DE19525508A1

DE19525508A1 - Verfahren zur Ertüchtigung von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mauerwerk und Verwendung einer besonderen Laminatbeschichtung für die Ertüchtigung

Info

Publication number: DE19525508A1
Application number: DE19525508A
Authority: DE
Inventors: Holger Dr Kolsch; Frank Dipl Ing Lickefett
Original assignee: Hochtief AG
Current assignee: Hochtief AG
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2015-07-14
Also published as: DE19525508C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ertüchtigung von Bau teilen aus Stahlbeton und Mauerwerk. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer besonderen Laminatbeschichtung für eine solche Ertüchtigung. Der Begriff Ertüchtigung meint im Rahmen der Erfindung die Verbesserung des Bauteils in bezug auf Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit. Der Begriff Ertüchtigung bringt zum Ausdruck, daß die Maßnahme nachträglich geschieht.

Zu schwach bewehrte oder geschädigte Bauteile aus Beton, Stahl beton oder Spannbeton entstehen in Bauwerken, wenn bei ihrer Erstellung Lasten angenommen wurden, die sich später als unzu treffend, insbesondere als zu klein erweisen. Der Grund dafür können erhöhte Auflagen, z. B. Berücksichtigung von Erdbebenla sten, geänderte Nutzungen des Bauwerks, nachträgliche Änderun gen und Ergänzungen am Bauwerk sein. Schadhafte Bauteile können auch durch Korrosion der vorhandenen Bewehrung entstehen oder auf fehlerhafter Bauausführung beruhen. In solchen Bauteilen können Beanspruchungen auftreten, welche die zulässigen Grenz werte überschreiten und zu Rissen großer Breite und schließlich sogar zum Versagen führen. Mauerwerk und Beton können grund sätzlich nur geringe Zugbeanspruchungen ertragen. Deshalb müssen fallweise auch nachträglich Maßnahmen getroffen werden, um Zugkräfte übertragen zu können oder um die Zugkraftaufnahme fähigkeit zu erhöhen.

Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Ertüchtigung eines Bauteils aus, bei dem auf das Bauteil ein Faserverbundwerkstoff auf Kunstharzbasis mit Glasfasern oder Kohlenstoffasern als Bewehrung aufgebracht wird. Dabei werden organische Kleber oder Matrixwerkstoffe auf Kunstharzbasis, z. B. Expoxidharzbasis, eingesetzt. Im Normalfall ergibt sich damit eine zusätzliche Brandlast für das ertüchtigte Bauwerk. Außerdem sind die mecha nischen Eigenschaften dieser Beschichtungen auf Kunstharzbasis in der Regel oberhalb von 80°C nicht mehr garantierbar. Letzte res bedeutet, daß ein Brandfall ausgeschlossen werden muß oder daß entsprechende Brandschutzmaßnahmen zusätzlich eingerichtet werden müssen. Die Verarbeitung solcher Beschichtungen erfor dert zumeist sehr genau einzuhaltende Fertigungsparameter, z. B. in bezug auf Temperatur, Verarbeitungsdauer und Feuchtigkeit, und einen aufwendigen Arbeitsschutz.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, auf einfa che Weise eine Ertüchtigung eines Bauteils zu bewirken, die keine zusätzliche Brandlast für das ertüchtigte Bauwerk zur Folge hat. Außerdem soll verhindert werden, daß im Brandfall schädliche Gase entstehen.

Lösung dieser Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist ein Ver fahren zur Ertüchtigung von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mau erwerk durch Aufbringen einer Laminatbeschichtung auf Oberflä chen des Bauteils mit den Verfahrensschritten:

1.1) Auf die zu beschichtende Oberfläche wird eine mi neralische Matrix in Form einer Zementmörtelschicht aufgebracht,
1.2) als Bewehrung der Laminatbeschichtung wird ein Ma schen aufweisendes textiles Halbzeug aus Fasern der Gruppe "Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern" oder Mischungen davon verwendet, welches einen Ela stizitätsmodul von größer 20.000 N/mm² und eine Bruchdehnung von größer 0,4% aufweist, Flächenge wicht über 75 g/m²,
1.3) das textile Halbzeug gemäß 1.2) wird in die noch nicht abgebundene Matrix eingedrückt, so daß der Ze mentmörtel der Matrix die Maschen des textilen Halbzeugs durchdringt,
1.4) auf die gemäß Merkmal 1.3) in die Matrix eingedrück te Bewehrung wird eine weitere mineralische Matrix in Form einer Zementmörtelschicht aufgebracht,

und so weiterfort mit erneutem Eindrücken eines textilen Halb zeugs gemäß Merkmal 1.2) und erneutem Aufbringen einer mine ralischen Matrix, bis die Laminatbeschichtung die angestrebte Ertüchtigung bewirkt, - und abschließendes Aufbringen einer Deckschicht. - Textiles Halbzeug bezeichnet im Rahmen der Er findung textile flächige Gebilde. Der Ausdruck Maschen be schreibt im Rahmen der Erfindung Maschen, wie sie bei Geweben und Maschenwaren entstehen. Der Ausdruck Maschen beschreibt aber auch maschenähnliche Ausbildungen in einem Nonwoven-Produkt. Im Rahmen der Erfindung müssen die Maschen groß genug sein, um ein Eindrücken in die Matrix zuzulassen. Umgekehrt müssen die Zu schlag- und Zusatzstoffe des Zementmörtels so beschaffen sein, daß sie die Maschen durchdringen können. Der Ausdruck Zement mörtel umfaßt auch Zementleim, der keine Zuschlagstoffe auf weist, - und läßt beliebige andere mineralische Matrices mit anderen Bindern als Zement zu.

Es muß für einen guten Verbund zwischen der Oberfläche des Bau teils und der Laminatbeschichtung gesorgt werden. Erforderli chenfalls muß die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils vor dem Aufbringen der Matrix abtragend, z. B. durch Sandstrahlen, gereinigt werden. Um den Verbund der Matrix mit dem Bauteil, aber auch mit der Verstärkung durch das textile Halbzeug zu verbessern, kann der Zementmörtel der Matrix als Binder Zement und zusätzlich einen Kunstharzbinder aufweisen. Die Matrix an sich und für sich kann damit auch so eingerichtet werden, daß sie in Grenzen Zugkräfte aufzunehmen in der Lage ist. Es versteht sich, daß die Beimischung des Kunstharzbinders so be messen wird, daß keine Brandlast für das Bauteil entsteht.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglich keiten der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens. So ist nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung das textile Halbzeug als Gewebe und/oder Maschenware und/oder Nonwoven-Produkt aus geführt, vorzugsweise mit Filamenten. Filamente bezeichnet im Rahmen der Erfindung Endlosfasern und steht im Gegensatz zu Stapelfasern, jedoch können Fäden aus Stapelfasern im Rahmen der Erfindung ebenfalls eingesetzt werden. Das textile Halbzeug hat im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise ein Flächengewicht von über 75 g/m². Man kann das erfindungsgemäße Verfahren so führen, daß die Fasern oder Fäden des Flächen produktes beim Eindrücken in die Matrix von dem Zementmörtel vollständig umhüllt werden. Erforderlich ist dieses aber nicht. Es ist ausreichend, wenn das Eindrücken des textilen Halbzeugs so erfolgt, daß der Zementmörtel der Matrix in die Maschen eindringt und beim Aufbringen einer nächsten Matrixschicht ein monolithischer Verbund der Matrixschichten durch die Maschen hindurch erfolgt. Zur Verbesserung des Verbundes zwischen Ma trix und textilem Halbzeug empfiehlt es sich, ein textiles Halbzeug zu verwenden, dessen Fasern und/oder Fäden ein geeig netes Verbundfinish aufweisen. Insoweit kennt die Praxis die verschiedensten Hilfsmittel. Der monolithische Verbund der Ma trixschichten bewirkt im übrigen eine definierte Krafteintra gung in die Fasern und/oder Fäden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Laminat beschichtung sehr unterschiedlich aufgebaut und ausgelegt wer den, wobei lediglich sicherzustellen ist, daß die Laminatbe schichtung die Beanspruchungen aufzunehmen in der Lage ist, die zum Zwecke der Ertüchtigung des Bauteils aufgenommen werden müssen. Es empfiehlt sich insoweit eine Differenzierung in der Auslegung, und zwar dahingehend, daß die Matrix und deren Ver bund mit dem Bauteil zur Kraftübertragung zwischen Bauteil und Laminatbeschichtung eingerichtet werden und das textile Halb zeug zur Aufnahme der durch die Matrix eingeleiteten Zugkräfte ausgelegt wird. Es ist auch möglich, das textile Halbzeug stel lenweise mit Schlaufen zu versehen, welche Befestigungselemente umgreifen, die in dem zu ertüchtigenden Bauteil festgelegt sind und in die Laminatbeschichtung hineinragen. Weiterhin kann das textile Halbzeug mit Klemmvorrichtungen verankert werden, die entsprechend an dem Bauteil festlegbar sind. Es wird der Tatsa che Rechnung getragen, daß die Matrix spröde und die Fasern und/oder Fäden der Verstärkung duktil sind. Das steht im Gegen satz zu bekannten Maßnahmen, wo umgekehrt die aus Kunststoff bestehende Matrix gleichsam duktil ausgelegt wird und die Fa sern und/oder Fäden spröde sind.

Das textile Halbzeug wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Ver fahrens in Abhängigkeit von der Geometrie des Bauteils bahnwei se oder/und schraubenwendelförmig aufgebracht.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer Laminat beschichtung, die aus einer mineralischen Matrix in Form einer Zementmörtelschicht, gegebenenfalls mit Kunstharzbeimischung, und zumindest einer darin eingebrachten Verstärkung in Form eines Maschen aufweisenden textilen Halbzeugs aus Fasern der Gruppe "Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern" oder Mi schungen davon besteht,
zum Zwecke der brandsicheren Ertüchtigung von Bauteilen aus Stahlbeton und Mauerwerk für die Aufnahme von mecha nischen Beanspruchungen
mit der Maßgabe, daß das textile Halbzeug einen Elastizitäts modul von größer 20.000 N/mm² und eine Bruchdehnung von größer 0,4% aufweist, Flächengewicht über 75 g/m², mit der weiteren Maßgabe, daß die Matrixschichten beidseits des textilen Halb zeugs durch die Maschen des textilen Halbzeugs hindurch monolithisch vereinigt sind, und mit der weiteren Maßgabe, daß die Laminatbeschichtung auf dem zu ertüchtigenden Bauteil er zeugt wird und mit diesem zugfest und schubfest verbunden ist. Nach einer weiteren Maßgabe ist das textile Halbzeug zur Auf nahme der Zugkräfte ausgelegt und die Matrix zur Kraftüber tragung zwischen Bauwerksteil und Laminatbeschichtung einer seits und zwischen den Fäden und Fasern und der Matrix anderer seits eingerichtet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher er läutert. Es zeigen

Fig. 1 die Ansicht einer Mauerwerkswand, die erfindungs gemäß ertüchtigt wurde, ausschnittsweise,

Fig. 2 einen Querschnitt des Gegenstandes der Fig. 1,

Fig. 3 die Ansicht einer Stütze, die erfindungsgemäß er tüchtigt wurde, ausschnittsweise,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes der Fig. 3,

Fig. 5 schematisch einen Versuchsaufbau zur Erläuterung der durch die erfindungsgemäße Ertüchtigung erreichten Effekte,

Fig. 6 einen Querschnitt des Gegenstandes der Fig. 5, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die erreichten Effekte erkennen läßt.

In den Fig. 1 und 2 erkennt man eine erfindungsgemäß ertüch tigte nicht tragende Mauerwerkswand 1, die sich in einem Ge bäude befinden mag. Zur nachträglichen Einrichtung einer aus reichenden Erdbebensicherheit muß das Gebäude ertüchtigt werden und dazu müssen insbesondere die Mauerwerkswände 1 ertüchtigt werden. Es muß verhindert werden, daß die Mauerwerkswand infol ge der möglichen Beanspruchungen versagt. Es muß ferner ausge schlossen werden, daß Menschen, Einbauten und sonstige Sachen durch Mauerwerkstrümmer geschädigt werden. Aus der Fig. 1 und 2 entnimmt man, daß auf die Mauerwerkswand 1 eine Laminatbe schichtung 2 aufgebracht wurde, und zwar nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens. Anders ausgedrückt wurde zur Er tüchtigung der Mauerwerkswand eine Laminatbeschichtung ent sprechend den Ansprüchen 11 und 12 verwendet und aufgebracht.

Im einfachsten Fall hat die Laminatbeschichtung nur eine Schicht aus Zementmörtel und darin integriertem textilen Halb zeug.

Der kritische Lastfall für eine Mauerwerkswand 1 ist im Erdbe benfall eine zyklische horizontale Gleichlast, die aus den Trägheitskräften resultiert und eine Biegebeanspruchung be wirkt. In Abhängigkeit von der Beschleunigungsrichtung stellen sich in der einen Mauerwerkswandoberfläche eine Zugzone und auf der anderen Seite eine Druckzone ein. Wegen der wechselnden Lastrichtung wurde die Mauerwerkswand 1 beidseitig mit einer Laminatbeschichtung 2 nach der Lehre der Erfindung versehen. Die Laminatbeschichtung 2 wurde in parallelen, vertikalen Bah nen auf Stoß auf die Wände aufgebracht. Die einzelnen Schichten des Laminates wurden mit versetztem Stoß ausgeführt.

In den Fig. 3 und 3 erkennt man Stützen 3, die nach der Lehre der Erfindung ertüchtigt wurden. Stützen sind in der Regel biegesteif in die anschließende Bauwerkskonstruktion einge bunden. Die Stützen 3 erfahren neben der Druckbeanspruchung auch Biegebeanspruchungen. Aus diesem Grunde ist regelmäßig eine Bewehrung 4 in Längsrichtung vorzusehen. Eine Querbe wehrung als Umschnürungsbewehrung sichert die Längsbewehrung 4 gegen Ausknicken und den Stützenquerschnitt gegen Aufspalten. Schlanke Bauwerke wie Maste und Schornsteine werden durch Windlasten auf Biegung beansprucht. In all diesen Fällen ist eine Ertüchtigung nach der Lehre der Erfindung möglich, und zwar durch eine Laminatbeschichtung 2. Die Laminatbeschichtung ist wie beschrieben aufgebaut. Die Streifen oder Bahnen der Laminatbeschichtung 2 können schraubenwendelförmig oder auch ringförmig aufgebracht sein, wie es die Fig. 3 und 4 erläutern.

In der Fig. 4 erkennt man auch eine in Längsrichtung aufge brachte Laminatbeschichtung 2. Sie kann über den Umfang ver teilt aufgebracht sein.

Die durch die Erfindung erreichten Effekte sind überraschend, wenn man berücksichtigt, daß erfindungsgemäß mit einer mine ralischen Matrix gearbeitet wird, die aus Zementmörtel mit Ver stärkung durch das beschriebene textile Halbzeug aufgebaut ist. Zum Nachweis dieser Effekte wird auf die Fig. 5 und 6 verwiesen. In den Fig. 5 und 6 erkennt man zunächst einen Bie gebalken 6 auf zwei Stützen 7, der für einen Biegebalkenversuch eingerichtet ist. Unbewehrte Betonbalken als Biegebalken 6 wur den mit vier Lagen einer nach der Lehre der Erfindung aufge bauten und aufgebrachten Laminatbeschichtung 2 versehen. An schließend wurde eine Deckschicht aufgetragen.

Die graphische Darstellung der Fig. 7 hat eine Abzissenachse, auf der die Durchbiegung in Balkenmitte in mm aufgetragen ist und eine Ordinatenachse, die die Einzelkraft in kN in der Bal kenebene anzeigt. Die Kurve O zeigt die Reaktion eines unbe wehrten Betonbalkens. Der Balken 6 ist bei vergleichsweise geringer Last und geringer Durchbiegung gebrochen. Die Kurven A und B zeigen das Verhalten von nach der Lehre der Erfindung durch eine Laminatbeschichtung 2 ertüchtigten Betonbiegebalken 6 mit den gleichen Ausgangskennwerten. Bei dem nach der Varian te A ertüchtigten Betonbiegebalken ergibt sich zunächst ein Last-Durchbiegungs-Zusammenhang ähnlich zur Kurve O. Nach dem Überschreiten der Betonzugfestigkeit reißt der Biegebalken 6 in der Zugzone auf und die Laminatbeschichtung entfaltet ihre vol le Tragwirkung mit einem allmählichen Anstieg der Durchbiegung bis zum vorangekündigten Versagen. Der Betonbiegebalken nach der Variante B zeigt ein ähnliches Last-Weg-Diagramm. Beide La minatbeschichtungen 2 bewirken insgesamt ein duktiles Verhalten der entflüchtigten Betonbiegebalken.

Die Einzelheiten der Versuche mit durch eine Laminatbeschich tung 2 ertüchtigten Betonbalken ergeben sich aus der folgenden Aufstellung:

Beton
Zement: PZ 35 F
225 kg/m³
Zuschlag (trocken): @	0/2 mm	852 kg/m³
2/8 mm	586 kg/m³
8/16 mm	454 kg/m³
Zusatzstoff: Flugasche	45 kg/m³
Wasser:	172 kg/m³
Wasserzementwert W/(Z+0,3F)	= 0,72
Druckfestigkeit (nach 28 Tagen):	33,7 N/mm²
Biegezugfestigkeit (nach 105 Tagen):	5,6 N/mm²

Oberfläche sandgestrahlt

Fasern
Unidirektionales Glasfasergewebe (Leinwandbindung)
Flächengewicht:
425 g/m²
Fadenzahl:	5,5×6,3
Garntype:	EC 9-136×5 t0 EC 9-68 Z
Lieferform:	Rollen

Tränkung

Variante A: Gewebe mit Zementleim getränkt und in die Matrix eingebettet
Variante B: Gewebe mit Styrol/Acrylat-Dis persion getränkt und in die Matrix eingebettet

Matrix

Zement : Flugasche : Wasser : Styrol/Acrylat-Dispersion = 1 : 0,33 : 0,36 : 0,12.

Abmessungen des Betonbiegebalkens: 10×15×70 cm³

Claims

1. Verfahren zur Ertüchtigung von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mauerwerk durch Aufbringen einer Laminatbeschichtung auf zumindest eine Oberfläche des Bauteils mit den Verfahrens schritten

1.1) auf die zu beschichtende Oberfläche wird eine mi neralische Matrix in Form einer Zementmörtelschicht aufgebracht,
1.2) zur Verstärkung der Laminatbeschichtung wird ein Maschen aufweisendes textiles Halbzeug aus Fasern der Gruppe "Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfa sern" oder Mischungen davon verwendet, welches einen Elastizitätsmodul von größer 20.000 N/mm² und eine Bruchdehnung von größer 0,4% aufweist, Flächenge wicht über 75 g/m²,
1.3) das textile Halbzeug gemäß Merkmal 1.2) wird in die noch nicht abgebundene Matrix eingedrückt, so daß der Zementmörtel der Matrix in die Maschen des tex tilen Halbzeugs durchdringt,
1.4) auf die gemäß Merkmal 1.3) in die Matrix einge drückte Verstärkung wird eine weitere mineralische Matrix in Form einer Zementmörtelschicht aufge bracht,

und so weiterfort mit erneutem Eindrücken eines textilen Halb zeugs gemäß Merkmal 1.2) und erneutem Aufbringen einer mine ralischen Matrix, bis die Laminatbeschichtung die angestrebte Ertüchtigung bewirkt, - und abschließendes Aufbringen einer Deckschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zu beschichtende Ober fläche des Bauteils vor dem Aufbringen der Matrix abtragend, z. B. durch Sandstrahlen, gereinigt und aufgerauht wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Zementmörtel der Matrix Zement oder einen anderen mineralischen Binder und zusätzlich einen Kunstharzbinder aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das textile Halbzeug als Gewebe und/oder Maschenware und/oder Non woven-Produkt ausgeführt ist, vorzugsweise aus Filamenten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das tex tile Halbzeug ein Flächengewicht über 75 g/m² aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Fa sern und/oder Fäden des textilen Halbzeugs beim Eindrücken in die Matrix von dem Zementmörtel umhüllt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein tex tiles Halbzeug verwendet wird, dessen Fasern und/oder Fäden ein Verbundfinish aufweisen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Matrix und deren Verbund mit dem Bauteil zur Kraftübertragung zwischen Bauteil und Laminatbeschichtung sowie zwischen den Fa sern/Fäden und der Matrix eingerichtet wird und das textile Halbzeug zur Aufnahme der bei der Ertüchtigung aufzunehmenden Zugkräfte ausgelegt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Ma trix spröde ist und die Fasern und/oder Fäden des textilen Halbzeugs duktil sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ver stärkung, in Abhängigkeit der Geometrie des Bauteils, bahnweise und/oder schraubenwendelförmig aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein textiles Halbzeug verwendet wird, welches mit Schlaufen ver sehen ist, wobei in dem zu ertüchtigenden Bauteil Befesti gungselemente angeordnet werden, die in die Laminatbeschichtung hineinragen, und wobei diese Befestigungselemente von den Schlaufen umfaßt werden.

12. Verwendung einer Laminatbeschichtung, die aus einer mine ralischen Matrix in Form einer Zementmörtelschicht, gegebenen falls mit Kunstharzbeimischung, und zumindest einer darin eingebrachten Verstärkung in Form eines Maschen aufweisenden textilen Halbzeugs aus Fasern der Gruppe "Glasfasern, Kohlen stoffasern, Aramidfasern" oder Mischungen davon besteht, zum Zwecke der brandsicheren Ertüchtigung von Bauteilen aus Stahlbeton und Mauerwerk für die Aufnahme mechani scher Beanspruchungen mit der Maßgabe, daß das textile Halbzeug einen Elastizitäts modul von größer 20.000 N/mm² und eine Bruchdehnung von größer 0,4% aufweist, Flächengewicht über 75 g/m², mit der weiteren Maßgabe, daß die Matrixschichten beidseits des textilen Halb zeugs durch die Maschen des textilen Halbzeugs hindurch mono lithisch vereinigt sind, und mit der weiteren Maßgabe, daß die Laminatbeschichtung auf dem zu ertüchtigenden Bauteil erzeugt wird und mit diesem zugfest und schubfest verbunden ist.

13. Verwendung nach Anspruch 12 mit der Maßgabe, daß das tex tile Halbzeug zur Aufnahme der Zugkräfte ausgelegt und die Ma trix zur Kraftübertragung zwischen Bauteil und Laminatbeschich tung sowie zwischen den Fasern/Fäden und der Matrix einge richtet ist.