DE1609661A1 - Ebenes oder gekruemmtes Flaechentragwerk,insbesondere aus glasfaserverstaerktem Kunststoff - Google Patents

Description

1 R Π Q R R Ebenes oder gekrümmtes Flächentragwerk, ^{3 Q} inabesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff.

Die Erfindung betrifft ein aus Kunststoff, vorwiegend aus faserverstärktem Kunststoff hergestelltes Flächentragwerk mit hohen statischen Qualtitäten, das aus einfachsten, im kontinuierlichen Verfahren erzeugbaren Grundelementen aufgebaut ist. Unter einem Flächentragwerk ist ein flächenhaftes Gebilde zu verstehen, das Biege- und Knicklasten, also Belastungen, wie sie in der Baütechnik auftreten, in weiten Grenzen standhält, -^i e Gestaltung der Grundelemente und ihre Zusammenfügung zu einem Flächentragwerk muss deswegen unter peinlicher Beachtung der Grundsätze der Statik erfolgen.

Die auf dem Markt befindlichen sogenannten Verbund· oder Sandwich-Platten, z.B. in Form von Rasterplatten usw. können daher nicht als Flächentragwerke in dem oben angedeuteten Sinne angesehen werden. Sie erfüllen die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe nur in unzureichendem Maße und weisen erhebliche Mängel auf: So bestehen sie z.T. aus unterschiedlichen Materialien (z.B* aus feuchtigkeitsempfindlichen Pappwaben) oder aus Materialien mit unterschiedlichen Elastizitätscharakteristiken (Metallraster). Sie haben weiter nicht krümmbare Zwischenlagen und schlieasen so die Herstellung gebogener oder gekrümmter Flächentragwerke aus und zeigen überdies mangelhafte statische Eigenschaften, zumindest in einer, wenn nicht in allen Richtungen. Ihr Aufbau kann schließ-

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lieh auch nicht aus Grundelementen erfolgen, die im kontinuierlichen Verfahren herstellbar sind ein Paktor, der in wirtschaftlicher Hinsicht eine wesentliche Rolle spielt.

Diese Nachteile treten, zumindest in den wichtigsten Punkten, ebenfalls auf bei Verbundplatten, die aus zwei planen Glasfaserkunststoff-Flächen bestehen, welche durch längs- oder querlaufende Stege miteinander verbunden sind» Weitere bekannte Ausführungen mit distanzhaltenden profilierten Platten genügen in ihrem Gesamtaufbau den statischen Bedingungen für die Gestaltung einer Tragkonstruktion, insbesondere eines Fachwerks, nur sehr unvollkommen und können so einem Vergleich mit dem erfindungsgemässen Fläohentragwerk nicht standhalten, welches in seiner technisch-statischen Konzeption diesen Forderungen bis zur letzten Konsequenz folgt.

Ein solches nach diesen strengen statischen Grundsätzen aufgebautes Gebilde ist Gegenstand der Erfindung.

Dieses Flächentragwerk ist so gestaltet, dass zwischen zwei, vorwiegend parallel liegenden, zweckmässig planen Platten eine nur in einer Richtung profilierte Zwischenplatten fest, z.B. durch Verkleben, eingebracht ist. Das Profil dieser Zwischenplatte ist derart ausgebildet, dass ein quer zur Profilierung verlaufender ,Schnitt durch das Flächentragwerk das Bild eines (ebenen) Fachwerkträgers ergibt. Im besonderen

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soll nach der Erfindung der Querschnitt das Bild eines solchen Fachwerkes ergeben, dessen Fachwerkelemente Dreiecke bilden (Dreiecknetz).

Der rein technische Aufbau des Erfindungsgegenstandes und Einzelheiten dazu sind aus den Zeichnungen zu ersehen, die im folgenden ausführlich erläutert sind. Diese Erläuterungen enthalten ausserdem weitgehende theoretische Betrachtungen über die Statik des erfindungsgemässen Flächentragwerkes, aus denen sich der Unterschied und das fortschrittliche Moment gegenüber dem Bekannten ergeben. Auch hier wird der beschreibende Teil durch Zeichnungen und Diagramme verdeutlicht. ,

Die Zeichnung stellt im einzelnen dar:

Figur 1 das perspektivische Bild eines

Flächentragwerkes nach der Erfindung; Figur 2 einen Schnitt quer zur Profilierung

des Tragwerkes (schematisch); Figur 3 die schematische Schnittdarstellung

eines Doppeltragwerkes mit einer * gemeinsamen Zwischenplatte; Figur 4 ein gekrümmtes Flächentragwerk

nach der Erfindung mit Formplatte

(Schnittdaratellung)j Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung

der Profilkantengeataltung; Figur 6 die schematische Schnittdarstellung

einer Verbreiterung der Profilkanten

durch Klebematerial Figur 7 die schematieohe Schnittdarstellung

einer Verbreiterung der Profilkanten durch Stege;

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^igur 8 BeiBpiel für eine Verbundplatte

bekannter Ausführung (Schnittdarstellung) ;

Figur 9 Verbundplatte mit profilierter Zwischenlage in Trapezform (Schnittdarstellung);

Figur 10 Darstellung der Verformung einer Verbundplatte nach Figur 9 bei Belastung;

Figur 11 Darstellung der Kräfteverteilung bei einem belasteten Flächentragwerk nach der Erfindung;

Figur 12 Darstellung der Abhängigkeiten und 13 der Profilschenkellänge und der Knicklast von dem Neigungswinkel

Figur 14 Graphische Darstellung der Funktion des Quotienten aus Knicklast und zulässiger Knicklast in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel oC ;

Figur 15 darstellung für die Erläuterung

der Winkelabhängigkeit für öC = 55⁽

Figur 16 Gegenüberstellung eines Dreieckverbandes und

ä und b eines Trapezverbandes bei gleichem Winkel oC .

Den Grundaufbau des erfindungsgemässen Fläohentragwerkes zeigen in einem Beispiel die Figuren 1 und 2.

Zwischen zwei Platten 1 und 2, die eweckaäeeig plan, d.h. flach und eben gestaltet sind, liegt eine nur in einer Richtung profilierte Zwiaohenplatte 5» Diese inner «lederkehrenden Grundeleaente 1, 2, 3 sind fest miteinander verbunden»

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Die Verbindung erfolgt bei dem hier ausschließlich verwendeten Kunetstoffmaterial (insbesondere Glasfaserkunststoff) zweckmässig durch Verklebung. Das wesentliche erfinderische Merkmal ist die Gestaltung der profilierten Zwischenplatte 3, deren Profil so ausgebildet ist, dass ein quer zur Profilierung verlaufender Schnitt durch das Flächentragwerk das Bild eines ebenen Fachwerkträgers ergibt. Das bedeutet, daß die Konstruktion strengen Maßstäben der Statik genügt. Von den möglichen Beispielen, die der erfindungsgemässen Grundregel genügen, ist ein besonderes herausgegriffen und \.ird im folgenden ausführlich behandelt, nämlich die Gestaltung des Profils der Zwiiuchenplatte 3 derart, daß sich das Schnittbild eines ebenen Fachwerks ergibt, dessen Fachwerfeelemente Dreiecke bilden (Dreiecksverband)« Diese Ausführung ist besonders aus der Figur 2 zu erkennen.

Um den Kern der Erfindung noch deutlicher aufzuzeigen und die entscheidenden Unterschiede dem Stand der Technik gegenüber besonders scharf herauszustellen, ist es nötig, sich eingehend mit der Statik solcher Flächentragwerke zu befassen.

Bei der theoretischen Durchleuchtung des Erfindungsgegenstandes wäre zu bedenken, daß es sich letzten Endes um ein räumliches Gebilde handelt. Die Art des Aufbaus dieses "Flächen"-!Pragwerkes gestattet es aber ohne weiteres, diese Betrachtungen auf das angegebene Schnittbild zu beschränken, der statieohth Analyse und den Berechnungen also einen ebenen Fachwerkträger zugrunde zu legen.

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Die Tateache, daß die statischen Verhältnisse in Profilrichtung der Zwischenlage günstiger sind, als in Querrichtung, bedarf keiner besonderen Erklärung. Es kommt hier also darauf an, die statischen Qualitäten quer zur Profilierung optimal zu gestalten. Gerade in dieser Richtung lassen die bekanntgewordenen dem Erfindungsgegenstand ähnlichen Tragwerke vieles zu wünschen übrig.

Das zeigen deutlich die schematischen Schnittdarstellungen der Pig. 8 und 9.

Die Konstruktion nach Pig. 8 zeigt ausgesprochen mangelhafte Stabilität gegenüber quer zur Profilrichtung auftretenden Schüben. Schon bei verhältnismäßig geringen Querkräften muss das Gefüge zusammenbrechen.

Gravierend ist hier auch der Umstand, daß bei Verzerrung der Rechtecke zu Homben als Polge der Schübe Widerstandsmoment und Trägheitsmoment abgebaut werden, wodurch der statische Zusammenbruch folgerichtig herbeigeführt wird. Nachdem Schübe, z.B. bei Biegebeanspruchungen quer zur Profilrichtung, unvermeidlich sind, zeigt ein solches Tragwerk erhebliche Schwächen.

9 zeigt eine Konstruktion, bei welcher die Zwischenlage trapezförmig ausgebildet ist. Hier wirken sich Schübe auf die Schenkel abwechselnd ale Zug- oder Knicklasten aus, zu deren letzteren •ich Biegebeanspruehungen gesellen, welche nicht nur den auf Knickung beanspruchten Schenkel betreffen, sondern die eich auch ;<in die Deck platten hinein fortsetzen und diese verbiegen.

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Pig. 10 veranschaulicht· diesen Vorgang.

Auch hierb.ei erleiden Widerstandsmoment und Trägheitsmoment Einbuasen, wodurch ein frühzeitiger statischer Zusammenbruch herbeigeführt wird.

Noch ein weiterer Umstand spricht gegen die Verwendung von Trapezprofilen. Bei Biegebeanepruchungen einer auf. zwei Lagern abgestützten Platte treten in der Mitte zwischen den Auflagern die höchsten Xnicklasten in der der Last zugekehrten Deckplatte auf. Nachdem die Knicklänge die äulässige Knicklast in der zweiten Potenz herabmindert, kommt es .entscheidend darauf an, diese Knicklänge kurz zu halten.

Bei sonst gleichen Abmessungen wird aber diese Knicklänge - nämlich der Abstand zwischen zwei Verdübelungen (Verklebungen) - beim Trapezverband größer als beim Dreiecksverband. Wenn man hier jetzt noch die Verbiegung der Deckplatte, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist, mit in Betracht zieht, erkennt man die klare Überlegenheit des Dreieckverbandes. Dieser vermeidet

a) die Biegespannungen in Schenkeln und Beckplatten,und hält

b) die Strecke X (β. Fig. 11) klein. Er hat

c) eine hohe Widerstandskraft gegen Schübe und

d) keine Neigung zum Abbau der Werte für ^fcid!erstand8- und Trägheitsmoment.

Daß dabei eine weit höhere zulässige Bi^gelast in Querrichtung herauskommt, liegt klar zutage·

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Es sollen Jetzt noch einige statische Untersuchungen folgen, welche Einzelheiten des angeschnittenen Themas betreffen und so weitere Erkenntnisse über die statischen Zusammenhänge und Notwendigkeiten schaffen.

In der Fig. 11 ist der Aufbau des erfindungsgemäsaen Flächentragwerks schematisch dargestellt und Bezeichnungen eingetragen, welche in den nachfolgenden Rechnungen verwendet werden. Die Pig. 11 gibt auch einen Überblick über den Verlauf der Schubspannungen.

Eb bedarf keiner besonderen Rechnung,um zu erkennen, daß bei geringen Wandstärken - die anzustreben sind - die Belastbarkeit auf Zug weit höher liegt als diejenige auf Knickung. Die für den statischen Bestand maßgeblichen Paktoren sind (neben einer zuverlässigen Verankerung «wischen Deckplatten und Profilschenkeln) die zulässigen Knicklasten in X und S₂·

Wie die Pig. 11 zeigt, erreichen die Schubspannungen an den äußeren Enden ihr Maximum und damit ebenfalls die Verdübelungskräfte (T). In der Mitte zwischen den Auflagern A werden die Schubspannungen « Null, gleichzeitig wird aber auch an dieser Stelle die Knickspannung in der druckeeitigen Deckplatte am höchsten.

PUr die Schenkel S₁ und S₂ ergeben sich la Bertioh der höchsten Schubapannungen auch die höchsten Beanspruchungen. Die dort auftretenden Kräfte sind direkt proportional eu den Verdübelungskräften und wirken sich abwechselnd in den Schenkeln ale Zug- oder Knickkräfte aus.

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Betrachten wir zunächst den Schenkel S₂· Bei gleicher Profilhöhe erg eisen sich hier Funktionen vom Neigungswinkel oc . Mit der Veränderung dieses Winkele wird auch die länge von S verändert. Die Abhängigkeiten ergeben sich aus der Fig.

sine* * und

sine*.

Mit Veränderung von cC verändern sich aber auch die Knicklasten P, für Sp· Wenn man die Verdübelungskraft T = 1 setzt, ergibt sich die aus der Fig. 13 zu ersehende Abhängigkeit

T
cosoc * und,da T »1 gesetzt,

cos öC = : somit

Die zulässige Knicklast für Sg ist bei sonst gleichen Bedingungen abhängig von der Länge, und zwar erscheint diese in der zweiten Potenz im Nenner. Wenn man die oben ermittelten Werte hier einsetzt erhält man als charakteristischen Paktor für

P₁. s —1 m —3 » sin

^zul· 2 %

^zul·

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Man sieht also, daß man durch die Veränderung von c* die statischen Bedingungen im Tragwerk erheblich beeinflussen kann, und daß es demzufolge für σζ ein Optimum geben muss. Dieses Optimum wird dann erreicht _y

^pk
wenn der Quotient «- ein Minimum wird.Nachdem

^iPk "rrr ^ ^pk„„-, - sinoc ,ist

. coeoC

Die in der Pig. 14 dargestellte Kurve gibt Auskunft über das Ergebnis. Aus ihr ist zu ersehen, daß das Optimum für den Winkel cc bei 55° liegt.

Wenn man die Verdübelungskraft T₁ = 1 setzt, die Spannweite = 100, die Profilhöhe Z = 1 und oC = 55° ergeben sich folgende Abhängigkeiten (s. Fig. 1 5).

tg —

χ/2	x 2	1	X a —— »	/02^1
Z	S2 cob 55°	2
X	009819	- 2-tg 35
1 ■η	1
sin et	sin 55°
1 .— •50
i
0,57*

1,22 ,

25 i 1,7^3.

Diese Rechnung seigt, daß die Knicklast für X bedeutend -höher iet, als die Knicklast für S₂. Sie zeigt des weiteren, daß auch die Strecke χ bei dem optimalen Neigungswinkel von 55° größer ist als die Strecke von S. Daraus ergibt sich, daß die schwächste Stelle im Tragwerk durch die Länge von X bestimmt wird.

Diesen schwachen Punkt kann man praktisch selbstverständlich dadurch beseitigen, daß man dort die Wandstärke und damit (in der dritten Potenz) das Trägheitsmoment vergrößert,' um so dieses Glied in der Kette genau so stark zu machen wie die übrigen Glieder. Diese Maßnahme ändert aber nichts an der Tatsache, daß beim Dreieckverband

(Fig. 16a) die Strecke X kürzer wird als beim Trapezverband (Fig..16b) und so die erforderliche Wandstärkenerhöhung sich in kleineren Grenzen bewegt.

Nachdem wir gesehen haben, daß die Länge von X bezüglich des etatischen Bestandes von so großer Bedeutung ist, erscheint es ausgesprochen vorteilhaft bei einer notwendig werdenden Vergrößerung der Profilhöhe Z die Länge von X möglichst nicht mit zu vergrößern. Die Verlängerung von S ist aber auch bedenklich, weil hierbei die Aufnahmefähigkeit für Knicklasten in der zweiten Potenz zur Verlängerung herabgesetzt wird. Es sollte also bei Vergrößerung der Profilhöhe Z weder die Länge X noch die Länge von S geändert werden. Die Pig. 3 gibt hierfür die Lösung, die im einzelnen näher erläutert wird.

Λα *-,

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Ee können - und das gehört zur weiteren Ausbildung der Erfindung - mehrere übereinanderliegende und untereinander fest verbundene Flächentragwerke zu einer grösseren Gesamtprofilhöhe zusammengesetzt werden, ohne daß die günstigen statischen Eigenschaften des Einzeltragwerkes verloren gehen. Ee handelt sich hier um einer Summierung der statischen Elemente und eine im Quadrat der Profilhöhe ansteigende Festigkeit des Gesamtaufbaus. Bei dieser Zusammensetzung erscheint es angebracht, je zwei benachbarten Flächentragwerken, z.B. den Tragwerken 4a und 4^ der Figur 3 mit den Profilschichten 3_a und 3^ nur eine gemeinsame Platte 5 zuzuteilen. Günstig wird es weiter sein, wenn bei zwei profilierten Zwischenplatten 3 und 3^ diese so zueinander angebracht werden, daß ihre Profilöffnungen einander zugekehrt sind, wie es die Fig. 3 erkennen lässt.

Dieses Prinzip kann man natürlich auoh auf mehr als zwei Systeme anwenden. Ee bleibt dabei auch die Möglichkeit (ähnlich wie bei dem Sperrholzaufbau), die Profilrichtungen zu verändern» etwa so, daß bei einem dreischichtigen System die Mittelschicht mit quer zu den Aussenschichten-Profilrichtungen verlaufendem Profil ausgestattet wird .r.

Bieher wurden nur ebene Flächentragwerke behandelt* Sin grosser Voraug dee Brfindungegegenstandes let der, daß auch gekrümmte oder gebogene Tragwerke hergestellt werden können» die im End«übtand die gleichen

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Festigkeitseigenschaften und das gleicHe statische Verhalten aufweisen wie die beschriebenen ebenen Flächentragwerke. Voraussetzung für die Herstellung ist eine Formplatte 7 (vergl. Hg* 4), auf die die Elemente einzeln aufgebracht und dann auf der Form miteinander verklebt werden. Es ist ersichtlich, daß sich die zunächst freie Profilplatte jeder Krümmung der Form anpasst, vorausgesetzt, daß der Profilverlauf mit den parallel verlaufenden Mantellinien der Krümmungsfläche zusammenfällt.

Um eine ausreichende Haftung der Profilkanten 10 (s.Fig. 5) an den Abschlussplatten 1 und 2 zu erzielen_; kann man diese Kanten so weit abflachen, daß eine für die Verbindung ausreichende Klebefläche entsteht. Es ist ersichtlich, daß damit die statischen und Festigkeitsvorteile des Dreieckverbandes nicht verloren gehen.

Die Figur 6 zeigt ein anderes Verfahren, um grössere Haftflächen für die Verbindung Profilkanten-Abschlussplatten zu erzielen. Ee genügt im allgemeinen bereite schon, wenn ein Übermaß an Klebematerial den spitzen Flächenwinkel zwischen Abschlussplatten 1/2 und Profilechenkel ausfüllt.

•kies er spitze Flächenwinkel kann auch, wie die Figur 7 zeigt, mit einem (eingeklebten) Steg 11 ausgefüllt werden, der auf diese Welse die Haftfläche vergrößert.

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Es sei noch bemerkt, daß bei der Herstellung des erfindungsgemäseen ebenen und gekrümmten Flächentragwerkes lediglich zwei Grundelemente nämlich die Abschlussplatte^) und die profilierte Zwischenplatte-Ausgangs elemente sind. Diese beiden arundelemente können im kontinuierlichen Verfahren ohne großen Einsatz von Arbeitskräften hergestellt «erden. Auch die Zusammenfügung der Ausgangsteile zum Fertigprodukt kann maschinell erfolgen. Diese günstigen fabrikatorischen Gegebenheiten und der - im Vergleich zu ähnlichen Platten - geringe Materialaufwand, ermöglichen es, ein Flächentragwerk herzustellen, das nicht nur wirtschaftliche Vorteile bringt, sondern auch - und das ist das Entscheidende - hohe statische Qualitäten aufweist und größten Feßtigkeitaaneprüchen genügt. Diese Eigenschaften sind besonders für den vielseitigen Einsatz im Baugewerbe geeignet.

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Claims (10)

Patentansprüche

1. Ebenes ober gekrümmtes Flächentragwerk, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei, vorwiegend parallel liegenden zweckmässig planen Platten (1/2) eine nur in einer Richtung profilierte Zwischenplatte (3) fest, z.B. durch Verklebung, eingebracht ist, deren Profil so ausgebildet ist, daß ein quer zur Profilierung verlaufender Schnitt durch das Plächentragwerk das Bild eines Fachwerkträgers ergibt.

2. Fläehentragwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnittbild das eines ebenen Fachwerkes ergibt, dessen Fachwerkelemente Dreiecke bilden (Dreiecknetz^Fig.2).

3. Plächentragwerk nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch mehrere übereinanderliegende und untereinander fest verbundene Flächentragwerke.

4. Flächentragwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei benachbarte Flächentragwerke (4_a/4jj) eine Abschlussplatte (5) gemeinsam haben (figur 3).

5. Flächentragwerk nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei profilierten Zwiecfainplatten (3_a/3fc) diese so zueinander angebracht sind,daß ihre Pro filöffnungen einander zugekehrt sind (Fig*3). ,

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6. Flächentragwerk nach den Ansprüchen 3 und 4, ' dadurch gekennzeichnet, daß sich die Profilrichtungen der aneinanderliegenden (durch die Deckplatte(n) getrennten)Zwischenplatten (3) kreuzen und vorwiegend um 90° getrennt sind.

7. Gekrümmtes Flächentragwerk nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine die Krümmung bestimmende Form (7) die Elemente derart einzeln aufgebracht und dann auf der Form miteinander verklebt sind, daß der Profilverlauf mit den parallel verlaufenden Mantellinien der Krümmungsfläche zusammenfällt (Fig. 4).

8. Flächentragwerk nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Abschlussplatten (1/2 Fig. 5) anstossenden Kanten (1O)''der profilierten Zwischenplatte(3) geringfügig, d.h. so weit abgeflacht sind, daß sie eine für die Verbindung mit den Abschlussplatten ausreichende Klebefläche auf weis Im,

9· Flächentragwerk nach den Ansprüchen 1 bia 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Abschlussplatten (1/2, Fig. 6) anstosaenden Kanten (9) der profilierten Zw^schenplatte (3) vergrößerte Haftflächen für die Verbindung dadurch erhalten, daß ein Übermaß an Klebematerial den spitzen Flächenwinkel zwischen Abschlussplatte (1/2) und Profilechenkel ausfüllt (Fig. 6).

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10. Plächentragwerlc nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Flächenwinkel zwischen Abschlussplatte (1/2) und Profilschenkel (zweckmäßig kontinuierlich zusammen mit dem Pabrikationsgang) mit einem ausfüllenden, die Haftfläche vergrößernden Steg (11, Pig· 7) versehen ist.

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L e e r s e i t e