Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung von Betonbauten gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Betonkonstruktionen die als Decken, Wände und Träger eingesetzt werden, dienen unter anderen in allen modernen Bauten der Unterbringung von Medienleitungen für Wasser, Abwasser, Lüftung, Elektro und Kommunikation. Weil Lüftungsrohre normalerweise grosse Durchmesser aufweisen, wurden diese für Gebäude mit Klima-Anlagen separat gebaut und die Lüftungskanäle vielfach rechteckig ausgestaltet, so dass sie in der Infrastruktur, z.B. in herunter gehängten Decken versteckt werden konnten. Im Zusammenhang mit dem Energiesparen, das immer mehr Anwendung findet, wurden immer mehr Rohre und Kanäle für Zwangslüftungen eingebaut. Dies bringt es mit sich, dass Lüftungsleitungen grossen Querschnitts eingelegt werden müssen. Da Niemand in Privathäusern und Geschäftsgebäuden offen verlegte Leitungen schätzt, die nebst ästhetischen Mängeln auch Staubfänger und Schmutzzonen sind und die Raumhöhe vermindern, werden vermehrt Leitungen in die Betonkonstruktion eingebaut . Allgemein werden durch fortschreitende Bedürfnisse des Komforts mehr Leerrohre für Medienleitungen wie Elektro, Audio, Heizungen und Wasser eingelegt, so dass in vielen Fällen eine akute Schwächung der Betonkonstruktionen vorliegt.

Im Umfeld solcher Medienleitungen entstehen in der Betonkonstruktion mehrere Hohlräume mit einer Längenausdehnung die oftmals grosse Bereiche der Betonkonstruktion durchlaufen. Dadurch wird insbesondere das Schubtragverhalten der

Betonkonstruktionen massiv beeinträchtigt .

Insbesondere für das Funktionieren der Statik z.B. einer armierten Stahlbetondecke ist jedoch die Schubtragfähigkeit von entscheidender Wichtigkeit .

Bisher bekannte DurchstanzSysteme erlauben nur Verstärkungen der Betonkonstruktion im Bereich von Krafteinleitungsbereichen von Stützen und dergleichen. Sie sind nicht geeignet die Probleme, welche durch Medienleitungen verursachte Schwächungen inmitten von Betonkonstruktionen bringen, zu lösen. Dies insbesondere deshalb, weil für die ermittelte Tragfähigkeit dieser DurchstanzSysteme ein voller Betonquerschnitt ohne Einlagen (z.B. Medienleitungen) vorhanden sein muss. Solche Einlagen schaffen jedoch grosse Zonen ohne Tragfähigkeit . Dies müsste berücksichtigt werden, indem spezielle Vorrichtungen lokal am Ort der Schwächung eingebaut werden. Solche Vorrichtungen sind bis heute nicht bekannt.

Die Schrift DE 19937414A1 beschreibt ein Bauelement, mittels welchem Aussparungen im Stützenbereich von Flachdecken aus Stahlbeton oder Spannbeton verstärkt werden können. In dieser Schrift wird das Problem erkannt, dass die Anordnung von Aussparungen einen elementaren Einfluss auf die Tragfähigkeit der Konstruktion hat. Ebenso wird erkannt, dass die Möglichkeit bestehen muss, solche Vorrichtungen auch noch während der Bauausführung, kurz vor dem Eingiessen des Betons, eingebaut werden zu können.

Diese Offenbarung betrifft nur senkrecht zur Decke und durch die Decke geführte Leitungen in unmittelbarer Stützennähe und löst die Probleme in Bezug auf Durchstanzfestigkeit . Die Problematik ist aber vielfältiger und bereitet den Baustatikern oft Probleme, weil vor Ort und zum Zeitpunkt der Abnahme und/oder Kontrolle der Armierung schwer abzuschätzen ist, wie stark die Festigkeit durch Ansammlungen von Medienleitungen und Medienleitungen grosser Durchmesser, geschwächt wird und wie verfahren werden soll, wenn vermutet wird, dass die Tragfähigkeit einer Betonkonstruktion ungenügend ist. Je perfekter heute eine Installation durch den Sanitär-, den Elektro- und den Lüftungsinstallateur ausgeführt wird, desto mehr und vor allem, desto grösser werden die Anzahl und die Durchmesser der Rohre, die für die spätere Unterbringung der Medienleitungen in eine Betonkonstruktion eingebaut werden. Dem Baustatiker wird normalerweise keine Meldung gemacht, er wird vor Ort mit den Tatsachen konfrontiert und muss die Armierung in der Regel unter Zeitdruck abnehmen.

Bei der statischen Planung, also bei der Auslegung der Armierung einer Beton-Konstruktion wird dieser Tatsache bisher allenfalls bei der Dimensionierung von Trägern Beachtung geschenkt . Für Decken und Wände vertraut man auf die normalerweise mit Sicherheiten ausgelegte Armierung. Die Leitungen werden vor dem Eingiessen des Betons, aber vielfach nach der Festlegung der statisch notwendigen Armierung durch die Arbeiter vor Ort eingelegt . Dem Bauingenieur der die Statik vor dem Eingiessen des Betons abnehmen muss und für deren Qualität haftet, wird bisher kein Mittel zur Verfügung gestellt, mit dem er kurzfristig, mit einfachen Mitteln und vor Ort in der Konstruktion, eine statische Verstärkung einbauen könnte. Die vorliegende Erfindung stellt sich nunmehr die Aufgabe mit einem Bauelement die Betonkonstruktionen der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass in der Planungsphase Mittel zur Verfügung gestellt werden, welche lokal eingesetzt die Schwächungen durch Medienleitungen reduzieren oder gar eliminieren können. Jedoch auch Mittel zur Verfügung gestellt werden, die noch zum Zeitpunkt der Abnahme der Armierung lokal eingebaut werden können, wobei diese nach dem Eingiessen des Betons die Verstärkung der Betonkonstruktion gewährleistet indem sie mittels klarem und für den Bauingenieur mittels leicht erkennbarem Kräftemodell im Bereich der Medienleitungen das Schubtragverhalten derart verstärkt, dass die Statik der Betonkonstruktion den ursprünglich durch den Baustatiker mit der Berechnung der Armierung vorgenommenen Auslegung entweder vollständig oder zumindest in Annäherung entspricht.

Diese Aufgabe löst ein Bauelement für Betonkonstruktionen mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere erfindungsgemässe Merkmale gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor und deren Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert . Grundlage der Erfindung ist ein Verfahren, das dem Bauingenieur erlaubt sowohl in der Planungsphase als auch vor Ort mittels Bauelementen mit Kräftemodellen wirksame Massnahmen zu treffen, um die konventionell bewehrte Betonkonstruktion lokal durch geeignete Mittel in der Art zu verstärken, dass die Baukonstruktion nicht durch Medienleitungen übermässig geschwächt wird respektive, nicht unnötige Überdimensionierungen derselben zu unwirtschaftlichen Baukonstruktionen führen müssen. Zu diesem Zweck werden die in der Folge als Einbauten 20 bezeichneten Einlagen und Medienleitungen mittels Bauelementen 1,21,22,23 umgeben, welche Kräfte übertragen und klar erkennbare kraftneutrale Zonen 31 bilden. Auf jede Betonkonstruktion wirken die Schubkräfte 16,16'. Die Figuren zeigen soche Baukonstruktionen jeweils in der Horizontalen Anordnung, gelten aber für jede beliebigen Lage.

Im Folgenden werden verschiedene Kräftemodelle beschrieben. Das ZD-Kräftemodell 40 wird mittels ZD- Bauelement 21 gelöst, das SB-Kräftemodell 41 wird durch ein SB-Bauelement 22 gelöst und die /Anforderungen eines HS-Kräftemodelles 42 ermöglicht ein HS-Bauelement 23.

Das ZD-Kräftemodell 40 ist in Fig 1 dargestellt. Die kraftneutrale Zone 31 wird durch eine Zugzone 33 und eine Druckzone 32 gebildet. Die Druckkräfte werden durch den Beton 12 und weitere Teile des Bauelementes 1 wie z.B. die in Fig 21,22 dargestellten Verlängerungen 8 übernommen, während zur Aufnahme der Schubkräfte 16,16' ein ZD-Bauelement 21 mit mindestens einem Zugelement 2 dient .

Das SB-Kräftemodell 41 ist in Fig 2 dargestellt. Die kraftneutrale Zone 31 wird durch eine M-Q-Zone 37 ermöglicht, welche die Biegemomente 34 und die Schubkräfte 36 übertragen kann. Die Biegemomente 34 und die Schubkräfte 36 werden durch ein SB-Bauelement 22 mit mindestens einem biegesteifen Element 6 übernommen.

Zwei beliebige Kräftemodelle und kraftneutrale Zonen können durch die Verbindung über ein HS-Kräftemodell 42 in der Art kombiniert werden, dass eine Horizontalschubzone 35 entsteht, welche die HorizontalSchubkräfte 18 aufnimmt (Fig 3) . Dieselbe Kombination kann mit einem SB-Kräftemodell 41 und dem HS-Kräftemodell 41 gemacht werden, diese ist hier aber nicht zeichnerisch dargestellt.

In der Zeichnung zeigt :

Fig 1 ZD-Kräftemodell

Fig 2 SB-Kräftemodell

Fig 3 Kombination von einem ZD-Kräftemodell mit einem HS-Kräftemodell

Fig 4 ZD-Bauelement mit runden Endstücken

Fig 5 ZD-Bauelement mit viereckigen Endstücken

Fig 6 In der Betonkonstruktion eingebautes ZD-

Bauelement

Fig 7 Verschiedene Formen der Halterungen am

Bauelement

Fig 8 ZD-Bauelement mit Hohlraum bildender

Zugstange

Fig 9 ZD-Bauelement mit Hohlraum bildender

Zugstange verstärkt .

Fig 10 In der Betonkonstruktion eingebautes ZD-

Bauelement mit Hohlraum bildender

Zugstange verstärkt .

Fig 11 Hohlraum bildende Zugstangen verschiedener

Bauart von ZD-Bauelementen.

Fig 12 Verbindung von mehreren ZD-Bauelementen. Fig 13 ZD-Bauelement mit winklig angeordneter

Zugstange und Verankerung.

Fig 14 Kreuzweise und winklig angeordnete

Zugstange und Verankerung von ZD- Bauelementen.

Fig 15 Eine Vielzahl kreuzweise und winklig

angeordnete Zugstangen und Verankerungen von ZD-Bauelementen.

Fig 16 U-förmiges SB-Bauelement mit

Verankerungen.

Fig 17 Verschiedene Formen von SB-Bauelementen.

Fig 18 Anordnung eines HS-Bauelementes in der

Decke .

Fig 19 Verschiedene Ausführungsformen

verschiedener HS-Bauelemente .

Fig 20 Geprüfte, einfache Ausführungsform mit

definierter kraftneutraler Zone

Fig 21 Geprüfte, geschlossene Ausführungsform mit definierter kraftneutraler Zone

Fig 22 Geprüfte, offene Ausführungsform mit definierter kraftneutraler Zone

Die Figuren stellen mögliche Ausführungsbeispiele dar, welche in der nachfolgenden Beschreibung erläutert werden. Die Erfindung gewährleistet im Bereich der genannten Hohlräume in Querrichtung das notwendige Schubtragverhalten durch Schaffung eines klaren Kräfteflusses. So wird die entstehende Zugkomponente herrührend von den Schubkräften (zB. Fachwerk-Modell) durch die nachfolgend beschriebenen Systeme und Vorrichtungen aufgenommen. Es wird lokal durch die Systeme ein armierter Bereich für die Kraftübertragung geschaffen. Dies geschieht je nach Kräftemodell durch Mittel wie z.B. Armierungsbügel, Rahmensysteme, Ringe, Dübel und dergleichen die nachfolgend beschrieben sind. Es resultiert ein erhöhter Schubwiderstand der Betonkonstruktion. Sie ermöglicht die notwendige Anordnung und Führung der Medienleitungen und die Aufhängung der entstehenden Zugkräfte dergestalt, dass die notwendigen Kräfteflüsse und Betondruckdiagonalen sich ausbilden können. Dies geschieht durch an die oben genannten Systeme und Vorrichtungen angeordneten Schlaufen, Bänder, Eisen etc. Ebenso ist es möglich, die Medienleitungen an Ort zu lassen und die neuen Bauelemente 1 so anzuordnen, dass sich die notwendigen Druckdiagonalen trotz der Medienleitungen frei ausbilden können.

Ein der Erfindung zugrunde liegende Ausführung des Bauelementes 1, das ZD-Bauelement 21 ist in den Fig 4 und 5 abgebildet. Wesentlichster Teil des ZD- Bauelementes 21 ist die Zugstange 2. Diese wirkt als Zugbandelement in beiden Richtungen. Die Zugstange 2 kann gerade oder in jeder denkbaren Ausführung z.B. als gebogener Stab oder Rahmen ausgebildet sein. Um das ZD-Bauelement 21 im Beton 12 sicher zu verankern, kann es mindestens am einen Ende mit einer Verankerung 3 ausgestattet werden. Diese Verankerung 3 können aus runden oder eckigen AufStauchungen, aus konventionellen Endverankerungen wie angeschweissten Quereisen oder Abbiegungen bestehen. Sie dienen immer der Verankerung der Zugstange 2 im Beton 12 nach dem Eingiessen.

Fig 6 zeigt ein eingebautes ZD-Bauelement 21. Die Druckdiagonalen 30 wirken auf die mit den Verankerungen 3,3' verbundene Zugstange 2, so dass die Einbauten 20 in einer kraftneutralen Zone 31 untergebracht werden können. Das ZD-Bauelement 21 übernimmt die Übertragung der Kräfte, so dass auch beim Einbau vieler und/oder grosser Einbauten 20 wie z.B. Medienleitungen die Betonkonstruktion 10 mit einer bereits ausgelegten und vorhandenen konventionellen Armierung 11 statisch wenig oder gar nicht geschwächt wird.

Um die Einbauten 20 auch während des Eingiessens des Betons 12 in der kraftneutralen Zone 31, also in dem dafür vorgesehenen Hohlraum für die Führung der Einbauten 20 zu halten, wird mit der Zugstange 2 oder den Verankerungen 3,3' eine Halterung 4 fest oder lösbar verbunden. Diese besteht z.B. aus Stäben, Bändern oder Schlaufen mit welchen der mögliche Hohlraum für die Führung der Medienleitungen gesteuert und definiert wird. In Fig 7 ist dargestellt, welche Ausführungsformen möglich sind. Ferner ist auch daran gedacht diese Halterungen 4 als Drähte oder Bänder auszubilden, welche mindestens mit einem Ende an der Zugstange 2 oder den Verankerungen 3,3' lösbar festgemacht sind. Auf diese Weise kann ein ZD- Bauelement 21, oder ein SB-Bauelement 22 und auch ein HS-Bauelement 23 noch im letzten Moment vor dem Eingiessen des Betons 12 noch eingesetzt und die Einbauten 20 mit der am einen Ende losen Halterung 4 umfasst und so mit dem entsprechenden Bauelement 21,22 oder 23 verbunden werden. Es geht bei dieser Handlung ja darum, die Einbauten 20 auch während des Eingiessens im dafür vorgesehenen Hohlraum, der kraftneutralen Zone 30 zu halten.

Andere Ausführungsformen sind in den Fig 8 bis Fig 11 dargestellt. Bei solchen Ausführungsformen bildet das Zugelement 2 gleichzeitig auch die Halterung 4 für die Einbauten 20. In diesen Figuren dargestellte Elemente eignen sich zum geplanten Einbau, so dass den Handwerkern vorgegeben wird, wo sie Ihre Medienleitungen verlegen dürfen und sollen. Wird ein Bauelement 21,22 oder 23 im frühen Zeitpunkt d.h. z.B. schon in der Planung durch den Sanitärinstallateur, den Lüftungstechniker oder den Elektriker vorgesehen, kann dieser seine Leitungen in die Halterungen 4 der bereits vor Ort vorhandenen Bauelemente 21,22 oder 23 einführen. Die Erfindung bietet so den Bauleuten eine Möglichkeit die statische Sicherheit für das Verlegen von Einbauten 20 zum frühen Zeitpunkt vorzusehen.

Um die Position mehrerer Bauelemente 21,22 und/oder 23 in Längsrichtung der kraftneutralen Zone 31 festzulegen, können mehrere Bauelemente 21,22 und/oder 23 durch Verbindungen 5 (Fig 12) miteinander verbunden werden. Dies ist dann notwendig, wenn die Gefahr besteht, dass durch das Eingiessen des Beton 12 die Bauelemente 21,22 und/oder 23 verschoben werden könnten und dadurch nicht genau an dem Ort wirken würden, an dem der Bauingenieur die Verstärkung wünscht .

Die Verankerung 3 muss nicht, wie oben beschrieben, eine AufStauchung oder ein angeschweisstes Teil sein. Wie in Fig 13 dargestellt kann die Zugstange 2 und die Verankerung 3 auch aus einem abgebogenen Winkel bestehen. Zugstange 2 und Verankerung 3 übernehmen dann die Schubkräfte 16 in den Druckdiagonalen 30 wechselseitig. Zugstange 2 und Verankerung 3 können beide die Zugkräfte die durch die Schubkräfte 16 entstehen übernehmen. Sie sind in der Regel in einem Winkel von 90° angeordnet. Wie in Fig 13-15 dargestellt kann auch mit dieser Anordnung für die Einbauten 20 und speziell für Medienleitungen mit grossem Durchmesser eine kraftneutrale Zone 31 geschaffen werden.

Gerade im modernen Bau der den Anforderungen der Gebäude Organisation (Facility-Management) genügen muss werden oft sehr viele einbauten 20, vor allem auch Medienleitungen mit grossen Durchmessern eingebaut. Sollte dies nicht schon zum Zeitpunkt der statischen Auslegung der Betonkonstruktion bekannt gewesen sein, kann es zu grossen Problemen führen. Es ist deshalb denkbar, dass eine Vielzahl von kreuzweise angeordneten Kombinationen von winklig abgebogenen Elementen aus Zugstangen 2 und Verankerungen 3 eingesetzt werden. Auf diese Weise wird wie in Fig 15 gezeigt eine Vielzahl kraftneutraler Zonen 31 für die Unterbringung von Einbauten 20 geschaffen, wobei die Betonkonstruktion 10 möglichst nicht geschwächt wird. In gewissen Fällen kann es sich lohnen oder ist es erforderlich, speziell geformte SB-Bauelemente 22 einzusetzen. Fig 16 zeigt solche biegesteife Elemente 6, welche den Vorteil haben, dass sie eine noch grössere genau vorgegebene kraftneutrale Zone 31 für Einbauten 20 schaffen. Die Einbauten 20 lassen sich mit solchen biegesteifen Elementen 6 zielsicher bündeln. Ein biegesteifes Element 6 besteht z.B. aus einem Rahmen 7, welcher die Schubkräfte 16 in Form von Biegemomenten und Querkräften übernimmt und dadurch ein SB-Bauelement 22 gemäss Fig 2 darstellt. In Fig 17 sind ein paar Variationen solcher SB-Bauelemente 22 in Form von Rahmen 7 dargestellt. Auch solche Rahmen 7 können mittels Verbindungen 5 miteinander verbunden werden.

Grundsätzlich sollen Varianten vorgestellt werden, die dem Baustatiker ermöglichen, auch im letzten Moment vor dem Eingiessen des Betons 12 noch Vorkehrungen zu treffen, dass die Betonkonstruktion 10 keine Schwachstellen aufweist und den Anforderungen entspricht. Es sei nicht das Ziel, dass man die konventionelle Armierung weniger stabil auslege. Das Ziel ist es vielmehr durch ungeplante Einbauten verursachte Schwächungen reduzieren oder sogar eliminieren zu können. Um die oben und in den Fig 1 bis 19 grundsätzlich erklärten Tatsachen in der praktischen Anwendung zu beobachten wurden Bauelemente 1 in der Form wie sie in Fig 20 bis Fig 22 gezeigt werden praktischen Tests unterzogen. Es zeigt sich, dass das ZD-Kräftemodell mit den in den Fig 20 - 22 gezeigten Formen die besten Ergebnisse erzielen. Im technischen Sinne sind diese Formen lediglich Weiterentwicklungen der in Figuren 4,5,8 und 9 dargestellten ZD-Bauelementen 21. Das Kräftemodell 40 ist in Fig 1 dargestellt. Die kraftneutrale Zone 31 wird durch eine Zugzone 33 und eine Druckzone 32 (Fig 1) gebildet. Die Druckkräfte werden durch den Beton 12 und die Verankerungen übernommen, während zur Aufnahme der Zugkräfte der Zugzone 33,33' ein ZD-Bauelement 21' -21"' (Fig 20-22) mit mindestens einem Zugelement 2, 2' dient.

Die in Fig 20 - 22 dargestellten ZD-Bauelemente 21' -21'" gewährleisten im Bereich der Einbauten 20 das notwendige Schubtragverhalten durch Schaffung eines klaren Kräfteflusses mit der kraftneutralen Zone 31. So wird die entstehende Zugkomponente herrührend von den Schubkräften (zB. Fachwerk-Modell) durch die ZD-Bauelemente 21' -21"' aufgenommen und lokal verstärkter Bereich für die Kraftübertragung geschaffen. Dies geschieht durch Mittel wie Armierungsbügel und dergleichen. Es resultiert ein klar quantifizierbarer, erhöhter Schubwiderstand der

Betonkonstruktion. Sie ermöglicht die notwendige Anordnung und Führung der Einbauten 20 (Medienleitungen) und die Anbindung der entstehenden Zugkräfte dergestalt, dass die notwendigen Kräfteflüsse und Betondruckdiagonalen sich ausbilden können. Es ist möglich, die Medienleitungen an Ort zu lassen und die ZD-Bauelemente 21 wie sie in Fig 20 - 22 dargestellt sind so anzuordnen, dass sich die notwendigen Kräfteflüsse trotz der Einbauten 20 (Medienleitungen) frei ausbilden können. Damit werden durch Einbauten 20 verursachte lokale Schwächungen der Betonkonstruktion 11 lokal kompensiert und in der gesamten Betonkonstruktion 11 integriert .

Wesentlichster Teil der ZD-Bauelemente 21' -21''' ist die Zugstange 2,2'. Diese wirkt als Zugbandelement in beiden Richtungen. Um die ZD-Bauelemente 21' -21''' im Beton sicher zu verankern, wird es an den Enden mit Verankerungen 3 ausgestattet . Die Verankerungen 3 bestehen z.B. aus angeschweissten Quereisen, geschraubten Ansätzen, AufStauchungen oder

Abbiegungen. Sie dienen der Verankerung der Zugstange 2,2' im Beton nach dem Eingiessen. Dazu können die in den Fig 21 und Fig 22 dargestellten Verlängerungen 8 zusätzliche Funktionen übernehmen, wie z.B. das Verhindern von Rissen und die Vermeidung von grösseren Deformationen etc . in enger Nachbarschaft der Bauelemente 21' -21'''. Sie dienen auch einer „sanften" Übergabe der Kräfte von den ZD-Bauelementen 21' -21''' an den Beton.

Die ZD-Bauelemente 21' -21''' übernehmen die Übertragung der Kräfte lokal und können an beliebigen Stellen, auch mehrfach eingesetzt werden. Beim Einbau vieler und grosser Einbauten 20 wird die Betonkonstruktion 10 mit einer bereits ausgelegten und vorhandenen konventionellen Armierung 11 statisch wenig oder gar nicht geschwächt . Die durch Einbauten 20 verursachten lokalen Schwächungen werden durch den Einsatz von erfindungsgemässen ZD-Bauelementen 21'- 21 ' ' ' kompensiert .

Grundsätzlich sollen auch die in den Fig 20 - 22 vorgestellten Varianten der ZD-Bauelemente 21' -21''' dem Baustatiker ermöglichen, noch im letzten Moment z.B. anlässlich einer letzten durch den Statiker vorgenommenen Kontrolle vor dem Eingiessen des Betons Vorkehrungen zu treffen, so dass die ganze Betonkonstruktion 10 keine Schwachstellen aufweist und den Anforderungen entspricht. Es ist nicht das Ziel und die Aufgabe der Erfindung, dass man die konventionelle Armierung weniger stabil auslegen muss! Das Ziel ist es vielmehr Schwächungen die von Einbauten 1 herrühren durch entsprechende Massnahmen zu korrigieren. Dass dies mit den in Fig 20 - 22 dargestellten ZD-Bauelementen 21' -21''' erreicht wird haben intensive Tests bewiesen.