DE102014112065A1

DE102014112065A1 - Schutzbauteil für den Einsatz als Stoßdämpfer

Info

Publication number: DE102014112065A1
Application number: DE102014112065.5A
Authority: DE
Inventors: Milad Mehdianpour
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2016-02-25

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Schutzbauteil als Stoßdämpfer, durch das aufprallende Energie dissipiert werden kann und das unter anderem für die Anwendungen geeignet ist, bei denen Dissipation von außergewöhnlich hohen Energien notwendig ist. Mit Hilfe des Schutzbauteils wird Stoßenergie über Reibungs- und Dehnungsarbeit zwischen einem Verformungskörper und einer Aufnahmekonstruktion dissipiert.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Dissipation von Energien, die infolge heftigen Stoßes aus Zug- oder Druckbelastung auftreten können. Im Folgenden wird ein Schutzbauteil als Stoßdämpfer vorgeschlagen, durch das aufprallende Energie dissipiert werden kann und das unter anderem für die Anwendungen geeignet ist, bei denen Dissipation von außergewöhnlich hohen Stoßenergien notwendig ist. Mit Hilfe des Schutzbauteils wird Stoßenergie über Reibungs- und Dehnungsarbeit zwischen einem Verformungskörper und einer Aufnahmekonstruktion dissipiert.
Hochdynamische Lasten überschreiten bei einem heftigen Aufprall zum Beispiel durch Anprall oder sogar infolge einer Explosion kurzzeitig sehr stark die gewöhnlichen Bemessungslasten. Werden diese Überbeanspruchungen vernachlässigt, so können Schäden bis hin zum Totalversagen einer Konstruktion, eines Gehäuses, eines Fahrzeugs oder eines Tragwerks auftreten. Darüber hinaus gefährden im Fall des Zerberstens von Glasteilen in der Konstruktion die durch die Stoßenergie hoch beschleunigten Bruchteile oder Splitter die anwesenden Personen. Schutzbauteile, die als Stoßdämpfer eingesetzt werden, lindern oder verhindern die Überbeanspruchung eines Systems.
Bei sehr hohen Beanspruchungen wie sie beispielsweise bei dem Aufprall eines Schiffes oder bei Explosionen vor Gebäudefassaden auftreten können, führt bei starren Tragsystemen die übliche Dimensionierung unter Berücksichtigung der beispielhaft genannten hochdynamischen Lasten zu einer erheblichen Vergrößerung der Bauteilabmessungen und damit zu sehr unwirtschaftlichen bzw. unästhetischen Lösungen, die bisweilen aufgrund der enormen Ausmaße kaum realisiert werden könnten.
Daher wird in der Praxis häufig durch die Installation von energieverzehrenden Dämpferelementen ein alternativer, zuverlässiger Tragmechanismus erzeugt, wodurch die Stoßenergie durch Dissipation gedämpft und der Schadensausmaß im Ereignisfall reduziert wird. Solche Dämpferelemente findet man z. B. bei Bauwerken an Fassadenaufhängungen, die gegen Explosion geschützt werden sollen, in vielen Bereichen der Maschinenbauindustrie, im Fahrzeugbau, aber auch in Gebrauchsgegenständen, Haushaltsgeräten, Leitplankenaufhängungen und Anprallschutzvorrichtungen wie z. B. Prellböcken.
Dabei kann durch energiedissipierende Schutzbauteile eine Überbeanspruchung der tragenden Unterkonstruktion bei Stoßbelastung verhindert und die Sicherheit des Gesamtsystems gegenüber Systemversagen erhöht werden, ohne durch eine Überdimensionierung das äußere Erscheinungsbild signifikant zu verändern.
Bekannte Möglichkeiten Energie zu dissipieren umfassen Hydraulische Stoßdämpfer, viskose Dämpfer, Crash-Materialien, Opferbauteile, die bei Überbeanspruchung zerstört werden, Reibplatten etc. Einige der bekannten Lösungen unterliegen durch ihr Funktionsprinzip bzw. Konstruktion großen Streuungen in den Materialkennwerten und sind dadurch schwer zu entwerfen und zu dimensionieren, und daher eher ungeeignet gerade für die Dissipation von besonders hohen Beanspruchungen in einem vordefinierten, engen Kraftfenster. Ferner sind die bekannten Systeme häufig aufwendig umzusetzen und teuer in der Herstellung und Unterhaltung. So könnten z.B. Reibplatten wegen der Streuung der Reibzahl für die gewählte Materialpaarung und exakt einzuhaltender Vorspannkraft für ein eng definiertes Kraftfenster schwer dimensioniert werden und hydraulische Dämpfer sind vergleichsweise teuer in der Herstellung und Unterhaltung und der Aufwand erhöht sich weiter, wenn Kriterien wie etwa Temperaturbeständigkeit und Dauerhaftigkeit eine wichtige Rolle spielen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schutzelement basierend auf einem einfachen, robusten Dämpfungsprinzip bereitzustellen, das als Stoßdämpfer für, insbesondere einmalige heftige Beanspruchungen eingesetzt werden kann und dabei leichter als bekannte Lösungen zu dimensionieren ist und sehr günstig herzustellen ist.
Vor diesem Hintergrund wird ein Schutzbauteil nach Anspruch 1 sowie dessen Verwendung zur Dissipation von Energie in Folge einer heftigen dynamischen Belastung nach Anspruch 14 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
Es wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein energiedissipierendes Schutzbauteils vorgestellt, das die hohen Anforderungen für den Einsatz in Schwermaschinen oder zum Explosionsschutz in einer Fassadenkonstruktion erfüllt, aber auch für den Einsatz in kleineren Kraftbereichen, die z.B. für Maschinen oder Kleingeräte anfallen, geeignet ist.
Durch die Möglichkeit der Dimensionierung und Materialwahl kann annähernd für jedes beanspruchende Ereignis sichergestellt werden, dass während des Stoßvorgangs trotz großer Systemverformung eine geforderte Mindesttragfähigkeit gegeben ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Schutzbauteil für den Einsatz als Stoßdämpfer vorgeschlagen umfassend

– mindestens einen Verformungskörper,
– mindestens einen Aufnahmekörper mit mindestens einer Öffnung zur Aufnahme des Verformungskörpers in einem Ausgangszustand, in dem der Verformungskörper durch seine Dimensionen nicht durch die Öffnung des Aufnahmekörpers passt, und
– mindestens einen Kraftvermittler, der zur Übertragung einer Kraft auf den Verformungskörper eingerichtet ist, und der eingerichtet ist im Falle einer Krafteinwirkung den Verformungskörper in die Öffnung des Aufnahmekörpers zu treiben,

Im Falle eines heftigen Stoßes wird Kraft über den Kraftvermittler gerichtet auf den Verformungskörper übertragen. Der Verformungskörper wird in Folge der Kraftübertragung in Richtung des Aufnahmekörpers bewegt. An der Stelle der Öffnung des Aufnahmekörpers zur Aufnahme des Verformungskörpers arbeitet der Verformungskörper gegen den Aufnahmekörper und verformt diesen infolge der Beanspruchung elastisch oder elastisch und plastisch, da der Verformungskörper in seinen Dimensionen größer als die Öffnung ist und dadurch nicht einfach ohne Widerstand durch die Öffnung hindurch bewegt werden kann. Der auftretende Verschiebewiderstand kommt dadurch zustande, dass aufgrund unterschiedlicher Dimensionen der Komponenten an dem Ort zwischen dem Verformungskörper und dem Aufnahmekörper eine hohe Kontaktpressung entsteht, die orthogonal zur Bewegungsrichtung gerichtet ist. Aus der Kontaktpressung und der Kontaktfläche entsteht eine Kontaktkraft, die multipliziert mit dem Reibbeiwert der Materialpaarung eine Reibkraft erzeugt, die der Bewegungsrichtung entgegen gerichtet ist. Die Dissipation der einwirkenden Energie geschieht durch das Schutzbauteil der vorliegenden Erfindung innerhalb den Konstruktionsbauteilen und weist prinzipiell eine kompakte Bauweise auf. Insgesamt wird die Energie dadurch auf verschiedenen Wegen verbraucht, vorwiegend durch die Reibung, aber auch durch die plastische Verformung des Aufnahmekörpers, die Stauchung des Verformungskörpers und die Dehnungsarbeit, und letztendlich auch ein wenig über die Wärmeentwicklung bis hin zur Schallemission.
Durch ein energiedissipierendes Schutzbauteil der vorliegenden Erfindung kann somit eine Überbeanspruchung bei einer außergewöhnlichen Stoßbelastung wie durch Aufprall oder Explosion in 1000 kN-Bereich und mehr verhindert und die Sicherheit des Gesamtsystems gegenüber Systemversagen erhöht werden, ohne durch eine Überdimensionierung das äußere Erscheinungsbild zu verändern.
Wie hierin verwendet, wird unter Stoßbelastung eine hochdynamische Belastung aus Zug oder Druck verstanden.
Ferner wird gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Schutzbauteil vorgestellt mit der besonderen Eigenschaft eine gewisse Verformung und damit eine gezielte Energieumwandlung und einen alternativen Lastabtragungspfad zu ermöglichen. Insgesamt wird erfindungsgemäß die Energie auf verschiedenen Wegen verbraucht.
Gemäß einer Ausführungsform des Schutzbauteils wird der Verformungskörper durch den Aufnahmekörper getrieben. In einer Ausführungsform kann der Verformungskörper durch den Aufnahmekörper gedrückt werden. In einer anderen Ausführungsform wird der Verformungskörper durch den Aufnahmekörper gezogen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Aufnahmekörper ein Rohr. Das Rohr kann gemäß der vorliegenden Erfindung grundsätzlichen jeden Querschnitt annehmen, beispielsweise dreieckig, viereckig, insbesondere quadratisch, rautenförmig oder rechteckig, fünfeckig sowie auch höhere mehreckige Querschnitte, die regulär oder ungleichmäßig sind, oder auch sternförmig, regulär oder irregulär mit drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder mehr Strahlenausformungen. Auch runde Querschnitte sind möglich, zum Beispiel kreisförmig, Ei-förmig oder ellipsoid. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Rohr einen runden Querschnitt auf, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform einen kreisrunden Querschnitt.
Vorteil der Ausführungsform des Aufnahmekörpers in Form eines Rohres, insbesondere eines Rohres mit einem kreisrunden Querschnitt, besteht darin, dass die Energiedissipation über verschiedene Kanäle geführt wird, unter anderen durch Dehnungsarbeit, Reibungsarbeit durch die Reibung mit den Rohrinnenwänden, Verschiebekräfte während des Weges des Verformungskörpers durch das Innenrohr. Vorteil der Ausführungsform eines Rohres mit einem runden, insbesondere kreisrunden Querschnitt ist eine weitgehend gleichmäßige Spannungsverteilung, die lokal vergleichbar geringe Überbeanspruchungen vorsieht und wenige Spannungsspitzen aufweist. Dadurch wird das verwendete Material effizienter ausgenutzt. Des Weiteren bietet die Verwendung von kreisrunden Querschnitten die Möglichkeit einer genaueren analytischen Betrachtung und die Verwendung von Handformeln für eine Abschätzung der benötigten Dimensionen.
Der Aufnahmekörper kann ferner in Stoßrichtung unterschiedliche Wanddicken, Querschnittsgeometrien oder Materialeigenschaften aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform ist es möglich, dass sich Aufnahmekörper am Ort der Aufnahme eine geringe Wanddicke aufweist und sich in Richtung des Stoßes verdickt. Dabei kann der Aufnahmekörper so ausgeführt sein, dass er in Stoßrichtung seine Wanddicke kontinuierlich oder abrupt ändert, dünner wird oder dicker wird oder alternierend ausgeführt ist, beispielsweise durch eine Querverrippung. In einer weiteren Ausführungsform ist ferner möglich, dass am Ort der Aufnahme eine große Wandstärke vorliegt und sich die Stärke des Aufnahmekörpers in Richtung des Stoßes verjüngt. Ferner ist zu beachten, dass in einer Ausführungsform mit einem Rohr als Aufnahmekörper der Rohrdurchmesser veränderlich sein kann über die Länge der Aufnahme. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Rohrinnendurchmesser in Stoßrichtung kleiner d.h. das Rohr wird enger. In einer weiteren Ausführungsform kann der Aufnahmekörper so ausgeführt sein, dass er quer zur Stoßrichtung unterschiedliche Wanddicken oder Materialeigenschaften aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann Aufnahmekörper so ausgeführt sein, dass er quer zur Stoßrichtung seine Wanddicke alternierend ändert. Eine solche Ausführungsform kann somit eine Längsverrippung vorsehen. Ferner kann der Aufnahmekörper so ausgeführt sein, dass er in und/oder quer zur Stoßrichtung seine Material- oder Oberflächeneigenschaften kontinuierlich, abrupt oder alternierend ändert und/oder in der erwähnten Weise aus verschiedenen Materialien oder Schichten besteht. In einer weiteren Ausführungsform kann der Aufnahmekörper der Gestalt sein, dass er in Stoßrichtung seine Querschnittsform oder -abmessungen kontinuierlich oder abrupt ändert. Eine solche Ausführungsform könnte vorsehen, dass der Aufnahmekörper beispielsweise einen Wechsel oder einen Übergang von einem Kreisquerschnitt auf einen Quadratquerschnitt umfasst. Ferner könnte eine Ausführungsform mit einer Querschnittsformänderung einen Wechsel oder einen Übergang von einem Durchmesser auf einen anderen Durchmesser oder von einer Kantenlänge auf eine andere Kantenlänge. Ebenfalls kann in einer Wanddickenänderungen eine Querschnittsabmessungsänderung gesehen werden.
Vorteil einer solchen Ausführungsform liegt darin, dass eine gezielte Änderung der Dämpfungscharakteristik erreicht werden kann und damit eine Anpassung an den Einsatz des Schutzbauteils vorgenommen werden kann.
Der Verformungskörper kann in Theorie jedwede dreidimensionale Form annehmen. Denkbar sind beispielsweise Würfel, Quader, Kegel, Kugel, aber auch völlig unregelmäßige Formen, solange der Verformungskörper durch seine dreidimensionale Form nicht durch die Öffnung des Aufnahmekörpers passt und nicht ohne Hinderung durch den Aufnahmekörper bewegt werden kann. Dabei ist es bevorzugt, dass der Verformungskörper auf der in den Aufnahmekörper eintretenden Kante eine Abrundung aufweist, um eine bessere Aufnahme und in Folge bessere Aufweitung zu ermöglichen. In einer weiteren Ausführungsform weist der Verformungskörper einen runden, insbesondere einen kreisrunden Querschnitt auf. Dabei kann der Verformungskörper als Kugel oder auch als Äquatorialscheibe einer Kugel, auch mit einer Aussprung im Zentrum der Äquatorialscheibe, oder in Form eines Ringes, vorzugsweise abgerundeten Kanten, oder in Form eines Torus ausgestaltet sein.
Vorteil einer Ausgestaltung als Kugel oder als Äquatorialscheibe ist die gleichmäßige Spannungsverteilung an den Kontaktflächen zwischen Kugel oder Äquatorialscheibe einer Kugel. Ferner wird durch die Verwendung eines Verformungskörpers in Ausgestaltung eines Körpers mit rundem Querschnitt ein Verkanten des Verformungskörpers beim Einwirken auf die Öffnung des Aufnahmekörpers zur Aufnahme des Verformungskörpers, und im Speziellen beim Eintritt des Verformungskörpers in das Rohrinnere verhindert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Schutzbauteil als Verformungskörper eine Kugel oder eine Äquatorialscheibe einer Kugel auf, und als Aufnahmekörper ein Rohr mit rundem Querschnitt. In einer solchen Ausführungsform ist der Durchmesser des Verformungskörpers D_V größer als der Innendurchmesser des Rohres D_IR, so dass gilt D_V/D_IR > 1. Durch dieses Merkmal wird sichergestellt, dass der Verformungskörper nicht durch das Rohr ohne weitere Hinderung hindurch bewegt werden kann. Vielmehr wird dadurch bewirkt, dass der Verformungskörper im Falle einer Beanspruchung gegen die vorliegenden Kräfte, die das Rohr ausübt, wenn es einen zu großen Körper aufnehmen soll, arbeitet.
Durch ein solches Schutzbauteil dieser Ausführungsform wird Energiedissipation ermöglicht, die vorwiegend dem Produkt aus der Verschiebewiderstandskraft und dem Verschiebeweg einer zu großen Kugel in einem Rohr entspricht. Der Verschiebewiderstand wird zwangsläufig erzeugt, mit größerem Durchmesser als für das Rohr, D_IR. Die in der Rohrwandung aktivierten Ringzugkräfte sorgen für eine gleichmäßig umlaufende Kontaktpressung in der Berührungsfuge zwischen der Kugel und der Rohrinnenwand. Die Kontaktpressung erzeugt ferner durch die entsprechende Reibung zwischen den beteiligten Materialien die Verschiebewiderstandskraft. Es ist allerdings für den Fachmann ersichtlich, dass Verformungskörper und Aufnahmekörper nicht notwendigerweise den gleichen Querschnitt aufweisen müssen, um in einem hierin vorgeschlagenen Schutzbauteil Verwendung zu finden. Es ist durchaus auch möglich, dass beispielsweise der Verformungskörper einen kreisrunden Querschnitt aufweist, während der Aufnahmekörper einen dreieckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist. Dadurch kann z. B. beim Eindringen der Kugel gezielt mehr Dehnungsarbeit infolge der Aufbiegung und ggf. plastische Verformung der Rohrkanten aktiviert werden.
Der Aufnahmekörper, insbesondere ein Rohr, insbesondere ein Rohr mit einem kreisrunden Querschnitt, kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein. Insbesondere sind Materialien geeignet, die eine ausreichende Duktilität und ein geeignetes elastisches Dehnverhalten aufweisen. Dabei können einerseits elastische Materialien wie Gummi, Hartgummi, und Elastomere verwendet werden, oder auch schwer elastische, nachgebende Materialien wie Metalle wie beispielsweise Eisen-Metalle wie Edelstähle, Nicht-Eisen-Metall wie Kupfer, Aluminium und Titan, Edelmetalle; Metalllegierungen; Kunststoffe wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polycarbonat; und auch Verbundwerkstoff aus den zuvor genannten Materialien; faserverstärkte Materialien wie faserverstärkte Kunststoffe, faserverstärkte Baustoffe, faserverstärkte Polymere, faserverstärkte Harze, insbesondere kohlenstofffaserverstärte Kunststoffe und glasfaserverstärkte Kunststoffe. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Fertigung des Aufnahmekörpers aus einem elastischen Material vorgeschlagen. Der Vorteil dieses Vorschlags liegt darin, dass im Falle einer Dehnung durch den Verformungskörpers nach Eintritt desselbigen in die Aufnahme des Aufnahmekörpers der Verformungskörper gegen die Auftretenden nach innen gerichteten Radialkräfte des elastischen Aufnahmekörpers arbeiten muss. Eine solche Ausführungsform ist durch eine besondere Effizienz gekennzeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Aufnahmekörper aus Stahl vorgeschlagen.
Der Aufnahmekörper, insbesondere ein Rohr, erfährt ferner prinzipiell keine Einschränkung bezüglich der Dimension, da die Dissipation stark vom Material der Aufnahmekörpers, und ferner stark von der Materialpaarung aus Aufnahmekörper und Verformungskörper abhängt. In Frage kommen bei rundem Öffnungsquerschnitt beim Aufnahmekörper, insbesondere bei einem Rohr, und insbesondere bei einem Rohr mit einem kreisrunden Querschnitt, Innendurchmesser von wenigen Millimetern bis mehrere Meter, wie zum Beispiel 0,001 m bis 5 m, bevorzugt 0,005 bis 2 m, weiter bevorzugt von 0,01 m bis 0,5 m noch weiter bevorzugt von 0,02 m bis 1 m und am meisten bevorzugt von 0,05 m bis 0,3 m.
Die Dicke/Stärke des Aufnahmekörpers, insbesondere die Wandstärke eines Rohres, beeinflusst maßgeblich die Kontaktkraft zwischen dem Verformungskörper und dem Aufnahmekörper und somit die Dissipationseigenschaften des Schutzbauteils der vorliegenden Erfindung. Je dicker/stärker der Aufnahmekörper, insbesondere je größer die Wandstärke eines Rohres, desto größer die dem Verformungskörper entgegenstehenden Rohrverformungskräfte. Prinzipiell kann die Dicke/Stärke des Aufnahmekörpers, insbesondere die Wandstärke eines Rohres, von wenigen Millimetern, auch Bruchteilen von Millimetern, bis mehrere Meter reichen. Bevorzugt ist ein Bereich von 0,0001 m bis 2 m, weiter bevorzugt von 0,0005 m bis 1m, noch weiter bevorzugt von 0,001 m bis 0,5 m, noch weiter bevorzugt von 0,005 m bis 0,1 m und am meisten bevorzugt von 0,008 m bis 0,05 m.
Es ist zu beachten, dass die Dicke/Stärke des Aufnahmekörpers so gewählt wird, dass eine Verformung stattfinden kann ohne dass der Verformungskörper komplett verschlissen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform vollzieht sich die Energiedissipation im vorwiegenden Maße durch Verformung und nur im geringen Maße durch Verschleiß. Hauptursache für Verschleiß liegt im Abrieb des Verformungskörpers und/oder der Aufnahmekörpers.
Der Verformungskörper kann prinzipiell aus jedem geeigneten Material hergestellt sein. Es liegt im Sinne der Erfindung, dass der Verformungskörper nur unwesentlich weniger hart, bevorzugt gleich hart oder härter als der Aufnahmekörper ist, um nicht bei Beanspruchung im Gegensatz zur Herbeiführung von Reibung und Verformung des Aufnahmekörpers im vorwiegendem Maße verschlissen zu werden. In einer Ausführungsform besteht der Verformungskörper aus demselben Material wie der Aufnahmekörper. Somit kommen als Material für den Verformungskörper zunächst Materialien in Frage, die eine ausreichende Duktilität und ein geeignetes elastischen Dehnverhalten aufweisen. Dabei können einerseits elastische Materialien wie Gummi, Hartgummi, und Elastomere verwendet werden, oder auch schwer elastische, nachgebende Materialien wie Metalle wie beispielsweise Eisen-Metalle wie Edelstähle, Nicht-Eisen-Metall wie Kupfer, Aluminium und Titan, Edelmetalle; Metalllegierungen; Kunststoffe wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polycarbonat; und auch Verbundwerkstoff aus den zuvor genannten Materialien; faserverstärkte Materialien wie faserverstärkte Kunststoffe, faserverstärkte Baustoffe, faserverstärkte Polymere, faserverstärkte Harze, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe und glasfaserverstärkte Kunststoffe. Andererseits kann der Verformungskörper auch aus Materialien hergestellt sein, die kaum nachgiebig und unelastisch sind wie beispielsweise Keramiken, Porzellane, Gläser, Hölzer, unbewährte mineralische Baustoffe wie reiner Beton, Ziegel oder Mörtel, und Steine. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verformungskörper aus Stahl vorgeschlagen.
Der Verformungskörper, insbesondere in der Ausführungsform einer Kugel oder einer Äquatorialscheibe einer Kugel, erfährt prinzipiell keine Limitierung in der Größe. Im Sinne der Erfindung ist der Verformungskörper größer als die Öffnung zur Aufnahme des Verformungskörpers im Aufnahmekörper; so dass im Falle eines Rohres mit runden Querschnitt als Aufnahmekörper gilt D_V/D_IR > 1, wobei D_V der Durchmesser des Verformungskörpers und D_IR der Innendurchmesser des Rohres ist. Der Durchmesser des Verformungskörpers kann im Bereich von 0,001 m bis 5 m, bevorzugt 0,005 bis 2 m, weiter bevorzugt von 0,01 m bis 0,5 m noch weiter bevorzugt von 0,02 m bis 1 m und am meisten bevorzugt von 0,05 m bis 0,3 m liegen.
Es liegt im Sinne der Erfindung, dass der Durchmesser des Verformungskörpers D_V in der Ausführungsform einer Kugel oder einer Äquatorialscheibe einer Kugel größer als der Innendurchmesser des Rohres D_IR, insbesondere eines Rohres mit kreisrundem Durchmesser, so dass gilt D_V/D_IR > 1. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des Verformungskörpers D_V 0,01–20%, weiter bevorzugt 0,05–10% und am meisten bevorzugt 0,1–5% größer als der Innendurchmesser des Rohres D_IR. Ferner liegt der Radiusunterschied ∆r in der Ausführungsform einer Kugel oder einer Äquatorialscheibe einer Kugel bevorzugt im Bereich von 0,01–10 mm, weiter bevorzugt von 0,05–50 mm, noch weiter bevorzugt von 0,08–5 mm, noch weiter bevorzugt von 0,1–2 mm und am meisten bevorzugt von 0,3–0,8 mm.
Ein Vorteil der freien Dimensionierung und der Materialauswahl sowohl bei Verformungskörper als auch beim Aufnahmekörper ermöglichen es, das hierin vorgeschlagene Schutzbauteil auf zu erwartende Beanspruchungen genau auszurichten und zu dimensionieren. Durch die hohe Effizienz des hierin vorgeschlagenen Schutzbauteils ist ferner möglich einen Stoßdämpfer für verschiedenste Anwendungen bereitzustellen, der weite Energiebereiche abdeckt und dabei ferner sehr einfach und insbesondere preiswert umgesetzt werden kann. Insbesondere ist es möglich ein Schutzbauteil als Stoßdämpfer einzusetzen, das dazu geeignet ist besonders hohe, außergewöhnlich Energien zu dissipieren, ohne dabei eine unverhältnismäßig große Dimension anzunehmen, die unpraktisch für den weiteren Verbau und zudem übermäßig teuer wäre.
In einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Schutzbauteils ist die Oberfläche des Verformungskörpers und/oder des Aufnahmekörper mit einer gewünschten Beschaffenheit versehen. Eine solche Oberflächenbeschaffenheit kann beispielsweise eine Aufrauhung, ein Polieren, eine Beschichtung, eine Prägung oder eine Schmierung als besondere Form der Beschichtung vorsehen.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass über die Veränderung und Optimierung der Oberflächenbeschaffenheit die Reibung zwischen Verformungskörper und Aufnahmekörper und damit die Dämpfungskraft angepasst und für eine bestimmte Anwendung eingestellt werden kann.
Ein weiterer Bestandteil des Schutzbauteils der vorliegenden Erfindung betrifft einen Kraftvermittler, der Kraft, die beispielsweise durch einen Aufprall oder eine Explosion auf eine Fassade einwirkt, auf den Verformungskörper überträgt. Der Kraftvermittler steht in direkter Verbindung mit dem Bauteil, auf das die äußere Krafteinwirkung prallt. In Folge einer Krafteinwirkung wird die Kraft über den Kraftvermittler auf den Verformungskörper übertragen, wodurch der Verformungskörper in die Öffnung des Aufnahmekörpers und in Folge durch den Aufnahmekörper getrieben wird. Geeignete Kraftvermittler sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus Seil, insbesondere ein Drahtseil, Zugstange, Träger, Balken, Kolben, Welle, Bolzen, Schraube, Stempel, Stange, Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Öl, und Gas. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Drahtseil oder ein Stempel als Kraftvermittler vorgeschlagen.
In der bevorzugten Ausführungsform eines Drahtseils sind Seildicken von wenigen Millimetern bis einigen Zentimetern bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Seildicken von 0,2 cm bis 5 cm, weiter bevorzugt 0,4 cm bis 4 cm und am meisten bevorzugt 0,5 cm bis 3,0 cm. Verankerungsmöglichkeiten eines Seils an einem Körper sind dem Fachmann bekannt. In einer Ausführungsform wird der Verformungskörper durchbohrt und der Kraftvermittler in Form eines Drahtseils durch die Bohrung geführt und am Ende hinter dem Verformungskörper verankert.
Bei hohen Krafteinwirkungen wird die auf das System übertragene Energie durch das Schutzbauteil bevorzugt nicht nur durch Verformungsarbeit dissipiert, sondern auch durch Reibung und Verschleiß, insbesondere durch adhäsiven Verschleiß, des Verformungskörpers und/oder des Aufnahmekörpers. Das Ausmaß des Verschleißes bei Verformungskörper und Aufnahmekörper ist materialabhängig. Unter Verschleiß wird die materielle Abtragung von Verformungskörper und/oder Aufnahmekörper verstanden. Dabei spielt das Verschleißvolumen eine besondere Rolle, das angibt wie viel Material im Kontaktbereich abgerieben werden darf, bevor die Kontaktkraft und damit die Reibkraft maßgeblich abfällt. Das bedeutet, je mehr Verschleißvolumen zur Verfügung steht, sei es durch einen großen Umfang des Aufnahmekörpers oder durch einen großen Radiusunterschied zwischen Verformungskörper und Aufnahmekörper, umso deutlicher prägt sich ein Kraftplateau gemäß 2 aus.
Ferner kann das hierin vorgeschlagene Schutzbauteil eine Umlenkvorrichtung umfassen, die es ermöglicht, die Richtung der Krafteinwirkung zu verändern. In einer Ausführungsform kann diese Umlenkvorrichtung eine Rolle, Rad oder Walze sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Umlenkvorrichtung ein gebogenes Rohr oder eine gebogene Schiene sein. In einer Ausführungsform wird der Kraftvermittler über die Umlenkvorrichtung geführt und wird durch diese die Kraft in die durch die Umlenkvorrichtung vorgegebene Richtung geführt.
Ferner kann dem hierin vorgeschlagenen Schutzbauteil eine Sollbrucheinheit vorgeschaltet sein. Dies führt zu einer Konstruktion in der Beanspruchungen unter normalen Bedingungen durch die Sollbrucheinheit getragen werden. Im Falle einer außergewöhnlichen Beanspruchung wird die Sollbruchstelle brechen und das hier vorgeschlagene Schutzbauteil die darüber hinaus gehende Energie dissipieren. Ein Beispiel für eine Sollbrucheinheit wäre ein Bolzen mit einer Sollbruchstelle, beispielsweise ein Abscherbolzen oder Zugbolzen. Derartige Lösungen sind insbesondere im Fassadenbau sinnvoll.
In einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Schutzbauteils werden mehr als ein Verformungskörper verwendet. Die Anzahl der verwendeten Verformungskörper ist prinzipiell nicht limitiert. Es können zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben oder mehr Verformungskörper verwendet werden. In einer solchen Ausführungsform sind die Verformungskörper vorzugsweise in Stoßrichtung hintereinander in Reihe angeordnet. Eine solche Anordnung bildet eine Verformungskörpergruppe. In einer solchen Verformungskörpergruppe addiert sich die Arbeit eines jeden Verformungskörpers zu einer Gesamtarbeit. Die Verformungskörper können dabei in Kontakt miteinander angeordnet sein oder beabstandet angeordnet sein. In einer Ausführungsform einer solchen Reihenschaltung von Verformungskörpern haben alle Verformungskörper dieselbe Form und dieselbe Dimension. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Verformungskörper entgegen der Stoßrichtung einen Anstieg in der Größe auf. In einer solchen Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise entstehender Verschleiß am Aufnahmekörper ausgeglichen werden. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform haben die Verformungskörper in der Reihenschaltung einen kreisrunden Querschnitt. In einer solchen Ausführungsform können die Verformungskörper die gleiche Größe und denselben Durchmesser aufweisen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weisen die Verformungskörper entgegen der Stoßrichtung einen Anstieg im Durchmesser auf.
Ein Vorteil einer solchen Ausführungsform liegt in der effizienteren Ausnutzung des Aufnahmekörpers durch Egalisierung der Verschleißeffekte, insbesondere eines Rohres.
In einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Schutzbauteils werden mehr als ein Verformungskörper, mehr als ein Aufnahmekörper und mehr als ein Kraftvermittler verwendet. Somit wird ein Schutzbauteil vorgeschlagen umfassend mehr als einen Verformungskörper und mehr als einen Aufnahmekörper, wobei die Verformungskörper und die Aufnahmekörper die gleiche Anzahl haben, je ein Verformungskörper und ein Aufnahmekörper ein Wirkungspaar bilden, und die Wirkungspaare aus Verformungskörper und Aufnahmekörper parallel geschaltet sind. Eine solche Anordnung kann als Parallelschaltung bezeichnet werden. In einer solchen Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Aufnahmekörper verschiedene Größen aufweisen und die kleineren Aufnahmekörper in den größeren Aufnahmekörpern angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aufnahmekörper Rohre mit kreisrundem Querschnitt, wobei auch jedweder hierin beschriebener Querschnitt ebenfalls für eine Parallelschaltung anwendbar ist. In der Ausführungsform in Form von Rohren mit kreisrundem Querschnitt sind die verschieden großen Aufnahmekörper der Größe nach ineinander angeordnet, in der Weise, dass ein kleines Rohr in konzentrischer Richtung nach außen von einem größeren Rohr umgeben ist. Die verschieden großen Rohre sind dabei beabstandet angeordnet.
Die Verformungskörper in einer Parallelschaltung sind so angeordnet, dass vorzugsweise jeweils ein Verformungskörper gegen seinen zugehörigen Aufnahmekörper arbeitet. Die Verformungskörper sind bevorzugt der Gestalt, dass der kleinste Verformungskörper gegen den kleinsten Aufnahmekörper arbeitet und die nächst größeren Verformungskörper Aussparungen aufweisen, die groß genug sind, um die nächst kleineren Aufnahmekörper aufzunehmen, bevorzugt auch im Falle einer Verformung des nächst kleineren Aufnahmekörpers. In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform mit mehr als einem Aufnahmekörper in Form von konzentrisch angeordneten Rohren mit kreisrundem Querschnitt, weist der kleinste Verformungskörper eine hierin beschriebene bevorzugte Form auf mit einem kreisrunden Querschnitt, wobei gilt, dass der Durchmesser des Verformungskörpers D_V in der Ausführungsform einer Kugel oder einer Äquatorialscheibe einer Kugel größer als der Innendurchmesser des Rohres D_IR, insbesondere eines Rohres mit kreisrundem Querschnitt, so dass gilt D_V/D_IR > 1. Der nächstgrößerer Verformungskörper weist eine Aussparung auf, die groß genug ist, um den kleineren Aufnahmekörper aufzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der größere Verformungskörper im weiteren Sinne die Form eines Ringes, einer Äquatorialscheibe mit Aussparung oder eines Torus‘. Im Speziellen hat der nächst größere Verformungskörper in einer bevorzugten Ausführungsform die Form einer Kugel oder einer Äquatorialscheibe aus der in der Mitte ein vorzugsweise kreisrundes Stück herausgeschnitten ist, das groß genug ist, dass der innen liegende kleinere Aufnahmekörper durch die Aussparung hindurch passt, vorzugsweise ohne den größeren Verformungskörper zu berühren, auch dann nicht, wenn im Falle einer Beanspruchung der nächst kleinere Aufnahmekörper verformt wurde und dadurch im Durchmesser vergrößert wurde. In einer weiteren Ausführungsform weist der nächst größere oder weisen die nächst größeren Verformungskörper zum dem kleinsten zentralen Verformungskörper die Form eines Torus‘ auf. In einer solchen Ausführungsform können die Aufnahmekörper auch so beabstandet sein, dass der Verformungskörper in Form eines Torus nicht nur gegen einen Aufnahmekörper arbeitet, sondern gegen zwei Aufnahmekörper, mit der Innenseite des Torus‘ gegen die Außenseite des nächstkleineren Aufnahmekörpers und mit der Außenseite des Torus gegen den Aufnahmekörper des Wirkungspaares.
Ferner umfasst eine Parallelschaltung entsprechende Kraftvermittler, um die jeweiligen Verformungskörper in die Aufnahme des Aufnahmekörpers zu treiben. Es ist bevorzugt, dass Kraftvermittler so verwendet sind, dass ein Verkanten der Verformungskörper ausgeschlossen wird, zum Beispiel durch Verwendung von Stempeln in Ringform oder einer ausreichenden Anzahl an Seilen, um ein Verkippen des Verformungskörpers zu verhindern.
Prinzipiell besteht keine Limitierung bezüglich der Anzahl der parallelgeschalteten Schutzbauteile. Es können zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Schutzbauteile in der hierin beschriebenen Weise parallel angewendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des hierin vorgeschlagenen Schutzbauteils wird eine Kombination einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung vorgeschlagen. Eine solche Kombination ist der Gestalt, dass eine Anordnung vorliegt wie hierin für eine Parallelschaltung beschrieben. In einer solchen Anordnung werden in Stoßrichtung mehr als ein Verformungskörper angeordnet. Somit umfasst eine Kombination aus einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung Verformungskörper, die parallel nebeneinander angeordnet sind und Verformungskörper, die hintereinander angeordnet sind. Es wird somit ein Schutzteil vorgeschlagen umfassend mindestens einen zusätzlichen Verformungskörper, wobei der mindestens eine zusätzliche Verformungskörper in Stoßrichtung hinter einem Verformungskörper eines Wirkungspaares in Reihe angeordnet ist.
Vorteile einer Reihenschaltung, einer Parallelschaltung und/oder einer Kombination einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung sind dadurch gegeben, dass sich das Kraft-Verformungsverhalten des Dämpfers durch die Anordnungsvariation aufgabenorientiert beeinflussen lässt. Ferner kann auch eine Materialersparnis hierdurch erreicht werden. Als Parallelschaltung ist nicht nur eine konzentrische Anordnung von Aufnahme- und Verformungskörpern ineinander denkbar, sondern auch eine Anordnung als Batterie nebeneinander. Als Reihenschaltung ist auch eine Aneinanderreihung von verschieden großen Schutzbauteilen (Kraftvermittler, Verformung- und Aufnahmekörpern) denkbar. Dabei kann ein Schutzbauteil als Kraftvermittler des nächstangeordneten Schutzbauteils fungieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines hierin vorgeschlagenen Schutzbauteils zur Dissipation von Energie in Folge einer heftigen Stoßbelastung, insbesondere in Folge einer heftigen, dynamischen Belastung aus Anprall oder Druckwelle aus Explosion wie zum Beispiel Detonationsdruckwelle. Ein solches Schutzbauteil kann dabei als Stoßdämpfer verwendet werden, beispielsweise als Stoßdämpfer in Gebäudefassaden, oder Anprallschutzvorrichtungen.
Insbesondere wird die Verwendung eines hierin vorgeschlagenen Schutzbauteils zur Dissipation von Energie in Folge einer heftigen hoch dynamischen Beanspruchung einer Fassadenkonstruktion vorgeschlagen, bevorzugt von Seilnetzfassaden oder einer Fassadenkonstruktion die aus vorgehängten Fassadenelementen besteht.
Das vorgeschlagenen Schutzbauteil und dessen Verwendung als Stoßdämpfer ist für den Fassadenbau sehr gut geeignet, da besonders hohe Stoßbelastungen, die in Folge einer Explosion oder eines Aufpralls auftreten, einfach und mit vergleichsweise geringen Materialaufwand dissipiert werden können. In einer Ausführungsform mit einem Drahtseil als Kraftvermittler kann das beispielsweise in einer Seilnetzfassadenkonstruktion verwendete Drahtseil auch als Kraftvermittler in dem hierin vorgeschlagenen Schutzbauteil als Seilendverankerung verwendet werden und im Falle einer Explosionsbelastung die hoch vorgespannten Fassadenseile vor weiterer Überbeanspruchung und Reißen zu schützen. Dies führt zu einer ökonomischen Einbeziehung des hierin vorgeschlagenen Schutzbauteils in eine Fassadenkonstruktion.
Die beiliegenden Figuren veranschaulichen eine beispielhafte Ausführungsform und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnung sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen grundsätzlich entsprechend ähnliche Teile.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Grundprinzips einer Ausführungsform des hierin vorgeschlagenen Schutzbauteils, das Energiedissipation mittels Verschiebung einer Kugel durch ein zu enges Rohr vorsieht.
2 zeigt ein ideales Beispiel für Kraft-Verformungs-Verhalten eines Schutzbauteils wie z.B. einer dämpfenden Seilendverankerung in der Form, dass die erforderliche Verformungskraft in der Seilendverankerung nach der Aktivierung einer Auslösevorrichtung durch eine entsprechend hohe Auslösekraft im günstigsten Fall konstant während der Stoßeinwirkung über einem Niveau konstant bleibt. Rechts ist die dissipierte Energie als Integral der Kraft über dem Verformungsweg dargestellt.
3 zeigt schematisch das Konstruktionsprinzip einer Ausführungsform des hierin vorgeschlagenen Schutzbauteils für eine Seilendverankerung mittels einer Äquatorialscheibe einer Kugel und einem Rohr (1: Verschubkraft = Seilkraft während der Stoßwirkung; 2: Fassadenseil; 3: Reibfläche in der Rohrinnenseite; 4: Stahlrohr; 5: Äquatorialscheibe aus einer Stahlkugel; 6: Reibfläche der Äquatorialscheibe). Zur besseren Übersicht sind in der 3D-Ansicht die Äquatorialscheibe (Verformungskörper) und das Stahlrohr (Aufnahmekörper) voneinander weit entfernt dargestellt.
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Reihenschaltung von hier beispielshaft gewählten drei Verformungskörpern mit entgegen der Stoßrichtung ansteigenden Durchmessern und einem Aufnahmekörper.
5 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Parallelschaltung mit beispielhaft gewählten drei Verformungskörpern und drei Aufnahmekörpern.
6 zeigt schematisch eine Draufsicht der in 5 dargestellten Ausführungsform einer Parallelschaltung mit beispielhaft gewählten drei Verformungskörpern und drei Aufnahmekörpern entlang des in 5 eingezeichneten Schnitts A-A.
7 zeigt den Versuchsaufbau, wobei die Prüflast nicht wie in 3 als Zugkraft über ein Seil, sondern hier von der Gegenrichtung über einen Stempel des Prüfzylinders als Druckkraft aufgebracht wird, gekennzeichnet durch einen Vertikalvektor in der Zeichnung mit der Bezeichnung „V“, „Lasteinleitung“.
8 zeigt unter a und b die Verschleißspuren auf den Rohrinnenwänden durch die Vorversuche, und unter c das Kraft-Weg-Diagramm einer Vorversuchsreihe bei Geschwindigkeiten von 0,33 mm/s (quasistatisch) und 1 m/s (dynamisch).
9 zeigt das Kraft-Weg-Diagramm bei Geschwindigkeiten von 1 m/s und 2 m/s aus einer weiteren Versuchsreihe.
10 zeigt das Kraft-Weg-Diagramm der in Tabelle 1 spezifizierten Geometrien 1 bis 3 der Verformungskörper bei einer Geschwindigkeit von 1 m/s, wobei in der Parameterstudie mit Hilfe verschiedener Geometrien Rohrinnendurchmesser, Rohrwanddicke und Radiusunterschied zwischen Kugel und Rohr variiert wurden.
Zu den obigen Kurzbeschreibungen der Figuren können noch weitere Details zu den Figuren wie unten ausgeführt angemerkt werden:
Insbesondere zeigt 1 wie durch einen Stoß das Vordringen der Kugel in das Rohr zu einer Verformung der Rohrwand führt. So wird eine Kugel infolge der einwirkenden Stoßkraft durch ein Rohr hindurch bewegt. Der Kugeldurchmesser ist dabei geringfügig größer als der Innendurchmesser des Rohres. Der Betrag der Energiedissipation entspricht in erster Linie dem Produkt aus der Verschiebewiderstandskraft und der Verschiebeweg der Kugel im Rohr. Die erforderliche Rohraufweitung aktiviert in der Rohrwandung Ringzugkräfte, die für eine gleichmäßig umlaufende Kontaktpressung in der Berührungsfuge zwischen der Kugel und der Rohrinnenwand sorgen. Die Kontaktpressung erzeugt dann durch die entsprechende Reibung zwischen den beteiligten Materialien die axial gerichtete Verschiebewiderstandskraft. Insgesamt wird die Energie auf verschiedenen Wegen verbraucht, vorwiegend durch die Reibung (Produkt aus der Verschiebewiderstandskraft und dem Verschiebeweg), aber auch durch die plastische Verformung der Rohrwandung und die Dehnungsarbeit und letztendlich auch ein wenig über die Wärmeentwicklung bis hin zu einer vernachlässigbaren Schallemission.
Insbesondere zeigt 2 das idealisierte Tragverhalten für eine Ausführungsform mit einer Auslösevorrichtung und die dissipierte Energie während sich der Verformungkörper durch den Aufnahmekörper bewegt. Nach Erreichen der Auslösekraft wird das Schutzbauteil aktiviert.
Insbesondere zeigt 7, dass in dem dargestellten Versuchsaufbau die Kugel über eine Lasteinleitungskonstruktion mit einer definierten Geschwindigkeit in das Rohr hineingedrückt wird, wobei die Prüflast nicht wie in 3 als Zugkraft über ein Seil, sondern hier von der Gegenrichtung über einen Stempel des Prüfzylinders als Druckkraft aufgebracht wird, gekennzeichnet durch einen Vertikalvektor in der Zeichnung mit der Bezeichnung „V“, „Lasteinleitung“. Das Rohr steht dabei lagegesichert, aber nicht eingespannt, auf der Kraftmessdose. Die Abmessungen der einzelnen Versuchsreihen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Insbesondere zeigt 8 die Verformungen und Verschleißerscheinungen aus einer Vorversuchsreihe, bei der gewalzte Rohre mit entsprechenden Walztoleranzen verwendet wurden, welche zunächst quasistatisch mit einer sehr geringen Versuchsgeschwindigkeit von 0,33 mm/s und andere dann dynamisch mit 1 m/s getestet wurden. Die Probekörper weisen, wie in 8 zu sehen, für beide Geschwindigkeiten nach dem Versuch maßgeblichen adhäsiven Verschleiß auf. Während für die quasistatischen Versuche (0,33 mm/s) unregelmäßig Materialstücke aus der Kugel herausgerissen wurden, verteilt sich der Verschleiß für die dynamische Versuchskonfiguration (1 m/s) wesentlich gleichmäßiger über die gesamte Reiboberfläche der Kugel und des Rohrs. Es hat sich gezeigt, dass die Kraft, die für das Verschieben der Kugel erforderlich ist, im quasistatischen Versuch etwa doppelt so hoch ist wie im dynamischen 8c). Denn bei geringen Verschiebegeschwindigkeiten können aufgrund des hohen Kontaktdrucks und Reibung lokale Verschweißungen zwischen den Reibpartnern stattfinden.
Insbesondere zeigt 10, dass die maximale Versuchskraft V bei 1 m/s für alle Geometrien etwa im gleichen Kraftbereich liegt, was bedeutet, dass sich der Reibungskoeffizient auch bei gesteigerter Kontaktkraft je laufendem Meter nicht maßgeblich verändert. Weiterhin ließ sich die Signifikanz des Verscheißvolumens und des Abriebs aufzeigen. Bei ähnlich verfügbarem Verschleißvolumen kann ein ähnlicher Kraft-Wegverlauf erwartet werden, vgl. Geo0 und Geo1.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
Bezugszeichen in Fig. 3:
Bezugszeichenliste

1: Verschubkraft;
2: Fassadenseil;
3: Reibfläche in der Rohrinnenseite;
4: Stahlrohr;
5: Äquatorialscheibe aus einer Stahlkugel;
6: Reibfläche der Äquatorialscheibe

Beispiele
Exemplarisch wird hier ein Schutzbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung näher beleuchtet bei dem die Dissipation der einwirkenden Energie vorwiegend über Reibungsarbeit erfolgt. Dazu wird eine Stahlkugel durch ein Stahlrohr bewegt, wobei der Kugeldurchmesser um wenige zehntel Millimeter größer ist, als der Innendurchmesser des Stahlrohrs (siehe Tabelle 1). Im Berührungspunkt zwischen den beiden Körpern wird das Rohr über die Kontaktpressung aufgeweitet. Sobald sich die Kugel bewegt erzeugt die Kontaktpressung in Abhängigkeit vom Gleitreibungskoeffizienten µ eine Reibkraft.
Für die Versuchsanordnung, die auch in 7 dargestellt ist, wurde ein Stahlrohr mit einer Höhe von 250 mm verwendet. Die weiteren Parameter sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Speziell wurden folgende Wandstärken gemäß Tabelle 1 getestet: 12,5 mm und 14,4 mm. Durch die in Tabelle 1 angegebenen Innendurchmesser 188,1 mm und 120 mm ist die Probengeometrie der Rohre mit einer Höhe von 250 mm angegeben. Ferner wurde eine Äquatorialscheibe einer Kugel mit einer Höhe von 50 mm verwendet (s. 7). Mit den angegebenen Rohrinnendurchmessern oben und den in der Tabelle 1 angegebenen Radiusunterschieden von 0,6 mm und 0,375 mm zu den Rohrinnenradien ist die Probengeometrie der äquatorial Scheiben angegeben.
Beim Werkstoff handelt es sich um einen Handelsüblichen Baustahl mit der Bezeichnung S355 J2 + N.
Es wurde ferner eine Kraftmessdose unten im Auflager verwendet zur Messung Verschiebewiderstandskraft während des Versuchs. Eine Anordnung am unteren Ende des Versuchsaufbaus hat den Vorteil, dass die Kraftdose kaum bewegt wird und somit die Kraftmessung durch Beschleunigungseffekte nicht verfälscht wird. Gleichzeitig wird der Verschiebeweg am Prüfzylinder mit Hilfe entsprechender Sensorik gemessen.
Für die vorliegende Erfindung wurde ein Schutzbauteil für eine Seilendverankerung entworfen, das ein möglichst ideales Energiedissipationsverhalten für Fassadeseile mit einer Bruchlast bis ca. 1000 kN aufweist. Die Einflüsse wurden in drei Versuchsreihen mit je 10 Probekörpern aus Stahl S355 J2 + N untersucht. In der Umsetzung wird aus Gründen der Gewichtsreduzierung nur der relevante Teil der Kugel, eine Äquatorialscheibe, verwendet, welcher im Folgenden vereinfachend als Kugel bezeichnet wird:

A: Vorversuchsreihe (prinzipielles Tragverhalten)
B: Einfluss aus Verschiebegeschwindigkeit (mit Proben der Geo2 nach Tabelle 1)
C: Einfluss aus Kontaktpressung und Geschwindigkeit (mit Proben der Geo1 und Geo2 im Vergleich zu Geo0 nach Tabelle 1)

Tabelle 1:
Die Untersuchungen an insgesamt drei unterschiedlichen Bauteilgeometrien geben Aufschluss darüber, inwiefern die Höhe der Kontaktkraft den Reibungskoeffizienten beeinflusst. Die Geometrien wurden so gewählt (Tabelle 1), dass bei gleichbleibendem Reibbeiwert etwa die gleiche Reibkraft bzw. Vertikalkraft entsteht. Die Höhe der Kontaktkraft P_K variiert entsprechend dem Radiusunterschied (bei Geo1) oder der Rohrsteifigkeit (bei Geo2).
Während der Reibungskoeffizient an sich von der Kontaktkraft und der Geometrie wenig beeinflusst wird, zeigt sich, dass sich die Ausbildung des Kraftplateaus durchaus in Abhängigkeit von der Geometrie und im Speziellen vom Verschleißvolumen (Tabelle 1) verändert.
Die Funktionsweise und die mechanischen Hintergründe des hierin vorgeschlagenen Schutzbauteils wurden beleuchtet und mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen entwickelt. Weitere Ausführungsvarianten wurden vorgestellt. Durch die Variation der Geometrie, Material und durch die vorgestellten vielfältigen Konstellationen der Schutzbauteile ist es möglich das Dämpfungsverhalten aufgabengerecht zu beeinflussen.

Claims

Schutzbauteil zur Energiedissipation, insbesondere durch Verformung, umfassend – mindestens einen Verformungskörper, – mindestens einen Aufnahmekörper mit mindestens einer Öffnung zur Aufnahme des Verformungskörpers in einem Ausgangszustand, in dem der Verformungskörper durch seine Dimensionen nicht durch die Öffnung des Aufnahmekörpers passt, und – mindestens einen Kraftvermittler, der zur Übertragung einer Kraft auf den Verformungskörper eingerichtet ist, und der eingerichtet ist im Falle einer Krafteinwirkung den Verformungskörper in die Öffnung des Aufnahmekörpers zu treiben, wobei der Aufnahmekörper im Falle einer Krafteinwirkung durch Aufnahme des Verformungskörpers verformt wird.
Schutzbauteil nach Anspruch 1, wobei der Verformungskörper durch den Aufnahmekörper getrieben wird, im Speziellen gedrückt oder gezogen wird.
Schutzbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufnahmekörper in Stoßrichtung unterschiedliche Wanddicken, Querschnittsgeometrien oder Materialeigenschaften aufweist oder quer zur Stoßrichtung unterschiedliche Wanddicken oder Materialeigenschaften aufweist.
Schutzbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verformungskörper einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Schutzbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verformungskörper eine Kugel oder eine Äquatorialscheibe einer Kugel ist.
Schutzbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufnahmekörper ein Rohr ist.
Schutzbauteil nach Anspruch 6, wobei das Rohr einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Schutzbauteil nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Durchmesser des Verformungskörpers D_V größer als der Innendurchmesser des Rohres D_IR ist, so dass gilt D_V/D_IR > 1.
Schutzbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei Rohr und Verformungskörper aus Stahl bestehen.
Schutzbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Rohr und/oder der Verformungskörper beschichtet sind.
Schutzbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Oberfläche des Rohres und/oder des Verformungskörpers aufgeraut ist/sind.
Schutzbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehr als einen Verformungskörper, wobei die Verformungskörper in Stoßrichtung hintereinander in Reihe angeordnet sind.
Schutzbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfassend mehr als einen Verformungskörper und mehr als einen Aufnahmekörper, wobei die Verformungskörper und die Aufnahmekörper die gleiche Anzahl haben, je ein Verformungskörper und ein Aufnahmekörper ein Wirkungspaar bilden, und die Wirkungspaare aus Verformungskörper und Aufnahmekörper parallel geschaltet sind.
Schutzbauteil nach Anspruch 13, umfassend mindestens einen zusätzlichen Verformungskörper, wobei der mindestens eine zusätzliche Verformungskörper in Stoßrichtung hinter einem Verformungskörper eines Wirkungspaares in Reihe angeordnet ist.
Verwendung eines Schutzbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Dissipation von Energie in Folge einer heftigen, dynamischen Belastung aus Anprall oder Druckwelle aus Explosion.
Verwendung eines Schutzbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Stoßdämpfer in Gebäudefassaden, oder Anprallschutzvorrichtungen.
Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Fassade eine Seilnetzfassade ist oder aus vorgehängten Fassadenelementen besteht.