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Verbundwerkstoff
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff mit einem Holzwerkstoff-Körper, in dessen Belastungszone Bewehrungsdrähte vorgesehen sind.
Holz ist ein hochwertiger Werkstoff mit ausserordentlichen Festigkeitseigenschaften. Es wurde und wird deshalb noch heute beispielsweise im Flugzeugbau noch in grossem Masse eingesetzt.
Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, seine Festigkeit, insbesondere die Biegefestig- keit, durch Verbindung mit andern Werkstoffen, vor allem Metallen, zu erhöhen und zu verbessern.
Diese Versuche führten zu zahlreichen verschiedenen Anordnungen, mit mehr oder weniger Wirkung, aber nicht zu einer grundsätzlich für alle Belastungsfälle befriedigenden Lösung.
Im Bereiche von Durchbiegungen in der Grösse von etwa 3 bis 5% der Auflagerweite ist die Verlängerung bzw. Stauchung aufgebrachter Verstärkungselemente sehr klein, etwa 0, 05-0, 1% der Länge. Für statisch belastbare Konstruktionen, z. B. Brücken, ist die zulässige Durchbiegung bei Höchstlast auf 1/500 der Spannweite festgesetzt. Dieser Wert ist noch viel niedriger und dementsprechend die Verlängerung und Stauchung weitaus geringer. Es muss deshalb die Werkstoffauswahl für die Verstärkung nicht nur nach dem Gesichtspunkt hoher Zerreissfestigkeit, sondern nach der Grösse aufbringbarer Lasten im Dehnungsbereich bis etwa 0, 05-0, 1% erfolgen.
Betrachtet man nun die verschiedensten Werkstoffe unter diesem Gesichtspunkt auf ihre Eignung als Verstärkungselement so ergeben sich recht grosse Unterschiede. Für Glasseide z. B. ergibt sich bei einer Dehnung von 0, 1% und einer Zugfestigkeit von 120 Kp/mm wegen des sehr flachen geradlinigen An- stiegs der Zug-Dehnungskurve bis etwa Wo bis zum Bruch, nur eine nutzbare Last von 4 Kp/mm2.
Für hochwertigen Stahldraht liegen die Werte in einem ganz andern Grössenbereich. Die Zugfestigkeit liegt bei 260-300 Kp/mm2. Davon sind im Dehnungsbereich von 0, 1% fast 70 - 8cp/o aufnehmbar, so dass sich dafür Werte von 200 bis 220 Kp/mm ergeben. Sogar unter Berücksichtigung des spez. Gewichtes liegt damit der Stahldraht weit an der Spitze aller möglichen Verstärkungswerkstoffe.
Es sind bereits bewehrte Holzbalken bekanntgeworden, bei welchen Bewehrungseisen in Nuten der Aussenseiten in einer nachgiebigen Kittschicht eingebettet sind. Bei dieser Art der Bewehrung werden die im Balken auftretenden Längskräfte anteilig nach Massgabe des Elastizitätsverhältnisses zuerst vom Balken und erst nach einer gewissen Durchbiegung desselben, von der Bewehrung aufgenommen, wodurch für bestimmte Verwendungszwecke Nachteile entstehen.
Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, den Holuwerkstoff, sei es ein Stab, ein Brett oder eine Platte aus gewachsenem oder verarbeitetem Holz, insbesondere mit Kunstharz oder sonstigen Bindemitteln verbundene und/oder verpresste Holzspäne, Holzstücke od. dgl. so zu bewehren, dass die am Holz angreifenden Lasten sofort von der Bewehrung übernommen werden.
Um dies zu erreichen, wird ein Verbundwerkstoff der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, bei welchem erfindungsgemäss die Bewehrungsdrähte, vorzugsweise Stahldrähte, mit dem HolzwerkstoffKörper in schubfester Verbindung verklebt sind.
Bei einem solchen Verbundwerkstoff übernehmen die Stahldrähte fast ausschliesslich die Aufgabe des Lastenträgers. Der Werkstoff hat ein geringes Gewicht und ist sehr wirtschaftlich. Alle Anforderungen können durch Auswahl des Holzes bzw. Holzwerkstoffes und Anordnung von Stahldrähten verschiedenen Durchmessers und ihrer Zahl weitestgehend erfüllt werden.
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Der Verbund der Stahldrähte mit dem Holzwerkstoff kann nun in der verschiedensten Weise erfolgen.
So können gemäss der Erfindung die Stahldrähte lediglich auf die Oberfläche des Holzwerkstoffkörpers aufgeklebt werden.
Es können die Stahldrähte aber auch in den Holzwerkstoff-Körper eingebettet sein, damit sie auch aussen nicht vorstehen. Dann wird der Holzwerkstoff-Körper erfindungsgemäss mit Längsnuten versehen, deren Breite und Tiefe im wesentlichen dem Durchmesser der Stahldrähte gleich ist, wobei in jede Nut ein Stahldraht eingeklebt wird.
Es können aber auch erfindungsgemäss die Stahldrähte auf einen Träger, z. B. eine Papierlage, ein Furnierblatt od. dgl. aufgeklebt sein ; dieser mit den Drähten verbundene Träger wird dann seinerseits auf den Holzwerkstoff-Körper aufgeklebt.
Eine andere erfindungsgemässe Ausführung besteht darin, dass die Stahldrähte zwischen zwei Trägern, z. B. Papierlagen, Furnierblätter od. dgl. eingeklebt sind und dass der so entstandene, aus Trägern und Drähten gebildete Schichtkörper auf den Holzwerkstoff-Körper aufgeklebt ist.
Auch können erfindungsgemäss die Stahldrähte in einer oder mehreren Gruppen, deren Breite geringer ist als die Breite der zu armierenden Fläche des Holzwerkstoff-Körpers, angeordnet sein ; hiebei können die Zwischenräume zwischen den einzelnen Stahldrähten und/oder Gruppen mit einer Füllmasse, vorzugsweise Kunststoff, ausgefüllt sein.
Weitere Merkmale der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert, welche verschiedene Ausführungsarten des erfindungsgemässen Leicht-Verbundwerkstoffes darstellt.
Hiebei ist Fig. l ein Querschnitt durch einen Verbundwerkstoff-Körper mit unmittelbar aufgeklebten Stahldrähten, Fig. 2 ein Schnitt durch einen Werkstoffkörper mit in Nuten eingeklebten Drähten. Die Fig. 3 und 4 zeigen Schnitte durch Ausführungsformen, bei denen die Drähte mit Trägern verbunden und diese auf den Holzwerkstoff-Körper aufgeklebt sind, und Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen gemäss Fig. 1 aufgebauten Verbundwerkstoff-Körper, bei welchem jedoch die Zwischenräume zwischen den Drähten bzw. zwischen Drahtgruppen von einem Füllmaterial ausgefüllt sind.
Die in Fig. l gezeigte, einfachste Ausführungsform besteht aus dem Holzkörper 1, welcher beim gezeigtenAusführungsbeispiel aus einem Stab oder Brett besteht. An Stelle eines Brettes aus einem Stück kann naturgemäss auch ein aus vielen Schichten verleimter oder aus mehreren Stäben, beispielsweise von quadratischem Querschnitt, zusammengesetzter Stab oder auch ein aus Holzspänen, -splittern oder - stücken und einem Bindemittel, etwa Kunstharz, hergestellter Teil vorgesehen sein. Die Bewehrungsdrähte sind mit 2 bezeichnet und mit Hilfe einer Schicht 3 eines Klebstoffes, vorzugsweise einem härtbaren Kunststoff, unmittelbar und ohne jede Vorspannung auf die beiden einander gegenüberliegenden Flachseiten 4,5 des Holzkörpers 1 aufgeklebt.
Die Klebung muss derart beschatten sein, dass sich die Stahldrähte gegenüber dem Holzkörper 1 nicht verschieben können. Als Bewehrungsdrähte werden vorzugsweise gezogene Drähte, insbesondere Klaviersaitendraht, verwendet. Die Drähte können sehr hart und fest und ausserdem verhältnismässig dünn sein, da sie nur auf Zug bzw. Druck beansprucht werden.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den beiden gegenüberliegenden Flachseiten 4,5 des Holzkörpers 1 Nuten 6 vorgesehen, deren Tiefe und Breite höchstens gleich ist dem Durchmesser der Bewehrungsdrähte 2. Diese werden mit Hilfe einer Schicht 3 eines Klebstoffes, nachdem sie in die Nuten eingedrückt (gegebenenfalls eingewalzt oder eingeschlagen) worden sind, in diesen festgehalten. Infolge der grösseren Berührungsfläche zwischen dem Holzkörper 1 und den Drähten 2 ergibt sich hier eine sicherere Verbindung als bei dem in Fig. l gezeigten Ausführungsbeispiel und überdies eine glattere Oberfläche des bewehrten, fertigen Verbund-Werkstoff-Körpers ohne Nachbehandlung, damit auch ein besserer Schutz der Drähte gegen Beschädigung und Lösen vom Holzkörper.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 sind die Drähte 2 auf einen Träger 7 mittels einer Schicht 3 eines passenden Klebstoffes aufgeklebt und solche mit Drähten versehene Träger sind mit ihren freien Oberflächen mit Hilfe einer Schicht 3 eines gegebenenfalls andern Klebstoffes am Holzkörper 1 befestigt.
Es ist aber auch denkbar, die Bewehrung in umgekehrter Weise mit dem Körper 1 zu verbinden, so dass also die Drähte am Körper angeklebt sind und der Träger aussen liegt und so etwa eine Schutzschicht für die Drähte bildet.
Gemäss Fig. 4 sind die Drähte 2 zwischen zwei Trägern 7,8 eingeklebt, wobei die Schicht 5 des Klebstoffes alle Zwischenräume, die sich zwischen Drähten und Trägern befinden, restlos ausfüllen
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EMI3.1
EMI3.2
<tb>
<tb>
Stab <SEP> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP> E <SEP> F
<tb> 1. <SEP> Zahl <SEP> der <SEP> Stahldrähte
<tb> 1, <SEP> 1 <SEP> mm <SEP> Durchm. <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 95 <SEP> mm2 <SEP> 2 <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 8 <SEP> 10 <SEP> 14
<tb> 2. <SEP> E-Modul <SEP> des <SEP> fertigen
<tb> Verbundstabes <SEP> (kg/cn <SEP> ) <SEP> 170 <SEP> 194 <SEP> 248 <SEP> 287 <SEP> 358 <SEP> 455 <SEP> (xi0')
<tb> 3. <SEP> E-Modul <SEP> des <SEP> gefrästen
<tb> (unbewehrten) <SEP> Stabes <SEP> (kg/cn <SEP> 108 <SEP> 80 <SEP> 73 <SEP> 60 <SEP> 72 <SEP> 63 <SEP> (xl0 <SEP> )
<tb> 4. <SEP> Differenz <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> Moduln
<tb> nach <SEP> 2 <SEP> und <SEP> 3 <SEP> (kg/cm2) <SEP> 62 <SEP> 114 <SEP> 165 <SEP> 227 <SEP> 286 <SEP> 392 <SEP> (X <SEP> 108) <SEP>
<tb> 5.
<SEP> Modul-Zunahme <SEP> je
<tb> Stahldraht <SEP> (kg/cm2) <SEP> 31 <SEP> 28,5 <SEP> 27,5 <SEP> 28,5 <SEP> 28,6 <SEP> 28 <SEP> (# <SEP> 103)
<tb>
Aus dieser Messreihe geht hervor, dass die Biegefestigkeitszunahme eindeutig auf den Stahlquerschnitt bezogen werden kann. Es ist in diesem Falle je mrn Stahlfläche eine Zunahme des E-Moduls von etwa 30 000kg/cm2 gegeben. Die Zunahme ist streng linear und damit leicht vorausberechenbar ; sie ist unabhängig vom spez. Gewicht und vom E-Modul des Grundwerkstoffes.
Beim Stab B z. B. wurden 2, 5% des Holzquerschnittes durch Stahldrähte ersetzt. Die Biegefestigkeit stieg dadurch auf das 2, 4fache, beim Stab F wurden 9, 00/0 durch Stahldrähte ersetzt, die Zunahme der Biegefestigkeit stieg auf das 7, 2fache.
Die nur geringfügige Gewichtszunahme kann an Hand der folgenden Beispiele hervorgehoben werden.
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Es wurden Probestäbe gleichen Querschnittes, usw. von 150 mm jedoch mit verschiedenen Verhältnissen zwischen Holz- und Drahtquerschnitt geprüft. Es ergeben sich dabei die folgenden Werte für :
EMI4.1
<tb>
<tb> Stahlfläche <SEP> Stahlfläche <SEP> Spez. <SEP> Gewicht <SEP> E-Modul
<tb> mm2 <SEP> % <SEP> kg/dmS <SEP> kg/cm2
<tb> A <SEP> 1,9 <SEP> 1,25 <SEP> 0,69 <SEP> 170000
<tb> B <SEP> 3,8 <SEP> 2,50 <SEP> 0,67 <SEP> 194 <SEP> 000 <SEP>
<tb> C <SEP> 5, <SEP> 7 <SEP> 3, <SEP> 75 <SEP> 0, <SEP> 78 <SEP> 248000 <SEP>
<tb> D <SEP> 7,6 <SEP> 5,00 <SEP> 0,87 <SEP> 287000
<tb> E <SEP> 9,5 <SEP> 6,75 <SEP> 0,98 <SEP> 358 <SEP> 000 <SEP>
<tb> F <SEP> 13,3 <SEP> 9,00 <SEP> 1,18 <SEP> 455 <SEP> 000
<tb>
Das für die Messreihe eingesetzte Holz hat ein durchschnittliches spez. Gewicht von 0, 50 bis 0, 58.
Der E-Modul liegt bei etwa 90000. Die E-Moduln steigen mit dem Verhältnis der Stahlflächestarkan und erreichen im Falle F das 5fache des Holzwertes, obwohl das Gewicht des Verbundkörpers nur um das Doppelte anwächst. Im Falle B, in dem der Stahlanteil nur 1/40 der Holzfläche beträgt und das spez.
Gewicht nur von 0, 46 auf 0, U7 ansteigt, steigt die Biegefestigkeit um mehr als das Doppelte an.
Auch hier wird wieder der Charakter des Verbundwerkstoffes klar. Der Werkstoff ist weitestgehend auf die Anforderungen einstellbar. Bei Verwendung eines sehr leichten tropischen Holzes, z. B. Abachi, mit einem E- Modul von nur etwa 60000 kg/cm2 können beliebige Biegefestigkeiten bis etwa 700000 kg/cnf eingestellt werden, ohne damit das spez. Gewicht von Aluminium auch nur zur Hälfte zu erreichen.
Im folgenden wird auch eine Formel angegeben, nach welcher der Elastizitätsmodul des fertigen Verbundstabes mit sehr guter Annäherung in Abhängigkeit von den Abmessungen des Stabes, der Drähte und der Holzart berechnet werden kann.
EMI4.2
EMI4.3
45 000,.,...Ev = E-Modul des Verbundes
EH = E- Modul des Holzes
Fst = Querschnittsfläche aller Stahldrähte b und h = Abmessungen des Stabes oder des Balkens in cm, b = Breite, h = Höhe.
45 000 = Konstante, gültig für handelsübliche ungehärtete gezogene Gussstahl-Drähte.
Diese Formel liefert für alle erfindungsgemässen Verbundstäbe mit guter Annäherung die richtigen Werte. Die Fehlergrösse liegt bei höchstens + 6%. Im wesentlichen wird der Fehler von der Grösse EH bestimmt. Wegen der Inhomogenität des Werkstoffes Holz sind Messungen der Biegefestigkeit von vielen Faktoren abhängig. Aus diesem Grunde werden auch bei der Berechnung von tragenden Holzkonstruktionen recht grosse Sicherheitsfaktoren eingeschaltet.
Als Stahldraht wird am besten hochwertiger Gussstahldraht gewählt. Seine Zugfestigkeit ist mit 250 - 300 kg/mm2 allen andern Werkstoffen so weit überlegen, dass er auch dann noch die besten Werte bringt, wenn man das hohe spez. Gewicht berücksichtigt. Da diese Stahldrähte industriell in grossen Mengen erzeugt werden, kommt noch eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit hinzu, die ihn ganz eindeutig als bestes Verstärkungsmaterial prädestiniert.
Bei grossen Biegekräften erfüllt das Holz wegen seines hohen E-Moduls die Aufgabe des festen und zugleich elastischen Zwischenmaterials in besonders ausgezeichneter Weise. Es hat ein niedriges spez.
Gewicht in Verbindung mit dem hohen E-Modul. Dazu kommt auch die überragende Wirtschaftlichkeit, da Holz als Werkstoff sowohl dem Gewicht als dem Volumen nach unvergleichlich wirtschaftlich ist. Es können nämlich auch billige und leichte Holzarten an Stelle teurer und schwerer Hölzer verwendet werden, wobei die Biegefestigkeit und auch die Zug- und Druckfestigkeit auf das 4 - 5fache ansteigen.
Die Anordnung einzelner Stahldrähte ergibt eine gute Querschnittsaufteilung, derzufolge sich eine sehr grosse Oberfläche ergibt ; dieses Merkmal ist wichtig für die guthaftende, schubfeste Verbindung zwischen Holzkörper und Bewehrung. Auch die Sicherheit gegen Bruch ist durch diese Aufteilung der
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Bewehrung in viele einzelne Drähte sehr hoch.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verbundwerkstoff mit einem Holzwerkstoff-Körper, in dessen Belastungszonen Bewehrungsdrähte vorgesehensind, dadurchgekennzeichnet,dassdieBewehrungsdrähte,vorzugsweiseStahldrähte, mit dem Holzwerkstoff-Körper in schubfester Verbindung verklebt sind.