DE19525508C2

DE19525508C2 - Verfahren zur Verbesserung der Tragfähigkeit von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mauerwerk

Info

Publication number: DE19525508C2
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: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2015-07-14
Also published as: DE19525508A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Tragfähigkeit von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mauerwerk. Erfindungsgemäß wird eine Verbesserung des Bauteils in bezug auf Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauer haftigkeit erreicht. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden nachträglich an dem Bauwerk durchgeführt.

Zu schwach bewehrte oder geschädigte Bauteile aus Beton, Stahlbeton oder Spannbeton entstehen in Bauwerken, wenn bei ihrer Erstellung Lasten angenommen wurden, die sich später als unzutreffend, insbesondere als zu klein erweisen. Der Grund dafür können erhöhte Auflagen, z. B. Berücksichtigung von Erdbebenlasten, geänderte Nutzung des Bauwerks, nach trägliche Änderungen und Ergänzungen am Bauwerk sein. Schadhafte Bauteile können auch durch Korrosion der vorhan denen Bewehrung entstehen oder auf fehlerhafter Bauausfüh rung beruhen. In solchen Bauteilen können Beanspruchungen auftreten, welche die zulässigen Grenzwerte überschreiten und zu Rissen großer Breite und schließlich sogar zum Versagen führen. Mauerwerk und Beton können grundsätzlich nur geringe Zugbeanspruchungen ertragen. Deshalb müssen fallweise auch nachträglich Maßnahmen getroffen werden, um Zugkräfte übertragen zu können oder um die Zugkraftauf nahmefähigkeit zu erhöhen.

Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Verbesserung der Tragfähigkeit eines Bauteils aus (DE 42 13 839 A1, DE 29 09 179 A1), bei dem auf das Bauteil ein Faserverbund werkstoff auf Kunstharzbasis mit Glasfasern oder Kohlen stoffasern als Bewehrung aufgebracht wird. Dabei werden organische Kleber oder Matrixwerkstoffe auf Kunstharzbasis, z. B. Epoxidharzbasis, eingesetzt. Im Normalfall ergibt sich damit eine zusätzliche Brandlast für das Bauwerk. Außerdem sind die mechanischen Eigenschaften dieser Beschichtungen auf Kunstharzbasis in der Regel oberhalb von 80°C nicht mehr garantierbar. Letzteres bedeutet, daß ein Brandfall ausgeschlossen werden muß oder daß entsprechende Brand schutzmaßnahmen zusätzlich eingerichtet werden müssen. Die Verarbeitung solcher Beschichtungen erfordert zumeist sehr genau einzuhaltende Fertigungsparameter, z. B. in bezug auf Temperatur, Verarbeitungsdauer und Feuchtigkeit, und einen aufwendigen Arbeitsschutz.

Fernerhin ist es bekannt, Gasbeton-Bauteile auf ihrer Außenoberfläche mit zumindest einer Glasfasermatte zu bewehren (DE-OS 28 54 228). Es handelt sich hier um relativ dünne Gasbeton-Platten, auf deren Plattenoberfläche eine Mörtelschicht aufgebracht wird, in die zumindest eine Glas fasermatte eingebettet wird. Diese Bewehrung der Gasbeton- Bauteile dient dazu, die Stabilität der Bauteile zu erhöhen und diese Bauteile insbesondere handhabungssicher zu machen, so daß sie problemlos transportiert und gehandhabt werden können. Diese bekannten Maßnahmen befassen sich lediglich mit der Bewehrung einzelner Gasbeton-Bauteile bzw. Gasbeton-Platten. Mit der nachträglichen Verbesserung der Tragfähigkeit von ganzen Bauteilen bzw. Bauwerken aus Stahlbeton oder Mauerwerk haben diese bekannten Maßnahmen nichts zu tun.

Außerdem ist ein Verbundwerkstoff auf Zementbasis für Platten und Formkörper bekannt (DE 41 30 146 C2). In eine Matrix aus einem mineralischen Bindemittel, insbesondere Zement, werden Netzwerke aus Glasfasern schichtenweise ein gearbeitet. Auch diese Herstellung von plattenförmigen Bau elementen hat nichts mit der nachträglichen Verbesserung der Tragfähigkeit von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mauer werk zu tun.

Weiterhin ist es bekannt, ein Gewebe aus Glas- oder Kohlen stoffasern zur Oberflächenbeschichtung von Außendämm systemen einzusetzen (DE 32 38 993 A1). Dabei wird auf Wärmedämmplatten von Außenfassaden, beispielsweise auf Polystyrol-Hartschaumplatten, eine Mörtelschicht aufge bracht, in welche das Gewebe als Armierung eingebettet ist. Diese Maßnahmen dienen dazu, Rißbildungen in der Mörtel schicht bzw. in dem Außenputz aufgrund von Dehnungen der Wärmedämmplatten zu vermeiden. Mit diesen Maßnahmen kann keine Verbesserung der Tragfähigkeit von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mauerwerk erreicht werden.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache Weise eine sehr effektive Verbesserung der Tragfähigkeit sowie der Gebrauchstauglichkeit und der Dauerhaftigkeit von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mauerwerk erreicht wird, wobei keine zusätzliche Brandlast für das behandelte Bauwerk resultiert. Außerdem soll verhindert werden, daß im Brand fall schädliche Gase entstehen.

Lösung dieser Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung der Tragfähigkeit von Bauteilen aus Stahlbeton oder Mauerwerk durch Aufbringen einer Laminatbeschichtung auf zumindest eine Oberfläche des Bau teils mit den Verfahrensschritten:

1. 1.1) Auf die zu beschichtende Oberfläche wird eine mineralische Matrix in Form einer Mörtel schicht mit Zement oder einem anderen minera lischen Binder aufgebracht,
2. 1.2) Zur Verstärkung wird ein Maschen oder vergleichbare Öffnungen aufweisendes textiles Halbzeug aus Fasern der Gruppe "Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern" oder Mischungen davon verwendet, welches einen Elastizitätsmodul von größer 20.000 N/mm², eine Bruchdehnung von größer 0,4% und ein Flächengewicht über 75 g/m² aufweist,
3. 1.3) das textile Halbzeug gemäß Merkmal 1.2) wird in die noch nicht abgebundene Matrix einge drückt, so daß der Mörtel der Matrix die Maschen oder die vergleichbaren Öffnungen des textilen Halbzeugs durchdringt,
4. 1.4) auf die gemäß Merkmal 1.3) in die Matrix ein gedrückte Verstärkung wird eine weitere mineralische Matrix in Form einer Mörtel schicht mit Zement oder einem anderen mineralischen Bindemittel aufgebracht,undsoweiterfort mit erneutem Eindrücken eines textilen Halbzeugs gemäß Merkmal 1.2) und erneutem Aufbringen einer mineralischen Matrix, bis die so gebildete Laminatbeschichtung die angestrebte Verbesserung der Tragfähigkeit bewirkt, wobei die Matrixschichten beid seits des textilen Halbzeugs durch die Maschen oder die vergleichbaren Öffnungen des textilen Halbzeugs hindurch monolithisch verbunden werden - und abschließendes Auf bringen einer Deckschicht.

Textiles Halbzeug bezeich net im Rahmen der Erfindung textile flächige Gebilde. Der Ausdruck Maschen beschreibt im Rahmen der Erfindung Maschen, wie sie bei Geweben und Maschenwaren entstehen. Der Ausdruck Maschen beschreibt aber auch maschen ähnliche 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 Zuschlag- und Zusatzstoffe des Zementmörtels so beschaffen sein, daß sie die Maschen durchdringen können. Der Ausdruck Zementmörtel umfaßt auch Zement leim, der keine Zuschlagstoffe aufweist, - und läßt beliebige andere mineralischen Matrizes mit anderen Bindern als Zement zu.

Es muß für einen guten Verbund zwischen der Oberfläche des Bauteils und der Laminatbeschichtung gesorgt werden. Erforderlichenfalls muß die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils vor dem Aufbringen der Matrix abtragend, z. B. durch Sandstrahlen, gereinigt werden. Die Matrix an sich und für sich kann auch so eingerichtet werden, daß sie in Grenzen Zugkräfte aufzunehmen in der Lage ist.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens. So ist nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung das textile Halbzeug als Gewebe und/oder Maschenware und/oder Nonwoven-Produkt ausgeführt, 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 Halb zeug hat im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Flächengewicht von über 75 g/m². Man kann das erfindungsgemäße Verfahren so führen, daß die Fasern oder Fäden des Flächenproduktes 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 Matrix und textilem Halbzeug empfiehlt es sich, ein textiles Halbzeug zu verwenden, dessen Fasern und/oder Fäden ein geeignetes Verbundfinish aufweisen. Insoweit kennt die Praxis die verschiedensten Hilfs mittel. Der monolithische Verbund der Matrixschichten bewirkt im übrigen eine definierte Krafteintragung in die Fasern und/oder Fäden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Laminatbeschichtung sehr unterschiedlich aufgebaut und ausgelegt werden, wobei lediglich sicherzustellen ist, daß die Laminatbeschichtung die Beanspruchungen aufzu nehmen in der Lage ist, die zum Zwecke der Verbesserung der Tragfähigkeit des Bauteils aufgenommen werden müssen. Es empfiehlt sich insoweit eine Differenzierung in der Auslegung, und zwar dahingehend, daß die Matrix und deren Verbund mit dem Bauteil zur Kraftübertragung zwischen Bauteil und Laminatbeschichtung eingerichtet werden und das textile Halbzeug zur Aufnahme der durch die Matrix eingeleiteten Zugkräfte ausgelegt wird. Es ist auch möglich, das textile Halbzeug stellenweise mit Schlaufen zu versehen, welche Befestigungselemente umgreifen, die in dem 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 Tatsache Rechnung getragen, daß die Matrix spröde und die Fasern und/oder Fäden der Verstärkung duktil sind. Das steht im Gegensatz zu bekannten Maßnahmen, wo umgekehrt die aus Kunststoff bestehende Matrix gleichsam duktil ausgelegt wird und die Fasern und/oder Fäden spröde sind.

Das textile Halbzeug wird im Rahmen des erfindungs gemäßen Verfahrens in Abhängigkeit von der Geometrie des Bauteils bahnweise oder/und schraubenwendelförmig aufge bracht.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Laminat beschichtung auf dem Bauteil erzeugt wird und mit diesem zugfest und schubfest verbunden ist. Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, daß das textile Halbzeug zur Aufnahme der Zugkräfte ausgelegt und die Matrix zur Kraftübertragung zwischen Bauwerksteil und Laminat beschichtung einerseits und zwischen den Fäden und Fasern und der Matrix andererseits eingerichtet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführ licher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Ansicht einer Mauerwerkswand, die erfin dungsgemäß behandelt wurde, ausschnittsweise,

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

Fig. 3 die Ansicht einer Stütze, die erfindungsgemäß behandelt wurde, ausschnittsweise,

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

Fig. 5 schematisch einen Versuchsaufbau zur Erläute rung der durch die erfindungsgemäße Behandlung erreichten Effekte,

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

Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die erreich ten Effekte erkennen läßt.

In den Fig. 1 und 2 erkennt man eine erfindungsgemäß behandelte nicht tragende Mauerwerkswand 1, die sich in einem Gebäude befinden mag. Zur nachträglichen Einrich tung einer ausreichenden Erdbebensicherheit muß das Gebäude verstärkt werden und dazu müssen insbesondere die Mauerwerkswände 1 verstärkt werden. Es muß verhin dert werden, daß die Mauerwerkswand infolge der mögli chen Beanspruchungen versagt. Es muß ferner ausgeschlos sen 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 Laminatbeschichtung 2 aufgebracht wurde, und zwar nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens. Anders ausge drückt wurde zur Verbesserung der Tragfähigkeit der Mauerwerkswand eine erfindungsgemäße Laminatbeschichtung aufgebracht.

Der kritische Lastfall für eine Mauerwerkswand 1 ist im Erdbebenfall eine zyklische horizontale Gleichlast, die aus den Trägheitskräften resultiert und eine Biegebean spruchung bewirkt. In Abhängigkeit von der Beschleuni gungsrichtung stellen sich in der einen Mauerwerks wandoberfläche eine Zugzone und auf der anderen Seite eine Druckzone ein. Wegen der wechselnden Lastrichtung wurde die Mauerwerkswand 1 beidseitig mit einer Laminat beschichtung 2 nach der Lehre der Erfindung versehen. Die Laminatbeschichtung 2 wurde in parallelen, vertikalen Bahnen auf Stoß auf die Wände aufgebracht. Die einzelnen Schichten des Laminates wurden mit versetztem Stoß ausgeführt.

In der Fig. 3 und 4 erkennt man Stützen 3, die nach der Lehre der Erfindung behandelt wurden. Stützen sind in der Regel biegesteif in die anschließende Bauwerks konstruktion eingebunden. Die Stützen 3 erfahren neben der Druckbeanspruchung auch Biegebeanspruchungen. Aus diesem Grunde ist regelmäßig eine Bewehrung 4 in Längs richtung vorzusehen. Eine Querbewehrung 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 Verbesserung der Tragfähigkeit 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 aufgebrachte Laminatbeschichtung 2. Sie kann über den Umfang verteilt aufgebracht sein.

Die durch die Erfindung erreichten Effekte sind über raschend, wenn man berücksichtigt, daß erfindungsgemäß mit einer mineralischen Matrix gearbeitet wird, die aus Zementmörtel mit Verstärkung 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 Biegebalken 6 auf zwei Stützen 7, der für einen Biegebalkenversuch einge richtet ist. Unbewehrte Betonbalken als Biegebalken 6 wurden mit vier Lagen einer nach der Lehre der Erfindung aufgebauten und aufgebrachten Laminatbeschichtung 2 versehen. Anschließend wurde eine Deckschicht aufgetragen.

Die graphische Darstellung der Fig. 7 hat eine Abzissen achse, auf der die Durchbiegung in Balkenmitte in mm aufgetragen ist und eine Ordinatenachse, die die Einzel kraft in kN in der Balkenebene anzeigt. Die Kurve O zeigt die Reaktion eines unbewehrten 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 verstärkten Betonbiege balken 6 mit den gleichen Ausgangskennwerten. Bei dem nach der Variante A verstärkten Betonbiegebalken ergibt sich zunächst ein Last-Durchbiegungs-Zusammenhang ähnlich zur Kurve O. Nach dem Überschreiten der Beton zugfestigkeit reißt der Biegebalken 6 in der Zugzone auf und die Laminatbeschichtung entfaltet ihre volle Trag wirkung mit einem allmählichen Anstieg der Durchbiegung bis zum vorangekündigten Versagen. Der Betonbiegebalken nach der Variante B zeigt ein ähnliches Last-Weg- Diagramm. Beide Laminatbeschichtungen 2 bewirken insge samt ein duktiles Verhalten der entflüchtigten Beton biegebalken.

Die Einzelheiten der Versuche mit durch eine Laminat beschichtung 2 verstärkten 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- Dispersion 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 Verbesserung der Tragfähigkeit von Bau teilen aus Stahlbeton oder Mauerwerk durch Aufbringen einer Laminatbeschichtung auf zumindest eine Oberfläche des Bau teils mit den Verfahrensschritten

1. 1.1) auf die zu beschichtende Oberfläche wird eine mineralische Matrix in Form einer Mörtel schicht mit Zement oder einem anderen minera lischen Binder aufgebracht,
2. 1.2) zur Verstärkung wird ein Maschen oder ver gleichbare Öffnungen aufweisendes textiles Halbzeug aus Fasern der Gruppe "Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern" oder Mischun gen davon verwendet, welches einen Elastizi tätsmodul von größer 20.000 N/mm², eine Bruch dehnung von größer 0,4% und ein Flächengewicht über 75 g/m² aufweist,
3. 1.3) das textile Halbzeug gemäß Merkmal 1.2) wird in die noch nicht abgebundene Matrix einge drückt, so daß der Mörtel der Matrix die Maschen oder die vergleichbaren Öffnungen des textilen Halbzeuges durchdringt,
4. 1.4) auf die gemäß Merkmal 1.3) in die Matrix ein gedrückte Verstärkung wird eine weitere mine ralische Matrix in Form einer Mörtelschicht mit Zement oder einem anderen mineralischen Bindemittel aufgebracht,

undsoweiterfort mit erneutem Eindrücken eines textilen Halbzeuges gemäß Merkmal 1.2) und erneutem Aufbringen einer mineralischen Matrix, bis die so gebildete Laminat beschichtung die angestrebte Verbesserung der Tragfähigkeit bewirkt, wobei die Matrixschichten beidseits des textilen Halbzeugs durch die Maschen oder die vergleichbaren Öffnun gen des textilen Halbzeugs hindurch monolithisch verbunden werden - und abschließendes Aufbringen einer Deckschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils vor dem Aufbringen der Matrix abtragend gereinigt und aufgerauht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Oberfläche des Bauteils durch Sandstrahlen abtragend gereinigt und aufgerauht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als textile Halbzeuge Gewebe und/oder Maschenware und/oder Nonwoven-Produkte verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine spröde Matrix und ein textiles Halbzeug aus duktilen Fasern und/oder Fäden verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verstärkung, in Abhängigkeit der Geometrie des Bauteils, linear oder schraubenwendelförmig aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein textiles Halbzeug verwendet wird, welches mit Schlaufen versehen ist, wobei in dem Bauteil Befestigungselemente angeordnet werden, die in die Laminatbeschichtung hinein ragen, und wobei diese Befestigungselemente von den Schlaufen umfaßt werden.