DE102013009523A1

DE102013009523A1 - Fundamentdämpfer

Info

Publication number: DE102013009523A1
Application number: DE102013009523.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Peter Stegmaier
Current assignee: EFFBE GMBH, DE
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: DE102013009523B4

Abstract

Das erfindungsgemäße Abstützelement besteht aus einem Polyurethankörper, der an zwei einander gegenüber liegenden Flachseiten mit Verbundmaterialschichten (14, 15) aus Kunststoff versehen sind, die Fasern, vorzugsweise Kohlenstofffasern (19) enthalten. Die Fasern (19) können ganz oder teilweise durch anderweitige Fasern, beispielsweise Polyamidfasern, ersetzt sein. Das Abstützelement (10) wird erzeugt, indem auf einen bereitgestellten Polyurethankörper (11) auf die vorhandenen voneinander weg weisenden Flachseiten (12, 13) Schichten aus Prepreg aufgesiegelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abstützelement, insbesondere für Turmfundamente.
Aus der Praxis ist es bekannt, schwingende Maschinenelemente mittels sogenannter Silent-Elemente zu befestigen, die einen Gummikörper umfassen, der zwischen zwei Metallplatten vulkanisiert ist, um diese elastisch miteinander zu verbinden.
Elemente der genannten Art können Zugkräfte oder Druckkräfte übertragen. Sie können zur Abstützung schwingender Lasten genutzt werden. Allerdings stellt der Gummi-Metall-Verbund eine Schwachstelle dar, die zum Versagen des Bauteils führen kann. Dies gilt insbesondere bei hohen Drucklasten, die zu einem bezüglich der Kraftwirkungsrichtung seitlichen Ausweichen des Elastomerkörpers und somit zu Scherkräften an dem Gummi-Metall-Verbund führen. Auch eignen sich solche Gummi-Metall-Verbundelemente kaum zum Ersatz mechanischer Federn.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Abstützelement zu schaffen, das für hohe Drucklasten geeignet ist und eine hohe Lastwechselfestigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird mit dem Abstützelement nach Anspruch 1 gelöst:
Das erfindungsgemäße Abstütz- und Federelement umfasst einen aus einem Polyurethan-Elastomere-Kunststoff bestehenden Körper, der zwei voneinander weg weisende Flachseiten aufweist. An den Flachseiten sind Verbundmaterialschichten angebracht, die Kohlenstofffasern enthalten, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Das Element kann ein Sandwich, bestehend aus zwei Verbundmaterialschichten und dem dazwischen angeordneten Körper, wie auch ein aus mehreren Schichten und mehreren Körpern bestehender Verbundaufbau sein. Unabhängig davon bilden die Verbundmaterialschichten steife Platten, zwischen denen der Körper aus Polyurethan-Kunststoff angeordnet ist. Zwischen dem Polyurethan-Kunststoff und den Verbundmaterialschichten ist eine intensive stoffschlüssige Verbindung, d. h. Verschmelzung gegeben. Aufgrund des nahezu gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der Verbundmaterialschichten und des aus Polyurethankunststoff bestehenden Körpers kann dieser relativ groß ausgebildet werden, ohne dass selbst bei extremen Temperaturschwankungen eine Lösung der Verbundmaterialschichten von dem Körper zu befürchten wären. Außerdem stellt sich heraus, dass zwischen einer Kunststoffmatrix und dem Polyurethan-Kunststoff ein inniger Verbund herstellbar ist, der durch die seitliche Ausweichbewegung des Polyurethankörpers bei Druckbelastung nicht abreißt. Das erfindungsgemäße Abstützelement ist deshalb zur dauerhaften Abstützung großer Lasten, beispielsweise im Baumaschinenbereich, insbesondere zur Abstützung von Türmen von Windkraftanlagen und Bearbeitungszentren geeignet. Es lässt sich auf rationelle Weise herstellen, indem auf Flachseiten eines zuvor bereitgestellten Polyurethankörpers Schichten aus Prepreg-Material aufgelegt werden, die unter gleichzeitiger Anwendung von Druck und Wärme mit dem Körper verbunden und zugleich ausgehärtet werden. Das Anpressen und Aushärten des Prepreg-Materials kann beispielsweise im beheizten Vakuumsack erfolgen. Bei einem verfeinerten Verfahren wird das Element zum Aushärten zwischen ebene Flächen als Sandwich mit einer Kraft eingespannt, die den Polyurethankörper merklich verformt. Vorzugsweise ist die Kraft kleiner als die von dem Element zu ertragende maximale axiale Kraft. Weiter vorzugsweise ist die Kraft größer als ein Viertel, besser größer als ein Drittel oder die Hälfte der maximalen axialen Kraft. Dadurch wird das Prepregmaterial zusammengepresst. An seiner nach außen gewandten Seite passt es sich an die ebene Flächen an, an denen es anliegt. Die Grenzfläche zwischen dem Prepreg und dem Körper wird infolge der Gewebestruktur des Fasermaterials wellig. Außerdem weicht der Körper durch den axialen Druck radial etwas aus. In diesem Zustand wird die Verklebung zwischen dem Körper und den Verbundmaterialschichten hergestellt. Dadurch wird die Grenzschicht nach Entlasten des Sandwiches in Radialrichtung negativ vorgespannt. Dadurch wird bei einer späteren Widerbelastung die Spannung zunächst Null und dann positiv. Der maximale Betrag der radialen Kraft wird durch die Vorspannung jedoch gemindert und im guten Fall sogar halbiert. Dies macht die Verbundelemente dauerschwingfest und hoch belastbar. Außerdem haben die Elemente als Federn eine hohe Wiederkehrgenauigkeit. Die vollflächige Verbindung zwischen dem Körper und den Verbundmaterialschichten bleibt dauerhaft erhalten. Mikrorisse in der Grenzschicht, die sonst zu lokalen Kriecherscheinungen mit Stick-Slip-Effekten führen, können unterbunden werden.
Die Welligkeit der Grenzfläche zwischen dem Körper und den Verbundmaterialschichten kann noch zu einer formschlüssigen Unterstützung der mechanischen Verbindung und zu einer verbesserten Abstützung der in Radialrichtung in der Grenzfläche wirkenden Kräfte führen.
Vorzugsweise sind die Kohlenstofffasern der Verbundmaterialschichten einander überkreuzend angeordnet. Beispielsweise liegen sie als Gewebe vor.
Das Prepreg-Material kann im Weiteren ein Kunstharz enthalten, wie beispielsweise Polyesterharz oder ein sonstiges Harz.
Die Verbundmaterialschichten sind vorzugsweise wesentlich dünner als der Körper. Sie besitzen somit trotz ihrer in Faserlängsrichtung gegebenen extremen Zugsteifigkeit eine gewisse elastische Biegsamkeit, so dass sie sich an im Baubereich vorhandene Metall- oder Betonelemente anschmiegen können. Vorzugsweise ist die Dicke der Verbundmaterialschichten deutlich geringer als ein Zehntel der Dicke des Körpers. Der Körper kann als Zylinder, Hohlzylinder, Prisma, mit einem Durchgang versehenes Prisma oder dergleichen, ausgebildet sein. Vorzugsweise ist er dabei ringförmig.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Abstützelement, in perspektivischer Darstellung und
2 das Abstützelement nach 1, in einer ausschnittsweisen Darstellung.
1 veranschaulicht das erfindungsgemäße Abstützelement 10 am Beispiel einer hohlzylindrischen Bauform. Das Abstützelement 10 weist einen Körper 11 auf, auf dessen Flachseiten 12, 13 Verbundmaterialschichten 14, 15 aufgebracht sind. Die Flachseite 12, 13 und somit die Verbundmaterialschichten 14, 15 sind eben und zueinander parallel ausgebildet. Das Abstützelement weist außerdem einen zentralen Durchgang 16 sowie eine zylindrische Mantelfläche 17 auf, so dass es insgesamt ringförmig ausgebildet ist.
Der Körper 11 besteht aus einem Polyurethanmaterial, dieser Kunststoff zeichnet sich durch hohe Reißfestigkeit, Dauerelastizität und hohe dynamische Belastbarkeit aus.
Die obere Verbundmaterialschicht 14 und die untere Verbundmaterialschicht 15 bestehen vorzugsweise jeweils aus einer Kunststoffmatrix 18 (2), in die Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern 19 eingebettet sind. Vorzugsweise liegen diese in geordneter Form, zum Beispiel wie dargestellt, in Webbindung oder als sonstiges Gewebe, vor. Die Kunststoffmatrix 18 besteht beispielsweise aus Polyesterharz.
Die Verbundmaterialschichten 14, 15 sind untereinander vorzugsweise gleich ausgebildet. Sie können sich bis zu der Mantelfläche 17 erstrecken und bedarfsweise diese, wie 2 andeutet, etwas übergreifen. Vorzugsweise werden sie aus einem Prepreg gebildet, dass mit dem Kunststoffkörper 11 durch ein Heißsiegelverfahren verbunden wird. Es werden auf die Flachseiten 12, 13 des Kunststoffkörpers 11 Scheiben aus Prepreg-Material aufgelegt, und dann unter Anwendung von Druck und Hitze mit diesem verbunden, sowie ihrerseits ausgehärtet.
Das erfindungsgemäße Abstützelement 10 kann in Turmfundamenten, beispielsweise zur Abstützung des Turms auf einem Fundament dienen. Dazu wird beispielsweise ein Betonfundament mit planer Oberseite ausgebildet, aus dem ein Kranzbefestigungsbolzen herausragt. Auf jeden Befestigungsbolzen werden nun ein oder mehrere der genannten Abstützelemente 10 aufgefädelt, wonach der Turmfuß mit seinem unteren Flansch auf die Abstützelemente aufgesetzt werden kann. Zusätzlich zu dem Gewicht des Turms einer Windkraftanlage lastet dann noch die Spannkraft der Bolzen auf den Abstützelementen 10. Diese verteilen die Gewichtslast des Turms aufgrund der bleibenden Restelastizität der Verbundmaterialschichten 14, 15 gleichmäßig und ohne Schädigung des Abstützelements 10 oder des darunter liegenden Betons auf das Fundament.
Das erfindungsgemäße Abstützelement besteht aus einem Polyurethankörper, der an zwei einander gegenüber liegenden Flachseiten mit Verbundmaterialschichten 14, 15 aus Kunststoff versehen sind, die Fasern, vorzugsweise Kohlenstofffasern 19 enthalten. Die Fasern 19 können ganz oder teilweise durch anderweitige Fasern, beispielsweise Polyamidfasern, ersetzt sein. Das Abstützelement 10 wird erzeugt, indem auf einen bereitgestellten Polyurethankörper 11 auf die vorhandenen voneinander weg weisenden Flachseiten 12, 13 Schichten aus Prepreg aufgesiegelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Abstützelement
11: Körper
12: obere Flachseite
13: untere Flachseite
14: obere Verbundmaterialschicht
15: untere Verbundmaterialschicht
16: Durchgang
17: Mantelfläche
18: Kunststoffmatrix
19: Fasern

Claims

Abstütz- und Federelement (10), mit einem aus einem Polyurethan-Elastomere-Kunststoff bestehenden Körper (11), der zwei voneinander weg weisende Flachseiten (12, 13) aufweist, mit auf den Flachseiten (12, 13) angebrachten Verbundmaterialschichten (14, 15), die Kohlenstoff-Fasern (19) enthalten, die in eine Kunststoffmatrix (18) eingebettet sind.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmaterialschichten (14, 15) mit dem Körper (11) stoffschlüssig verbunden sind.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmaterialschichten (14, 15) durch ein Prepreg-Material gebildet sind, die mit dem Körper (11) unter gleichzeitiger Anwendung von Anpressdruck und Wärme verbunden und dabei ausgehärtet worden sind.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmaterialschichten (14, 15) mit dem Körper (11) unter einer radialen, zentral nach innen gerichteten Vorspannung verbunden sind.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Fasern (19) in zwei Gruppen unterteilt sind, die einander überkreuzend angeordnet sind.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix (18) aus einem Kunstharz besteht.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Körper (11) und den Verbundmaterialschichten (14, 15) jeweils nichtebene Grenzflächen ausgebildet sind.
Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen in zwei überkreuzenden Richtungen gewellt sind.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (11) eine von Flachseite (12) zu Flachseite (13) zu messende Dicke aufweist, die geringer ist, als jede parallel zu der Flachseite (12, 13) zu messende Abmessung des Körpers (11).
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (11) eine zentrale Öffnung (16) aufweist, die sich durch beide Verbundmaterialschichten (14, 15) erstreckt.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (11) ringförmig ausgebildet ist.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (11) als Hohlzylinder ausgebildet ist.
Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmaterialschichten (14, 15) eine Dicke aufweisen, die kleiner als ein Zehntel der Dicke des Körpers (11) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Elements nach Anspruch 1, mit folgenden Schritten: Stapeln von zwei Prepreg-Zuschnitten und einem der Körper (11) als Sandwich übereinander, axiale Kompression der Sandwichanordnung und Aushärten der Prepreg-Zuschnitte.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Kompression eine Kraft aufgewendet wird, die kleiner als die von dem Element maximal zu ertragende Kraft ist, vorzugsweise jedoch größer als ein Viertel derselben.