Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorspannen eines Tragelements eines Bauwerks mit dem Schritt: Bereitstellen einer Spannvorrichtung mit einer Spannachse, wobei die Spannvorrichtung eine Formgedächtnislegierung umfasst oder aus einer solchen besteht.

Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Spannvorrichtung zur dauerhaften Befestigung an einem Bauwerk zum Tragen einer Last und zum Aufbringen einer Spannung zur Sicherung des Bauwerks.

Formgedächtnislegierungen sind Legierungen, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Nach einer vorangegangenen plastischen Verformung können diese Legierungen durch Überschreiten der Austenitstarttemperatur, kurz A _s - Temperatur, in ihre alte Form (programmierte Form) gebracht werden, was als Einweg- Effekt bezeichnet wird. Ferner existieren Legierungen, die bei zwei unterschiedlichen Temperaturen ihre Form erinnern. Solche weisen dann einen sogenannten Zweiweg -Effekt auf. Des Weiteren können Formgedächtnislegierungen ein pseudoelastisches Verhalten zeigen, das durch eine reversible spannungsinduzierte martensitische Umwandlung charakterisiert ist. Der Begriff Formgedächtnislegierung ist auch unter dem Begriff Formgedächtnismaterial bekannt.

Das thermische, chemische und mechanische Verhalten wird dabei maßgeblich durch die Legierungszusammensetzung und die Mikrostruktur bestimmt.

Spannvorrichtungen dienen dazu, Bauwerke zu verstärken, Rissbildung vorzubeugen und zu vermeiden. Ferner lässt sich durch eine Spannvorrichtung die Lebensdauer von Bauwerken verlängern. Üblicherweise werden Bauwerke oder einzelne Segmente oder Elemente von Bauwerken mit einer Spannvorrichtung vorgespannt. Insbesondere wird eine solche Spannvorrichtung bereits heute etwa zur Verstärkung gegen das Durchbiegen von Betonteilen oder zur Umschnürung beispielsweise von Stützen zur Erhöhung der Axialbelastung und zur Schubverstärkung eingesetzt. Dazu ist das Bauwerk mit Spanngliedern im Verbund oder ohne Verbund mit dem jeweiligen Bauwerk vorzuspannen. Aus WO 2014/166003 A2 und CN 107407100 A ist jeweils ein Verfahren zum Erstellen vorgespannter Betonbauteile in Neukonstruktionen bekannt. Ferner betreffen diese ein Verfahren, um bestehende Bauwerke nachträglich zu verstärken. In WO 2014/166003 A2 werden zum Vorspannen vorgesehene Profile aus Formgedächtnislegierungen mittels zementgebundenem Mörtel mit dem Bauwerk verbunden. Weitere Verbesserungen sind wünschenswert.

Häufig werden Bauwerke mit Spanngliedern im Verbund vorgespannt. Allerdings lässt sich, ist der Verbund einmal hergestellt, die Vorspannkraft nachträglich nicht mehr einstellen bzw. lastabhängig anpassen. Es lassen sich dann allenfalls Bauwerkelemente samt der im Verbund vorgespannten Spannglieder entfernen und durch gleichartige Elemente ersetzen, beispielsweise Brückenabschnitte. Durch die Vorspannung von Spanngliedern ohne Verbund lässt sich die Vorspannung zwar -je nach Bauwerk - nachträglich justieren, allerdings geht dies mit einem hohen Ressourceneinsatz und hohen Kosten einher.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Vorspannen von Bauwerken und eine Verwendung einer Spannvorrichtung bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile verringern oder beseitigen und/oder gegenüber existierenden Lösungen verbessert sind. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Vorspannen von Bauwerken und eine Verwendung einer Spannvorrichtung bereitzustellen, welche ein vereinfachtes Vorspannen mit einem geringeren Ressourcenaufwand, insbesondere mit einem geringeren Personal- , Zeit- und Maschineneinsatz, ermöglicht. Ferner ist es insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Vorspannen von Bauwerken und eine Verwendung einer Spannvorrichtung bereitzustellen, welche ein kostengünstigeres Vorspannen der Bauwerke ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Spannvorrichtung mit einer Spannachse, wobei die Spannvorrichtung eine Formgedächtnislegierung umfasst oder aus einer solchen besteht, die einen Einwegeffekt aufweist, wobei sich die Spannvorrichtung entlang der Spannachse in einem Ausgangszustand mit einer Ausgangserstreckung zwischen einem ersten und einem zweiten Befestigungsabschnitt erstreckt, und Fixieren der Spannvorrichtung im Ausgangszustand wenigstens mit dem ersten Befestigungsabschnitt an dem ersten Aufnahmeabschnitt des Tragelements und dem zweiten Befestigungsabschnitt an dem zweiten Aufnahmeabschnitt des Tragelements, wobei die Spannvorrichtung in dem Ausgangszustand eine Austenitphase aufweist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, das Tragelemente eines Bauwerks lastbedingt über die Zeit zunehmend mehr durchhängen, also verformt sind. Die Erkenntnis stützt sich beispielsweise auf das Verhalten von Brücken von Kraftfahrzeugen, die üblicherweise mit zunehmender Betriebszeit durchhängen. Diese Problematik ist darüber hinaus beispielsweise auch von Regalen oder Gebäuden bekannt.

Die Spannvorrichtung erstreckt sich entlang der Spannachse mit einer Längserstreckung zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsabschnitt. Vorzugsweise umfasst die Spannvorrichtung ein Spannelement, das sich zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsabschnitt erstreckt. Eine solche Spannvorrichtung kann eine Spannlitze oder ein Spannseil als Spannelement umfassen oder daraus bestehen. Insbesondere kann die Spannvorrichtung einen oder mehrere Drähte aufweisen. Weiterhin ist es denkbar, dass die Spannvorrichtung stangenförmig oder stabförmig ausgebildet ist. Das Spannelement kann ferner insbesondere flach, bevorzugt bandförmig oder blechförmig ausgebildet sein. Als Halbzeuge eignen sich für die Spannvorrichtung insbesondere Endlosprodukte, wie Bänder, Bleche, Coils, Drähte und dergleichen.

Die Längserstreckung der Spannvorrichtung ist in aller Regel um ein Vielfaches größer als eine sich zu der Spannachse senkrecht erstreckende Breite und Höhe bzw. Dicke der Spannvorrichtung. Ferner ist die Längserstreckung insbesondere um ein Vielfaches größer als eine sich zu der Spannachse radial erstreckende Radialerstreckung und eine sich zu der Spannachse tangential erstreckende Umfangserstreckung der Spannvorrichtung.

Die Spannvorrichtung weist senkrecht zur Spannachse einen Querschnitt auf. Der Querschnitt kann hierbei jegliche Form haben, vorzugsweise kreisförmig, oval, eckig oder dergleichen. Insbesondere kann der Querschnitt der Spannvorrichtung beispielsweise I- förmig, T-förmig, H-förmig, U-förmig oder dergleichen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Querschnitt entlang der Spannachse konstant. Alternativ kann der Querschnitt der Spannvorrichtung entlang der Spannachse, zumindest abschnittsweise, variieren.

Im Einbauzustand bzw. im Betriebszustand überträgt die Spannvorrichtung eine Kraft vorzugsweise im Wesentlichen entlang der Spannachse. Auf die Spannvorrichtung kann ferner eine Kraft in einem Winkel zu der Spannachse wirken. Ergänzend oder alternativ kann die Spannvorrichtung auch ein Moment, insbesondere ein Biegemoment oder ein Torsionsmoment übertragen. Die Spannachse ist in aller Regel eine Gerade, weist also im Wesentlichen keine Krümmung auf. Alternativ kann die Spannachse zumindest abschnittsweise bogenförmig verlaufen, insbesondere ist bei einer auf die Spannvorrichtung winklig zur Spannachse wirkenden Last, die Spannachse bogenförmig. Vorzugsweise ist die Spannvorrichtung zu der Spannachse koaxial angeordnet.

Die Spannvorrichtung umfasst wenigstens abschnittsweise entlang der Spannachse die Formgedächtnislegierung. Bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung einen Abschnitt mit einer Formgedächtnislegierung mit einer konstanten Längserstreckung über die Breite und/oder die Höhe der Spannvorrichtung. Ferner umfasst die Spannvorrichtung einen Abschnitt mit einer Formgedächtnislegierung mit einer konstanten Längserstreckung über die Radialerstreckung oder Umfangserstreckung der Spannvorrichtung. Insbesondere ist die Längserstreckung der von der Spannvorrichtung umfassten Formgedächtnislegierung über den Querschnitt im Wesentlichen konstant. Alternativ kann die Spannvorrichtung quer zu der Spannachse, über die Breite und/oder die Höhe bzw. über die Umfangserstreckung oder die Radialerstreckung eine variierende Längserstreckung der Formgedächtnislegierung aufweisen. Vorzugsweise nimmt die Längserstreckung der Formgedächtnislegierung über die Breite oder Höhe bzw. Radialerstreckung der Spannvorrichtung senkrecht zur Spannachse zu bzw. ab.

Als Formgedächtnislegierung kann jede geeignete Formgedächtnislegierung, vorzugsweise eisenbasiert, verwendet werden, die einen Einwegeffekt aufweist. Bevorzugte Formgedächtnislegierungen sind beispielsweise NiTi-basierte, Cu-basierte oder Fe-basierte Legierungen.

Bereitstellen der Spannvorrichtung heißt bevorzugt, dass die Spannvorrichtung bereitsteht, um an dem Tragelement für den Einbauzustand bzw. Betriebszustand fixiert zu werden. Eine bereitgestellte Spannvorrichtung steht vorzugsweise zum Fixieren an dem Tragelement zur Verfügung. Bereitstellen umfasst insbesondere, dass die Spannvorrichtung an der Einbauposition bzw. der Betriebsposition bereitgestellt wird. Besonders bevorzugt steht die Spannvorrichtung zur Montage an dem Tragelement bereit.

Es ist zu verstehen, dass die Spannvorrichtung zum Bereitstellen in dem Ausgangszustand eine Austenitphase aufweist. Insbesondere ist zu verstehen, dass die Spannvorrichtung in dem Ausgangszustand in vorteilhafter Weise nicht vorgereckt bereitgestellt wird. Besonders bevorzugt wird die Spannvorrichtung bzw. die Formgedächtnislegierung nicht plastisch kaltverform bereitgestellt.

Der erste und zweite Befestigungsabschnitt ist zum Fixieren der Spannvorrichtung an dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt des Tragelements ausgebildet. Das Tragelement erstreckt sich dabei vorzugsweise entlang einer Tragachse mit einer Längserstreckung zwischen dem ersten und dem zweiten Aufnahmeabschnitt. Fixieren kann hierbei auch Anschließen, Aufnehmen oder Befestigen bedeuten. Der erste und zweite Aufnahmeabschnitt des Tragelements nehmen also die Spannvorrichtung, insbesondere den ersten und zweiten Befestigungsabschnitt, auf und übertragen die auf das Tragelement wirkende Last und damit einhergehende Verformung des Tragelements auf die Spannvorrichtung. In geeigneter Weise führt die Verformung bevorzugt zu einem Vorrecken der Spannvorrichtung, insbesondere der Formgedächtnislegierung. Ferner kann auch die Spannvorrichtung eine Kraft auf das Tragelement übertragen. Der Verfahrensschritt Fixieren erfolgt vorzugsweise durch eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere durch eine Schraubverbindung. Ferner vorzugsweise kann der Verfahrensschritt Fixieren durch eine formschlüssige Verbindung erfolgen. Insbesondere kann der Verfahrensschritt Fixieren durch eine stoffschlüssige Verbindung umgesetzt sein, beispielsweise durch eine Klebverbindung oder Schweißverbindung. In bevorzugter Weise kann der Verfahrensschritt Fixieren durch eine Kombination der kraftschlüssigen, formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung umgesetzt werden.

Insbesondere sind der erste und zweite Befestigungsabschnitt und der erste und zweite Aufnahmeabschnitt zum Fixieren mit einer Schraubverbindung und/oder formschlüssigen Verbindung ausgebildet. Vorzugsweise wird die Spannvorrichtung lösbar an dem Tragelement fixiert, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung und/oder Klemmverbindung. Alternativ oder ergänzend können der erste und zweite Befestigungsabschnitt der Spannvorrichtung stoffschlüssig mit dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt des Tragelements verbunden sein. Besonders bevorzugt weisen der erste und zweite Befestigungsabschnitt eine Befestigungsfläche mit einer bevorzugten Rauheit auf. Ergänzend bevorzugt weisen der erste und zweite Aufnahmeabschnitt eine Aufnahmefläche mit einer bevorzugten Rauheit auf. Vorzugsweise liegt die Rauheit (Ra- Wert) in einem Bereich von 1 pm bis 10 pm, weiter bevorzugt 2 pm bis 8 pm, 2 pm bis 7 pm, 2 pm bis 5 pm, besonders bevorzugt 4 pm bis 5 pm. Die Befestigungsflächen sind zur Befestigung an dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt ausgebildet. Die Aufnahmeflächen sind zum Fixieren des ersten und zweiten Befestigungsabschnitts an dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt ausgebildet.

Die Spannvorrichtung kann auch integraler Bestandteil des Tragelements sein oder das Tragelement ausbilden. In besonders geeigneter Weise sind der erste und zweite Befestigungsabschnitt jeweils als ein Befestigungselement ausgebildet. Vorzugsweise sind das jeweilige Befestigungselement und das Spannelement geeignet, miteinander lösbar, insbesondere durch eine Klemmverbindung, kraftschlüssig verbunden zu werden. Insbesondere umfasst oder besteht die Spannvorrichtung aus dem Spannelement und zwei Befestigungselementen. Es ist denkbar, die Klemmverbindung mittels einer Schraubenverbindung zu realisieren. Alternativ oder ergänzend ist ferner eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Spannelement und dem Befestigungselement denkbar, etwa durch eine Nase oder einen Haken, die mit einer entsprechenden Nut im Eingriff stehen kann. Ergänzend oder alternativ ist auch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung oder Klebeverbindung, denkbar.

In vorteilhafter Weise kann die aus dem Eigengewicht des Tragelements oder die aus der auf das Tragelement wirkenden Last resultierende Verformung des Tragelements zum Vorrecken der Formgedächtnislegierung genutzt werden. Insbesondere kann der Herstellungsschritt der plastischen Kaltverformung, beispielsweise durch Kaltwalzen, entfallen. Die erfindungsgemäße Anordnung spart insbesondere bereits in der Herstellung in vorteilhafter Weise den Herstellungsschritt Vorrecken ein. Besonders bevorzugt wird der Einsatz von Zeit, Ressourcen und Personal eingespart. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage einer nicht vorgereckten Spannvorrichtung ermöglicht insbesondere kostengünstig hergestellte Halbzeuge bereitzustellen und zu montieren, die eine Formgedächtnislegierung aufweisen.

Weiter ist bevorzugt, dass das Verfahren zum Vorspannen die Schritte umfasst: Verformen der Spannvorrichtung in Bezug auf die Ausgangserstreckung um eine relative Umwandlungsverformung in Abhängigkeit der Last und Umwandeln der

Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung von der Austenitphase im

Ausgangszustand in eine Martensitphase eines Verformungszustands mit einer Verformungserstreckung entlang der Spannachse.

Über das Tragelement wirkt eine Kraft auf die Spannvorrichtung. Die Spannvorrichtung wird in Abhängigkeit einer auf das Tragelement wirkenden Last verformt. Dazu führt die auf das Tragelement wirkende Last zu einer Kraft, die auf die Spannvorrichtung wirkt. Die von dem Tragelement auf die Spannvorrichtung wirkende Kraft ist also von der Last abhängig. Die Last kann punktuell oder als Flächenlast auf das Tragelement wirken. Im Allgemeinen wird die Last im Wesentlichen senkrecht zu der Tragachse auf das Tragelement wirken. Es ist ergänzend denkbar, dass weiterhin eine Last im Wesentlichen parallel zu der Tragachse auf das Tragelement wirkt. Es ist zu verstehen, dass die Last insbesondere asymmetrisch auf das Tragelement wirken kann. Insbesondere kann die Last als Flächenlast monoton steigend und/oder monoton fallend sein. Alternativ und/oder ergänzend kann auch eine konstante Flächenlast auf das Tragelement wirken.

Es ist zu verstehen, dass die Last einen statischen und einen dynamischen Lastanteil umfassen kann. Der statische und dynamische Lastanteil können sich überlagern. Der statische Lastanteil resultiert beispielsweise aus dem Eigengewicht des Tragelements bzw. des Bauwerks und weiteren stationär angeordneten Einheiten. Der statische Lastanteil ist im Wesentlichen konstant. Die dynamische Last ist beispielsweise vom Wetter, also von Winden, und/oder vom Straßenverkehr, etwa Fahrzeugen oder Personen, abhängig. Insbesondere kann der dynamische Lastanteil eine Überlagerung verschiedener dynamischer Lastverläufe aufweisen, beispielsweise von Fahrzeugen und dem Wind. Insbesondere können unterschiedliche Frequenzen und/oder Amplituden die dynamischen Lastverläufe charakterisieren. Einzelne dynamische Lastverläufe können periodisch sein. Es ist zu verstehen, dass die Last und damit auch die Kraft über die Zeit variieren können.

Je nach Lastgröße, Lastwechseln, Lastrichtung und spezifischer konstruktiver Ausgestaltung des Tragelements bzw. des Bauwerks verformt sich das Tragelement senkrecht und/oder entlang der Tragachse. Entsprechend ändert sich die Anordnung des ersten und zweiten Aufnahmeabschnitts und die Anordnung des daran fixierten ersten und zweiten Befestigungsabschnitts zueinander. Dies führt zu einer entsprechenden Verformung der Spannvorrichtung senkrecht und/oder entlang der Spannachse.

Vorzugsweise wirkt die Last auf das Tragelement im Wesentlichen als Zugkraft auf die Spannvorrichtung. Ergänzend und/oder alternativ kann die Last auch als Moment, insbesondere als Biegemoment und/oder Torsionsmoment auf die Spannvorrichtung wirken. Insbesondere ist denkbar, dass die Last ergänzend oder alternativ als Druckkraft auf die Spannvorrichtung wirkt. Insbesondere ist zu verstehen, dass die auf die Spannvorrichtung wirkende Kraft zwischen der Zugkraft und der Druckkraft wechseln kann. Weiterhin kann auch die Wirkungsrichtung des Biegemoments und/oder des Torsionsmoments wechseln. Die Wechsel hängen im Wesentlichen von dem dynamischen Lastanteil bzw. den einzelnen dynamischen Lastverläufen ab.

Die Formgedächtnislegierung wandelt in Abhängigkeit einer entlang der Spannachse gemessenen relativen Umwandlungsverformung von der Austenitphase in den Verformungszustand mit der Martensitphase. Besonders bevorzugt liegt die Martensitphase in dem Verformungszustand als e-Martensit in einer hexagonalen Kristallgitterstruktur vor. Ferner kann die Martensitphase hexagonale Kristallgitterstrukturen des e-Martensits und kubisch raumzentrierte Kristallgitterstrukturen des ά-Martensits aufweisen.

Die relative Umwandlungsverformung ist die lastbedingte Längenänderung der Spannvorrichtung bezogen auf die Ausgangserstreckung. Insbesondere bezieht sich die relative Umwandlungsverformung auf eine Verformung im Wesentlichen parallel und/oder koaxial zu der Spannachse. Die relative Umwandlungsverformung wird auch als Dehnung e bezeichnet. Es ist zu verstehen, dass die relative Umwandlungsverformung ein pseudoplastisches Verformen des Martensits umfasst. Vorzugsweise ist die relative Umwandlungsverformung der Spannvorrichtung beim Verformen größer als eine elastische und pseudoelastische Dehnung der Formgedächtnislegierung. Wichtig beim Verformen ist, dass tatsächlich eine plastische Verformung stattfindet, sodass die elastische und pseudoelastische Dehnung überschritten wird.

Um ein Zerstören des Materials zu verhindern, liegt die relative Umwandlungsverformung vorzugsweise unterhalb der Gesamtdehnung bei Bruch A . Insbesondere ist die relative Umwandlungsverformung der Spannvorrichtung geringer als die Gleichmaßdehnung A _g . Hierdurch wird eine Überlastung des Materials vermieden. Vorzugsweise ist die relative Umwandlungsverformung der Spannvorrichtung beim Verformen geringer als A , und/oder A _g , gemessen nach DIN EN ISO 6892-1 , Stand 2017-02. Vorzugsweise beträgt die relative Umwandlungsverformung wenigstens etwa 6 % A _g und/oder höchstens etwa 65 % A _g . Vorzugsweise liegt die relative Umwandlungsverformung in einem Bereich von 17 - 25 % A _g . Bevorzugte Werte für die relative Umwandlungsverformung der Spannvorrichtung beim Verformen liegen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 10 %, vorzugsweise 2 bis 8 %, 3 bis 7 %, 4 bis 6 %, bevorzugt in etwa 5 %. Auch andere Bereiche können bevorzugt sein, beispielsweise 2 bis 5 %, oder 5 bis 9 %, je nachdem welche Formgedächtnislegierung verwendet wird.

Vorzugsweise wird die relative Umwandlungsverformung der Spannvorrichtung beim Verformen so eingestellt, dass eine auf die Formgedächtnislegierung bezogene maximale Rückstellspannung, und/oder maximale Rückstellbewegung erhalten wird. Je nachdem zu welchem Einsatzzweck die Spannvorrichtung dient, ist entweder eine maximale Rückstellspannung oder maximale Rückstellbewegung bevorzugt. Es kann auch ein Optimum aus beiden gefunden werden, wenn dies für den jeweiligen Anwendungsfall bevorzugt ist. Die relative Umwandlungsverformung beträgt bei im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eingesetzten Formgedächtnislegierungen vorzugsweise in etwa 5 %, bzw. befindet sich in den oben genannten Bereichen.

Besonders bevorzugt ist die Formgedächtnislegierung eine Eisen- Formgedächtnislegierung und wird in einer Austenitphase bereitgestellt. In einer bevorzugten Variante ist die Eisenformgedächtnislegierung ein FeMnSi-System. Diese eignen sich besonders als Formgedächtnislegierungen und haben gezeigt, dass sie gute Rückstelleigenschaften aufweisen. Ergänzend und/oder alternativ zu den Fe-basierten Legierungen umfasst die Formgedächtnislegierung bevorzugt eine Cu-basierte und/oder NiTi-basierte Legierung. Cu-basierte Legierungen sind beispielsweise CuZn, CuZnAI, Cu13,95AI3,93Ni (Gewichtprozent), CuAIMn. CuAIBeMn, CuAIMnV. NiTi-basierte Legierungen sind beispielsweise Ti16Zr10Nb4Ta (Atomprozent), NiTi, NiMnlnMg, PtTi.

In Abhängigkeit der relativen Umwandlungsverformung wandelt die Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung aus dem Ausgangszustand mit der Austenitphase in die Martensitphase des Verformungszustands. Die Umwandlung von der Austenitphase in die Martensitphase ist also insbesondere durch Anlegen einer durch die Last bedingten Kraft und damit mechanischen Spannung induziert. Die induzierte mechanische Spannung ist vorzugsweise kleiner als die Streckgrenze der Formgedächtnislegierung in der Austenitphase. Die Umwandlung von der Austenitphase in die Martensitphase erfolgt im Wesentlichen diffusionslos, insbesondere durch Schwerbewegungen.

Insbesondere wandelt die Formgedächtnislegierung in einem Temperaturintervall von der Austenitphase in die Martensitphase um, bei der die Temperatur oberhalb der Martensit- Finish-Temperatur M _f und unterhalb der Martensit-Deformation-Temperatur M _d liegt. Die Martensitfinish-Temperatur M _f und die Martensit-Deformation-Temperatur M _d hängen im Wesentlichen von der Art der Formgedächtnislegierung ab.

In vorteilhafter Weise kann die aus dem Eigengewicht des Tragelements oder die aus der auf das Tragelement wirkenden Last resultierende Verformung des Tragelements zum Vorrecken der Formgedächtnislegierung genutzt werden. Insbesondere kann der Montageschritt der plastischen Kaltverformung, beispielsweise durch Kaltwalzen, entfallen. Die erfindungsgemäße Anordnung spart in der Herstellung in vorteilhafter Weise einen Verfahrensschritt und somit Zeit, Ressourcen und Personal ein. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage einer nicht vorgereckten Spannvorrichtung ermöglicht insbesondere kostengünstig hergestellte Halbzeuge, die eine Formgedächtnislegierung aufweisen, bereitzustellen und zu montieren.

Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens umfasst die Schritte: Entlasten der Spannvorrichtung von der Last, vorzugsweise mindestens um etwa 30% der Last, Erhitzen der Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung auf eine Phasenumwandlungstemperatur, Umwandeln der Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung von der Martensitphase im Verformungszustand in eine Austenitphase eines Erinnerungszustands mit einer Erinnerungserstreckung, und Vorspannen des Tragelements in Abhängigkeit einer durch die Erinnerungserstreckung induzierten Rückstellspannung der Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung.

Zur Umwandlung der Formgedächtnislegierung aus dem Verformungszustand mit der Martensitphase in den Erinnerungszustand mit der Austenitphase ist die Spannvorrichtung zu entlasten. In aller Regel wir dazu das Tragelement mit der daran fixierten Spannvorrichtung entlastet. Insbesondere wird das Tragelement derart entlastet, dass die Spannvorrichtung um mindestens 10 % der Last und/oder mehr entlastet wird. Besonders bevorzugt wird zum Entlasten der Spannvorrichtung die Last um 30 % und/oder mehr reduziert. Insbesondere wird die Last um 50% und/oder mehr zum Entlasten der Spannvorrichtung reduziert.

Das Entlasten erfolgt beispielsweise mittels Stützvorrichtungen, die der auf das Tragelement und damit der auf die Spannvorrichtung wirkenden Last entgegenwirken. Insbesondere kann die Stützvorrichtung ein Stützelement oder eine Hubeinrichtung sein. Ergänzend und/oder alternativ kann die Last für das Verfahren zum Vorspannen der Spannvorrichtung reduziert werden. Bevorzugt wird der statische Lastanteil reduziert, etwa durch Reduktion des Eigengewichts. Ferner kann der dynamische Lastanteil und damit einhergehende Lastspitzen reduziert werden. Insbesondere kann beispielsweise bei Brücken der Fahrzeug- und/oder Personenverkehr eingestellt werden.

Zum Umwandeln der Formgedächtnislegierung in seine ursprüngliche Kristallstruktur, dem Austenit, ist die Spannvorrichtung bzw. die Formgedächtnislegierung auf eine Phasenumwandlungstemperatur zu Erhitzen. Vorzugsweise liegt die Phasenumwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung dazu oberhalb der Austenitstart-Temperatur (A _s -Temperatur) erhitzt und unterhalb einer Austenitfinish- Temperatur (A _F -Temperatur). Vorzugsweise liegt die As-Temperatur der Formgedächtnislegierung in einem Temperaturintervall von -200°C bis +400°C. In besonders bevorzugter Weise liegt die As- Temperatur für NiTi-basierte oder Cu-basierte Formgedächtnislegierungen in einem Temperaturintervall von -200°C bis +200°C. Die A _s -Temperatur Fe-basierter Formgedächtnislegierungen liegt vorzugsweise in einem Temperaturintervall von -200°C bis +150°C oder von +25°C bis +400°C. Für manche Formgedächtnislegierungen, wie etwa in WO 2014/146733 A1 oder der Anmeldung PCT/EP 2017/063322 der hiesigen Anmelderin beschrieben, deren jeweilige Inhalte vollständig durch Referenz hierin miteinbezogen werden, liegt die A _s -Temperatur vorzugsweise in einem Temperaturintervall von 30°C bis 135°C.

Die A _f -Temperatur der Formgedächtnislegierung liegt bevorzugt in einem Temperaturintervall zwischen 100°C und 400°C, beispielsweise für Fe- Formgedächtnislegierungen, oder zwischen 200°C und 375°C, beispielsweise für Formgedächtnislegierungen wie etwa in WO 2014/146733 A1 oder der Anmeldung PCT/EP 2017/063322 beschrieben.

Durch Entlasten und Erhitzen der Spannvorrichtung kann die Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung von der Martensitphase in die Austenitphase des Erinnerungszustands wandeln. Durch die Phasenumwandlung liegt die Spannvorrichtung im Erinnerungszustand mit einer Erinnerungserstreckung vor. Zum Vorspannen des Tragelements mit der Spannvorrichtung ist das Tragelement mit der Last wieder entsprechend zu belasten. Besonders bevorzugt ist die durch das Entlasten bewirkte Lastreduktion abzustellen. Insbesondere ist die für das Entlasten gegebenenfalls angeordnete Stützvorrichtung zu entfernen. Insbesondere ist wieder jene für den Einbauzustand bzw. Betriebszustand übliche Last herzustellen. Dies kann bei Brücken beispielsweise die Freigabe des Straßenverkehrs umfassen.

Das Vorspannen resultiert im Wesentlichen aus einer Rückverformung der Spannvorrichtung. Die Rückverformung hängt im Wesentlichen von der Erinnerungserstreckung ab. Insbesondere ist die Rückverformung die Differenz zwischen der Erinnerungserstreckung und der Verformungserstreckung. Besonders bevorzugt wird in Abhängigkeit der Rückverformung eine Rückstellspannung induziert. Insbesondere wirkt in Abhängigkeit der Rückstellspannung eine Rückstellkraft von der Spannvorrichtung auf das Tragelement. In Abhängigkeit der Rückstellspannung spannt die Spannvorrichtung das Tragelement vor. Zum Vorspannen des Tragelements weist die Spannvorrichtung vorzugsweise eine relative Rückverformung zwischen 1 ,5% bis 4%, vorzugsweise 2%, auf. Bei der relativen Rückverformung wird die Rückverformung vorzugsweise auf die Verformungserstreckung oder aber auf die Erinnerungserstreckung bezogen. Die Rückstellspannung liegt vorzugsweise zwischen 300MPa und 600MPa.

In dieser bevorzugten Ausführung lassen sich die bereits eingeführten Vorteile in besonders geeigneter Weise realisieren.

Bevorzugt ist die Spannvorrichtung im Erinnerungszustand als Druckelement ausgebildet, sofern die Erinnerungserstreckung größer ist als die Verformungserstreckung. Besonders bevorzugt ist die Spannvorrichtung als Zugelement ausgebildet, sofern die Erinnerungserstreckung kleiner ist als die Verformungserstreckung.

Weiterhin ist eine Ausführung des Verfahrens bevorzugt, bei der sich das Tragelement in einer Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen entlang einer Tragachse erstreckt und die Spannvorrichtung mit der Spannachse im Wesentlichen parallel zu der Tragachse und mit einem Abstand angeordnet ist.

Der Abstand zwischen der Spannvorrichtung und dem Tragelement ist vorzugsweise der Abstand orthogonal zu der Tragachse und der Spannachse. Bevorzugt weist das Tragelement eine Dicke bzw. Höhe senkrecht zu der Tragachse und die Spannvorrichtung eine Dicke bzw. Höhe senkrecht zu der Spannachse auf. Vorzugsweise ist die Spannvorrichtung parallel zum Tragelement derart beabstandet, dass sich der Abstand zwischen der Spannachse und der Tragachse aus der Summe der Hälfte der Dicke des Tragelements und der Hälfte der Dicke der Spannvorrichtung ergibt. Alternativ können die Spannachse und die Tragachse im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sein. In dieser bevorzugten Ausführung beträgt der Abstand zwischen der Tragachse und der Spannachse im Wesentlichen null. Insbesondere bildet das Tragelement in dieser Ausführung die Spannvorrichtung vorzugsweise aus. Ferner ist denkbar, dass die Spannachse und die Tragachse mit einem davon abweichenden Abstand zueinander angeordnet sind. Bevorzugt sind die Spannachse und die Tragachse mit einem möglichst minimalen Abstand zueinander angeordnet.

Alternativ dazu ist es bevorzugt, dass sich das Tragelement in einer Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen entlang einer Tragachse erstreckt und die Spannvorrichtung mit der Spannachse im Wesentlichen quer zu der Tragachse des Tragelements angeordnet ist. Vorzugsweise liegt die Tragachse in der neutralen Faser. Die neutrale Faser des Tragelements beschreibt jene Faser bzw. Schicht, deren Länge unabhängig von einer Last (quer zur Tragachse) konstant ist, also in der Länge stets der Ausgangserstreckung entspricht. Vorzugsweise liegt die Tragachse in der neutralen Faser. Die Tragachse liegt insbesondere bei solchen Tragelementen in der neutralen Faser, die mittels einer Fest- Los-Lagerung oder Los-Los-Lagerung, bevorzugt symmetrisch, gelagert sind.

Ferner ist vorzugsweise das Tragelement im Wesentlichen mit einer Last quer zur Tragachse beansprucht ist. Alternativ oder ergänzend ist denkbar, dass das Tragelement im Wesentlichen mit einer Last parallel zur Tragachse beansprucht ist.

Eine weitere Ausführung des Verfahrens umfasst vorzugsweise die Schritte: Bereitstellen einer als Druckelement ausgebildeten Spannvorrichtung, Bereitstellen einer als Zugelement ausgebildeten Spannvorrichtung, Fixieren der im Erinnerungszustand als Druckelement ausgebildeten Spannvorrichtung auf einer im Einbauzustand des Tragelements auf Druck beanspruchten Seite des Tragelements, und Fixieren der im Erinnerungszustand als Zugelement ausgebildeten Spannvorrichtung auf einer im Einbauzustand des Tragelements auf Zug beanspruchten Seite des Tragelements.

Insbesondere umfasst ein quer zur Tragachse beanspruchtes Tragelement auf einer im Einbauzustand bzw. Betriebszustand in Längsrichtung der Tragachse druckbelasteten Seite eine Spannvorrichtung, die als Druckelement ausgebildet ist, und auf einer im Einbauzustand bzw. Betriebszustand von der druckbelasteten Seite gegenüberliegenden in Längsrichtung der Tragachse zugbelasteten Seite eine weitere Spannvorrichtung, die als Zugelement ausgebildet sein kann.

Mit dieser bevorzugten Ausführung lassen sich ergänzend zu den bereits eingeführten Vorteilen insbesondere auf Biegung beanspruchte Tragelemente Vorspannen.

Insbesondere ist die Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung eine Formgedächtnislegierung, bestehend aus einer Legierung mit folgenden Legierungsbestandteilen in Gewichtsprozent:

25,0% < Mn < 32,0%,

3,0% < Si < 8,0%,

3,0% < Cr < 10,0%,

0,1 % < Ni < 4,0%, PS 0,1%,

SS 0,1%,

Mo <0,5%,

Cu < 0,5%,

- AI S 5,0%,

Mg < 5,0%,

OS 0,1%,

Ca <0,1%,

Co < 0,5%, wobei mindestens ein Element einer Gruppe 1 von Elementen vorhanden ist, wobei die Gruppe 1 aus den Elementen N, C, B mit folgenden Gehalten

N < 0,1%,

CS 0,1%,

B < 0,1 % besteht und für die Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 1 gilt: und mindestens ein Element einer Gruppe 2 von Elementen vorhanden ist, die Gruppe 2 aus den Elementen Ti, Nb, W, V, Zr mit folgenden Gehalten

Tis 1,5%,

Nb <1,5%,

- WS 1,5%,

VS 1,5%,

Zr < 1 ,5% besteht und für die Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 2 gilt: Ti,Nb,W,V,Zr > 0,1

Gruppe 2 und für das Verhältnis der Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 1 und der Gruppe 2, jeweils in Atom-% gilt: 0,5 2,0 mit Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

Eine solche Legierung ist in WO 2014/146733 A1 der hiesigen Anmelderin beschrieben, deren Offenbarungsgehalt vollständig durch Referenz hierin mit einbezogen wird. Es hat sich herausgestellt, dass sich dieses Material besonders für Spannvorrichtungen zum Vorspannen von Tragelementen von Bauwerken eignet. Die den Formgedächtniseffekt beeinflussenden Ausscheidungen, deren Bildung durch das Verhältnis der beiden Elementgruppen, Gruppe 1 und Gruppe 2, zueinander beeinflusst wird, zeigen einen deutlichen, positiven Einfluss auf den Formgedächtniseffekt, sofern die Summe der Bestandteile der Elemente der Gruppe 2 in At.-% der Legierung im Verhältnis zu der Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 1 in At.-% im Bereich von 0,5 bis 0,2 liegt. Hierdurch wird ein gezieltes stöchiometrisches Verhältnis der Elemente der Gruppe 1 zu den Elementen der Gruppe 2 eingestellt. Es wurde festgestellt, dass gerade bei diesem Verhältnis der Legierungsbestandteile der Gruppe 2 zu der Gruppe 1 die Ausscheidungsbildung besonders günstig ist und den Formgedächtniseffekt unterstützt. Ist das angegebene Verhältnis beispielsweise kleiner als 0,5, können die Ausscheidungselemente in Form von N, C und/oder B nicht abgebunden werden und der Formgedächtniseffekt wird reduziert, da die Elemente der Gruppe 1 in gelöster Form im Gefüge vorliegen.

Alternativ hierzu besteht die Formgedächtnislegierung aus folgenden

Legierungsbestandteilen in Gewichtsprozent:

25 % - 30 % Mn,

4 % - 8 % Si,

3 % - 7 % Cr,

0,5 % - 1 % V,

0, 1 % - 0,5 % C, und Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Eine Solche Legierung ist in der (noch nicht veröffentlichten) Anmeldung PCT/EP 2017/063322 der hiesigen Anmelderin beschrieben, deren Inhalt vollständig durch Referenz hierin miteinbezogen wird. Eine derartige Formgedächtnislegierung hat eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Rückstellspannung. Diese beträgt für das Legierungssystem vorzugsweise mindestens 500 MPa, bevorzugt mindestens 600 MPa. Es hat sich herausgestellt, dass diese Legierung bei einer Vordehnung von 1 bis 10 % eine nahezu konstante Rückstellspannung aufweist. Ferner hat sie eine hervorragende Reversibilität der Phasenumwandlung. Vorzugsweise liegen die Elemente Vanadium und Kohlenstoff in der Formgedächtnislegierung in Form von Vanadiumcarbid-Nanopartikeln vor. VC-Nanopartikel weisen eine geringe Atomradiendifferenz auf, sodass sie sich sehr gut in kubisch-Flächenzentrierte Gitter einfügen. Vorzugsweise nehmen die VC- Nanopartikel in der Formgedächtnislegierung ein Volumen im Bereich von 0, 1 bis 3 Vol.-% ein. Hierdurch kann die Bildung von Stapelfehlern optimiert werden. VC-Nanopartikel haben dabei vorzugsweise eine Größe im Bereich von 2 bis 50 nm, mehr bevorzugt 10 bis 50 nm. Die Phasenumwandlungstemperaturen dieser Formgedächtnislegierung TMS und TAS liegen vorzugsweise im Bereich von 0 °C bis 450 °C, mehr bevorzugt im Bereich von 120 °C bis 370 °C. Für weitere Details, insbesondere den Herstellungsprozess dieser Legierung wird auf PCT/EP 2017/063322 verwiesen.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer Spannvorrichtung zur dauerhaften Befestigung an einem Bauwerk zum Tragen einer Last und zum Aufbringen einer Spannung zur Sicherung des Bauwerks, wobei die Spannvorrichtung eine Formgedächtnislegierung umfasst oder aus einer solchen besteht, die einen Einwegeffekt aufweist, und sich in einem Ausgangszustand mit einer Ausgangserstreckung zwischen einem ersten und einem zweiten Befestigungsabschnitt entlang einer Spannachse erstreckt, wobei die Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung in dem Ausgangszustand eine Austenitphase aufweist, und wobei die Spannvorrichtung im Ausgangszustand nicht vorgereckt ist.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Verwendung der Spannvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spannvorrichtung entlang der Spannachse in einem Verformungszustand mit einer Verformungserstreckung zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsabschnitt erstreckt, und wobei sich die Spannvorrichtung in Bezug auf die Ausgangserstreckung um eine relative Umwandlungsverformung in Abhängigkeit einer Last verformt und sich die Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung von der Austenitphase im Ausgangszustand in eine Martensitphase des Verformungszustands wandelt.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Verwendung der Spannvorrichtung erstreckt sich die Spannvorrichtung entlang der Spannachse in einem Erinnerungszustand mit einer Erinnerungserstreckung zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsabschnitt, weist die Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung in dem Erinnerungszustand eine Austenitphase auf, und wandelt die um mindestens etwa 30% entlastete und auf eine Phasenumwandlungstemperatur erhitzte Spannvorrichtung sich von der Martensitphase im Verformungszustand in die Austenitphase des Erinnerungszustands um, und spannt im Erinnerungszustand das Bauwerk vor.

Insbesondere ist die Verwendung der Spannvorrichtung für Bauwerke wie etwa eine Brücke, ein Gebäude, ein Fahrzeug, ein Hochregallager, eine Pipeline, einen Träger, ein Stabwerk oder eine Maschine geeignet.

Die erfindungsgemäße Verwendung einer Spannvorrichtung zum dauerhaften Befestigen an einem Bauwerk zum Tragen einer Last und zum Aufbringen einer Spannung zur Sicherung des Bauwerks und dessen bevorzugte Fortbildungen weisen Merkmale auf, die es insbesondere dafür geeignet machen, für bzw. mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Vorspannen eines Tragelements eines Bauwerks und dessen jeweiligen Fortbildungen verwendet zu werden.

Zu den Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails dieser weiteren Aspekte der Erfindung und ihrer Fortbildungen wird auch auf die vorangegangene Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen des Verfahrens zum Vorspannen eines Tragelements eines Bauwerks bzw. der jeweiligen anderen Aspekte verwiesen.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr sind die Zeichnungen, wenn dies zur Erläuterung dienlich ist, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in: Fig. 1a-c eine schematische Darstellung eines Bauwerks als Brücke, Fahrzeug und Gebäude mit einer daran befestigten Spannvorrichtung;

Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines ersten bevorzugten

Verfahrens zum Vorspannen eines Tragelements;

Fig. 3-6 schematische Darstellungen beispielhafter Ausführungsformen einer an einem Tragelement bereitgestellten und fixierten Spannvorrichtung;

Fig. 7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines zweiten bevorzugten

Verfahrens zum Vorspannen eines Tragelements;

Fig. 8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines dritten bevorzugten

Verfahrens zum Vorspannen eines Tragelements; und Fig. 9 ein schematisches Ablaufdiagramm eines vierten bevorzugten

Verfahrens zum Vorspannen eines Tragelements.

Die Figuren 1a-c zeigen eine schematische Darstellung eines Bauwerks 1 als Brücke, Fahrzeug und Gebäude mit einer daran befestigten Spannvorrichtung 20. Die in den Figuren 1a-c gezeigten Ausführungen zeigen insbesondere eine bevorzugte Auswahl möglicher Verwendungen einer Spannvorrichtung 20 zur dauerhaften Befestigung an einem Bauwerk 1.

Figur 2 zeigt einen ersten bevorzugten Ablauf eines Verfahrens zum Vorspannen 100 eines Tragelements 10 eines Bauwerks 1 mit einer Spannvorrichtung 20. Diese bevorzugte Ausführung umfasst das Bereitstellen 1 10 einer solchen Spannvorrichtung 20, die eine Formgedächtnislegierung aufweist, und das Fixieren 120 der Spannvorrichtung 20 an dem Tragelement 10.

Insbesondere wird die Spannvorrichtung 20 in einem Ausganszustand bereitgestellt, in dem die Formgedächtnislegierung nicht vorgereckt ist. Besonders bevorzugt ist die Formgedächtnislegierung in dem Ausgangszustand nicht kaltgewalzt. In dem Ausgangszustand liegt die Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung 20 vorzugsweise im Wesentlichen in einer Austenitphase vor. Die Spannvorrichtung 20 erstreckt sich in dem Ausgangszustand von einem ersten Befestigungsabschnitt 20a zu einem zweiten Befestigungsabschnitt 20b entlang einer Spannachse LS. In bevorzugter Weise weist die Spannvorrichtung eine Fe-Mn-Si-Formgedächtnislegierung auf. Ferner bevorzugt, kann die Spannvorrichtung eine in der Patentschrift EP 2 141 251 B1 beschriebenen Formgedächtnislegierung aufweisen, deren Inhalt vollständig durch Referenz hierin miteinbezogen wird. Ferner ist zu verstehen, dass die Spannvorrichtung 20 auch zum Fixieren 120 an dem Tragelement 10 in dem Ausgangszustand bereitgestellt ist.

Zum Fixieren 120 wird die Spannvorrichtung 20 über den ersten und zweiten Befestigungsabschnitt 20a, 20b an einem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b des Tragelements befestigt. Die Spannvorrichtung 20 kann stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Tragelement 10 verbunden sein. Die Figuren 3 bis 6 zeigen eine Auswahl bevorzugter möglicher Ausführungsformen einer bereitgestellten 1 10 und einer an einem Tragelement 10 eines Bauwerks 1 fixierten 120 Spannvorrichtung 20.

Figur 3a zeigt eine Spannvorrichtung 20 umfassend ein Spannelement das sich zwischen einem ersten und einem zweiten Befestigungselement 20a, 20b erstreckt. Die Spannachse LS der Spannvorrichtung 20 und die Tragachse LT des Tragelements 10 sind zueinander parallel beabstandet. Im Wesentlichen zeigt Figur 3a die Längserstreckung des Tragelements 10 entlang der Tragachse LT und die Längserstreckung der Spannvorrichtung 20 entlang der Spannachse LS. Ferner zeigt Figur 3a mit der Erstreckung des Tragelements 10 senkrecht zur Tragachse LT und mit der Erstreckung der Spannvorrichtung 20 senkrecht zur Spannachse LS die Dicke bzw. Höhe des Tragelements 10 und der Spannvorrichtung 20. Figur 3b zeigt eine schematische Ansicht der Spannvorrichtung 20 und des Tragelements 10 senkrecht zu der in Figur 3a angezeigten Ansicht entlang des Schnitts A-A. In dem bevorzugten Beispiel erstreckt sich das Tragelement 10 im Wesentlichen senkrecht zu dessen Dicke bzw. Höhe und Längserstreckung über eine Breite, die größer ist als die Erstreckung der Spannvorrichtung 20 über eine Breite senkrecht zu dessen Dicke bzw. Höhe und Längserstreckung.

Das in den Figuren 3a und 3b gezeigte Spannelement ist als Spannlitze mit einzelnen Drähten bereitgestellt. Die Spannlitze ist an den jeweiligen Endabschnitten in einem als Anker ausgebildeten ersten und zweiten Befestigungselement 20a, 20b befestigt. Insbesondere sind die jeweiligen Endabschnitte der Spannlitze in dem Anker verspannt. Die Anker sind wiederum an dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b des Tragelements 10 in einer bevorzugten Weise form- und stoffschlüssig befestigt. Das Tragelement 10 weist im Bereich des ersten und zweiten Aufnahmeabschnitts 10a, 10b eine nutenartige Vertiefung auf, in der das erste und zweite Befestigungselement 20a, 20b quer zur Tragachse LT eingelassen ist bzw. aufgenommen wird. In Richtung der Tragachse LT bildet das Tragelement 10 mit dem ersten und zweiten Befestigungselement 20a, 20b die formschlüssige Verbindung. Ergänzend weist das vorliegende bevorzugte Ausführungsbeispiel eine Schweißverbindung zwischen dem ersten und zweiten Befestigungselement 20a, 20b und dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b auf.

Die Figuren 4a und 4b zeigen ein weiteres bevorzugtes Beispiel einer an einem Tragelement 10 fixierten Spannvorrichtung 20. Insbesondere sind die Spannachse LS und die Tragachse LT mit dem Abstand D parallel zueinander beabstandet. Das Tragelement 10 und die Spannvorrichtung 20 erstrecken sich in Richtung der Tragachse LT bzw. der Spannachse LS mit einer Längserstreckung. In bevorzugter Weise liegt die Spannvorrichtung 20 im Wesentlichen komplett an dem Tragelement 10 an. Der Abstand D zwischen der Spannachse LS und der Tragachse LT entspricht bevorzugt der halben Höhe bzw. Dicke des Tragelements 10 und der halben Höhe bzw. Dicke der Spannvorrichtung 20.

Figur 4b zeigt das Tragelement 10 über dessen Längserstreckung und senkrecht dazu über dessen Breite in einer Draufsicht.

Figur 4c zeigt eine schematische Schnittdarstellung der an dem Tragelement 10 fixierten Spannvorrichtung 20 im Bereich der erste Aufnahmeabschnitt 10a und der ersten Befestigungsfläche 20a entlang des Schnitts A-A. Figur 4c zeigt insbesondere eine stirnseitige Ansicht der Spannvorrichtung 20 und des Tragelements 10 über deren Höhe bzw. Dicke sowie deren jeweilige Breite.

In der in den Figuren 4a und 4b gezeigten bevorzugten Ausführung ist die Spannvorrichtung 20 mit einem stangenförmig oder bandförmig ausgebildeten Spannelement bereitgestellt. Es ist zu verstehen, dass die Spannvorrichtung im Wesentlichen lediglich über den ersten und zweiten Befestigungsabschnitt 20a, 20b an dem Tragelement 10 fixiert ist. In der vorliegenden bevorzugten Ausführung weist die Spannvorrichtung 20 den ersten und zweiten Befestigungsabschnitt 20a, 20b als Klemmverbindung auf. Insbesondere umfasst die Klemmverbindung eine Schraubverbindung und ein Klemmelement. Es ist zum Fixieren des Spannelements an dem Tragelement 10 vorgesehen, das Spannelement zwischen dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b des Tragelements 10 und einem Klemmelement kraftschlüssig mit der Schraubverbindung zu verspannen. Dazu weisen sowohl der erste und zweite Aufnahmeabschnitt 10a, 10b als auch das Klemmelement entsprechende Bohrungen auf. In der vorliegenden bevorzugten Ausführung ist die Klemmverbindung je Befestigungsabschnitt 20a, 20b mit vier Schrauben vorgesehen. Es ist denkbar, insbesondere bei höheren Lasten, die Größe oder die Festigkeit und/oder die Anzahl der Schrauben entsprechend zu variieren. Mittels der durch die Bohrungen geführten Schrauben lässt sich dann die Spannvorrichtung 20 an dem Tragelement 10 fixieren. Es ist ergänzend bevorzugt, den ersten und zweiten Befestigungsabschnitt 20a, 20b und den ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b derart auszubilden, dass dieses eine erste und zweite Befestigungsfläche und eine erste und zweite Aufnahmefläche umfassen. Insbesondere weisen die erste und zweite Befestigungsfläche und die erste und zweite Aufnahmefläche eine Rauigkeit auf.

Figur 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführung einer an einem Tragelement 10 bereitgestellten und fixierten Spannvorrichtung 20. In dieser Ausführung ist die Spannvorrichtung 20 durch das Tragelement 10 hindurchgeführt. Insbesondere weist das Tragelement 10 hierzu eine Durchgangsbohrung im Wesentlichen koaxial zur Durchgangsbohrung auf. Es ist ferner denkbar, dass die Durchgangsbohrung eine Hülse, wenigstens abschnittsweise, aufnimmt. Die Hülse ist insbesondere zur Kraftübertragung zwischen der Spannvorrichtung 20 und dem Tragelement 10 ausgebildet. Insbesondere ist die Spannvorrichtung 20 derart angeordnet, dass die Spannachse LS und die Tragachse LT des Tragelements 10 koaxial zueinander angeordnet sind. In dieser Ausführung umfasst die Spannvorrichtung 20 ein Spannseil als Spannelement. Das Spannseil ist an jeweiligen Endabschnitten in einem als Anker ausgebildeten ersten und zweiten Befestigungselement 20a, 20b befestigt. Insbesondere sind die jeweiligen Endabschnitte des Spannseils in dem Anker verspannt. Die Anker sind wiederum an dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b des Tragelements 10 in einer bevorzugten Weise formschlüssig befestigt. In der vorliegenden Ausführung bildet das Tragelement 10 den ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b im Wesentlichen stirnseitig aus. Insbesondere erstrecken sich der erste und zweite Aufnahmeabschnitt 10a, 10b im Wesentlichen senkrecht zu der Spannachse LS bzw. der Tragachse LT. Der erste und zweite Aufnahmeabschnitt 10a, 10b kann insbesondere durch ein von dem Tragelement umfasstes Aufnahmeelement ausgebildet sein.

Figur 7 zeigt einen zweiten bevorzugten Ablauf eines Verfahrens zum Vorspannen 100 eines T ragelements 10 eines Bauwerks 1 mit einer Spannvorrichtung 20. Diese bevorzugte Ausführung umfasst, ergänzend zu den in Figur 2 dargestellten Schritten des Bereitstellens 1 10 und des Fixierens 120 der Spannvorrichtung 20 an dem Tragelement 10, die Schritte des Verformens 130 der Spannvorrichtung in Bezug auf eine Ausgangserstreckung und des Umwandelns 135 der Formgedächtnislegierung der Spannvorrichtung 20.

Figur 8 zeigt einen dritten bevorzugten Ablauf eines Verfahrens zum Vorspannen 100 eines Tragelements 10 eines Bauwerks 1 mit einer Spannvorrichtung 20. Dieser dritte besonders bevorzugte Ablauf ergänzt den zweiten bevorzugten Ablauf eines Verfahrens um die Schritte: Entlasten 140 der Spannvorrichtung 20, Erhitzen 145 der Formgedächtnislegierung auf eine Phasenumwandlungstemperatur, Umwandeln 150 der Formgedächtnislegierung von der Martensitphase in einem Verformungszustand in eine Austenitphase eines Erinnerungszustands, und Vorspannen 160 des Tragelements 10 in Abhängigkeit einer durch eine Erinnerungserstreckung induzierten Rückstellspannung der Formgedächtnislegierung.

Der erste und zweite bevorzugte Ablauf des Verfahrens zum Vorspannen 100 werden nachstehend im Zuge einer detaillierten Ausführung zu dem dritten besonders bevorzugten Ablauf des Verfahrens erläutert. Das Verfahren wird insbesondere anhand der Verwendung einer Spannvorrichtung 20 zum Befestigen an einer Brücke 1 gemäß Figur 1a näher beschrieben.

Figur 1a zeigt eine für den Straßenverkehr von Fahrzeugen und Personen geeignete Brücke 1. Die Brücke 1 umfasst ein auf zwei Widerlagern horizontal angeordnetes Tragwerk. Vorzugsweise umfasst die Brücke 1 im Wesentlichen Beton, Stahlbeton, Spannstahlbeton, Stein, Stahl. Das Tragwerk weist im Einbauzustand bzw. im Betriebszustand entsprechende Fahrbahnelemente und Gehwegelement auf. Das Tragwerk ist in dem vorliegenden Beispiel als Tragelement 10 zu verstehen, das über die Widerlager mittels einer Fest-Los-Lagerung gelagert ist. Im Einbauzustand bzw. im Betriebszustand ist auf der Unterseite des Tragwerks eine Spannvorrichtung 20 bereitgestellt und fixiert. Die Spannvorrichtung umfasst eine der zuvor beschriebenen Formgedächtnislegierungen, insbesondere eine Fe-Mn-Si-Formgedächtnislegierung. Ferner bevorzugt, kann die Spannvorrichtung eine der in der Patentschrift EP 2 141 251 B1 beschriebenen Formgedächtnislegierungen aufweisen. In besonders vorteilhafter Weise ist die Spannvorrichtung 20 geeignet, das Tragwerk 10 der Brücke 1 vorzuspannen, um weitere Risse im Beton vorzubeugen bzw. zu vermeiden, zumindest aber diese zu minimieren. Bevorzugt ist die Lebensdauer einer entsprechend mit einer Spannvorrichtung vorgespannten Brücke 1 verlängert.

Hierzu wird die Spannvorrichtung 20 bereitgestellt 1 10 und an der Brücke 1 entsprechend fixiert 120. Insbesondere wir die Spannvorrichtung 20 mit einem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt an einem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b am Tragwerk 10 fixiert 120. Verformt sich nun die Brücke 1 aufgrund des Eigengewichts und der dynamischen Belastung des Straßenverkehrs, biegt sich das Tragwerk 10 also zwischen den Widerlagern nach unten hin durch, verformt 130 sich entsprechend auch die Spannvorrichtung 20. Vorzugsweise verformt 130 die Last die Spannvorrichtung 20 um 6 % bis 65 % der Gleichmaßdehnung der eingesetzten Formgedächtnislegierung. Die Verformung des Tragwerks 10 führt also zu einem Vorrecken der Spannvorrichtung 20, insbesondere der Formgedächtnislegierung. In vorteilhafter Weise kann dann ein Vorrecken, insbesondere ein Kaltwalzen, Dressieren oder sonstiges industrielles Vorrecken vor der Montage, also von dem Bereitstellen und Fixieren, entfallen. Insbesondere lassen sich hierdurch Ressourcen und Kosten einsparen.

Die entsprechend verformte Spannvorrichtung 20 wandelt 135 somit von einem Ausganszustand mit einer Austenitphase in den Verformungszustand mit der Martensitphase. Diese Phasenumwandlung ist insbesondere im Wesentlichen durch die auf die Brücke wirkende Last F und damit auf eine auf die Kristallstruktur des Austenits wirkende mechanische Spannung zurückzuführen. Diese Phasenumwandlung führt zu einer Verformungserstreckung im Verformungszustand die größer ist als die Ausgangserstreckung der Spannvorrichtung 20 im Ausgangszustand. Zum Vorspannen wird die Brücke 1 entlastet 140, also etwa der Straßenverkehr gesperrt und unnötiges Gewicht von der Brücke 1 entfernt. Insbesondere wird die Spannvorrichtung 20 bzw. die Formgedächtnislegierung dann auf eine Phasenumwandlungstemperatur vorzugsweise zwischen 25°C und 400°C erhitzt 145. Hierdurch findet eine Rückwandlung 150 der Formgedächtnislegierung von dem Verformungszustand in den Erinnerungszustand, also eine Phasenumwandlung von der Martensitphase in die Austenitphase statt. Die Erinnerungserstreckung ist im vorliegenden Beispiel kleiner als die Verformungserstreckung. Durch diese Rückverformung wirkt von der Spannvorrichtung 20 auf das Tragwerk 10 eine Vorspannkraft. Vorliegend ist die Rückverformung derart ausgebildet, dass die maximal zulässige Rissbreite des Materials des Tragwerkes 10 unterschritten wird. Bevorzugt wirkt eine Vorspannung zwischen 300MPa und 680MPa von der Spannvorrichtung 20 auf das Tragwerk. Zum Vorspannen 160 ist das Tragwerk entsprechend wieder zu belasten, also die zum Entlasten ergriffenen Maßnahmen und Vorrichtung sind wieder umzukehren bzw. rückgängig zu machen.

Es ist ferner zur Nachrüstung bestehender Bauwerke 1 mit einer Spannvorrichtung 20 denkbar, das Bauwerk 1 bzw. jeweilige Tragelement 10 zunächst zu entlasten 130 und anschließend die Spannvorrichtung 20 bereitzustellen 1 10 und an dem Tragelement 10 zu fixieren 120. Stellt man dann die zuvor wirkende Last F wieder her, verformt sich das Tragelement 10 bzw. das Bauwerk 1 und entsprechend die Spannvorrichtung 20. Je nach Ausmaß der relativen Umwandlungsverformung können zum Vorspannen des Bauwerks 1 anschließend die weiteren und zuvor bereits beschriebenen Verfahrensschritte vom Umwandeln 135 bis zum Vorspannen 160 durchlaufen werden.

Die in den Figuren 2, 7 und 8 beschriebenen Abläufe zum Vorspannen oder alternative Ausführungen davon können gelten gleichermaßen für das in Figur 1 b gezeigte Kraftfahrzeug oder den in Figur 1 c gezeigten Ausschnitt eines Gebäudes. Bevorzugt sind die Verfahren auch für weitere mögliche Ausführungen von Bauwerken 1 geeignet.

Das in Figur 1 b als Bauwerk 1 gezeigte Kraftfahrzeug umfasst eine Karosserie aus beispielsweise Stahl und/oder Aluminium als Tragelement 10. Im Einbauzustand bzw. Betriebszustand weist die Karosserie an der Unterseite eine daran bereitgestellte und fixierte nicht vorgereckte Spannvorrichtung 20 zum Vorspannen der Karosserie auf. Durch diese Anordnung kann eine beispielsweise durch einen Unfall verformte Karosserie - sofern die Verformung nicht eine zulässige Dehnung überschreitet - durch Erhitzen auf eine Phasenumwandlungstemperatur in einem Erinnerungszustand wandeln. Ferner zeigt Figur 1 c einen Ausschnitt eines Gebäudes als Bauwerk 1 , mit einem horizontal auf zwei Pfosten angeordneten Sturz 10, an dessen Unterseite im Einbauzustand bzw. Betriebszustand einer Spannvorrichtung 20 fixiert ist.

Figur 9 zeigt einen weiteren bevorzugten Ablauf eines Verfahrens zum Vorspannen eines Tragelements 10 eines Bauwerks 1 mit zwei Spannvorrichtungen 20. Dieses bevorzugte Verfahren ist insbesondere für Tragelemente 10 bzw. Bauwerke 1 geeignet, die mit einer Last F im Wesentlichen winklig, insbesondere senkrecht zu einer Tragachse LT auf das Tragelement 10 bzw. das Bauwerk 1 beaufschlagt sind. In dieser bevorzugten Ausführung sind zwei Spannvorrichtungen bereitgestellt 1 10a, 1 10b und an dem Tragelement fixiert 120a, 120b.

Eine entsprechend bevorzugte Ausführung zeigt Figur 6. Hier sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Tragelements 10 jeweils eine Spannvorrichtung 20 bereitgestellt und fixiert. Diese bevorzugte Ausführung ist insbesondere für solche Tragelement 10 von Bauwerken 1 geeignet, die im Wesentlichen mit einer Last F quer zur Tragachse LT, insbesondere mit einem Biegemoment, belastet sind. Die beiden Spannvorrichtungen 20 sind analog zu der in Figur 3 gezeigten bevorzugten Ausführung mittels einer Klemmverbindung an dem ersten und zweiten Aufnahmeabschnitt 10a, 10b des Tragelements 10 kraftschlüssig fixiert. Bei einer senkrecht zu der Tragachse LT und den beiden Spannachsen LS von oben auf das Tragelement 19 wirkenden Last F, wirkt die im Einbauzustand bzw. Betriebszustand auf der oberen Seite angeordnete Spannvorrichtung 20 dann als Druckelement 20‘ und die auf der unteren Seite angeordnete Spannvorrichtung 20 als Zugelement 20“.

BEZUGSZEICHEN

1 Bauwerk

10 Tragelement

10a, 10b erster und zweiter Aufnahmeabschnitt

20 Spannvorrichtung

20‘ Druckelement

20“ Zugelement

20a, 20b erster und zweiter Befestigungsabschnitt

F Last

LS Spannachse

LT Tragachse