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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstärken eines Bauwerksteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Das Bauwerksteil kann beispielsweise eine Wand, eine Decke, ein Pfosten, ein Unterzug oder dergleichen eines Gebäudes oder eines sonstigen Bauwerks aus bewehrtem oder unbewehrtem Beton oder einem anderen Material sein.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2017 106 114 A1 offenbart eine Verstärkung eines Bauwerksteils mit einem Streifen aus einer Formgedächtnislegierung, der an zwei Enden mit je einem Anker, der in dem Bauwerksteil verankert wird, an dem Bauwerksteil befestigt wird. Zu einer Erwärmung über eine Umwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung wird elektrischer Strom durch die beiden Anker in den Streifen aus der Formgedächtnislegierung eingeleitet, das heißt der Streifen aus der Formgedächtnislegierung wird als elektrisches Widerstandsheizelement verwendet, das sich durch den durchgeleiteten Strom selbst erwärmt.
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Formgedächtnislegierungen sind Metalllegierungen, die durch eine Phasenumwandlung ihrer Kristallstrukturen zwischen Martensit und Austenit ihre Form ändern. Die Phasenumwandlung und Formänderung erfolgt bei Erreichen oder Überschreiten einer Umwandlungstemperatur. Zuvor muss die Formgedächtnislegierung pseudoplastisch verformt werden, was typischerweise, aber nicht zwingend, durch eine mechanische Verformung erfolgt, die anschließend durch Erwärmung auf oder über die Umwandlungstemperatur vollständig oder teilweise rückgängig gemacht werden kann. Es sind auch Formgedächtnislegierungen mit einem Zweiweg-Effekt bekannt, die sich bei hoher Temperatur umformen und bei niedriger Temperatur vollständig oder teilweise rückumformen.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Verstärkung eines Bauwerksteils mit einem wiederverwendbaren Heizelement vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung sieht ein von einem Verstärkungselement separates Heizelement vor, das nach Erwärmen des Verstärkungselements entfernt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, ein Verstärkungselement schubfest an einer Oberfläche eines Bauwerksteils aus beispielsweise Beton anzuordnen. Eine Befestigung ist beispielsweise mit Ankern und/oder durch Kleben möglich. An dem Verstärkungselement wird das Heizelement so angeordnet, dass es Wärme auf das Verstärkungselement überträgt, wenn es erwärmt wird. Insbesondere wird das Heizelement flächig mit dem Verstärkungselement verbunden. Insbesondere wird das Heizelement in wärmeleitendem Kontakt am Verstärkungselement angeordnet. Vorzugsweise ist das Heizelement ein elektrisches Widerstandsheizelement oder weist ein elektrisches Widerstandsheizelement auf, das sich durch Durchleiten von elektrischem Strom erwärmt. Möglich ist allerdings beispielsweise auch ein Erwärmen mit einer warmen Flüssigkeit wie Wasser oder Öl oder einem warmen Gas, das Schläuche oder dergleichen des Heizelements durchströmt oder das in Taschen oder dergleichen des Heizelements geleitet wird. Die Aufzählung ist beispielhaft und nicht abschließend. Das Verstärkungselement wird mit dem Heizelement erwärmt und danach wird das Heizelement vom Verstärkungselement und vom Bauwerksteil entfernt und kann dann wieder verwendet werden.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass das Verstärkungselement nicht selbsterwärmend sein muss und dass das Heizelement wieder verwendet werden kann.
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Vorzugsweise ist das Heizelement flächenförmig, wodurch es sich gut und großflächig in wärmeleitendem Kontakt an dem Verstärkungselement anordnen, insbesondere verbinden, lässt. „Flächenförmig“ bedeutet eine in einem Verhältnis zu einer Länge und/oder Breite vernachlässigbare Dicke des Heizelements; die Dicke des Heizelements beträgt nur einen kleinen Bruchteil seiner Breite und insbesondere seiner Länge, insbesondere jeweils maximal 10%. Insbesondere ist das Heizelement eine Heizmatte oder weist eine Heizmatte auf, das heißt es ist flächenförmig, biegeschlaff und/oder zumindest rollbar. Beispielsweise weist das Heizelement eine Trägermatte oder Trägerfolie aus Silikon, PTFE (Polytetraflurethylen), PVA (Polyvinylalkohol oder Polyvinylacetat), PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) auf. Auf oder in der Trägermatte oder Trägerfolie können Heizdrähte angeordnet sein, oder die Trägermatte oder Trägerfolie kann eine elektrische Widerstandsheizschicht aufweisen.
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Eine Oberfläche des Heizelements, die an dem Verstärkungselement angeordnet wird, kann mit einem Trennmittel wie beispielsweise Vaseline oder Wachs versehen sein oder werden.
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Das Verstärkungselement wird gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens stoffschlüssig mit dem Bauwerksteil verbunden, beispielsweise auf das Bauwerksteil geklebt. Ein Verbindungsmedium, beispielsweise der verwendete Klebstoff, wird zu einem schnelleren Aushärten und/oder zu einer Erhöhung einer Festigkeit der Klebung beziehungsweise stoffschlüssigen Verbindung mit dem Heizelement erwärmt. Die Erwärmung des Verbindungsmediums kann durch das Verstärkungselement hindurch erfolgen, indem das Heizelement das Verstärkungselement und dieses das Verbindungsmedium erwärmt.
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Wie bereits erwähnt kann das Bauwerksteil ein Betonteil mit oder ohne einer Bewehrung aus beispielsweise Stahl oder Kunststoff sein. Das Verstärkungselement kann beispielsweise eine Platte, ein Streifen, auch ein Profilstreifen aus Stahl, einem anderen Metall, Metallverbund oder einem Nichtmetall sein. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Verstärkungselement aus einer pseudoplastisch gedehnten Formgedächtnislegierung vor. Es kann auch in anderer Weise so hergerichtet sein, dass es sich bei Erwärmung über eine Umwandlungstemperatur zusammenzieht beziehungsweise eine Zugkraft erzeugt, die in dem Bauwerksteil als Druckkraft wirkt, beziehungsweise die in dem Bauwerksteil eine mechanische Druckspannung erzeugt. Auf diese Weise lässt sich bei einer Beanspruchung des Bauwerksteils auf Zug eine Zugspannung im Bauwerksteil vermeiden oder verringern.
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Das Verstärkungselement kann auch einen Faserverbundwerkstoff mit beispielsweise Kunstfasern oder anderen Fasern, die in beispielsweise ein Kunstharz oder einen Kunststoff eingebettet sind, aufweisen. Vorzugsweise lässt sich das Kunstharz oder der Kunststoff durch Erwärmen mit dem Heizelement mit dem Bauwerksteil verkleben, das heißt stoffschlüssig mit dem Bauwerksteil verbinden.
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Das Heizelement verbindet sich vorzugsweise nicht stoffschlüssig mit dem Verbindungsmedium, mit dem das Verstärkungselement bei einer Ausgestaltung der Erfindung stoffschlüssig mit dem Bauwerksteil verbunden wird.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement einen Haftklebstoff aufweist, mit dem es lösbar auf das Verstärkungselement geklebt wird.
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Nach dem Erwärmen des Verstärkungselements lässt sich das Heizelement zusammen mit dem Haftklebstoff vom Verstärkungselement abziehen und erneut auf ein weiteres Verstärkungselement kleben. Durch den Haftklebstoff ist das Heizelement mehrmals auf Verstärkungselemente klebbar, das heißt das Heizelement ist mehrmals wiederverwendbar.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement Heizzonen aufweist, die zu verschiedenen Zeiten erwärmt werden. Dadurch kann ein beispielsweise streifenförmiges Verstärkungselement zuerst an seinen Endbereichen erwärmt und dadurch beispielsweise mit einem wärmeaushärtenden Klebstoff stoffschlüssig mit dem Bauwerksteil verbunden werden. Anschließend kann das Verstärkungselement über seine gesamte Länge oder in einem Bereich zwischen den zuvor erwärmten Endbereichen erwärmt werden, um es auch dort stoffschlüssig mit dem Bauwerksteil zu verbinden und/oder auf oder über eine Umwandlungstemperatur zu erwärmen, wenn das Verstärkungselement aus einer Formgedächtnislegierung besteht oder eine solche aufweist. Ist das Verstärkungselement flächenförmig, können mit einem Heizzonen aufweisenden Heizelement zuerst Randbereiche des Verstärkungselements und danach das Verstärkungselement insgesamt oder innerhalb der Randbereiche erwärmt werden.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, Ausführungen und Ausgestaltungen der Erfindung, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in einer Figur gezeichneten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen oder gezeichneten Kombination, sondern auch in grundsätzlich beliebigen anderen Kombinationen oder aber einzeln verwendbar. Es sind Ausführungen der Erfindung möglich, die nicht alle Merkmale eines abhängigen Anspruchs aufweisen. Auch können einzelne Merkmale eines Anspruchs durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden. Ausführungen der Erfindung, die nicht alle Merkmale des oder der Ausführungsbeispiele, sondern einen grundsätzlich beliebigen Teil der gekennzeichneten Merkmale eines Ausführungsbeispiels gegebenenfalls in Kombination mit einem, mehreren oder allen Merkmalen eines oder mehrerer weiterer Ausführungsbeispiele aufweisen, sind möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend dreier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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1 zeigt ein Stück eines Pfostens aus Beton als Bauwerksteil 1, der eine Bewehrung (nicht dargestellt) aufweisen kann. Der Pfosten 1 stützt beispielsweise eine Decke in einem nicht dargestellten Gebäude oder eine nicht dargestellte Brücke.
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Zum Verstärken des das Bauwerksteil 1 bildenden Pfostens wird erfindungsgemäß an einer Seite des Pfostens eine Stahlplatte als Verstärkungselement 2 angeordnet. Solche Verstärkungselemente 2 können auch an mehreren oder allen Seiten des Bauwerksteils 1 angeordnet werden (nicht dargestellt). Die das Verstärkungselement 2 bildende Stahlplatte wird mit Ankern 3 mit einem kleinen Abstand von einer Oberfläche des Bauwerksteils 1 an dessen einer Seite angeordnet. Die Anker 3 sind im Ausführungsbeispiel Gewindebolzen, die mittels eines Mörtels in Bohrlöchern in dem Bauwerksteil 1 befestigt werden. Die Anker 3 durchsetzen Löcher in der das Verstärkungselement 2 bildenden Stahlplatte, die mit beiderseits des Verstärkungselements 2 auf die Anker 3 geschraubten Muttern 4 auf den Ankern 3 befestigt ist. Im Ausführungsbeispiel sind die Anker 3 in einem Raster verteilt über eine Fläche des Verstärkungselements 2 angeordnet. Die Anker 3 können auch ungleichmäßig über die Fläche des Verstärkungselements 2 oder beispielsweise nur entlang zweier, in einer Längsrichtung des Pfostens voneinander entfernter Ränder des Verstärkungselements 2 angeordnet werden (nicht dargestellt). Die Anker 3 verbinden die das Verstärkungselement 2 bildende Stahlplatte schubfest mit der Oberfläche des das Bauwerksteil 1 bildenden Pfostens.
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In einen Zwischenraum zwischen dem das Bauwerksteil 1 bildenden Pfosten und der das Verstärkungselement 2 bildenden Stahlplatte wird ein wärmeaushärtender Klebstoff gefüllt.
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Auf der das Verstärkungselement 2 bildenden Stahlplatte wird erfindungsgemäß eine Heizmatte als flächenförmiges Heizelement 5 angeordnet, nämlich flächig mit dem Verstärkungselement 2 verbunden. Das Heizelement 5 ist eine elektrische Widerstandsheizmatte, die durch Durchleiten von elektrischem Strom erwärmbar ist. Sie weist im Ausführungsbeispiel eine flexible, 2-Schicht-Trägermatte oder Trägerfolie aus beispielsweise Silikon oder einem anderen Kunststoff auf, der eine Gewebeverstärkung aufweisen kann. Zwischen den Schichten der Trägermatte oder Trägerfolie befindet sich ein mäanderförmig oder in anderer Form angeordneter elektrischer Widerstandsheizdraht, der in der Zeichnung nicht sichtbar ist. Möglich ist beispielsweise auch eine Beschichtung der Trägermatte oder Trägerfolie mit einer elektrischen Widerstandsheizschicht.
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Zur vorübergehenden Anordnung des Heizelements 5 auf dem Verstärkungselement 2 kann das Heizelement 5 einen Haftklebstoff auf einer Seite aufweisen, mit dem das Heizelement 5 auf das Verstärkungselement 2 geklebt und nach Gebrauch wieder abgezogen und wiederverwendet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird das Heizelement 5 - im Ausführungsbeispiel mit elektrischem Strom - erwärmt und erwärmt durch seine flächige Anlage an dem Verstärkungselement 2 das Verstärkungselement 2, das durch seine Erwärmung den wärmeaushärtenden Klebstoff (nicht dargestellt) erwärmt, der in den Zwischenraum zwischen dem Verstärkungselement 2 und den das Bauwerksteil 1 bildenden Pfosten gefüllt worden ist, so dass der Klebstoff aushärtet und die das Verstärkungselement 2 bildende Stahlplatte stoffschlüssig und schubfest mit der Oberfläche des Bauwerksteils 1 verbindet. Der wärmeaushärtende Klebstoff bildet ein Verbindungsmedium, das das Verstärkungselement 2 stoffschlüssig und schubfest mit dem Bauwerksteil 1 verbindet und das - zum Aushärten und/oder zur Erhöhung seiner Festigkeit - wie beschrieben mit dem Heizelement 5 erwärmt wird.
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Nach dem Erwärmen des Verstärkungselements 2 und des Klebstoffs wird das Heizelement 5 abgezogen und kann mit seinem Haftklebstoff erneut auf ein anderes Verstärkungselement 2 geklebt werden. Dadurch lässt sich das Heizelement 5 mehrfach wiederverwenden.
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In 2 sind erfindungsgemäß L-Stahlprofile als Verstärkungselemente 2 an Kanten auf einen ein Bauwerksteil 1 bildenden Pfosten aus Beton geklebt. Ein verwendeter, nicht dargestellter Klebstoff härtet mit Wärme aus und/oder erhöht seine Festigkeit durch Erwärmen. Quer zu dem Bauwerksteil und den L-Stahlprofilen sind Flachstähle zwischen den L-Stahlprofilen auf Seiten des das Bauwerksteil 1 bildenden Pfostens geklebt, die ebenfalls Verstärkungselemente 2 bilden. Durch die Klebung sind die Verstärkungselemente 2 stoffschlüssig und schubfest mit dem Pfosten verbunden.
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Erfindungsgemäß wird der das Bauwerksteil 1 bildende Pfosten mit den auf ihn geklebten Verstärkungselementen 2 mit einer Heizmatte als Heizelement 5 umhüllt, die mit elektrischem Strom erwärmt wird und die Verstärkungselemente 2 und den Klebstoff erwärmt, so dass der Klebstoff aushärtet und/oder seine Festigkeit erhöht. Anstatt den Pfosten mit einer Heizmatte zu umhüllen, können beispielsweise auch einzelne Heizmatten auf den Seiten des Pfostens angeordnet werden, oder es kann eine Heizmatte nacheinander auf den Seiten des Pfostens angeordnet werden (nicht dargestellt).
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Nach dem Erwärmen der Verstärkungselemente 2 und des Klebstoffs wird die das Heizelement 5 bildende Heizmatte von dem Pfosten entfernt und kann mehrfach wiederverwendet werden. Auch hier bildet der Klebstoff ein Verbindungsmedium, das die die Verstärkungselemente 2 bildenden L-Stahlprofile und Flachstähle stoffschlüssig und schubfest mit dem Bauwerksteil 1 verbindet. Das Heizelement 5 weist ein Material auf, beispielsweise Silikon, das sich nicht stoffschlüssig mit dem Verbindungsmedium, das heißt dem Klebstoff, verbindet, so dass sich die Heizmatte nach Gebrauch problemlos von dem Pfosten entfernen lässt.
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Nicht dargestellt, aber erfindungsgemäß möglich ist beispielsweise auch die Anordnung eines Streifens oder einer Matte aus einem Faserverbundwerkstoff als Verstärkungselement auf dem Pfosten oder allgemein auf einem Bauwerksteil, wobei der Faserverbundwerkstoff ein wärmeaushärtendes Harz aufweist, in das Fasern eingebettet sind. Auf dem Verstärkungselement wird erfindungsgemäß eine Heizmatte als Heizelement angeordnet und das Verstärkungselement mit der Heizmatte erwärmt, so dass sein Harz sich und die eingebetteten Fasern stoffschlüssig und schubfest mit einer Oberfläche des Bauwerksteils verbinden. Die Heizmatte besteht aus einem Material, das sich nicht stoffschlüssig mit dem Harz verbindet, so dass sie nach Gebrauch entfernt und wiederverwendet werden kann.
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3 zeigt einen Unterzug aus stahlbewehrtem Beton als Bauwerksteil 1, an dessen Unterseite erfindungsgemäß Streifen aus einer Formgedächtnislegierung als Verstärkungselemente 2 parallel zueinander und in Längsrichtung des Bauwerksteils 1 verlaufend angeordnet werden. Anders als gezeichnet kann auch nur ein Streifen oder können mehr als zwei Streifen an dem Bauwerksteil 1 angeordnet werden. Die Formgedächtnislegierung der Verstärkungselemente 2 ist pseudoplastisch gedehnt, so dass sich die Verstärkungselemente 2 verkürzen und/oder eine Zugkraft erzeugen, wenn sie auf oder über eine Umwandlungstemperatur erwärmt werden.
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Wie in 1 können die Verstärkungselemente 2 in 3 beispielsweise mit Ankern an dem Bauwerksteil 1 festgelegt werden. Im Ausführungsbeispiel werden sie mit einem wärmeaushärtenden Klebstoff und/oder einem Klebstoff, der seine Festigkeit durch Erwärmung erhöht, von unten auf die Oberfläche des das Bauwerksteil 1 bildenden Unterzugs geklebt.
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Die die Verstärkungselemente 2 bildenden Streifen aus der Formgedächtnislegierung werden erfindungsgemäß mit einer Heizmatte als Heizelement 5 abgedeckt, die ebenfalls von unten auf den Verstärkungselementen 2 und der Unterseite des Bauwerksteils 1 angeordnet wird. Die Heizmatte überdeckt die Verstärkungselemente 2 sowohl in einer Breite als auch auf ihrer gesamten Länge. In 3 sind die Verstärkungselemente 2 zur Erläuterung an einem Ende unter der Heizmatte vorstehend gezeichnet, damit sie sichtbar sind.
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Erfindungsgemäß werden mit dem Heizelement 5 die Verstärkungselemente 2 und mit ihnen der nicht dargestellte Klebstoff erwärmt, so dass der Klebstoff aushärtet und die Verstärkungselemente 2 stoffschlüssig und schubfest mit der Oberfläche an der Unterseite des Bauwerksteils 1 verbindet.
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In 3 weist die das Heizelement 5 bildende Heizmatte Heizzonen (nicht dargestellt) auf, die unabhängig voneinander bestromt und dadurch erwärmt werden können. Es werden zuerst Bereiche an Enden des Heizelements 5 und damit Bereiche an Enden der Verstärkungselemente 2 erwärmt, so dass der Klebstoff zuerst dort abbindet und die Verstärkungselemente 2 in den Bereichen an ihren Enden mit dem Bauwerksteil 1 verklebt. Anschließend wird ein Bereich der Verstärkungselemente 2 zwischen den Bereichen an den Enden auf oder über die Umwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung, aus der die Verstärkungselemente 2 bestehen, erwärmt und dadurch eine Zugkraft in den Verstärkungselementen 2 erzeugt, die den das Bauwerksteil 1 bildenden Unterzug an seiner Unterseite mit einer Druckkraft beaufschlagt beziehungsweise eine mechanische Druckspannung an der Unterseite in dem Unterzug erzeugt. Auf diese Weise lässt sich eine durch Eigengewicht und Gewichtsbelastung des Unterzugs erzeugte Durchbiegung des Unterzugs verringern oder rückgängig machen. Eventuell entstandene Risse durch die Durchbiegung des Unterzugs an seiner Unterseite lassen sich verengen oder schließen.
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Auch in 3 besteht die das Heizelement 5 bildende Heizmatte aus einem Material wie beispielsweise Silikon, dass sich nicht mit dem Klebstoff verbindet, der ein Verbindungsmedium bildet, das die Verstärkungselemente 2 stoffschlüssig und schubfest mit dem das Bauwerksteil 1 bildenden Unterzug verbindet.
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Wie oben zu 1 beschrieben kann das Heizelement 5 aus 3 einen Haftklebstoff aufweisen, mit dem es auf den Verstärkungselementen 2 und an der Unterseite des Unterzugs, das heißt an einer Oberfläche des Bauwerksteils 1 angebracht wird. Nach Gebrauch lässt sich das Heizelement 5 abziehen, das heißt von den Verstärkungselementen 2 und dem Bauwerksteil 1 entfernen und ist mehrfach wiederverwendbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauwerksteil
- 2
- Verstärkungselement
- 3
- Anker
- 4
- Mutter
- 5
- Heizelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017106114 A1 [0002]