DE10351444A1

DE10351444A1 - Biegeträger aus höherfestem Stahl im Verbund mit Stahl geringerer Festigkeit oder im Verbund mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK)

Info

Publication number: DE10351444A1
Application number: DE2003151444
Authority: DE
Inventors: Karl Gerhards
Original assignee: Gerhards Karl Dipl-Ing
Current assignee: Gerhards Karl Dipl-Ing
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Querschnitte von stählernen Biegeträgern nach dem Stand der Technik bestehen aus Werkstoffen mit annähernd gleichen Festigkeiten und Dehnungspotenzialen. Die Dauerfestigkeit geschweißter stählerner Biegeträger ist fast unabhängig von der Festigkeit der Stähle, wodurch die Verwendung hochfester Stähle unwirtschaftlich wird. DOLLAR A Diese Nachteile lassen sich vermeiden durch die Gestaltung von Biegeträgerquerschnitten aus hochfesten Grundprofilen mit einer Streckgrenze sigma¶s1¶, in denen durch die vorgeschlagenen Fertigungsverfahren gebrauchslastparallele konsistente Eigenspannungen sigma¶E1¶ erzeugt werden, und aus geringerfesten Querschnittsergänzungen mit einer Streckgrenze sigma¶s2¶, in denen aus Gleichgewichtsgründen Eigenspannungen sigma¶E2¶ mit umgekehrtem Vorzeichen entstehen. Die Beanspruchungsunterschiede zwischen Grundprofil und Querschnittsergänzungen werden durch die vorgeschlagenen Fertigungsverfahren so gestaltet, dass beide Werkstoffe, deren Dehnungs- und Festigkeitspotenziale sich um ein Vielfaches voneinander unterscheiden müssen, bei Beanspruchung des Biegeträgers bis zur Grenztragfähigkeit ihre Streckgrenze gleichzeitig erreichen. Die Erfindung erhöht die Tragfähigkeit von Biegeträgern, erlaubt die Ausschöpfung der Festigkeiten sehr unterschiedlicher Werkstoffe und kann zu erheblichen Gewichtsersparnissen führen.

Description

Gegenstand der Erfindung sind Konstruktionen und Verfahren für Biegeträger aus Stahl oder aus Stahl und anderen Hochleistungswerkstoffen, in deren Querschnitten Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen elastischen Dehnungspotenzialen, Elastizitätsmoduli und Festigkeiten schub- und biegefest so zusammenwirken, dass bei Beanspruchungen durch vorwiegend nicht ruhende Gebrauchslasten die Betriebs- und Dauerfestigkeit der Biegeträger erheblich gesteigert wird und die im Querschnitt des Biegeträgers eingesetzten Werkstoffe trotz ihrer unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften bei Beanspruchungen der Biegeträger bis zu ihrer statischen Grenztragfähigkeit ihre Festigkeitspotenziale voll entfalten können.

Nach dem Stand der Technik werden in den Querschnitten von Biegeträgern aus Stahl nur Stähle gleicher Festigkeit oder Stähle mit Festigkeitsunterschieden eingesetzt, die annähernd den Beanspruchungsunterschieden im Biegeträgerquerschnitt entsprechen.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) oder andere Hochleistungswerkstoffe werden nach dem Stand der Technik noch nicht zur Erhöhung der Tragfähigkeit von Biegeträgern aus Stahl eingesetzt. In herkömmlichen Biegeträgern können die um ein Vielfaches gegenüber Stahl größeren elastischen Dehnungspotenziale und Festigkeiten von CFK nicht zur Geltung kommen.

Bänder aus Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) werden nach dem Stand der Technik zur Verstärkung von Stahlbetontragwerken auf der Zugseite von auf Biegung beanspruchten Querschnitten ohne Vorspannung oder mit nur einer geringen Vorspannung aufgeklebt. Die technisch möglichen Dehnungs- und Festigkeitspotenziale von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) können mit dieser Anwendungstechnik ebenfalls nicht in vollem Umfang genutzt werden.

Geschweißte Baukonstruktionen aus hochfesten und höchstfesten Stählen haben bei vorwiegend nicht ruhender Beanspruchung bereits für die in geschweißten Baukonstruktionen unvermeidbaren Kerbfälle einer Halskehlnaht oder Stumpfnaht Dauerfestigkeiten und Betriebsfestigkeiten, die kaum höher sind als die der normalfesten Stähle. Die höheren Festigkeiten hochfester Stähle lassen sich daher bei vorwiegend nicht ruhender Beanspruchung nur ausschöpfen, wenn in den Beanspruchungskollektiven die höheren Beanspruchungen nur mit sehr geringer Häufigkeit auftreten oder die Biegeträger nicht dauerfest sein müssen. Der Einsatz hochfester Stähle ist daher in Baukonstruktionen mit vorwiegend nicht ruhender Beanspruchung bisher unwirtschaftlich.

Durch den Einsatz der Erfindung können durch eine gezielte Bemessung der Gestaltungsparameter gegenüber dem Stand der Technik mehrere vorteilhafte Zielsetzungen erfüllt werden:

• Die Gestaltungsparameter eines erfindungsgemäßen Biegeträgers können so bemessen werden, dass sich die elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotenziale sehr unterschiedlicher Werkstoffe in einem Biegeträgerquerschnitt bei Beanspruchungen der Biegeträger bis zu ihrer statischen Grenztragfähigkeit voll entfalten. Für die Bemessung der Biegeträger ist somit die Summe der Grenztragfähigkeiten beider Teilwiderstände maßgebend. Voraussetzung für die erfindungsgemäßen Wirkungen ist, dass sich die elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotenziale der in einem Biegeträgerquerschnitt eingesetzten Werkstoffe um ein Vielfaches voneinander unterscheiden.
• Gegenüber einem Biegeträger mit gleicher Grenztragfähigkeit nach dem Stand der Technik wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung die Betriebs- und Dauerfestigkeit erheblich verbessert. Durch eine Optimierung der Gestaltungsparameter kann die Betriebsfestigkeit so verbessert werden, dass ein Biegeträger, der für die maximale statische Belastung bemessen wird, für die im Anwendungsbereich von Biegeträgern vorkommenden ermüdungswirksamen Beanspruchungskollektive und Lastspielzahlen ebenfalls eine zuverlässige Betriebsfestigkeit besitzt.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorspannung und differenzierte, unterschiedliche Vorverformung der Querschnittsteilflächen der Biegeträger aus den Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften und durch eine der erfinderischen Zielsetzung jeweils angepasste Gestaltung konstruktiver Merkmale der Biegeträger gelöst. Die erfinderischen Zielsetzungen können für unterschiedliche Werkstoffpaarungen und Werkstoffverteilungen im gleichen Biegeträgerquerschnitt und durch unterschiedliche Verfahrensweisen erreicht werden.

Zur Beschreibung der Verfahrensweisen und Konstruktionsmerkmale werden die Querschnittsteilflächen der Biegeträgerquerschnitte mit jeweils verschiedenen Werkstoffeigenschaften als Grundprofile 1 und Querschnittsergänzungen 2 bezeichnet. Grundprofile 1 und Querschnittsergänzungen 2 sind hierbei im einfachsten Falle Querschnittsteilflächen aus je einem Werkstoff mit unterschiedlichen elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotentialen.

Die Grundprofile 1 sind hierbei die Querschnittsteilflächen eines Biegeträgerquerschnitts, die aus den Werkstoffen mit dem größeren elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotential bestehen.

Die Querschnittsergänzungen 2 sind die Querschnittsteilflächen eines Biegeträgerquerschnitts, die aus den Werkstoffen mit dem kleineren elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotential bestehen.

Grundprofile 1 und Querschnittsergänzungen 2 können aber bereits Verbundquerschnitte aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften sein, deren Verbundeigenschaften bereits durch die erfindungsgemäßen Verfahrensweisen und Konstruktionsmerkmale vorteilhaft gestaltet worden sind, bevor sie als Grundprofile 1 und Querschnittsergänzungen 2 zu einem Gesamtquerschnitt schub- und biegefest verbunden werden.

Die Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede zwischen den Grundprofilen 1 und Querschnittsergänzungen 2 werden durch Vorspannung oder durch Vorspannung und die Eigenlasten oder nur durch die Eigenlasten des Biegeträgers erzeugt. Die Dehnungs- und Spannungsunterschiede in den Querschnittsteilflächen der Grundprofile 1 und Querschnittsergänzungen 2 werden so gestaltet, dass alle Werkstoffe eines Gesamtquerschnitts trotz unterschiedlicher Grenzdehnungen bei Beanspruchungen des Gesamtquerschnitts bis zu seiner Grenztragfähigkeit ihre Grenzdehnungen und Grenzbeanspruchungen gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig erreichen oder nach Überschreiten der Grenzdehnungen einer Querschnittsteilfläche die elastischen Tragreserven der zweiten Querschnittsteilfläche bei der Bemessung der Gesamtquerschnitte vorteilhaft berücksichtigt werden können.

Erfindungsgemäß gestaltete Biegeträger, deren Grundprofile 1 aus hochfesten Stählen bestehen, die kombiniert werden mit Querschnittsergänzungen 2 aus Stählen, deren Festigkeits- und elastisches Dehnungspotenzial nur halb so groß oder noch kleiner ist, haben ein elastisches Dehnungspotenzial, das zwischen dem der hochfesten Stähle des Grundprofils 1 und dem der geringer festen Stählen der Querschnittsergänzungen 2 liegt. Für die Grenztragfähigkeit dieser Biegeträger kann das volle Beanspruchbarkeitspotenzial beider Querschnittsteilflächen aktiviert werden.

Die erfindungsgemäße Zielsetzung wird durch die Erzeugung eines Eigenspannungszustandes im Grundprofil 1 erreicht, der ein gebrauchslastparalleles Eigenspannungsmoment bildet, dem durch ein Moment mit umgekehrtem Vorzeichen, das von den Eigenspannungen in den Querschnittsergänzungen 2 gebildet wird, das Gleichgewicht gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Zielsetzung lässt sich für vorgegebene Festigkeiten und Dehnungspotenziale der in einem Querschnitt eingesetzten Werkstoffe bei bestimmten Steifigkeitverhältnissen der Querschnittsteilflächen mit unterschiedlichen Festigkeiten und Dehnungspotenzialen und für beliebige Verteilungen der Querschnittsteilflächen und Teilwiderstände mit unterschiedlichen Festigkeiten und Dehnungspotenzialen erfüllen.

Für die praktische Anwendung der Erfindung sind aber zwei gegensätzliche Verteilungen der Querschnittsteilflächen mit unterschiedlichen Festigkeiten und Dehnungspotenzialen von besonderer Bedeutung:

– Die Querschnittsteilflächen des Gesamtprofils mit dem mindestens doppelt so hohen Festigkeits- und Dehnungspotenzial – die Grundprofile 1 – bilden das Kernprofil 3; die Querschnittsteilflächen des Gesamtprofils mit dem kleineren Festigkeit- und Dehnungspotenzial sind als Gurtverstärkungen die Querschnittsergänzungen 2, oder
– Die Querschnittsteilflächen des Gesamtprofils mit dem kleineren Festigkeits- und Dehnungspotenzial – die Querschnittsergänzungen 2 – bilden das Kernprofil 3 ; die Querschnittsteilflächen 2 des Gesamtprofils mit dem mindestens doppelt so hohen Festigkeits- und Dehnungspotenzial sind als Gurtverstärkungen das Grundprofil 1.

In beiden gegensätzlichen Verteilungen der Querschnittsteilflächen und Teilwiderständen werden die erfinderischen Zielsetzungen durch die Erzeugung eines gebrauchslastparallelen Eigenspannungszustandes in den Grundprofilen 1 mit dem mindestens doppelt so hohen Festigkeits- und Dehnungspotenzial erreicht, der ein gebrauchslastparalleles Biegemoment bildet, dem ein ebenso großes Biegemoment mit umgekehrtem Vorzeichen das Gleichgewicht hält, das von den Eigenspannungen in den Querschnittsergänzungen 2 gebildet wird.

Zur Erzeugung dieses Eigenspannungszustandes sind mehrere Verfahrensabläufe möglich. Wenn das Kernprofil 3 mit Steg und Gurten das Grundprofil 1 aus hochfestem Stahl ist, kann der Eigenspannungszustand durch eine gebrauchslastparallele Vorspannung des Grundprofils 1 bis zu Randdehnungen erzeugt werden, die um das elastische Dehnungspotenzial der Querschnittsergänzungen 2 kleiner sind als das elastische Dehnungspotenzial des Stahls des Grundprofils 1, bevor die Querschnittsergänzungen 2 schub- und biegefest mit dem Grundprofil 1 verbunden werden. Der Eigenspannungszustand kann aber auch durch eine gebrauchslastparallele Vorspannung des Gesamtprofils bis zu Randdehnungen erzeugt werden, die dem elastischen Dehnungspotenzial des hochfesten Stahls des Grundprofils 1 entsprechen. Bei diesem Verfahrensablauf werden die Querschnittsergänzungen 2 vor der Erzeugung der Eigenspannungszustände schubfest mit dem Grundprofil 1 verbunden und während des Fertigungsprozesses plastisch über die elastischen Grenzdehnungen des Stahls der Querschnittsergänzungen 2 hinaus verformt. Bei der Entfernung der Einwirkungen, die zur Erzeugung der Vorspannmomente benötigt werden, federt der Biegeträger nur teilweise zurück. Es bilden sich bei beiden Verfahrensabläufen die gleichen konsistenten Eigenspannungszustände aus. Im Grundprofil 1 entsteht ein gebrauchslastparalleles Eigenspannungsmoment, dem in den Querschnittsergänzungen 2 ein gleich großes Biegemoment mit umgekehrtem Vorzeichen das Gleichgewicht hält.

Auch die umgekehrte Paarung mit den geringer festen Stählen im Kernprofil 3 und gegebenenfalls in weiteren Querschnittsteilflächen der Gurte, die bei dieser Paarung als Querschnittsergänzung 2 gelten, und den hochfesten Stählen zur Gurtverstärkung als Grundprofil 1 führt bei gleichen Steifigkeitsverhältnissen zwischen Grundprofil 1 und Querschnittsergänzungen 2 zu den gleichen Wirkungen im Gesamtprofil. Bei dieser Paarung der Werkstoffe kann der erfindungsgemäße Eigenspannungszustand durch eine den Gebrauchslasten entgegengerichtete Vorspannung des querschnittsergänzenden Kernprofils 3 aus den Stählen mit der kleineren Festigkeit bis zu Randdehnungen erzeugt werden, die annähernd dem elastischen Dehnungspotenzial der Querschnittsergänzungen entsprechen, bevor die Grundprofile 1 schub- und biegefest mit dem Kernprofil 3 verbunden werden. Der Eigenspannungszustand kann aber auch bei dieser Paarung von Werkstoffen durch eine gebrauchslastparallele Vorspannung des Gesamtprofils bis zu Randdehnungen erzeugt werden, die dem elastischen Dehnungspotenzial des hochfesten Stahls des Grundprofils entsprechen. Bei diesem Verfahrensablauf wird der geringer feste Stahl des Kernprofils 3 und gegebenenfalls weitere Querschnittsteilflächen in den Gurten aus dem geringer festen Stahl während des Fertigungsprozesses ebenfalls plastisch über seine Streckgrenze hinaus verformt.

Bei beiden Verfahrensabläufen und Verteilungen der Werkstoffe mit unterschiedlichen Dehnungspotenzialen und Festigkeiten bildet sich der gleiche konsistente Eigenspannungszustand in Grundprofilen 1 und Querschnittsergänzungen 2, der bei jeder Beanspruchung des fertigen Biegeträgers durch Gebrauchslasten zunächst abgebaut wird und bei Beanspruchungen bis zu seiner Grenztragfähigkeit das elastische Dehnungspotenzial beider Querschnittsteilflächen in vollem Umfang aktiviert.

Neben diesem Vorteil entsteht eine erhebliche Verbesserung der Betriebs- und Dauerfestigkeit. Die Verbesserung der Betriebs- und Dauerfestigkeit hat folgende Ursachen:

– durch die gebrauchslastparallele Vorspannung des Gesamtprofils bis annähernd zur Streckgrenze des hochfesten Stahls des Grundprofils 1 werden die durch den Schweißprozess in geschweissten Stahlprofilen verursachten Eigenspannungen, die im Bereich der Schweissnähte ihren maximalen Wert haben und in der Regel für die Betriebs- und Dauerfestigkeit schädlich sind, abgebaut und vor allem in den Querschnittsbereichen mit größerer Kerbwirkung umgewandelt in günstig wirkende Eigenspannungen.
– Die erfindungsgemäßen konsistenten Dehnungsunterschiede zwischen den Querschnittsteilflächen unterschiedlicher Festigkeiten führen in den Querschnittsergänzungen 2 aus den Stahl mit der geringeren Festigkeit zu Eigenspannungen, die den Spannungen aus Gebrauchslasten entgegengerichtet sind und daher bei Beanspruchungen der Biegeträger durch Gebrauchslasten zunächst abgebaut werden, bevor gebrauchslastparallele Biegespannungen entstehen. Dies hat zur Folge, dass die ermüdungswirksame Doppelspannungsamplitude bei höheren Gebrauchslasten das Vorzeichen wechselt und die größten und kleinsten Spannungen der ermüdungswirksamen Lastfälle einen relativ großen Abstand von der Streckgrenze haben. Bei kleineren Gebrauchslasten entsteht eine schwellende Beanspruchung im unteren Beanspruchungsbereich. Es ist bekannt, dass bei gleicher Doppelspannungsamplitude die Dauer- und Betriebsfestigkeit für wechselnde Beanspruchungen erheblich über der Dauer- und Betriebsfestigkeit für schwellende Beanspruchung liegt und eine schwellende Beanspruchung mit einer nach null tendierenden Unterspannung ebenfalls einen günstigen Einfluss auf die Dauer- und Betriebsfestigkeit hat.
– Die erfindungsgemäßen konsistenten Dehnungs- und Beanspruchungsunterschiede zwischen den Querschnittsteilflächen unterschiedlicher Festigkeiten führen in den Grundprofilen 1, die aus dem Stahl mit der höheren Festigkeit bestehen, zur gleichen Doppelspannungsamplitude; aber mit schwellender Beanspruchung, deren Unterspannung bereits relativ hoch ist. Der bei Beanspruchungen durch die Gebrauchslasten jeweils abgebaute Eigenspannungszustand bewirkt, dass trotz voller Ausschöpfung des Festigkeitspotenzial des höherfesten Stahls gegenüber dem Stand der Technik nur ein kleinerer Anteil der Gebrauchslastspannungen ermüdungswirksam ist.

Durch eine optimierende Gestaltung des Steifigkeitsverhältnisses der Querschnittsteilflächen mit unterschiedlichen Festigkeiten und eine optimierende Bestimmung der Festigkeitsunterschiede können Biegeträger aus Stahl so gestaltet werden, dass eine für die maximalen Beanspruchungen durch vorwiegend ruhende Beanspruchungen bemessener Biegeträger auch die Anforderungen an die Betriebsfestigkeit für das vorgegebene ermüdungswirksame Beanspruchungskollektiv erfüllt.

Die Erfindung wird an Hand von Beispielen durch die 1 bis 28 erläutert. Es zeigen:
1 und 2 Querschnitte eines Biegeträgers nach einem der Ansprüche 1 bis 4. In 1 ist das Kernprofil 3 Grundprofil 1 und die Querschnittsergänzungen 2 sind die Gurtverstärkungen. In 2 ist das Kernprofil 3 Querschnittsergänzung 2 und die Grundprofile 1 sind die Gurtverstärkungen.
3 die σ – ε – Diagramme der beiden Schnittufer der Faser eines Biegeträgerquerschnitts aus Stählen mit unterschiedlichen elastischen Grenzdehnungen und Streckgrenzen, in der sich die Querschnittsteilflächen mit unterschiedlichen Eigenschaften berühren, wenn die erfindungsgemäßen Dehnungs- und Beanspruchungsunterschiede durch Vorspannung des Gesamtprofils erzeugt werden. Die σ – ε – Diagramme stellen den Beanspruchungs- und Verformungsablauf in den beiden Schnittufern der Faser dar, der sich bei der gebrauchslastparallen Vorspannung des Gesamtprofils nach der schubfesten Verbindung der Querschnittsergänzungen 2 mit den Grundprofilen 1 bis zu den elastischen Grenzdehnungen des Grundprofils 1 durch äussere Einwirkungen und die anschließende Entfernung der äusseren Einwirkungen einstellt. Für die Vorspannung des Gesamtprofils charakterisiert die Gerade A – D im σ – ε – Koordinatennetz die σ – ε – Beziehung der Randfaser des Grundprofils 1. Der Linienzug A – B – E charakterisiert im σ – ε – Koordinatennetz die σ – ε – Beziehung der benachbarten Randfaser der Querschnittsergänzungen 2. Nach der Entfernung der äusseren Einwirkungen federt das bis zur Grenzdehnung der Grundprofile 1 vorgespannte Gesamtprofil bis zu einem gebrauchslastparallelen Eigenspannungsmoment in den Grundprofilen 1 zurück, dem ein ebenso großes Eigenspannungsmoment mit umgekehrtem Vorzeichen in den Querschnittsergänzungen das Gleichgewicht hält. Die Gerade D – C charakterisiert die Rückfederung der Randfaser des Grundprofils 1 im σ – ε – Koordinatennetz. Die Gerade E – F charakterisiert die Rückfederung der benachbarten Randfaser der Querschnittsergänzungen 2 im σ – ε – Koordinatennetz. Die Höhe der gegensinnigen Eigenspannungen σ _E1 und σ _E2 die sich nach der Rückfederung als konsistente Beanspruchungen in den Grundprofilen 1 und den Querschnittsergänzungen 2 einstellen, wird vom Verhältnis der Biegesteifigkeiten und Teilwiderstände der Grundprofile 1 und der Querschnittsergänzungen 2 bestimmt. Es ist notwendig, das Steifigkeitsverhältnis der Teilwiderstände so zu gestalten, dass σ _E2 um eine Sicherheitsmarge unter der Streckgrenze σ _s2 der Querschnittsergänzungen 2 liegt.
4 die σ – ε – Diagramme der beiden Schnittufer der Faser eines Biegeträgerquerschnitts aus Stählen mit unterschiedlichen elastischen Grenzdehnungen und Streckgrenzen, in der sich die Querschnittsteilflächen mit unterschiedlichen Eigenschaften berühren, wenn die erfindungsgemäßen Dehnungs- und Beanspruchungsunterschiede durch Vorspannung nur des Kernprofils 3 erzeugt werden. Die σ – ε – Diagramme stellen den Beanspruchungs- und Verformungsablauf in den beiden Schnittufern der Faser dar, der sich bei der gebrauchslastparallen Vorspannung eines Kernprofils 3, das Grundprofil 1, ist, durch äussere Einwirkungen vor der schubfesten Verbindung der Querschnittsergänzungen 2 mit den Grundprofilen 1 und die anschließende Entfernung der äusseren Einwirkungen einstellt. Die Randfaser des Grund- und Kernprofils wird bis zu Dehnungen des Grundprofils 1 vorgespannt, die um das elastische Dehnungspotenzial und die Streckgrenze der Querschnittsergänzungen 2 kleiner ist als das elastische Dehnungspotenzial und die Streckgrenze der Grundprofile 1. Die Vorspannung des Grundprofils 1 wird im σ – ε – Koordinatennetz charakterisiert durch die Gerade A – C. Sie bildet die σ – ε – Beziehung der Randfaser des Grundprofils 1 ab. Nach der schubfesten Verbindung der Querschnittsergänzungen 2 mit dem Grundprofil 1 und der Entfernung der äusseren Einwirkungen federt das Gesamtprofil bis zu einem gebrauchslastparallelen Eigenspannungsmoment im Grundprofil 1 zurück, dem ein ebenso großes Eigenspannungsmoment mit umgekehrtem Vorzeichen in den Querschnittsergänzungen 2 das Gleichgewicht hält. Die Gerade C – B charakterisiert die Rückfederung der Randfaser des Grundprofils 1 im σ – ε – Koordinatennetz. Die Gerade E – G im σ – ε – Koordinatennetz charakterisiert die Rückfederung und Bildung von Eigenspannungen mit umgekehrtem Vorzeichen in der benachbarten Randfaser der Querschnittsergänzungen 2. Die Höhe der gegensinnigen Eigenspannungen σ _E1 und σ _E2, die sich nach der Rückfederung des Gesamtprofils als konsistente Beanspruchungen in den Grundprofilen 1 und den Querschnittsergänzungen 2 einstellen, ist identisch mit den Eigenspannungen, die sich gemäß Anspruch 5 durch die Vorspannung des Gesamtprofils ergeben. Sie wird wie beim Verfahren nach Anspruch 5 vom Verhältnis der Biegesteifigkeiten und Teilwiderstände der Grundprofile 1 und der Querschnittsergänzungen 2 bestimmt. Das Steifigkeitsverhältnis der Teilwiderstände wird so gestaltet, dass σ _E2 um die notwendige Sicherheitsmarge unter der Streckgrenze σ _s2 der Querschnittsergänzungen liegt.
5 und 6 Querschnitt und Längsschnitt eines Biegeträgers nach einem der Ansprüche 7 oder 8.
5 einen Querschnitt
6 einen Längsschnitt
7 bis 17 Beispiele von Querschnitten eines Biegeträgers nach Anspruch 9. Der schubfeste Verbund zwischen den kaltgewalzten Profilen aus dünnem Stahlblech 6 und den Bändern aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff 4 wird durch die Scherfestigkeit eines Klebstoffes in den Berührungsflächen der beiden Verbundpartner erzeugt.
18 bis 22 Beispiele von Gurtquerschnitten eines Biegeträgers nach Anspruch 10. 18 bis 21 sind für die Vorspannung von Zug- und Druckgurten geeignet, 22 ist nur zur Vorspannung von Zuggurten geeignet. In den 18 und 20 erfolgt der Verbund zwischen den Querschnittsteilflächen aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nur durch die Scherfestigkeit eines Klebstoffes 14 in den Berührungsflächen der beiden Verbundpartner. In den 19, 21 und 22 erfolgt der Verbund zwischen den Querschnittsteilflächen aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff durch die Scherfestigkeit eines Klebstoffes 14 in den Berührungsflächen der beiden Verbundpartner und durch Flankenkehlnähte 9 zwischen den Querschnittsteilflächen aus Stahl 8. 21 ist zudem ein Gurtquerschnitt mit einem Stegansatz gemäß Anspruch 12, der gemeinsam mit dem Gurtquerschnitt vorgespannt wird und die gleichen Vordehnungen und Eigenspannungen hat wie die übrigen Querschnittsteilflächen aus Stahl.
23 bis 25 Querschnitt, Längsansicht und Längsschnitt eines Biegeträgers nach Anspruch 10.
23 eine Längsansicht
24 einen horizontalen Längsschnitt
25 einen Querschnitt
26 bis 28. Querschnitt, Längsansicht und Längsschnitt eines Biegeträgers nach Anspruch 11.
26 eine Längsansicht
27 einen horizontalen Längsschnitt
28 einen Querschnitt.
Anspruch 1 beschreibt die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung für Biegeträger aus beliebigen elastischen Werkstoffen, deren Festigkeits- und elastisches Dehnungspotenzial sich um ein Vielfaches voneinander unterscheiden. Er enthält die Anweisungen für die Gestaltung der Biegeträgerquerschnitte und die konsistenten Dehnungs- und Beanspruchungsunterschiede zwischen den Querschnittsteilflächen mit unterschiedlichem Dehnungs- und Beanspruchungspotenzial, mit denen die erfinderischen Zielsetzungen erreicht werden. Anspruch 1 beschreibt darüber hinaus mehrere Möglichkeiten der äusseren Einwirkungen zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede in den Querschnittsteilflächen der Grundprofile 1 und Querschnittsergänzungen 2.
Anspruch 2 beschreibt die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung für Biegeträger mit Querschnittsteilflächen aus Stählen, deren Festigkeits- und elastisches Dehnungspotenzial sich um mindestens das Doppelte voneinander unterscheiden.
Anspruch 3 enthält darüber hinaus Gestaltungsanweisungen, die es erlauben, die Biegeträger so zu gestalten, dass Biegeträger, die für die maximal möglichen Beanspruchungen durch ruhende Lasten bemessen werden, auch für ihr ermüdungswirksames Beanspruchungskollektiv mit der gleichen Zuverlässigkeit betriebsfest bemessen sind. Zur Erhöhung der Betriebs- und Dauerfestigkeit werden gemäß Anspruch 3 den Querschnittsteilflächen mit den größeren Kerbwirkungen die Querschnittsergänzungen 2 aus dem Stahl mit geringerer Festigkeit zugeordnet.
Anspruch 4 enthält für Biegeträger nach Anspruch 3 Anweisungen für die Gestaltung des Dehnungs- und Festigkeitspotenziale der Schweissnähte, die sicherstellen, dass sich durch die Vorspannung der Biegeträger während des Herstellungsprozesses in den Schweissnähten und ihren Übergangszonen zum durch die Schweisswärme nicht mehr beeinflussten Werkstoff günstige Eigenspannungszustände ausbilden.
Die Ansprüche 5 und 6 beschreiben mehrere unterschiedliche Verfahrensabläufe zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede zwischen den Grundprofilen 1 und Querschnittsergänzungen 2 bei der Fertigung der Biegeträger. Die σ – ε – Diagramme der 3 und 4 charakterisieren die Spannungs – Dehnungsbeziehungen von Grundprofilen 1 und Querschnittsergänzungen 2 während des Fertigungsprozesses und bei Beanspruchungen der Biegeträger während der Nutzungsphase. Der schraffierte Dehnungsbereich charakterisiert in beiden Figuren schematisch für ein Belastungsverhältnis des Eigengewichtes zu den maximalen Verkehrslasten von 1 zu 1 und einen globalen Sicherheitsabstand von 1,67 gegen das Erreichen der Streckgrenze in den Grundprofilen 1 und den Querschnittsergänzungen 2 die Doppelspannungsamplitude infolge Beanspruchung durch die maximale Verkehrslast. Die Darstellungen belegen die Vorteile der erfindungsgemäßen Gestaltung für die Betriebs- und Dauerfestigkeit von Biegeträgern. Eine Vorspannung des Gesamtprofils gemäß Anspruch 5 und 3 ist für die Betriebs- und Dauerfestigkeit günstiger als eine Vorspannung nur des Grundprofils gemäß Anspruch 6 und 4 , weil mit dieser Verfahrensweise in den Grundprofilen 1 und Querschnittsergänzungen 2 zuverlässig alle schweissbedingten ungünstigen Eigenspannungen in günstig wirkende Eigenspannungen umgewandelt werden.
Durch den Einsatz von Werkstoffen mit einem Festigkeits- und elastischen Dehnungspotenzial, das größer ist als das Festigkeits- und elastische Dehnungspotenzial von hoch- und höchstfesten Stählen, lassen sich die positiven Wirkungen der Erfindung weiter verbessern. Es ist bekannt, dass sich z.B. Bänder und Profile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) mit Festigkeiten herstellen lassen, die um ein Vielfaches größer sind als die Festigkeiten von höchstfesten Stählen. Auch die elastischen Dehnungspotenziale und E-Moduli dieser Werkstoffe können um ein Vielfaches über denen von höchstfesten Stählen liegen.
Gemäß [1] und [2] können Kohlenstofffasern mit Elastizitätsmoduli hergestellt und geliefert werden, die bis um das annähernd vierfache größer sind als der Elastizitätsmodul von Stahl. Das elastische Dehnungspotenzial dieser Kohlenstofffasern ist größer als 1,5 % und liegt damit ebenfalls um ein Vielfaches über dem elastischen Dehnungspotenzial der hochfesten Stähle. Die erfindungsgemäße Kombination von hochfestem Stahl mit Werkstoffen, die diese Eigenschaften haben, erlaubt ebenfalls für bestimmte Steifigkeitsverhältnisse die Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials beider Verbundpartner und führt zu Biegeträgern mit einem elastischen Dehnungspotenzial, das nahezu doppelt so hoch sein kann wie das elastische Dehnungspotenzial der als Querschnittsergänzung 2 gewählten hochfesten Stähle.
Querschnittsergänzungen 2 aus hoch- und höchstfesten Stählen, die kombiniert werden mit Grundprofilen 1, die aus Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bestehen, führen daher ebenfalls zu Biegeträgern, deren Grenztragfähigkeit die Summe der Grenztragfähigkeiten aller Teilquerschnittsflächen ist. Bei gleichem Konstruktionsgewicht können diese Biegeträger eine um den Faktor drei höhere Grenztragfähigkeit als ein Biegeträger aus hochfestem Stahl mit gleichem Konstruktionsgewicht nach dem Stand der Technik haben.
Bei dieser Paarung wird die erfindungsgemäße Zielsetzung ebenfalls durch die Erzeugung eines Eigenspannungszustandes erreicht, der in den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) Beanspruchungen erzeugt, die ein gebrauchslastparalleles Eigenspannungsmoment bilden, dem durch ein Moment mit umgekehrtem Vorzeichen, das von den Eigenspannungen im hochfesten Stahl gebildet wird, das Gleichgewicht gehalten wird. Zur Erzeugung dieses Eigenspannungszustandes stehen ebenfalls zwei alternative Verfahrensabläufe zur Verfügung. Der Eigenspannungszustand kann durch eine den Gebrauchslasten entgegengerichtete Vorspannung eines Kernprofil 3 aus hochfestem Stahl bis zu Randdehnungen erzeugt werden, die den elastischen Grenzdehnungen des Stahls entsprechen, bevor die Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) schub- und biegefest mit dem Kernprofil 3 und den übrigen Querschnittsteilflächen aus Stahl verbunden werden.
Der Eigenspannungszustand kann aber auch durch eine gebrauchslastparallele Vorspannung des Gesamtprofils bis zu Randdehnungen erzeugt werden, die dem elastischen Dehnungspotenzial der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) entsprechen. Bei diesem Verfahrensablauf wird das Kernprofil aus dem hochfesten Stahl während des Fertigungsprozesses plastisch über seine Streckgrenze hinaus bis annähernd zu den Grenzdehnungen der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) verformt. Bei der Entfernung der Einwirkungen, die zur Erzeugung der Vorspannmomente benötigt werden, bildet sich bei beiden Verfahrensabläufen der gleiche konsistente Eigenspannungszustand, der bei Beanspruchung des fertigen Biegeträgers durch Gebrauchslasten bis zu seiner Grenztragfähigkeit das elastische Dehnungspotenzial beider Querschnittsteilflächen in vollem Umfang aktiviert. Neben diesem Vorteil entsteht ebenfalls wie bei erfindungsgemäßen Stahlträgern eine erhebliche Verbesserung der Betriebs- und Dauerfestigkeit. Durch diese Kombination lassen sich Biegeträger herstellen, deren elastisches Dehnungspotenzial etwa dem zweifachen Dehnungspotenzial der eingesetzten hochfesten stählernen Grundprofile entspricht. Die durch den Einsatz der Erfindung maximal möglichen elastischen Dehnungspotenziale betragen daher etwa 10 Promill. Durch den Einsatz von Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) mit höherem E-Modul lässt sich darüber hinaus die Biegesteifigkeit gegenüber einem Biegeträger aus Stahl mit gleicher Querschnittsfläche erhöhen.
Die Ansprüche 7 und 8 beschreiben die Konstruktionsmerkmale Verfahren zur Herstellung von Biegeträgern, deren Grundprofile 1 Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 im Bereich der Gurte der Biegeträger sind und deren Kernprofile 3 die Querschnittsergänzungen sind, die aus Stahl bestehen. Mehrere Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 und dünne Stahlbleche 5 werden abwechselnd übereinandergeschichtet und miteinander und den Gurten des Kernprofils 3 verklebt. Ausserdem werden die dünnen Stahlbleche 5 zusätzlich, sofern dies statisch notwendig ist, untereinander und mit den Gurten des Kernprofils 3 schubfest, z.B. durch Flankenkehlnähte, verbunden. Querschnittsergänzungen dieser Biegeträger sind somit die Kernprofile 3 und die dünnen Stahlbleche 5 zwischen den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 im Bereich der Gurte, in denen sich nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise den Biegespannungen aus Gebrauchslast entgegengerichtete Eigenspannungen ausbilden, die ein Biegemoment bilden, das dem Eigenspannungsmoment, das die gebrauchslastparallelen Eigenspannungen in den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 bilden, das Gleichgewicht hält.
Anspruch 9 beschreibt die Konstruktionsmerkmale von Biegeträgern nach Anspruch 7 oder 8, deren Grundprofile Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 sind und deren Querschnittsergänzungen kaltgewalzte Profile aus dünnem Stahlblech 6 sind. Die Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 sind zwischen den kaltgewalzten Profilen aus dünnem Stahlblech 6 eingebettet. In allen Flächen zwischen den kaltgewalzten Profilen aus dünnem Stahlblech 6 und den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 befindet sich eine Schicht aus Klebstoff oder aus faserverstärktem Klebstoff. Durch die Scherfestigeit des Klebstoffes wird der schub- und biegefeste Verbund zwischen allen Querschnittsteilflächen hergestellt. Biegeträger nach Anspruch 9 haben ebenfalls gegenüber Biegeträgern nach dem Stand der Technik bei gleichen Konstruktionsgewichten eine bis zum Faktor 3 größere Tragfähigkeit. Ihr Einsatz ist bei allen mobilen Konstruktionen besonders vorteilhaft. Der Vorteil einer entscheidenden Verbesserung des Verhältnissesder Nutzlasten zum Eigengewicht der tragenden Konstruktionen führt hier zusätzlich während der ganzen Nutzungsphase der mobilen Konstruktionen zu einer erheblichen Ersparnis an Energie.
In Anspruch 10 wird Schutz begehrt für die Gestaltung von Biegeträgern, deren Gurtquerschnitte Verbundstäbe aus Stahl und Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind. In den Verbundstäben, für deren Gestaltung in den 18 bis 22 Beispiele dargestellt sind, werden durch Vorspannung Eigenspannungszustände erzeugt, die zu den erfindungsgemäßen Dehnungsunterschieden zwischen den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 und den Stahlblechen 8 führen. Die Vorspannung der Verbundstäbe erfolgt, bevor die Verbundstäbe schub- und biegefest mit dem Steg des Biegeträgers verbunden werden. Eigenspannungszustände und Dehnungsunterschiede zwischen den Querschnittstellflächen können durch die Gestaltung des Steifigkeitsverhältnisses der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 zu den Stahlblechen 8 so bemessen werden, dass bei einer Beanspruchung der Verbundstäbe durch Gebrauchslasten bis zu ihrer Grenztragfähigkeit beide Verbundpartner ihr Festigkeitspotenzial voll ausschöpfen.
Verbundstäbe, die Zuggurte im Biegeträger sind, werden nach der schubfesten Verbindung aller Querschnittsteilflächen des Verbundstabes durch Zugkräfte bis annähernd zur Grenzdehnung der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 vorgespannt und dann durch die Entfernung der Zugkräfte entlastet. Das Steifigkeitsverhältnis zwischen den der Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 und den Stahlblechen 8 ist neben den unterschiedlichen Dehnungs- und Festigkeitspotenzialen der maßgebende Parameter für die Ausbildung von Eigenspannungen und zielführenden Dehnungsunterschieden zwischen den Stahlblechen 8 und den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4. Nach der Entfernung der Zugkräfte, mit denen der Verbundstab vorgespannt wurde, bilden sich in den Querschnittsteilflächen aus Stahlblechen 8 den Spannungen aus Gebrauchslast entgegengerichtete Eigenspannungen, deren Resultierende im Gleichgewicht steht mit der Resultierenden der gebrauchslastparallelen Eigenspannungen in den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4. Die maximale Höhe der den Gebrauchslasten entgegengerichteten Eigenspannungen in den Querschnittsteilflächen aus Stahlblechen 8 darf bei nur schwelllender Beanspruchung des Biegeträgers durch Gebrauchslasten annähernd der Streckgrenze des Stahls entsprechen. Die Höhe dieser Eigenspannungen wird durch die Bemessung des Steifigkeitsverhältnisses bestimmt. Wenn die maximale Höhe der den Gebrauchslasten entgegengerichteten Eigenspannungen in den Querschnittsteilflächen aus Stahl deutlich unter der Streckgrenze des Stahls liegt, hat dies einen günstigen Einfluß auf die Betriebsfestigkeit des Biegeträgers, ohne dass der Vorteil einer vollen Ausschöpfung des Festigkeitspotenzials aller Querschnittsteilflächen für die Grenztragfähigkeit verloren geht.
Verbundstäbe, die im Biegeträger Druckgurt sind, werden vor der schubfesten Verbindung der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 mit den Querschnittsteilflächen aus den Stahlblechen 8 vorgespannt. Die Querschnittsteilflächen aus Stahl 8 werden durch Zugkräfte bis annähernd zur Streckgrenze des Stahls vorgespannt, bevor sie mit den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 schubfest verbunden werden. Nach der schubfesten Verbindung der Querschnittsteilflächen des Verbundstabes und der Entfernung der äusseren Einwirkungen bilden sich in den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) 4 gebrauchslastparallele Eigenspannungen und in den Querschnittsteilflächen aus Stahl 8 Eigenspannungen, die den Gebrauchslasten entgegengerichtet sind. Die Resultierenden dieser Eigenspannungen haben aus Gleichgewichtsgründen entgegengesetzte Vorzeichen und gleiche Größen. Durch Gestaltung des Steifigkeitsverhältnisses können dieselben Wirkungen erzielt werden wie bei den Verbundstäben, die im Biegeträger Zuggurt sind.
Diese Gurtquerschnitte haben nach dem Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ein maximales elastisches Dehnungs- und Beanspruchungspotenzial, das ebenfalls annähernd dem doppelten elastischen Dehnungs- und Beanspruchungspotenzial des Stahls der Querschnittsergänzungen entspricht. Die Anwendung dieser Verbundstäbe als Gurte von Biegeträgern setzt voraus, dass die Stege ebenfalls dieses elastische Verformungsvermögen besitzen. Diese Fähigkeit wird durch eine Profilierung der Stegbleche erzielt, durch die sie Biegesteifigkeit verlieren, ihre Schubsteifigkeit aber behalten. Die Stege der Biegeträger erhalten zu diesem Zweck eine regelmäßige, aber gegensinnige Z-förmige, rechteckförmige oder trapezförmige Profilierung. Durch die Profilierung beteiligen sich die Stege an der Aufnahme der Biegeverformungen der Gurte, ohne dass die vollen Biegebeanspruchungen entstehen. Sie können daher aus einem Stahl mit kleinerem elastischen Dehnungspotenzial als dem der Gurte bestehen.
Gemäß Anspruch 11 sind die Stege der Biegeträger nur in den gurtnahen Höhenbereichen so profiliert, dass sie die volle Schubsteifigkeit; aber eine wesentlich kleinere Biegesteifigkeit haben. Die Biegeverformungen des Steges werden proportional zum Abstand von der Nulllinie kleiner. Im mittleren Höhenbereich des Biegeträgers können daher ebene Stegbleche verwendet werden.
Durch eine Gestaltung der Gurte als Verbundstäbe mit Stegansätzen aus ebenen Stahlblechen 11 gemäß Anspruch 12, die gemeinsam mit den Gurtquerschnitten der erfindungsgemäßen Verfahrensweise unterzogen werden, erhalten die Stegbleche in Nähe des Gurtes das gleiche elastische Dehnungspotenzial wie die Verbundquerschnitte der Gurte. Im mittleren Höhenbereich des Biegeträgers können ebenfalls ebene Stegbleche verwendet werden.

1: Grundprofil
2: Querschnittsergänzungen
3: Kernprofil
4: Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen
5: Dünne Stahlbleche
6: kaltgewalztes Profil aus dünnem Stahlblech
7: Gurt von Biegeträgern nach Anspruch 10, deren Querschnitte gemäß den
: Figuren 18 bis 22 aus Stahlblech 8 und aus Bändern aus
: kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen 4 bestehen
8: Stahlblech
9: Flankenkehlnaht
10: Trapezförmig geformtes Stahlblech als Steg von Biegeträgern nach Anspruch
: 10
11: Stegansatz von Biegeträgern als trapezförmig geformtes Stahlblech nach
: Anspruch 11
12: Ebenes Stegblech eines Biegeträgers nach Anspruch 11

13: Stegansatz aus einem ebenen Stahlblech eines Biegeträgers nach Anspruch
: 12
14: Klebstoff oder faserverstärkter Klebstoff

Zitierte Literatur

[1] Instandsetzung von Bauwerken mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, Urs Meier, Beton- und Stahlbetonbau 95, 2000, Heft 3, Seite 134 bis 142,
[2] Verstärken von Betontragwerken mit geklebter äusserer Bewehrung aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, Ferdinand S. Rostasy, Uwe Neubauer, Christoph Hankers, Beton- und Stahlbetonbau 92 (1997), Heft 5, Seite 132 bis 138,

Claims

Konstruktionen und Verfahren zur Erhöhung der Tragfähigkeit von Biegeträgern für Beanspruchungen durch vorwiegend ruhende und nicht ruhende Gebrauchslasten, dadurch gekennzeichnet, • dass die Biegeträgerquerschnitte aus mehreren schub- und biegefest miteinander verbundenen Querschnittsteilflächen aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen, deren Festigkeitspotenziale und elastischen Dehnungspotenziale sich um ein Vielfaches voneinander unterscheiden, und • dass die Widerstände der Querschnittsteilflächen mit dem um ein Vielfaches größeren Festigkeits- und elastischen Dehnungspotenzial, die im Folgenden immer als Grundprofile (1) bezeichnet werden, und die Widerstände der Querschnittsteilflächen mit dem kleineren Festigkeits- und elastischen Dehnungspotenzial, die im Folgenden immer als Querschnittsergänzungen (2) bezeichnet werden, im Querschnitt des Biegeträgers schubfest zusammenwirken und ihr Steifigkeitsverhältnis zueinander so bemessen wird, dass Grundprofile (1) und Querschnittsergänzungen (2) bei Beanspruchungen des Biegeträgers bis zu seiner Grenztragfähigkeit ihr Festigkeitspotenzial voll entfalten, und • dass diese Zielsetzung durch konsistente Beanspruchungs- und Verformungsunterschiede zwischen den Querschnittsteilflächen erreicht wird, die während des Fertigungs- und Herstellungsprozesses des Biegeträgers durch äussere Einwirkungen erzeugt werden, die nach ihrer Entfernung in den Grundprofilen (1) zu Eigenspannungen führen, die ein gebrauchslastparalleles Biegemoment bilden, dem ein ebenso großes Biegemoment mit umgekehrtem Vorzeichen, das von den Eigenspannungen in den Querschnittsergänzungen (2) gebildet wird, das Gleichgewicht hält, und • dass die konsistenten Beanspruchungs- und Verformungsunterschiede zwischen den Grundprofilen (1) und Querschnittsergänzungen (2) durch Beanspruchungsunterschiede aus den Eigenlasten des Biegeträgers, oder durch Beanspruchungsunterschiede aus den Eigenlasten des Biegeträgers und durch Beanspruchungen aus Vorspannung, oder nur durch Beanspruchungen aus Vorspannung erzeugt werden.
Konstruktionen und Verfahren nach Anspruch 1 zur Erhöhung der Tragfähigkeit von Biegeträgern aus Stahl für Beanspruchungen durch vorwiegend nicht ruhende Gebrauchslasten, dadurch gekennzeichnet, • dass die Biegeträgerquerschnitte aus mehreren schub- und biegefest miteinander verbundenen Querschnittsteilflächen aus Stählen mit unterschiedlichen Festigkeiten bestehen, deren elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotenziale sich um ein Vielfaches voneinander unterscheiden, und • dass die Querschnittsteilflächen mit dem um ein Vielfaches größeren elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotenzial, die im Folgenden als Grundprofile (1) bezeichnet werden, die Kernprofile (3) des Biegeträgers sind und die Querschnittsteilflächen mit dem kleineren elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotenzial, die im Folgenden als Querschnittsergänzungen (2) bezeichnet werden, Gurtquerschnitte des Biegeträgers sind, oder • dass die Grundprofile (1) Gurtquerschnitte der Biegeträger sind und die Querschnittsergänzungen (2) die Kernprofile (3) des Biegeträgers sind.
Konstruktionen und Verfahren nach Anspruch 2 zur Erhöhung und Optimierung der Tragfähigkeit von Biegeträgern aus Stahl für Beanspruchungen durch vorwiegend nicht ruhende Gebrauchslasten, dadurch gekennzeichnet, • dass die Querschnittsergänzungen (2) die Querschnittsteilflächen des Biegeträgers mit den größeren Kerbwirkungen sind und die Grundprofile (1) die Querschnittsteilflächen des Biegeträgers mit den kleineren Kerbwirkungen, und • dass die Unterschiede zwischen dem elastischen Dehnungs- und Festigkeitspotenzial der Grundprofile (1) und der Querschnittsergänzungen (2) sowie das Verhältnis ihrer Biegesteifigkeiten so gestaltet werden, dass eine für die maximalen Beanspruchungen durch vorwiegend ruhende Beanspruchungen bemessener Biegeträger auch die Anforderungen an die Betriebsfestigkeit für die Bemessung vorgegebene ermüdungswirksame Beanspruchungskollektiv erfüllt.
Konstruktionen und Verfahren nach Anspruch 3 zur Erhöhung und Optimierung der Tragfähigkeit von Biegeträgern aus Stahl für Beanspruchungen durch vorwiegend nicht ruhende Gebrauchslasten, dadurch gekennzeichnet, • dass das elastische Dehnungs- und Festigkeitspotenzial der für die Betriebsfestigkeit maßgebenden Schweissnähte des Biegeträgers so gestaltet wird, dass die konsistenten Beanspruchungs- und Verformungsunterschiede zwischen den Grundprofilen (1) und Querschnittsergänzungen (2) in diesen Schweissnähten günstig wirkende Eigenspannungszustände erzeugen.
Verfahren zur Erzeugung der Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede zwischen den Teilwiderständen durch Vorspannung für Biegeträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede zwischen den Teilwiderständen der Biegeträgerquerschnitte nach der schub- und biegefesten Verbindung der Grundprofile (1) mit den Querschnittsergänzungen (2), z. B. durch Flankenkehlnähte (9) durch Vorspannung des Gesamtprofils erzeugt werden, und • dass die Vorspannung des Gesamtprofils durch äussere gebrauchslastparallele Einwirkungen am statischen System der Biegeträger erfolgt, die bis annähernd zur elastischen Grenzdehnung des höher festen Stahls möglich ist, und • dass durch die anschließende Entfernung der äusseren Einwirkungen ein gebrauchslastparalleles Eigenspannungsmoment in den Grundprofilen ( 1 ) und ein ebenso großes Eigenspannungsmoment mit umgekehrtem Vorzeichen in den Querschnittsergänzungen (2) bewirkt wird.
Verfahren zur Erzeugung der Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede zwischen den Teilwiderständen durch Vorspannung für Biegeträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, • dass die Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede zwischen den Teilwiderständen der Biegeträgerquerschnitte vor der schub- und biegefesten Verbindung der Grundprofile (1) mit den Querschnittsergänzungen (2) der Biegeträgerquerschnitte durch Vorspannung des Kernprofils (3) erzeugt werden, und • dass die Vorspannung des Grundprofils (1) durch äussere Einwirkungen am statischen System der Biegeträger erfolgt, und • dass anschließend alle Querschnittsteilflächen des Gesamtprofils schub- und biegefest durch geeignete Verbindungsmittel, z. B. durch Flankenkehlnähte (9) mit einander verbunden werden, bevor die äusseren Einwirkungen entfernt werden.
Konstruktionen und Verfahren nach Anspruch 1 zur Erhöhung der Tragfähigkeit und zur Verringerung des Konstruktionsgewichtes von Biegeträgern, deren Querschnitte aus Stahl und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bestehen, dadurch gekennzeichnet, • dass die Biegeträgerquerschnitte aus mehreren schub- und biegefest miteinander verbundenen Querschnittsteilflächen aus Stahl und aus Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) bestehen, deren Festigkeitspotenziale und bis zur Grenztragfähigkeit aktivierbaren Dehnungspotenziale sich um ein Vielfaches voneinander unterscheiden, und • dass die Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4), die Grundprofile (1), Querschnittsteilflächen der Gurte der Biegeträger sind, die zwischen dünnen Stahlblechen (5) eingebettet sind und mit den dünnen Stahlblechen (5) schub- und biegefest verbunden werden, z.B. durch die Scherfestigkeit eines Klebstoffes in den Berührungsflächen der beiden Verbundpartner oder durch die Scherfestigkeit eines Klebstoffes in den Berührungsflächen der beiden Verbundpartner und durch Flankenkehlnähte zwischen den dünnen Stahlblechen (5) und den Gurten des Kernprofils (3), und • dass die Biegesteifigkeiten der Querschnittsteilflächen der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen CFK (4), die Grundprofile (1), und die Biegesteifigkeiten der Querschnittsteilflächen aus Stahl, das Kernprofil (3) und die dünnen Stahlbleche (5) zwischen den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen CFK (4), die gemeinsam die Querschnittsergänzungen (2) des Biegeträgers sind, und ihr Verhältnis zueinander so bemessen werden, dass Grundprofile (1) und Querschnittsergänzungen (2) bei Beanspruchungen des Biegeträgers bis zu seiner Grenztragfähigkeit ihr Festigkeitspotenzial voll entfalten, und • dass die konsistenten Beanspruchungs- und Dehnungsunterschiede zwischen den Querschnittsergänzungen (2) und den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen CFK (4), den Grundprofilen (1) nach ihrer schub- und biegefesten Verbindung zu einem Gesamtprofil durch Vorspannung des Gesamtprofils des Biegeträgers bis annähernd zur aktivierbaren Grenzdehnung der Querschnittsteilflächen aus den kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erzeugt werden.
Konstruktionen und Verfahren nach Anspruch 1 und 7 zur Erhöhung der Tragfähigkeit und Biegesteifigkeit sowie zur Verringerung des Konstruktionsgewichtes von Biegeträgern, deren Querschnitte aus Stahl und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bestehen, dadurch gekennzeichnet, • dass für die Grundprofile (1) Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) verwendet werden, deren Elastizitätsmodul größer ist als der Elatizitätsmodul von Stahl.
Konstruktionen und Verfahren nach Anspruch 1 und 7 oder 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, • dass die Querschnittsteilflächen der Querschnittsergänzungen (2) der Biegeträger kaltgewalzte Profile aus dünnen Stahlblechen (6) sind, zwischen die als Grundprofile (1) Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) eingebettet sind, die mit den kaltgewalzten Profilen aus dünnen Stahlblechen (6) schub- und biegefest durch die Scherfestigkeit eines Klebstoffes in den Berührungsflächen der beiden Verbundpartner verbunden sind.
Biegeträger, deren Gurte Verbundstäbe aus Stahl und Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind und deren Stege aus profilierten Stahlblechen bestehen, dadurch gekennzeichnet, • dass die Gurte (7) der Biegeträger vorgefertigte Verbundstäbe aus Stahlblechen (8) und Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) sind, deren Festigkeits- und Dehnungspotenziale um ein Vielfaches größer ist als das Festigkeits- und Dehnungspotenzial der Stahlbleche (8), und • dass die Stahlbleche (8) als Querschnittsergänzungen (2) und die Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) als Grundprofile (1) im Querschnitt eines Verbundstabes in mehreren Schichten abwechselnd übereinander angeordnet sind und die einzelnen Schichten schubfest, z. B. durch die Scherfestigkeit eines Klebstoffes in den Berührungsflächen der beiden Verbundpartner oder durch die Scherfestigkeit eines Klebstoffes in den Berührungsflächen der beiden Verbundpartner und zusätzlich durch Flankenkehlnähte (9) zwischen den Stahlblechen (8), miteinander verbunden werden, und • dass die Grenztragfähigkeiten der Stahlbleche (8) und der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) im Querschnitt eines Verbundstabes und ihr Steifigkeitsverhältnis zueinander so bemessen werden, dass Grundprofile (1) und Querschnittsergänzungen (2) ihr Festigkeitspotenzial bei Beanspruchungen des Verbundstabes durch Normalkräfte bis zur Grenztragfähigkeit voll entfalten, und • dass diese Zielsetzung durch konsistente Beanspruchungs- und Verformungsunterschiede zwischen den Stahlblechen (8) und den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) erreicht wird, die während des Fertigungs- und Herstellungsprozesses des Verbundstabes durch äussere Einwirkungen erzeugt werden, die nach ihrer Entfernung in den Grundprofilen (1) zu Eigenspannungen führen, die gebrauchslastparallele Normalkräfte bilden, denen ebenso große Normalkräfte mit umgekehrtem Vorzeichen, die von den Eigenspannungen in den Querschnittsergänzungen (2) gebildet werden, das Gleichgewicht halten, und • dass der Verbundstab, der Zuggurt im Biegeträger wird, nach der schubfesten Verbindung aller Querschnittsteilflächen des Verbundstabes durch Zugkräfte bis annähernd zur Grenzdehnung der Bänder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) vorgespannt und anschließend durch die Entfernung der äusseren Einwirkungen entlastet wird, und • dass die Stahlbleche (8) des Verbundstabes, der Druckgurt im Biegeträger wird, vor der schubfesten Verbindung aller Querschnittsteilflächen des Verbundstabes bis annähernd zur elastischen Grenzdehnung der Stahlbleche (8) auf Zug vorgespannt werden, bevor sie mit den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) schubfest verbunden und die äusseren Einwirkungen entfernt werden, und • dass die beiden Verbundstäbe des Ober- und Untergurtes erst nach der Erzeugung der konsistenten Beanspruchungs- und Verformungsunterschiede zwischen den Querschnittsteilflächen aus Stahlblechen (8) und den Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) (4) mit den Stegen des Biegeträgers schub- und biegefest verbunden werden, und • dass der Steg des Biegeträgers (10) so gestaltet ist, dass er die volle Schubsteifigkeit hat, eine Biegesteifigkeit des Steges aber durch Formgebung vermieden oder verringert wird, und • dass diese Eigenschaften des Steges (10) durch eine regelmäßige trapezförmige oder rechteckförmige Profilierung oder eine regelmäßige gegensinnige Z-förmige Profilierung erzeugt werden, die so gestaltet ist, dass die Stege (10) sich bei der Beanspruchung des Biegeträgers durch Biegemomente mit den Gurten verformen, dass aber hierbei in den Stegen (10) keine Biegebeanspruchungen entstehen, oder die Biegebeanspruchungen wesentlich kleiner sind als in einem ebenen Stegblech.
Biegeträger, deren Gurte Verbundstäbe aus Stahl und Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) nach Anspruch 10 sind und deren Stege aber nur in den Randbereichen der Höhe des Biegeträgers aus profilierten Stahlblechen bestehen, dadurch gekennzeichnet, • dass der Steg des Biegeträgers nur in den gurtnahen Höhenbereichen als trapezförmig geformtes Blech (10) nach Anspruch 10 so gestaltet ist, dass eine Biegesteifigkeit des Steges vermieden oder verringert wird, im übrigen aber der Steg des Biegeträgers aus einem ebenen stählernen Stegblech (12) besteht.
Biegeträger nach Anspruch 10, deren Gurte und Stegansätze Verbundstäbe aus Stahl und Bändern aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind und deren Stege im übrigen aus ebenen Stahlblechen bestehen, dadurch gekennzeichnet, • dass die Gurte gemeinsam mit Stegansätzen aus einem ebenen Stahlblech (13) vorgefertigte Verbundstäbe aus Stahl und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind, deren Festigkeits- und Dehnungspotenziale um ein Vielfaches größer ist als das Festigkeits- und Dehnungspotenzial des Stahls, und • dass die Höhe der Stegansätze aus einem ebenen Stahlblech (13) so gewählt wird, dass die Biegebeanspruchungen und Verformungen des sich anschließenden ebenen Stegbleches von den ebenen Stahlblechen aufgenommen werden können.