder abzuändern, wesentlich ist dabei, dass durch die Wahl der Vorspannmittel in oder an ei¬ ner Querschnittsfläche im zu verstärkenden Betonbau¬ werkteil wenigstens in Teilbereichen eine Vorspannung erzielt werden kann, welche den bei Belastung auftre¬ tenden Schubkräften wirkungsvoll entgegenwirkt.
In Fig. 7 letztendlich ist schematisch und im Schnitt dargestellt, wie die erfindungsgemäss definierten Vorspannmittel, wie beispielsweise ein Schlauch, her¬ gestellt aus einem Aramidgewebe, vorgespannt und am Bauwerkteil verankert werden kann. Der Aramidschlauch 11 wird in Pfeilrichtung 50 durch nicht dargestellte Zug-, Spann- oder Pressmittel gezogen, und zwar zu¬ nächst durch die Bohrung 6 im Bauwerkteil 1. An der Stelle 13 ist eine konisch verlaufende Aufweitung im Bauwerkteil 1 vorgesehen, an welcher Stelle der Schlauch 11 im Bereich 42 durch Anordnen eines Kle¬ bers 43 im Inneren des Bereiches 42 aufgeweitet wird. Infolge Eigengewichtes fliesst der hoch viskose Kle¬ ber 43 in Pfeilrichtung gegen die Bohrung 6. Beim Kleber kann es sich beispielsweise um einen Epoxid- harzkleber oder um die Schmelze eines thermoplasti¬ schen Polymers handeln.
Anschliessend wird der Aramidschlauch durch eine oben am Bauwerkteil 1 angeordnete kreisrunde Hülse 44 ge¬ zogen, welche an ihrer Innenseite in Längsrichtung wiederum konisch auseinanderlaufend ausgebildet ist. Durch das Anordnen eines Keiles bzw. Kegels 4*5 im In¬ neren des Schlauches wird dieser erneut innerhalb der Hülse aufgeweitet. Der Kegel 45 ist an der Oberfläche vorzugsweise aufgerauht und weist zusätzlich quer verlaufende, ringartige Vertiefungen 46 auf, um ei¬ nerseits ein "Nachrutschen" des' Keiles beim Ziehen des Schlauches 11 in Pfeilrichtung 50 zu ermöglichen und um anderseits bei Nachlassen der Kraft 50 sofort eine Keilwirkung zu ergeben. Um ein Zurückweichen der Hülse 44 in Richtung zum Bauwerkteil zu verhindern, kann diese beispielsweise über ein Gewinde an einer bockartigen Vorrichtung 48 befestigt sein.
Schlussendlich wird der Schlauch 11 mit seiner Partie 49 durch die nicht dargestellten Zug-, Spann- oder Pressmittel in Pfeilrichtung 50 so lange abgezogen, bis eine ausreichende Zugspannung erzielt worden ist. Diese Zugspannung wird dann so lange aufrechterhal¬ ten, bis der Kleber 43 vollständig und ausreichend ausgehärtet ist. Je nach Wahl des Klebesystems kann dies wenige Minuten betragen oder aber einige Stun¬ den.
Der Vorteil der in Fig. 7 dargestellten Vorspannung bzw. Verankerung der Spannmittel 11 am Bauwerkteil 1 liegt darin, dass keine zusätzlichen mechanischen Verankerungsmittel vorzusehen sind. Zudem kann auch eine genaue Vorspannung eingestellt werden, die dann nach Verankern des Vorspannmittels 11 im wesentlichen aufrechterhalten bleibt. Schlussendlich können die Vorspannmittel 11 mit der Oberfläche des Bauwerktei¬ les 1 bündig abgetrennt werden, womit keine vorste¬ henden Teile übrig bleiben.
Die gemäss Fig. 7 schematisch dargestellte Methode zum Vorspannen eignet sich für irgendwelche schlauch¬ artigen Vorspannmittel, wie beispielsweise die oben erwähnten Aramidschlauche. Selbstverständlich muss der Schlauch nicht gewebeartig ausgebildet sein, und auch das verwendete Material kann x-beliebig gewählt sein. Der Vorteil bei der Wahl eines Gewebes liegt selbstverständlich darin,* dass ein Aufweiten im Be¬ reich 42, in welchem der Kleber innerhalb des Schlau¬ ches angeordnet ist, wesentlich einfacher und besser erfolgt, als wenn es sich beispielsweise um einen im wesentlichen "festen" Schlauch handelt.
Die Wahl des Gewebematerials kann wiederum vielfältig sein, so kommen Stahlfasern, Glasfasern, Kohlestoffa- sern oder andere in Frage, wesentlich dabei ist, dass ein Schlauch mit hoher Zugfestigkeit gebildet werden kann.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Schubverstärkung an einem längs aus¬ gedehnten oder flächigen, für Tragfunktionen vorgese¬ henen Bauwerkteil, dadurch gekennzeichnet, dass min¬ destens an oder in einer Querschnittsfläche ('4) des Bauwerkteiles (1) , im wesentlichen quer zur Längs¬ oder Flächenausdehnung des Bauwerkteiles verlaufend, wenigstens nahezu schlaff oder vorgespannt, Vorspann¬ mittel (11) angelegt werden.
2. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Vorspannmittel (11) im wesentlichen im peripheren Bereich bzw. entlang mindestens einem Teil (15) des Umfanges der Querschnittsfläche (4) , wenig¬ stens nahezu schlaff oder eine gegen das Bauwerkteil gerichtete Vorspannung erzeugend, angelegt werden.
3. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da¬ durch gekennzeichnet, dass vorzugsweise in oder an Querschnittsflächen (4) in den beiden in Längsrich¬ tung gesehenen, endständigen Abschnitten (2, 3) des Bauwerkteiles (1) die Vorspannmittel (11) angelegt werden.
4. Verfahren zur Schubverstärkung eines Bauwerkteiles mit mindestens einer lamellenartigen, längs ausge¬ dehnten, von aussen am Bauwerkteil angeordneten Be¬ wehrung (21) zur Verstärkung des Bauwerkteiles (1) , vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, dass die lamellenartige Ver- Stärkung, je mindestens endständig mittels quer zur Lamelle, diese aussen umfassend, verlaufenden Vor¬ spannmitteln (11) gegen das Bauwerkteil (1) gepresst wird.
5. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, zur Schubverstärkung an einem längs ausge¬ dehnten oder flächigen, innerlich mit einer Stahlbe¬ wehrung verstärkten Betonbauwerkteil (1) , dadurch ge¬ kennzeichnet, dass mindestens an einem Abschnitt ent¬ lang dem Bauwerkteil von aussen eine längs ausgedehn¬ te Faserverbundlamelle (21) vorgespannt, fest mit dem Bauwerkteil verbunden, angeordnet wird und die Lamel¬ le vorzugsweise je im Endbereich davon aussen umgrei¬ fend durch vorgespannte Vorspannmittel (11) gegen das Bauwerkteil gepresst wird.
6. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Schubverstärkung bzw. die Vorspannmittel lamellen-, schlauch-, gurten-, band- oder seilartig ausgebildet sind und vorzugswei¬ se aus einem hoch reissfesten Gewebe bestehen, herge¬ stellt aus Stahl-, Kohlenstoff-, Glas- und/oder aro¬ matischen Polyamidfasern oder einem faserverstärkten Kunststoff, wie unidirektional gereckten Rovings oder Faserverbundlamellen.
7. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da¬ durch gekennzeichnet, dass das Bauwerkteil mehrere innere, im wesentlichen quer zum Bauwerkteil angeord¬ nete Schubbewehrungen (8) umfasst und die in oder an Querschnittsflächen (4) angeordneten Vorspannmittel (11) je im wesentlichen mittig zwischen zwei inneren Schubbewehrungen angeordnet werden.
8. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Faserverbundlamelle (21) im wesentlichen verteilt auf die ganze Länge der Lamelle in Abständen mittels aussen umgreifender Vor¬ spannmittel (11) vorgespannt gegen das Bauwerkteil (1) gepresst wird, um den Abschälkräften der Lamelle entgegenzuwirken.
9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Schubverstärkung' von Brücken, Trag¬ oder Plattenbalken, Boden- oder Deckenplatten.
10. Vorrichtung zur Schubverstärkung an einem längs ausgedehnten oder flächigen, für Tragfunktionen vor¬ gesehenen Bauwerkteil, gekennzeichnet durch minde¬ stens ein in oder an einer Querschnittsfläche (4) des Bauwerkteiles (1) , im wesentlichen quer zur Längs¬ bzw. Flächenausdehnung des Bauwerkteiles verlaufend, wenigstens nahezu schlaff oder vorgespannt angelegtes lamellen-, gurten-, schlauch-, band- oder seilartiges Spannelement (11) .
11. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach Anspruch 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Spannelement (11) mindestens ent¬ lang einem Abschnitt (15) des Umfanges der Quer¬ schnittsfläche (4) angelegt ist.
12. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (11) aus einem unidirektionalen und/oder gewebearti¬ gen Material besteht, vorzugsweise bestehend aus Stahl-, Glas-, Kohlenstoff- und/oder aromatischen Po¬ lyamidfasern.
13. Konstruktionsbauwerkteil, wie eine Stahlbetonkon¬ struktion, mit einer Vorrichtung nach einem der An¬ sprüche 10 bis 12.
14. Konstruktionsbauwerkteil mit mindestens einer äusserlich angeordneten, lamellenartigen Bewehrung, wie eine Stahllamelle oder eine Faserverbundlamelle, mit mindestens einer Vorrichtung nach einem der An¬ sprüche 10 bis 12, wobei mindestens ein Spannelement (11) derart angeordnet ist, dass es die Lamelle quer zu deren Längsausdehnung aussen umspannend gegen das Konstruktionsbauwerkteil presst.
15. Verfahren zum Vorspannen eines gewebeartigen Schlauches, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch durch eine Bohrung (6) geführt wird, welche in Rich¬ tung der Vorspannung (50) eine konisch sich aufwei¬ tende Partie (41) umfasst, wobei im Inneren des Schlauches (11) mindestens im Bereich (42) dieser Partie ein viskoser Klebstoff (43) angeordnet wird, dass der Schlauch anschliessend in Vorspannungsrich¬ tung durch eine weitere Bohrung (44) oder eine Hülse geführt wird, welche erneut eine in Richtung der Vor¬ spannung (50) konisch sich aufweitende Partie auf¬ weist und im Inneren des Schlauches ein im wesentli- chen angepasst an die konisch aufgeweitete Partie ausgebildeter Keil bzw. Kegel (45) angeordnet wird, dessen Kegelspitze in entgegengesetzter Richtung der Vorspannung (50) gerichtet ist, und schliesslich, dass die Vorspannung durch Press-, bzw. Zugmittel er¬ zeugt wird, welche den Schlauch in Vorspannrichtung durch die Bohrung und die weitere Bohrung oder Hülse ziehen und welche vorzugsweise mit der weiteren Boh¬ rung oder der Hülse fest verbunden sind, wobei die Zugkraft bzw. Presskraft so lange aufrechterhalten bleibt, bis der viskose Klebstoff (43) im wesentli¬ chen ausgehärtet ist.
16. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Kegel oder Keil (45) an seiner Oberflä¬ che wenigstens teilweise rauh ausgebildet ist und vorzugsweise quer zur Vorspannrichtung, im wesentli¬ chen kreisrund verlaufend, mindestens eine Rille bzw. Vertiefung (46) aufweist, damit einerseits beim Vor¬ spannen des Schlauches der Keil bzw. Kegel sich in den Schlauch hinein bewegt und eine Keilwirkung er¬ zeugt und der Schlauch verankert wird.
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