DE69001440T2

DE69001440T2 - Verfahren zur Verstärkung von Betonstrukturen.

Info

Publication number: DE69001440T2
Application number: DE90100633T
Authority: DE
Inventors: Tokitaro Hoshijima; Tuneo Tanaka; Kensuke Yagi
Original assignee: Obayashi Corp; Mitsubishi Kasei Corp
Current assignee: Obayashi Corp; Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1989-01-12
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2010-01-13
Also published as: EP0378232A1; US5447593A; DE69001440D1; EP0378232B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verstärken existierender Betonstrukturen.
In vielen Fällen erfordern verschiedene existierende Betonstrukturen eine Verstärkung gegen Erdbeben, weil sie unter alten Baustandards- und Richtlinien gebaut worden sind, und sie daher hinsichtlich ihrer aseismischen Leistungsfähigkeit im Vergleich mit solchen Betonstrukturen schlechter sind, die nach den gegenwärtigen Standards gebaut wurden. In vielen Fällen ist eine solche Verstärkung vorhandener Betonstrukturen auch erforderlich, um die Anzahl der Stockwerke der Bauten bei ihrer Ausdehnung und/oder Umwandlung zu erhöhen, damit sie gegenüber der vorgesehenen Belastung dauerhafter sind.
Als das typische Verfahren zur Verstärkung gegen Erdbeben gemäß der üblichen Technik wurden verschiedene vorgeschlagen, wonach die vorhandenen Säulenteile mit Stahlplatten eingeschlossen werden oder solche vorhandenen Säulenteile mit geschweißten Metallnetzen oder verstärkenden Stahlkäfigen eingehüllt werden, um hauptsächlich die Zähigkeit der Säulenteile zu verbessern, das heißt, um deren Lastaufnahme- und Energieabsorptionsvermögen nicht zu verringern, selbst wenn solche Bauelemente zu einem gewissen Grade Schäden unterworfen sind, wie Rissen usw.
Diese Verstärkungsverfahren sind jedoch nicht frei von verschiedenen Problempunkten, da sie unvermeidbar das Schweißen der Stahlplatte an der Baustelle erfordern, und, um die erwünschte Verstärkung zu erhalten, muß das Schweißen durch erfahrene Schweißer erfolgen; der Transport der Stahlplatten zum vorhandenen Gebäude ist unter Einsatz schwerer Maschinen schwierig zu bewerkstelligen, und das Schneiden dieser Stahlplatten zu einer Größe, die durch menschliche Arbeitskraft getragen werden kann, erhöht unvermeidlich die Menge der Schweißarbeit an der Baustelle; und schließlich ist es auch erforderlich, Mörtel zwischen die vorhandenen Säulenteile und die Stahlplatten, die geschweißten Metallnetze oder die verstärkenden Stahlkäfige zu gießen, um die Übertragung der Spannung zwischen ihnen zu gewährleisten, doch war es schwierig, solchen Mörtel genügend dicht und kompakt zu machen.
Darüber hinaus tragen die oben erwähnten Verstärkungsverfahren im allgemeinen nur zur Erhöhung der Scherfestigkeit der vorhandenen Säulenteile bei, und, um ihre Biegefestigkeit auf ein Niveau zu bringen, das gleich dem vor der Verstärkung ist, ist es erforderlich, Schlitze in den verstärkenden Teilen, wie Stahlplatten, vorzusehen. Solche Schlitze in den verstärkenden Teilen, die der äußeren Oberfläche der Baukonstruktion ausgesetzt sind, beeinträchtigen jedoch die Wasserdichtheit an diesem geschlitzen Teil mit der Folge, daß sich nicht der selten Schwierigkeiten aufgrund eines Eindringens von Wasser ergeben. Darüber hinaus müssen die Stahlplatten gegen Rost behandelt werden, was unvermeidlich die Instandhaltungskosten erhöht.
Es ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, die Biegefestigkeit der Betonstruktur durch Befestigen von Stahlplatten daran unter Einsatz sowohl von Ankerbolzen als auch Klebemittel oder Feinmörtel bzw. Zementbrei zu verstärken. Dieses Verfahren ist jedoch nicht immer befriedigend mit Bezug sowohl auf die Kosten als auch die Arbeitszeit für die Verstärkung.
Es ist auch ein anderes Verstärkungsverfahren vorgeschlagen worden, bei dem Fasern hoher mechanischer Festigkeit in Form von faserverstärktem Kunststoff (FRP) mittels eines Klebemittels an der Betonstruktur befestigt wurde. Dieses Verfahren hat jedoch ihr eigenes Problem, da die vorfabrizierten faserverstärkten Kunststoffkomponenten an der Baustelle angeklebt werden müssen, wodurch, wenn das zu verstärkende Objekt groß ist, die FRP-Komponente für die Konstruktion in kleine Unterkomponenten zerteilt werden muß. In Abhängigkeit von der Konfiguration des zu verstärkenden Objektes wird die Arbeit jedoch unvermeidbar kompliziert.
Die DE-A-2 909 179 beschreibt ein Verfahren zum Verstärken von Betonstrukturen, bei dem eine Glasgewebeschicht auf eine mit Eisenstäben verstärkte Betonplatte laminiert wird. Danach imprägniert man die Glasgewebeschicht mit einem Harz an der Baustelle, wo die Gewebeschicht auf die zu verstärkenden Strukturen laminiert, geschichtet bzw. kaschiert wird.
In Anbetracht der oben erwähnten verschiedenen Probleme, die den konventionellen Verstärkungsverfahren vorhandener Betonstrukturen innewohnen, ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verstärkungsverfahren zu schaffen, mit dem man auf solche Strukturelemente der Betonstrukturen, wie Pfeiler, Schornstein, Säulen bzw. Stützen, Balken bzw. Träger, Platten usw., eine wirksame Verstärkung aufbringen kann und das einfach auszuführen ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Verstärken von Betonstrukturen, umfassend das Befestigen auf der Oberfläche der zu verstärkenden Struktur- bzw. Bauelemente aus Beton eines langfasrigen Materials, das mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Platte eines langfasrigen Prepregs, imprägniert mit einem wärmehärtbaren Harz in einem ungehärteten Zustand, mittels eines bei normaler Temperatur härtenden Klebemittels, das bei einer Temperatur im Bereich von 10-40ºC härtet, befestigt wird.
Die vorgenannte und andere Aufgaben sowie die spezifische Ausführung der Erfindung, wie das zu benutzende Verstärkungsmaterial und das Klebemittel und andere werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung deutlich und verständlich. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Teil eines mit Eisenstäben verstärkten Betonschornsteins veranschaulicht, auf den Platten aus langfasrigem Prepreg (vorimprägniertem Material) aufgebracht bzw. laminiert sind;
Figur 2 ebenfalls eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Teil des Schornsteins darstellt, auf und um den ein Strang aus langen Fasern hoher Festigkeit gewickelt ist und
Figur 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht des verstärkten Teiles einer Struktur.
Das vorimprägnierte Material aus langen Fasern, das in einem ungehärteten Zustand für den Zweck der vorliegenden Erfindung benutzt wird, hat eine planare Gestalt mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 2 mm. Es wird hergestellt durch Imprägnieren einer Platte aus vestärkenden Fasern, wie Glasfasern, Kohlenstoffasern usw., die gestrickt, gewebt, regellos angeordnet, entweder monoaxial oder biaxial oder anders angeordnet sind, mit einem wärmehärtbaren Harz als der Matrix, wie Phenolharz, Epoxyharz, ungesättigtem Polyesterharz, Diallylphthalatharz, Bismaleimidharz, Polyimidharz, Polyamidimidharz, Polyurethanharz usw. Ein bevorzugtes vorimprägniertes Material (Prepreg) ist ein bei hoher Temperatur härtendes vorimprägniertes Material mit einer Härtungstemperatur von 70ºC oder darüber.
Als die langen Fasern können Glasfasern, Kohlenstoffasern, Vinylonfasern, "Aramid"(Alamide)fasern, Siliziumkarbidfasern, Borfasern, Keramikfasern, Metallfasern, Nylonfasern, Polyesterfasern usw. verwendet werden.
Die oben erwähnten langen Fasern und hitzehärtbaren Harze können in Abhängigkeit vom Zweck ihres Einsatzes ausgewählt werden, und man kann zwei oder mehr Arten von ihnen in Kombination verwenden.
Von den verschiedenen langfasrigen vorimprägnierten Materialien können solche mit hoher mechanischer Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul vorzugsweise benutzt werden, da sie eine bemerkenswerte Wirkung bei der Verhinderung der Deformation der Betonstrukturen bei ihrer Verstärkung haben.
Das bei normaler Temperatur härtende Klebemittel, das für die vorliegende Erfindung benutzt werden soll, kann eines für allgemeinen Gebrauch sein. Beispiele solcher Klebemittel sind Harnstoffharz, Resorzinharz, Phenolharz, Epoxyharz usw., als die Basis, mit der ein Härtungsmittel in einer Weise vermischt wird, daß die Härtung bei einer normalen Temperatur stattfindet. Als die Basis ist der ausgewählte Gebrauch solcher Harze, die den synthesischen Harzen der Matrix für das langfasrige vorimprägnierte Material ähnlich sind, bevorzugt, um die Integrität der Basis mit dem vorimprägnierten Material und dem bei normaler Temperatur härtenden Klebemittel aufrechtzuerhalten. Ein bevorzugtes Beispiel des bei normaler Temperatur härtenden Klebmittels, das bei einem Temperaturbereich von 10ºC bis 40ºC härtet, kann ein solches sein, das erhältlich ist durch Vermischen von Bisphenol A-artigem Epoxyharz als der Basis mit einem aminartigen Härtungsmittel. Zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung sollte das Klebemittel vorzugsweise so hergestellt werden, daß es eine Viskosität von 6000 mPa s (cp) oder darunter bei einer Temperatur von 23ºC hat. Das für die Herstellung des Klebemittels zu verwendende Lösungsmittel kann eines sein, das Epoxyharz zu lösen in der Lage ist. Beispiele solcher Lösungsmittel sind Verdünner, Methylethylketon, Aceton und andere. Um die Viskosität des Klebemittels auf 6000 mPa s (cp) oder darunter bei einer Temperatur von 23ºC zu bringen, sollte der Harzgehalt 300 Gewichtsteile oder weniger, bevorzugter 30 bis 100 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Lösungsmittels betragen. Mit diesem Klebemittel sollte das vorimprägnierte Material unmittelbar vor seinem Ankleben an das zu verstärkende Objekt imprägniert werden oder man sollte dieses Klebemittel auf das Prepreg aufbringen. Eine solche Imprägnierung mit dem oder ein solches Aufbringen des Klebemittels kann in einer Zeit innerhalb einer Stunde vor Beginn des Klebens des Prepregs erfolgen. Die Menge des imprägnierten oder aufgebrachten Klebemittels kann im Bereich von 10 g bis 200 g oder bevorzugter von 20 g bis 100 g, bezogen auf 1 m des vorimprägnierten Materials (Prepregs) liegen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Härten des langfasrigen vorimprägnierten Materials, das zum Härten bei einer normalen Temperatur Zeit benötigt, beschleunigt, indem man das bei normaler Temperatur härtende Klebemittel in Berührung bringt mit dem langfasrigen vorimprägnierten Material in seinem ungehärteten Zustand, was zur mechanischen Festigkeit der erforderlichen Verstärkung in einer relativ kurzen Zeitdauer beiträgt.
Da die vorliegende Erfindung das langfasrige vorimprägnierte Material benutzt, das ein geringeres Gewicht hat als Stahlplatten, kann eine Erhöhung des Gewichtes des verstärkenden Materials verhindert werden.
Damit der Fachmann die vorliegende Erfindung ausführen kann, werden die folgenden bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, daß diese Ausführungsformen nur veranschaulichen, nicht aber beschränken, und daß der Fachmann irgendwelche Änderungen und Modifikationen vornehmen kann, ohne den Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den Ansprüchen definiert ist.
Figur 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eigen Teil eines mit Eisenstäben verstärkten Betonschornsteins 1 wiedergibt, auf und um den ein langfasriges Prepreg bzw. eine langfasrige Harzmatte 2 gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geklebt ist;
Figur 2 ist auch eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Teil des Schornsteins 1 wiedergibt, auf und um den ein Strang 8 aus langen Fasern hoher Festigkeit gewickelt ist und
Figur 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Teil der Struktur wiedergibt, auf den die langfasrige Harzmatte in drei Schichten geklebt ist.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf Figur 3 erläutert. Als erstes bringt man, um eine günstige Affinität zwischen dem mit Eisenstäben verstärkten Betonschornstein 1 und dem Klebemittel 7 zu erhalten, eine eindringende Grundierung 6 auf die äußere Oberfläche des Schornsteins 1 auf. Als eindringende Grundierung 6 kann die gleiche Art wie das Klebemittel vorzugsweise benutzt werden, um die Affinität für das Klebemittel zu verbessern. Nach dem Härten der eindringenden Grundierung 6 wird das bei normaler Temperatur härtende Klebemittel 7 aufgebracht. Das bei normaler Temperatur härtende Klebemittel sollte vorzugsweise benutzt werden, indem man es richtig mit einem Verdünner verdünnt, um seine Wirksamkeit zu verbessern.
Nach dem Aufbringen des bei normaler Temperatur härtenden Klebemittels 7 wird die langfasrige Harzmatte 3 als die erste Schicht an das zu verstärkende Objekt geklebt. Ist die langfasrige Harzmatte eine, die hergestellt wurde durch gerichtetes Anordnen der langen Fasern, dann sollte die Harzmasse in einer solchen Weise angeklebt werden, daß die Orientierung der langen Fasern mit der Richtung der Längsachse des Schornsteins zusammenfällt, um die verstärkende Wirkung der mechanischen Festigkeit der Harzmatte auf zuweisen.
Nach dem Ankleben der langfasrigen Harzmatte 3 wird das bei normaler Temperatur härtende Klebmittel 7 auf die Oberfläche der langfasrigen Harzmasse 3 aufgebracht und unmittelbar danach die langfasrige Harzmatte 4 als die zweite Schicht in der gleichen Weise wie die erste Schicht aus der langfasrigen Harzmatte 3 angeklebt, gefolgt vom Aufbringen des bei normaler Temperatur härtenden Klebemittels 7. Danach klebt man die langfasrige Harzmatte 5 als dritte Schicht in der gleichen Weise an, gefolgt vom Aufbringen des bei normaler Temperatur härtenden Klebmittels 7.
Sobald das bei normaler Temperatur härtende Klebmittel 7 seine Härtung beendet hat, ist die Verstärkungsarbeit nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung abgeschlossen.
Die obigen Erläuterungen mit Bezug auf Figur 3 gelten für den Fall, daß die langfasrige Harzmatte in drei Schichten aufgebracht wird, obwohl die Anzahl der Schichten in Abhängigkeit von der erforderlichen Quantität der Verstärkung und der Festigkeit der langfasrigen Harzmatte pro Platte ausgewählt werden kann.
Figur 2 veranschaulicht einen Fall, bei dem ein Strang (strand) 8 aus langen Fasern hoher Festigkeit weiter auf und um die langfasrige Harzmatte gewickelt ist, die schon an den Schornstein geklebt wurde, wie in Figur 1 gezeigt. Zum Wickeln des hochfesten, langfasrigen Stranges 8 ist es bevorzugt, daß ein synthetischer Harzfilm, wie ein Polyesterfilm, als ein Trennmaterial auf die Oberfläche der obersten Schicht des bei normaler Temperatur härtenden Klebemittels 7 aufgebracht wird, um die Haftung zwischen den gewickelten Schichten des bei normaler Temperatur härtenden Klebemittels und des hochfesten, langfasrigen Stranges zu vermeiden, und dann wird der hochfeste, langfasrige Strang 8 vorzugsweise auf und um diesen synthetischen Film gewickelt. In diesem Falle wird der hochfeste, langfasrige Strang 8 gewickelt, während er mit dem Harz imprägniert wird. Als das Harz für diesen Zweck werden solche ohne Haftung am Trennmaterial oder solche mit geringer Haftfestigkeit verwendet. Auf diese Weise wird die gewickelte Schicht aus dem hochfesten, langfasrigen Strang 8 getrennt von der obersten Schicht aus bei normaler Temperatur härtendem Klebmittel 7 gehalten.
Die langen Fasern, die für den hochfesten, langfasrigen Strang 8 benutzt werden, sind die folgenden: Glasfasern, Kohlenstoffasern, Vinylonfasern, "Aramid"fasern, Siliziumkarbidfasern, Borfasern, Keramikfasern, Metallfasern, Nylonfasern, Polyesterfasern usw. Zwei oder mehr Arten dieser Fasern können in Kombination benutzt werden. Die Filament- bzw. Einzelfadenanzahl dieser Fasern kann in Abhängigkeit von der erforderlichen Festigkeit in geeigneter Weise ausgewählt werden.
Als das Trennmaterial sollten solche Materialien, wie Polyesterfilm, der oben beispielhaft genannt wurde und keine Haftung oder eine geringe Haftfestigkeit an dem faserverstärkten Harz aufweist, vorzugsweise ausgewählt werden, um genügend Trennung zwischen den gewickelten Schichten aus dem hochfesten langfasrigen Strang und der langfasrigen Prepregschicht zu erzielen.
Es ist auch möglich, daß nach dem vollständigen Härten der obersten Schicht des bei normaler Temperatur härtenden Klebmittels der hochfeste, langfasrige Strang 8 auf und um das zu verstärkende Objekt gewickelt und dann der hochfeste, langfasrige Strang 8 mit einem Harz geringer Haftfestigkeit mit der obersten Schicht des bei normaler Temperatur härtenden Klebmittels imprägniert wird, um das oben erwähnte Trennmaterial zu vermeiden. Auch ist es möglich als Trennmaterial Ölfarbe oder ähnliches auf diese oberste Schicht des bei normaler Temperatur härtenden Klebmittels statt dem synthetischen Harzfilm aufzubringen.
Die oberste Schicht des bei normaler Temperatur härtenden Klebmittels muß nicht immer von der gewickelten Schicht des hochfesten, langfasrigen Stranges getrennt sein. In diesem Falle ist es nicht erforderlich, das der hochfeste, langfasrige Strang mit dem verstärkendem Harz imprägniert wird.
Wie oben beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung das Verfahren, mit dem das ungehärtete, langfasrige vorimprägnierte Material an die Oberfläche der Betonstruktur geklebt werden kann, während es genügend seinen Unregelmäßigkeiten folgt. Da die Spannung von der Betonstruktur leicht übertragen werden kann, kann man die mechanische Festigkeit der langen Fasern als das Verstärkungsmaterial vorteilhaft nutzen, wodurch das verbesserte Verstärkungsverfahren geschaffen wird.
Weiter schafft die vorliegenden Erfindung das Verstärkungsverfahren, mit dem eine genügende Verstärkung des zu verstärkenden Gegenstandes, ungeachtet der Kompliziertheit der Oberflächenkonfiguration des Bauelementes der Betonstruktur, wie einer gekrümmten Oberfläche, leicht bewirkt werden kann.
Weiter schafft die vorliegende Erfindung ein Verstärkungsverfahren, bei dem es der kombinierte Einsatz des langfasrigen vorimprägnierten Materials in einem ungehärteten Zustand und des bei normaler Temperatur härtenden Klebemittels es unnötig macht, irgend eine spezielle Verfahrensstufe, wie das Härten unter Hitze usw., anzuwenden, wodurch die Verstärkung des zu verstärkenden Gegenstandes durch Härten des vorimprägnierten Materials in einer kurzen Zeitdauer erfolgen kann.
Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung das Verstärkungsverfahren, bei dem der Einsatz der langen Faser einer hohen spezifischen Festigkeit aus dem Verstärkungsmaterial die Gewichtszunahme durch die Verstärkung deutlich unterdrücken kann, was es unnötig macht, den Bereich für die Verstärkung auszudehnen oder die Basis zu verstärken.
Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung das Verfahren, nach dem die Gewichtsverringerung des verstärkenden Materials es ermöglicht, das Material ohne Gebrauch einer schweren Hebemaschine leicht zu transportieren und das Ankleben einfach und leicht zu gestalten.

Claims

1. Ein Verfahren zum Verstärken von Betonstrukturen umfassend das Befestigen an der Oberfläche der Bauelemente des zu verstärkenden Betons eines langfasrigen Materials, das mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Platte eines langfasrigen vorimprägnierten Materials (2, 3, 4, 5), imprägniert mit einem wärmehärtenden Harz in einem ungehärteten Zustand, mittels eines bei normaler Temperatur härtenden Klebmittels (7), das bei einer Temperatur im Bereich von 10ºC bis 40ºC gehärtet wird, befestigt wird.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin die genannte lange Faser ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glasfaser, Kohlenstoffaser und "Aramid"(Alamide)faser.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin die Grundlage für das bei normaler Temperatur härtende Klebemittel Epoxyharz ist.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, worin das genannte Epoxyharz ein Bisphenol A-artiges Epoxyharz ist.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, worin ein aminartiges Härtungsmittel als das Härtungsmittel benutzt wird.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 1 , worin das genannte Härtungsmittel in einem Lösungsmittel gelöst wird, um seine Viskosität auf 6000 mPa s (cp) oder darunter bei einer Temperatur von 23ºC einzustellen.