WO2014166003A2 - Verfahren zum erstellen von vorgespannten betonbauwerken mittels profilen aus einer formgedächtnis-legierung, sowie bauwerk, hergestellt nach dem verfahren - Google Patents

Verfahren zum erstellen von vorgespannten betonbauwerken mittels profilen aus einer formgedächtnis-legierung, sowie bauwerk, hergestellt nach dem verfahren Download PDF

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Masoud MOTAVALLI
Benedikt WEBER
Wookjin Lee
Rolf BRÖNNIMANN
Christoph CZADERSKI
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Re-Fer Ag
Empa
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    • E04G23/0218—Increasing or restoring the load-bearing capacity of building construction elements

Definitions

  • This invention relates to a method for producing prestressed concrete components in new constructions (cast in situ on the construction site) or in the prefabrication and for the subsequent reinforcement of existing structures by means of cementitious mortars, in which profiles of shape memory alloys, among professionals often referred to as shape memory alloy profiles, in short SMA profiles, for preloading. With this preload system, subsequent attachments can be attached to an existing structure under prestress.
  • the invention also relates to a concrete structure that created using this method or subsequently reinforced resp. to which attachments were docked by this method.
  • shape memory alloys based on steel in the form of profiles are used for generating a prestress.
  • a bias within a building generally increases its serviceability by reducing cracks or preventing cracking at all.
  • Such a bias is already today Reinforcement against the bending of concrete parts or for lashing example of columns to increase the axial load resp. used for shear reinforcement.
  • Another application of the prestressing of concrete are pipes for liquid transports and silos respectively.
  • Tank container which are tied to produce a bias voltage.
  • For prestressing in the state of the art round bars or cables are inserted into the concrete 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 very complex in all these known methods. High costs for anchoring elements (anchor heads) are incurred.
  • anchor heads anchor heads
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for tempering new concrete structures and concrete components or cement-bonded Vermörtelept for the reinforcement of existing structures, either to improve the serviceability and stability of the structure, to ensure a more flexible use of Building for subsequent overhanging attachments, or to increase the durability and fire resistance of the building. Further, it is an object of the invention to provide a concrete structure having biases or gains generated using this method.
  • the object is first of all solved by a method for creating prestressed concrete structures by means of profiles of a shape memory alloy, be it of new concrete structures and concrete components or cement-bonded Vermörtelept for the reinforcement of existing structures, which is characterized in that profiles a steel-based shape memory alloy of a polymorphic and polycrystalline structure having a ribbed surface or having a surface in the form of a thread which can be brought to its permanent state as austenite by elevating its temperature from its state as martensite to the concrete or the cementitious mortar be optionally with additional end anchorages, so that they either due to a subsequent active and controlled heat input with heating means or or by heat in a fire, a contraction force and thus generate a tensile stress and e loom a bias on the concrete resp. generate the Vermortelung, with the introduction of force into the concrete or mortar on the surface structure of the profile and / or on the end anchors of the profile takes place.
  • a concrete structure created using one of the preceding methods, which is characterized in that it contains profiles of a shape memory alloy in a new concrete or in a grouting applied as a reinforcing layer of a building exterior, the run along the outside of the building within the Vermettelung or reinforcing layer and are biased or prepared for a bias by heat input by electric cables are led out of their end portions of the grouting or reinforcing layer or their end portions are accessible by removing deposits.
  • Figure 1 A concrete beam or a concrete slab poured on the
  • Figure 2 A concrete beam, poured on the site or in
  • FIG. 3 shows a cross-section of a concrete structure with an internal, traditional steel reinforcement, prepared for applying a reinforcement as a reinforcement layer, which contains profiles of a shape memory alloy;
  • FIG. 4 shows a cross section of this building wall according to FIG. 3, after attaching profiles made of a shape memory alloy;
  • FIG. 5 shows a cross-section of this building wall according to FIGS. 3 and 4, after covering the attached profiles of a shape-memory alloy with shotcrete or cement mortar;
  • FIGS. 3 and 4 show a cross-section of this building wall according to FIGS. 3 and 4, with the molded-in and covered profiles made of a shape-memory alloy, with two variants for the heat input for heating the profiles, a) by electric resistance heating via cast-in electric cables, or via a recess for connecting electric cables;
  • Figure 7 is a cross section of this building wall according to Figures 3 to 6, with the molded and covered profiles of a shape memory alloy, after the heat input and after filling the access to the profiles.
  • FIG. 8 shows a cross-section of an existing concrete component (building wall), which is reinforced with a profile of a shape-memory alloy on the surface, during the application of a cementitious layer by means of shotcrete / sprayed mortar;
  • FIG. 9 shows a cross-section of an existing concrete component which is reinforced with a profile of a shape memory alloy on the surface when a cementitious layer is applied by hand;
  • FIG. 10 shows a detail of a concrete slab provided on its underside with a pegged and prestressed reinforcing layer containing profiles of a shape memory alloy
  • FIG. 11 shows a cross section through the existing concrete slab according to FIG. 10, with the conventional reinforcement as well as the full-surface doweled and prestressed mortar reinforcement layer with profiles of a shape-memory alloy;
  • Figure 13 A cantilevered concrete slab with profiles from a
  • Shape-memory alloy in its interior which was attached to a concrete structure, which was prepared for this purpose when creating with already set profiles made of a shape memory alloy.
  • 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.
  • SMA shape memory alloys
  • 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 load of the shape memory alloy (SMA) also its transformation temperatures rise. 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 involves the accumulation of microstructural defects as well as the formation and propagation of surface cracks until the material eventually breaks.
  • Functional fatigue 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).
  • SMA shape memory alloy
  • the latter is associated with the modification of the stress-strain curve under cyclic loading.
  • the transformation temperatures are also changed.
  • Shape memory alloys (SMA) based on iron Fe, manganese Mn and silicon Si are suitable for taking up permanent loads in the construction sector, with the addition of up to 10% chromium Cr and nickel Ni making the SMA a similar one Corrosion behavior brings like stainless steel.
  • shape memory alloy made of Fe-Ni-Co-Ti, which absorbs loads of up to 1000 MPa, is highly resistant to corrosion, and has an upper temperature of about 100 ° C. to convert it to an austenite state is.
  • the present reinforcement system utilizes the properties of shape memory alloys (SMAs), and preferably those of a shape memory alloy (SMA) based on steel much more corrosion resistant than structural 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 round steels with rough surfaces, for example with coarse threaded surfaces, and embedded in a mortar, ie a mortar layer, which subsequently acts as a reinforcing layer through a toothing with an underlying concrete. When heat is applied, the alloy contracts permanently back to its original state. Thus, heating the SMA profiles to the austenite state temperature will restore and retain their original shape, even under load.
  • a steel profile made of a shape memory alloy in short a SMA steel profile, preferably made of round steel with ribbed surface or with a coarse thread surface as new construction or in the prefabrication instead of a traditional reinforcing steel or in addition to the concrete is inserted. After the concrete has hardened, the SMA steel profile is heated by supplying electricity.
  • the SMA steel profile is attached to the roughened surface of the concrete structure in any direction, but mainly in the direction of pull, and pegged with the same, and then fully enclosed and covered with a cementitious mortar or shotcrete.
  • the SMA steel profiles are heated by means of electricity, which leads to the shortening of these SMA steel profiles.
  • the shortening causes a bias of cement mortar or mortar layer. From the mortar layer, the forces are then introduced into the existing concrete due to the rough surface of the concrete structure and the adhesion.
  • the invention can also be applied to better protect a building in case of fire, for which purpose the direct contraction of the SMA steel profiles by heat input is initially deliberately omitted. In case of fire, however, the installed SMA steel profiles contract due to the heat of the fire. A building envelope made of concrete, which with SMA steel profiles was amplified, thus automatically generates in case of fire, a bias and thus an improvement in fire resistance.
  • FIGS. 1 shows a cross section of a concrete slab or a concrete beam 1.
  • SMA steel profiles 2 are embedded.
  • Steel-based SMA profiles 2 of polymorphic and polycrystalline structure are always used, with a ribbed otherwise textured surface, or with a thread as the surface. By raising their temperature, these SMA steel profiles can be brought out of their state as martensite to their permanent state as austenite.
  • Such a concrete component can be produced on site at the construction site or even in a prefabrication.
  • the built-in SMA profiles 2 in the form of round steels have a coarse surface structure 4, so that they can dig into the concrete intimately with the same.
  • the SMA steel profiles 2 are heated by heat input. This is advantageously done electrically by establishing a resistance heating by applying a voltage to the cast-in heating cable 3 so that the SMA steel profile 2 heats up as a current conductor. Because with long SMA profile bars the heating would take up too much time by means of electrical resistance heating, and then too much heat would be introduced into the concrete, several power connections are established over the length of the SMA profile bar.
  • the SMA steel profile can then be heated in stages by applying a voltage to two adjacent heating cables, and then to the next two adjacent ones, and so on, until the entire SMA profile bar is brought to the austenite state 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 steel profile.
  • the heating should be done only for a short time, so you have within 2 to 5 Seconds throughout the required temperature of about 150 ° to 300 ° in the SMA steel profile 2 achieved and thus generates its contractile force. This prevents the subsequent concrete from being damaged.
  • two conditions must be adhered to, namely firstly about 10-20 A per mm 2 of cross-sectional area and secondly about 10-20 V per 1 m of profiled rod length in order to reach the condition of the profiled rod 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 profile steel length and profile steel thickness, just the right period of time the profile bar is under tension and the necessary current flows.
  • the heating can be done in stages by power connections are provided after certain sections, that is, out of these heating cables from the device to be created are led into the open, where then the voltage can be applied. In this way, in sections - one section after the other over the total length of a profile bar, the heat needed to be used to finally put the entire length in the state of an austenite.
  • Figure 2 shows a cross section of an alternative embodiment of such a concrete component.
  • inserts 5 may be, for example, pieces of wood which are inserted over the end regions of the SMA round steel bars 2, or styrofoam pieces or the like.
  • these inserts 5 can be removed and then the access to the end regions of the SMA steel profiles 2 is exposed. They can then be heated by applying the electrical cables of the energy unit to these end areas via large-area terminals.
  • the immediate heat input can be dispensed with. Then, such a concrete part 1 is preconditioned to a certain extent.
  • the SMA profiles 2 If the effect of heat is later caused by the fire heat in a fire, the SMA profiles 2 generate a Contraction force and thus a tensile stress and thus generate a bias of the concrete, which leads to a significant improvement in the fire resistance of the building. In the event of fire, this will be clasped all around and will collapse much later, if at all.
  • FIG. 3 shows a cross-section of a building wall 6, which in turn is traditionally reinforced with a conventional reinforcement 7, 8.
  • the outside 9 of the building wall 6 is executed rough here or subsequently roughened. This can be done for example by means of a wet sandblasting.
  • a better variant is the hydromechanical treatment with the high-pressure water jet. Different systems with different amounts of water and water pressures of at least 500bar to 3000bar are used in practice. With such systems, the desired roughness of the concrete surface of at least 3mm is ensured.
  • the ground support concrete is capillary water saturated. This is a condition for good adhesion between the existing concrete and the cement-based mortar layer to be applied.
  • Figure 4 shows how then the SMA profiles 2 are attached in the form of round steel with a corresponding alloy on the rough surface 9. They can be fastened with dowels 10 in the concrete wall. If necessary, the dowels 10 can also reach behind the first reinforcement 7, 8.
  • the two end portions of the individual SMA profiles 2 are each connected to electric cables 3. Although only a single SMA profile 2 is visible here, which extends vertically, it is understood that horizontally extending, indeed running in any direction SMA profiles 2 can be installed, as well as the reinforcement in the concrete wall 6 here horizontally extending reinforcing bars 8, which intersect with the vertically extending reinforcing bars 7.
  • the SMA profiles as shown in Figure 5, completely wrapped by applying shotcrete or cement mortar, through Spraying, pouring or topping.
  • the cement mortar can also be applied by hand.
  • FIG. 6 shows, here at one point on the SMA profile 2, a recess 1 1 can be seen, in which an insert 5 was used. After this has been removed after curing of the concrete or mortar, the SMA profile 2 is exposed there. The heat input then takes place via a there to be connected by means of a terminal heating cable in conjunction with another heating cable, which is connected to a similar recess point via a terminal to the SMA profile.
  • the SMA profile 2 is placed on the two marked heating cable 3 under an electrical voltage, so that a resistance heating is formed.
  • the heating leads to a contraction force of the SMA profiles 2, which thus generate a tensile stress and thus a bias of the entire grouting or reinforcing layer 16, and their bias is transmitted via the teeth with the rough surface 9 of the concrete wall 6 on the same. Overall, a significant reinforcement of the structure is achieved.
  • Figure 7 shows a cross section of this building wall after generating the contraction force and tensile stress of the SMA profiles 2 within the grouting or reinforcing layer 16.
  • the recess 1 which was used for the heat input be, is now with cement mortar filled. In the case of heating cables 3, these are cut flush with the surface.
  • Figure 8 shows a cross section of a steel-reinforced building wall 6, which is reinforced on a vertical outside with a sprayed layer, which in turn is biased by means of SMA profiles 2.
  • a grid of SMA profiles 2 is attached to the roughened surface of the concrete 6, for example by means of suitable dowels 10. Afterwards, this grid is as shown by means of shotcrete from a spray gun 21 sheathed and covered. After curing of this shotcrete, the SMA profiles 2 of the grid are contracted by heat input, so that the whole shotcrete layer is biased as a reinforcing layer 21. The generated preload is over the teeth with the roughened surface of the structure 6 transferred to the same and thus significantly increases its stability and fire resistance.
  • FIG. 9 shows an application on a horizontal concrete slab.
  • these SMA profiles 2 can be cast with a manually applied liquid mortar.
  • a self-compacting and self-leveling cementitious mortar may be used.
  • the cast-in SMA profiles 2 are heated by heat input and produce a nationwide bias of the mortar layer, which transfers to the concrete slab.
  • Figure 10 shows a section of a concrete slab 12, namely a corner thereof seen in a perspective view from below, which is provided on its underside with a pegged and prestressed reinforcing layer 19 containing SMA profiles.
  • the reinforcing layer 19, which contains SMA profiles as described, is non-positively connected to the concrete slab 12 by means of a plurality of dowels 13.
  • Figure 1 1 shows the internal structure of this reinforcement with a cross section through the concrete slab 12 of Figure 10, with the conventional reinforcement made of reinforcing steels 7.8, as well as the doweled and prestressed reinforcing layer 19 with SMA profiles 2.
  • the underside the concrete slab 12 is rough, and the SMA profiles 2 are embedded in the sprayed-on reinforcing layer 19.
  • the dowelling takes place by means of long concrete dowels 13, which reach behind the first reinforcement 7,8 in the concrete slab 12.
  • the bias of the SMA profiles 2 which transmits to the reinforcing layer 19, and from there via the teeth with the rough surface of the concrete slab 12 and the doweling on the same.
  • the thus prestressed concrete slab 12 has a significantly higher load capacity and so existing concrete slabs can be efficiently reinforced from below.
  • Figure 12 shows a concrete beam with a subsequently applied reinforcing layer 19, the two ends is pegged.
  • the bias should act only in one direction, namely between the two support points of the concrete beam.
  • FIG 13 Another interesting application is shown in Figure 13.
  • SMA profiles 2 or ordinary reinforcing steel biased.
  • the outer end of the reinforcement which faces towards the building outside, is equipped with a coupling member 22.
  • SMA profiles 2 leads an electric cable 3 in the concrete to the rear, concreted end of the SMA profile 2.
  • These coupling members 22 may be double nuts, for example. They are embedded in concrete and only slightly covered with concrete. If you want to later dock a cantilevered concrete slab 15 to the structure 14, the coupling members 22 are exposed and a concrete slab 15, in which SMA profiles 2 were poured, is connected to the concrete plant 14.
  • the gap between the structure 14 and the cantilevered concrete slab 15 is filled.
  • heat is introduced into the SMA profiles 2 via electric cables, so that they generate a contraction force and thus a tensile stress.
  • the whole system is biased, that is, the cantilevered concrete slab 15 is internally biased, and also stretched by means of a bias to the structure 14, and if the entering into the structure reinforcements are also SMA profiles 2, so These also generate a prestress in the interior of the structure 14, which leads to a high stability and load capacity of the projection.

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Abstract

Nach diesem Verfahren wird in Beton ein Profil aus einer Formgedächtnis-Legierung eingelegt oder ein zu verstärkender Beton wird auf der Aussenseite aufgeraut, dann werden Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung auf der aufgerauten Aussenseite (9) des Bauwerks (6) befestigt. und eine zementöse Matrix auf ihr aufgebracht, zur Überdeckung der Profile (2). Nach Aushärtung der zementösen Matrix erzeugen diese Profile (2) durch Wärmeeintrag eine Kontraktionskraft und somit eine Zugspannung. Dadurch wirkt die Mörtel-Deckschicht (16) als Verstärkungsschicht aufgrund ihrer Verzahnung mit der aufgerauten Aussenseite (9) des Baukörpers (6). Die Profile (2) verlaufen in einer äusseren Vermörtelung als Verstärkungsschicht (16) einer Bauwerkaussenseite längs der Bauwerkaussenseite innerhalb der Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht (16). Ein Bauwerk kann auch für eine Vorspannung in der ausgerüsteten Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht durch Wärmeeintrag vorbereitet werden, indem Elektrokabel (3) von ihren Endbereichen an die Aussenseite der Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht (16) geführt sind oder ihre Endbereiche durch Entfernen von Einlagen (5) zugänglich sind.

Description

Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken mittels Profilen aus einer Formqedächtnis-Leqierunq, sowie
Bauwerk, hergestellt nach dem Verfahren
[0001] Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung von vorgespannten von Betonbauteilen in Neukonstruktionen (in situ auf der Baustelle gegossen) oder in der Vorfabrikation sowie für die nachträgliche Verstärkung von bestehenden Bauwerken mittels zementgebundenen Mörteln, in welche Profile aus Formgedächtnis-Legierungen, unter Fachleuten oft als Shape-Memory-Alloy- Profile, kurz SMA-Profile, bezeichnet, zum Vorspannen eingelegt werden. Mit diesem Vorspannsystem können auch nachträgliche Anbauten an ein bestehendes Bauwerk unter Vorspannung angebracht werden. Zusätzlich betrifft die Erfindung auch ein Betonbauwerk, das unter Anwendung dieses Verfahrens erstellt oder nachträglich verstärkt resp. an welches Anbauten nach diesem Verfahren angedockt wurden. Als Besonderheit werden hierzu für die Erzeugung einer Vorspannung Formgedächtnis-Legierungen auf der Basis von Stahl in Form von Profilen eingesetzt.
[0002] Eine Vorspannung innerhalb eines Bauwerks erhöht allgemein dessen Gebrauchstauglichkeit, indem Risse verkleinert werden oder die Rissbildung überhaupt verhindert wird. 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. Eine weitere Anwendung der Vorspannung von Beton 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 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 sehr aufwändig. Hohe Kosten für Verankerungselemente (Ankerköpfe) fallen 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 aufgeklebt werden. In diesem Fall ist der Brandschutz oftmals sehr aufwändig, da die Klebstoffe eine tiefe Glasübergangstemperatur aufweisen. 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 C02 und S02 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 des Beton- Teils resp. Mörtels werden Risse geschlossen und entsprechend wird das Eindringen von Schadstoffen stark reduziert. Mit der Neuentwicklung kann entsprechend die Beton-Überdeckung massiv reduziert werden, und entsprechend können Bauteile wie Balkonauskragungen, Balkonbrüstungen, Rohrleitungen etc. dünner dimensioniert werden. Die Bauteile werden dadurch leichter und wirtschaftlicher in der Verwendung.
[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Vorspannen von neuen Betonbauwerken und Betonbauteilen oder von zementgebundenen Vermörtelungen für die Verstärkung von bestehenden Bauwerken zu schaffen, wahlweise zwecks Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit und Stabilität des Bauwerks, zum Gewährleisten einer flexibleren Nutzung des Gebäudes für nachträgliche auskragende Anbauten, oder zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit sowie des Brandwiderstandes des Bauwerks. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Betonbauwerk anzugeben, welches unter Anwendung dieses Verfahren erzeugte Vorspannungen oder Verstärkungen aufweist.
[0004] Die Aufgabe wird zunächst gelöst von einem Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken mittels Profilen aus einer Formgedächtnis- Legierung, sei es von neuen Betonbauwerken und Betonbauteilen oder von zementgebundenen Vermörtelungen für die Verstärkung von bestehenden Bauwerken, das sich dadurch auszeichnet, dass Profile aus einer Formgedächtnis-Legierung auf Stahibasis von polymorpher und polykristalliner Struktur mit gerippter Oberfläche oder mit einer Oberfläche in Form eines Gewindes, welche durch Erhöhung ihrer Temperatur aus ihrem Zustand als Martensit auf ihren bleibenden Zustand als Austenit bringbar sind, in den Beton oder die zementgebundene Vermortelung eingelegt werden, wahlweise mit zusätzlichen Endverankerungen, sodass sich diese entweder infolge eines anschliessenden aktiven und gesteuerten Wärmeeintrages mit Heizmitteln oder aber oder durch Hitzeeinwirkung in einem Brandfall eine Kontraktionskraft und somit eine Zugspannung erzeugen und entsprechend eine Vorspannung auf den Beton resp. die Vermortelung erzeugen, wobei die Krafteinleitung in den Beton oder Mörtel über die Oberflächenstruktur des Profils und/oder über die Endverankerungen des Profils erfolgt.
[0005] Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst von einem Betonbauwerk, erstellt unter Anwendung eines der vorangehenden Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, dass es Profile aus einer Formgedächtnis-Legierung in einem neuen Beton oder in einer aufgetragenen Vermörtelung als Verstärkungsschicht einer Bauwerksaussenseite enthält, die längs der Bauwerksaussenseite innerhalb der Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht verlaufen und vorgespannt sind oder für eine Vorspannung durch Wärmeeintragung vorbereitet sind, indem Elektrokabel von ihren Endbereichen aus der Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht heraus geführt sind oder ihre Endbereiche durch Entfernen von Einlagen zugänglich sind.
[0006] 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 Betonkonstruktionen beschrieben und erläutert.
Es zeigt
Figur 1 : Einen Beton-Träger oder eine Beton-Platte, gegossen auf der
Baustelle oder im Vorfabrikationswerk, mit eingelegten elektrisch heizbaren Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung;
Figur 2: Einen Beton-Träger, gegossen auf der Baustelle oder im
Vorfabrikationswerk, mit eingelegtem Profil aus einer Formgedächtnis-Legierung, dessen beide Enden mit Einlagen eingefasst sind;
Figur 3: Einen Querschnitt eines Beton-Bauwerks mit einer innenliegenden, traditionellen Stahlbewehrung, vorbereitet zum Auftragen einer Vermörtelung als Verstärkungsschicht, welche Profile aus einer Formgedächtnis-Legierung enthält; Figur 4: Einen Querschnitt dieser Bauwerk-Wand nach Figur 3, nach dem Anbringen von Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung;
Figur 5: Einen Querschnitt dieser Bauwerk-Wand nach Figur 3 und 4, nach dem Überdecken der angebrachten Profile aus einer Formgedächtnis-Legierung mit Spritzbeton oder Zementmörtel;
Figur 6: Einen Querschnitt dieser Bauwerk-Wand nach Figur 3 und 4, mit den eingegossenen und überdeckten Profilen aus einer Formgedächtnis- Legierung, mit zwei Varianten für den Wärmeeintrag zur Erhitzung der Profile, a) durch elektrische Widerstandheizung über eingegossene Elektrokabel, oder b) über eine Ausnehmung zum Anschliessen von Elektrokabeln;
Figur 7: Einen Querschnitt dieser Bauwerk-Wand nach Figur 3 bis 6, mit den eingegossenen und überdeckten Profilen aus einer Formgedächtnis- Legierung, nach dem Wärmeeintrag und nach dem Verfüllen der Zugänge zu den Profilen;
Figur 8: Einen Querschnitt eines bestehenden Betonbauteils (Bauwerk- Wand), welches mit einem Profil aus einer Formgedächtnis- Legierung auf der Oberfläche verstärkt ist, beim Aufbringen einer zementösen Schicht mittels Spritzbeton/Spritzmörtel;
Figur 9: Einen Querschnitt eines bestehenden Betonbauteils, welches mit einem Profil aus einer Formgedächtnis-Legierung auf der Oberfläche verstärkt wird, beim händischen Aufbringen einer zementösen Schicht;
Figur 10: Einen Ausschnitt einer Betonplatte, die auf ihrer Unterseite mit einer verdübelten und vorgespannten Verstärkungsschicht versehen ist, die Profile aus einer Formgedächtnis-Legierung enthält; Figur 11 : Einen Querschnitt durch die bestehende Betonplatte nach Figur 10, mit der konventionellen Bewehrung sowie der darauf vollflächig verdübelten und vorgespannten Vermörtelung als Verstärkungsschicht mit Profilen aus einer Formgedächtnis- Legierung;
Figur 12: Eine bestehende Betonplatte mit nachträglich unten aufgebrachter
Vermörtelung als Verstärkungsschicht mit Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung im Innern, und die nur lokal an beiden Enden des Profils verdübelt ist;
Figur 13: Eine auskragende Betonplatte mit Profilen aus einer
Formgedächtnis-Legierung in ihrem Innern, die an ein Beton- Bauwerk angebaut wurde, welches hierfür bei der Erstellung mit bereits dafür gesetzten Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung vorbereitet wurde.
[0007] 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. [0008] 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 ändern 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 seine 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 struktureilen 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. [0009] 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 Lasten bis zu 1000 MPa aufnimmt, hoch resistent gegen Korrosion ist, und desren obere Temperatur zur Überführung in den Zustand eines Austeniten ca. 100°C beträgt.
[0010] 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 Rundstählen mit rauen Oberflächen, zum Beispiel mit groben Gewindeoberflächen eingesetzt und in einer Vermörtelung, das heisst einer Mörtelschicht eingebettet, die hernach durch eine Verzahnung mit einem darunter liegenden Beton als Verstärkungsschicht wirkt. Bei einem Wärmeeintrag kontrahiert die Legierung dauerhaft in ihren Ursprungszustand zurück. Werden die SMA-Profile 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, dass die in die Vermörtelung bzw. Mörtelschicht eingegossenen Profile aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Erhitzung infolge der durch die Einbetonierung verhinderten Rückformung ihrer Formgedächtnis-Legierung (SMA) eine Vorspannung auf die ganze ausgehärtete Vermörtelung bzw. Mörtelschicht erzeugen, wobei sich diese Vorspannung gleichmässig bzw. linear über die gesamte Länge des Profils aus einer Formgedächtnis-Legierung erstreckt. [001 1] Im Grundsatz wird nach diesem Verfahren ein Stahlprofil aus einer Formgedächtnis-Legierung, kurz ein SMA-Stahlprofil, vorzugsweise aus Rundstahl mit gerippter Oberfläche oder mit einem Grobgewinde als Oberfläche beim Neubau oder in der Vorfabrikation anstelle eines traditionellen Armierungsstahls oder zusätzlich dazu in den Beton eingelegt. Nach Aushärtung des Betons erfolgt die Erhitzung des SMA-Stahlprofils durch Stromzufuhr. Dies führt zu einer Verkürzung des SMA-Stahlprofils und bewirkt entsprechend eine Vorspannung auf den ausgehärteten Betonteil. Für eine nachträgliche Verstärkung wird das SMA- Stahlprofil in beliebigen Richtungen, hauptsächlich aber in Zugrichtung auf die aufgeraute Oberfläche des Beton-Bauwerks angebracht und mit demselben verdübelt und hernach mit einem zementösen Mörtel oder Spritzbeton vollflächig eingefasst und überdeckt. Nach Aushärtung der zementösen Vermörtelung bzw. Mörtelschicht werden die SMA-Stahlprofile mittels Elektrizität erhitzt, was zur Verkürzung dieser SMA-Stahlprofile führt. Die Verkürzung bewirkt eine Vorspannung der zementösen Vermörtelung bzw. Mörtelschicht. Aus der Mörtelschicht werden die Kräfte dann infolge der rauen Oberfläche des Beton- Bauwerks und der Haftung in den bestehenden Beton eingeleitet.
[0012] Bei der Vorfabrikation von Stahbetonbauteilen, beispielsweise Balkon- oder Fassadenplatten oder Rohren, in welchen die neuartigen SMA-Stahlprofile eingelegt 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.
[0013] Die Erfindung kann auch angewendet werden, um ein Bauwerk für den Brandfall besser zu schützen, wozu die direkte Kontraktion der SMA-Stahlprofile durch Wärmeeintrag zunächst bewusst unterlassen wird. Im einem Brandfall aber ziehen sich die eingebauten SMA-Stahlprofile durch die Hitzeeinwirkung des Brandes zusammen. Eine Gebäudehülle aus Beton, welche mit SMA-Stahlprofilen verstärkt wurde, generiert somit im Brandfall automatisch eine Vorspannung und dadurch eine Verbesserung des Brandwiderstandes.
[0014] Das Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren beschrieben und erläutert. Hierzu zeigt die Figur 1 einen Querschnitt einer Betonplatte oder eines Betonträgers 1. Darin sind ein oder mehrere SMA-Stahlprofile 2 eingebettet. Es werden stets SMA-Profile 2 auf Stahlbasis von polymorpher und polykristalliner Struktur eingesetzt, mit einer gerippten sonstwie strukturierten Oberfläche, oder mit einem Gewinde als Oberfläche. Diese SMA-Stahlprofile sind durch Erhöhung ihrer Temperatur aus ihrem Zustand als Martensit auf ihren bleibenden Zustand als Austenit bringbar. Ein solches Betonbauteil kann vor Ort auf der Baustelle oder auch in einer Vorfabrikation herstellt werden. Die eingebauten SMA-Profile 2 in Form von Rundstählen weisen eine grobe Oberflächenstruktur 4 auf, damit sie sich in im Beton innig mit demselben verkrallen können. Nachdem der Beton, in welchen die SMA-Stahlprofile 2 eingegossen wurden, ausgehärtet ist, werden die SMA-Stahlprofile 2 durch Wärmeeintrag erhitzt. Das erfolgt vorteilhaft elektrisch durch Errichtung einer Widerstandheizung, indem eine Spannung an die eingegossenen Heizkabel 3 angelegt wird, sodass sich das SMA-Stahlprofil 2 als Stromleiter erhitzt. Weil bei langen SMA-Profilstäben 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- Profilstabes mehrere Stromanschlüsse eingerichtet. Das SMA-Stahlprofil 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-Profilstab auf den Zustand als Austenit gebracht ist Er 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 das SMA-Stahlprofil schickbar ist. Die Erhitzung sollte nur sehr kurzzeitig erfolgen, sodass man also innert 2 bis 5 Sekunden durchgehend die nötige Temperatur von ca. 150° bis 300° im SMA- Stahlprofil 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 Profilstab-Länge, um innert Sekunden den Zustand des Profilstabes 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 Profilstahllänge und Profilstahldicke, genau die richtige Zeitperiode lang der Profilstab unter Spannung steht und der nötige Strom fliesst. Bei langen Profilstäben von mehreren Metern kann das Erhitzen etappenweise erfolgen, indem nach bestimmten Abschnitten Stromanschlüsse vorgesehen werden, das heisst von diesen aus Heizkabel aus dem zu erstellenden Bauelement ins Freie geführt werden, wo dann die Spannung angelegt werden kann. In dieser Weise kann abschnittsweise - ein Abschnitt nach dem Andern über die Gesamtlänge eines Profilstabes die nötige Wärme eingebraucht werden, um schliesslich die gesamte Länge in den Zustand eines Austeniten zu versetzen.
[0015] Die Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer alternativen Ausführung eines solche Betonbauteils. Für den nach der Aushärtung vorzunehmenden Wärmeeintrag sind die Endbereiche der SMA-Stahlprofile mit Einlagen 5 eingepackt, welche bis zur Oberfläche des Betonteils 1 reichen. Es kann sich bei diesen Einlagen 5 zum Beispiel um Holzstücke handeln, die über die Endbereiche der SMA-Rundstähle 2 gesteckt werden, oder um Styropor-Stücke oder Ähnliches. Nach dem Aushärten des Betons können diese Einlagen 5 entfernt werden und dann ist der Zugang zu den Endbereichen der SMA-Stahlprofile 2 freigelegt. Sie können dann erhitzt werden, indem die Elektrokabel der Energieeinheit über grossflächige Klemmen an diese Endbereiche angelegt werden. Wahlweise kann auf den unmittelbaren Wärmeeintrag verzichtet werden. Dann ist ein solches Betonteil 1 gewissermassen vorkonditioniert. Erfolgt die Hitzeeinwirkung später in einem Brandfall durch die Brandhitze, so erzeugen die SMA-Profile 2 eine Kontraktionskraft und somit eine Zugspannung und erzeugen damit eine Vorspannung des Betons, was zu einer erheblichen Verbesserung des Brandwiderstandes des Gebäudes führt. Dieses wird im Brandfall sozusagen rundum zusammengeklammert und wird viel später einstürzen, wenn überhaupt.
[0016] In den Figuren 3 bis 9 ist eine weitere Anwendung dargestellt, nämlich das Erstellen einer Verstärkungsschicht an einem Gebäude. Figur 3 zeigt hierzu einen Querschnitt einer Bauwerk-Wand 6, welche ihrerseits mit einer konventionellen Bewehrung 7,8 traditionell armiert ist. Die Aussenseite 9 der Bauwerk-Wand 6 ist hier rau ausgeführt oder nachträglich aufgeraut worden. Das kann zum Beispiel mittels eines nassen Sandstrahlens erfolgen. Eine bessere Variante ist die hydromechanische Bearbeitung mit dem Hochdruck-Wasserstrahl. Unterschiedliche Systeme mit verschiedenen Wassermengen und Wasserdrucken von mindestens 500bar bis 3000bar werden in der Praxis eingesetzt. Mit solchen Systemen wird die gewünschte Rauigkeit der Betonoberfläche von wenigstens 3mm sichergestellt. Bei der Anwendung der Hydromechanik wird zusätzlich sichergestellt, dass der Traggrund-Beton kapillar wassergesättigt ist. Das ist eine Bedingung für eine gute Haftung zwischen dem bestehenden Beton und der neu zu applizierenden Mörtelschicht auf Zementbasis.
[0017] Figur 4 zeigt, wie dann die SMA-Profile 2 in Form von Rundstählen mit einer entsprechenden Legierung an der rauen Oberfläche 9 befestigt werden. Sie können hierfür mit Dübeln 10 in der Betonwand befestigt werden. Die Dübel 10 können bedarfsweise auch hinter die erste Armierung 7,8 reichen. Die beiden Endbereiche der einzelnen SMA-Profile 2 sind je mit Elektrokabeln 3 verbunden. Wenngleich hier nur ein einzelnes SMA-Profil 2 sichtbar ist, welches sich vertikal erstreckt, so versteht sich, dass auch horizontal verlaufende, ja in jeder beliebigen Richtung verlaufende SMA-Profile 2 verbaut werden können, wie auch die Armierung in der Betonwand 6 hier horizontal verlaufende Armierungseisen 8 aufweist, die sich mit den vertikal verlaufenden Armierungseisen 7 kreuzen.
[0018] Als Nächstes werden die SMA-Profile, wie in Figur 5 gezeigt, durch Aufbringen von Spritzbeton oder Zementmörtel komplett eingepackt, durch Aufspritzen, Eingiessen oder Draufschleudern. Der Zementmörtel kann auch händisch aufgetragen werden.
[0019] Wie Figur 6 zeigt, ist hier an einer Stelle am SMA-Profil 2 eine Ausnehmung 1 1 ersichtlich, in welche eine Einlage 5 eingesetzt war. Nachdem diese nach dem Aushärten des Betons oder Mörtels wieder entfernt wurde, liegt das SMA-Profil 2 dort frei. Der Wärmeeintrag erfolgt dann über ein dort mittels einer Klemme anzuschliessendes Heizkabel in Zusammenwirkung mit einem weiteren Heizkabel, das an einer ebensolchen Ausnehmungsstelle über eine Klemme an das SMA-Profil angeschlossen wird. Hier wird das SMA-Profil 2 über die beiden eingezeichneten Heizkabel 3 unter eine elektrische Spannung gesetzt wird, sodass eine Widerstandsheizung entsteht. Das Erhitzen führt zu einer Kontraktionskraft der SMA-Profile 2, die damit eine Zugspannung erzeugen und damit eine Vorspannung der ganzen Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht 16, und deren Vorspannung wird über die Verzahnung mit der rauen Oberfläche 9 der Betonwand 6 auf dieselbe übertragen. Insgesamt wird eine erhebliche Verstärkung des Bauwerks erzielt.
[0020] Die Figur 7 zeigt einen Querschnitt dieser Bauwerk-Wand nach dem Erzeugen der Kontraktionskraft und Zugspannung der SMA-Profile 2 innerhalb der Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht 16. Die Ausnehmung 1 1 , welche für den Wärmeeintrag be nützt wurde, ist jetzt mit Zementmörtel verfüllt. Im Falle von Heizkabeln 3 werden diese oberflächenbündig weggeschnitten.
[0021] Die Figur 8 zeigt einen Querschnitt einer stahlarmierten Bauwerk-Wand 6, die an einer vertikalen Aussenseite mit einer Spritzschicht verstärkt wird, welche dann ihrerseits mittels SMA-Profilen 2 vorgespannt wird. Hierzu wird an der aufgerauten Oberfläche des Betons 6 ein Gitter aus SMA-Profilen 2 befestigt, etwa mittels geeigneter Dübel 10. Hernach wird dieses Gitter wie gezeigt mittels Spritzbeton aus einer Spritzpistole 21 ummantelt und überdeckt. Nach Aushärtung dieses Spritzbetons werden die SMA-Profile 2 des Gitters durch Wärmeeintrag kontrahiert, sodass die ganze Spritzbeton-Schicht als Verstärkungsschicht 21 vorgespannt wird. Die erzeugte Vorspannung wird über die Verzahnung mit der aufgerauten Oberfläche des Bauwerks 6 auf dasselbe übertragen und erhöht damit entscheidend dessen Stabilität und dessen Brandwiderstand.
[0022] Figur 9 zeigt eine Anwendung auf einer horizontalen Betonplatte. Hier können nach dem Auflegen der SMA-Profile 2 auf die geraute Oberfläche der Betonplatte diese SMA-Profile 2 mit einem händisch aufgetragenen Fliessmörtel eingegossen werden. Im Falle eines zementösen Giessmörtels muss dieser noch mit der Kelle verdichtet oder vibriert werden. Als Alternative kann ein selbstverdichtender und selbstnivellierender zementöser Mörtel eingesetzt werden. Hernach werden die eingegossenen SMA-Profile 2 durch Wärmeeintrag erhitzt und erzeugen eine flächendeckende Vorspannung der Mörtelschicht, die sich auf die Betonplatte überträgt.
[0023] Die Figur 10 zeigt einen Ausschnitt einer Betonplatte 12, nämlich eine Ecke derselben in einer perspektivischen Ansicht von unten gesehen, die auf ihrer Unterseite mit einer verdübelten und vorgespannten Verstärkungsschicht 19 versehen ist, die SMA-Profile enthält. Die Verstärkungsschicht 19, welche in beschriebener Weise SMA-Profile enthält, wird mittels einer Vielzahl von Dübeln 13 kraftschlüssig mit der Betonplatte 12 verbunden. Erst nach einer solchen erfolgten Verdübelung und kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Betonplatte 12 und der ausgehärteten Mörtel- oder Betonschicht, die als Verstärkungsschicht 19 wirken soll, und in weicher sich die SMA-Profile befinden, werden die SMA- Profile durch Wärmeeintrag zum Erzeugen einer Kontraktionskraft und somit einer Zugspannung gebracht, sodass die Verstärkungsschicht 19 vorgespannt wird, und sich diese Vorspannung über die Verdübelung und Verbindung auf die Betonplatte 12 überträgt.
[0024] Die Figur 1 1 zeigt den inneren Aufbau dieser Verstärkung mit einem Querschnitt durch die Betonplatte 12 nach Figur 10, mit der konventionellen Bewehrung aus Armierungsstählen 7,8, sowie der darauf verdübelten und vorgespannten Verstärkungsschicht 19 mit SMA-Profilen 2. Die Unterseite der Betonplatte 12 ist rau, und die SMA-Profile 2 sind eingebettet in die aufgespritzte Verstärkungsschicht 19. Nach deren Aushärtung erfolgt die Verdübelung mittels langer Betondübel 13, die bis hinter die erste Armierung 7,8 in der Betonplatte 12 reichen. Dann erfolgt die Vorspannung der SMA-Profile 2, die sich auf die Verstärkungsschicht 19 überträgt, und von dort über die Verzahnung mit der rauen Oberfläche der Betonplatte 12 und die Verdübelung auf dieselbe. Die so vorgespannte Betonplatte 12 weist eine erheblich höhere Tragkraft auf und so können bestehende Betonplatten von unten effizient verstärkt werden.
[0025] Die Figur 12 zeigt einen Betonträger mit einer nachträglich aufgebrachten Verstärkungsschicht 19, die beidenends verdübelt ist. Bei dieser Anwendung soll die Vorspannung einzig in einer Richtung wirken, nämlich zwischen den beiden Auflagepunkten des Betonträgers.
[0026] Einen weiteren interessanten Anwendungsfall zeigt Figur 13. Hier ist ein Bauwerk mit einbetonierten SMA-Profilen 2 oder gewöhnlichem Armierungsstahl vorgespannt. Das äussere Ende der Armierung, das gegen die Gebäudeaussenseite hin zeigt, ist mit einem Kupplungsorgan 22 ausgerüstet. Im Falle von SMA-Profilen 2 führt ein Elektrokabel 3 im Beton zum hinteren, einbetonierten Ende des SMA-Profils 2. Diese Kupplungsorgane 22 können zum Beispiel Doppelmuttern sein. Sie werden einbetoniert und nur wenig mit Beton überdeckt. Will man später eine auskragende Betonplatte 15 an das Bauwerk 14 andocken, so werden die Kupplungsorgane 22 freigelegt und eine Betonplatte 15, in welche SMA-Profile 2 eingegossen wurden, wird mit dem Betonwerk 14 verbunden. Hierzu werden die aus ihr herausragenden SMA-Profile 2, die im Endbereich mit einem Grobgewinde versehen sind, mittels der Kupplungsorgane 22 mit den SMA-Profilen oder den gewöhnlichen Armierungseisen in diesem Bauwerk zugfest verbunden oder verschraubt. Nach dieser mechanischen Kupplung wird der Spalt zwischen dem Bauwerk 14 und der auskragenden Betonplatte 15 verfüllt. Nach Aushärtung der Verfüllung wird über Elektrokabel 3 Wärme in die SMA-Profile 2 eingebracht, sodass diese eine Kontraktionskraft und damit eine Zugspannung erzeugen. Damit wird das ganze System vorgespannt, das heisst die auskragende Betonplatte 15 wird innerlich vorgespannt, und ausserdem mittels einer Vorspannung an das Bauwerk 14 gespannt, und wenn die ins Bauwerk hineingehenden Armierungen ebenfalls SMA-Profile 2 sind, so erzeugen diese auch im Innern des Bauwerks 14 ihrerseits eine Vorspannung, was insgesannt zu einer hohen Stabilität und Belastbarkeit der Auskragung führt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken mittels Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung, sei es von neuen Bauwerken und Bauteilen oder von zementgebundenen Vermörtelungen für die Verstärkung von bestehenden Betonbauwerken, dadurch gekennzeichnet, dass Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung auf Stahlbasis von polymorpher und polykristalliner Struktur, mit gerippter Oberfläche oder mit einer Oberfläche in Form eines Gewindes, welche durch Erhöhung ihrer Temperatur aus ihrem Zustand als Martensit auf ihren bleibenden Zustand als Austenit bringbar sind, in den Beton oder die zementgebundene Vermörtelung (1 ) eingelegt werden, wahlweise mit zusätzlichen Endverankerungen, sodass sich diese entweder infolge eines anschliessenden aktiven und gesteuerten Wärmeeintrages mit Heizmitteln oder aber durch Hitzeeinwirkung in einem Brandfall eine Kontraktionskraft und somit eine Zugspannung erzeugen und entsprechend eine Vorspannung auf den Beton resp. die Vermörtelung (1 ) erzeugen, wobei die Krafteinleitung in den Beton oder die Vermörtelung (1 ) über die Oberflächenstruktur des Profils (2) und/oder über die Endverankerungen des Profils (2) erfolgen.
2. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken mittels Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der aktive, gesteuerte Wärmeeintrag in die Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung erfolgt, indem diese an den Endbereichen der Profile (2) oder an Zwischenstellen der Profile (2) derart mit Einlagen (5) versehen werden, dass diese nach dem Aushärten des Betons oder der Vermörtelung (1 ) aus demselben oder derselben herausragen, und diese Einlagen (5) bedarfsweise mechanisch oder durch Wegbrennen entfernt werden, und hernach für den aktiven, gesteuerten Wärmeeintrag Elektrokabel (3) an den freigelegten Bereichen der Profile (2) angeschlossen werden und unter elektrische Spannung gesetzt werden, zur Erzeugung einer Widerstandsheizung der Profile (2), wonach die freigelegten Endbereiche (1 1 ) der Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung mit zementösem Mörtel verfüllt werden.
3. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken mittels Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
a. die zu verstärkende Aussenseite des bestehenden Bauwerkes aufgeraut wird,
b. Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung auf der aufgerauten Aussenseite (9) des Bauwerks (6, 12) befestigt werden,
c. eine kapillare Sättigung der Bauwerk-Aussenseite (6,12) mit Wasser erzeugt wird, und dann eine zementöse Matrix als Vermörtelung auf diese Aussenseite aufgebracht wird, zur Überdeckung der Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung,
d. nach Aushärtung der zementösen Matrix die Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung durch Wärmeeintrag zum Erzeugen einer Kontraktionskraft und damit Zugspannung gebracht werden, wodurch die erzeugte Vemörtelung als Verstärkungsschicht (16,19) über die Verzahnung mit der aufgerauten Aussenseite (9) des Baukörpers (6, 12) eine Vorspannung derselben bewirkt.
4. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Bauwerken mittels Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
a. die zu verstärkende Aussenseite (6, 12) des bestehenden Bauwerks hydromechanisch mit einem Druck von mindestens 500 bar oder mittels Sandstrahlen bis zu einer Oberflächenrauigkeit von wenigstens 3mm aufgeraut wird, sodass der Untergrund wassergesättigt wird,
b. Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung auf der aufgerauten Aussenseite (9) des Bauwerks (6, 12) mittels Anker oder Profilen aus Stahl befestigt werden, c. eine kapillare Sättigung der Bauwerk-Aussenseite (6,12) mit Wasser erzeugt wird, und dann als Verstärkungsschicht (16,19) eine zementöse Matrix als Vermörtelung von Hand aufgebracht oder als Spritzbeton trocken oder nass aufgespritzt wird, oder bei horizontalen Aussenseiten eine Vermörtelung als Verstärkungsschicht ( 6, 19) mittels Auftragen von selbstnivellierendem Fiiessmörtel und Überdecken der Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung erstellt wird, mit wahlweise Verdübeln der Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht (16,19) durch Anbringen von Dübeln (13), welche hinter eine vorderste Armierung (7,8) des Bauwerks (12) hinter der angebrachten Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht (16,19) hineinreichen,
d. nach Aushärtung der aufgetragenen Vermörtelung bzw.
Verstärkungsschicht die Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung durch Wärmeeintrag zur Erzeugung einer Kontraktionskraft und damit einer Zugspannung gebracht werden, wodurch die aufgetragene Vermörtelung bzw. Verstärkungsschicht (16,19) über die Verzahnung mit der aufgerauten Aussenseite (9) des Baukörpers eine Vorspannung derselben bewirkt.
5. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken mittels Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorbereitung eines später möglichen Anbaus eines neuen Beton-Bauteils (15) an ein aktuell zu erstellendes Bauwerk (14) Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung auf Stahlbasis in den Beton des aktuell zu erstellenden Bauwerkes (14) eingelegt werden, sodass diese senkrecht zur Bauwerksaussenseite (18) verlaufen und endseitig mit einem Grobgewinde (20) versehen sind und unter der Oberfläche der Bauwerksaussenseite (18) enden, wobei die Endbereiche mit einer entfernbaren Einlage (5) eingefasst und anschliessend mit Mörtel überdeckt werden, sodass im Bedarfsfall später ein auskragendes Betonbauteil (15) am dann bereits erstellten Betonbauwerk (14) anbetonierbar und vorspannbar ist, indem das anzubauende Betonbauteil (15) selbst mit Profilen (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung mit Grobgewinde (20) im Endbereich versehen ist und in Richtung von aussen auf die Bauwerksaussenseite (18) des bereits erstellten Betonbauwerkes (14) hin gerichtet mit den Endbereichen der freigelegten Profile (2) aus einer Formgedächtnis- Legierung im bestehenden Betonbauwerk (14) durch Kupplungselemente (22) zugkraftschlüssig verbindbar ist und hernach anbetonierbar ist, sodass nach Aushärten mittels Wärmeeintrag seine Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung eine Kontraktionskraft erzeugen und in dieser Weise das angebaute Betonbauteil (15) eine eigene Vorspannung erfährt und an das bestehende Betonbauwerk (14) vorgespannt angedockt wird.
6. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken mittels Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile (2) aus einer Formgedächtnis-Legierung für den Wärmeeintrag aus einer Spannungsquelle in Form einer Energieeinheit aus einer Reihe in Serie geschalteter Batterien über fest oder temporär angeschlossene Elektrokabel (3) unter elektrische Spannung von 10-20 V pro m Profillänge zur Erzeugung eines Stroms von 10-20A pro mm2 Querschnittsfläche gesetzt werden, sodass sie eine Widerstandsheizung bilden und innert 2 bis 10 Sekunden aus ihrem Zustand als Martensit auf ihren bleibenden Zustand als Austenit gebracht werden,
7. Verfahren zum Erstellen von vorgespannten Betonbauwerken mittels Profilen aus einer Formgedächtnis-Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Profil-Länge mehrere Stromanschlüsse mit nach aussen führenden Heizkabeln vorgesehen werden, und der Wärmeintrag abschnittsweise nacheinander durch Anlegen einer Spannung an jeweils zwei benachbarte Stromanschlüsse erzeugt wird.
8. Betonbauwerk, erstellt unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 .
9. Betonbauwerk, erstellt unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 5.
10. Betonbauwerk, erstellt unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 6.
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