DE19724535C1

DE19724535C1 - Verbindungselement für Mehrkant-, insbesondere Dreikant-Fachwerkträger

Info

Publication number: DE19724535C1
Application number: DE19724535A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Schuetze
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: US6067767A; FR2764653B1; FR2764653A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für Mehrkant-, insbesondere Dreikant-Fachwerkträger.

Dreikant-Fachwerkträger sind häufig verwendete Strukturelemente im Leicht bau. Ihr Querschnitt ist als gleichseitiges Dreieck gebildet, an dessen Ecken sich drei Gurtstäbe befinden. Zur Aussteifung sind zwischen den Gurtstäben Diagonalstäbe entweder allein oder Diagonal- und Querstäbe zusammen ange ordnet. Mit Dreikant-Fachwerkträgern können bei relativ geringem Gewicht hohe Längs- und Querkräfte sowie hohe Biegemomente übertragen werden.

Es ist daher bekannt, sie als Schweißkonstruktionen aus Stahl oder Aluminium in zahlreichen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise dem Kranbau, dem Zeltbau, dem Antennenbau usw. einzusetzen. Dabei ist es auch bekannt, die drei Gurtstäbe an den Enden des Trägers zu einem Lager- oder Anschlußpunkt zusammenzuführen. Dies läßt sich bei Schweißkonstruktionen recht leicht reali sieren.

Es ist auch bekannt, daß Fachwerkträger aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Kohlenstoffaserverbundwerkstoffen (CFK) bei der gleichen Steifigkeit und Festigkeit wie Aluminium nur etwa das halbe Gewicht von Aluminiumstrukturen aufweisen. Bei der Verwendung von Fachwerkträgern aus CFK können die einzelnen Stäbe nicht miteinander verschweißt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsmöglichkeit für Mehrkant-, insbesondere Dreikant-Fachwerkträger zu schaffen, die für die Verwendung bei Fachwerkträgern aus Faserverbundwerkstoffen, die zu einem Lager- oder Anschlußpunkt zusammengeführt sind, geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Weiterbil dungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. Dadurch wird ein Verbindungselement, insbesondere für Dreikant-Fachwerkträger, geschaffen, das sowohl Druck- als auch Zugkräfte optimal von insbesondere drei Gurtstäben auf einen Mittenstab überträgt. Bei dieser Belastung auch auftretende Quer kräfte werden ebenfalls durch die erfindungsgemäße Anordnung des Verbindungselementes an den Gurtstäben aufgenommen. Es findet weder eine Trennung der äußeren Gurtstäbe von dem zentralen Mittenstab noch ein Zusammendrücken des inneren, zentralen Mittenstabes durch die äußeren Gurtstäbe statt.

Durch die Anordnung von insbesondere drei Röhren des Verbindungselementes im 120°-Winkel zueinander und dem mittigen Vorsehen einer weiteren Röhre, wobei die drei äußeren Röhren dicht an der mittleren Röhre anliegen, findet eine optimale Verteilung der Kräfte über den Umfang des Dreikant-Fachwerkträgers statt. Die vorteilhafte Verwendung eines ± 45°-Gewebes für die Röhren gewährt eine große Schubfestigkeit und -steifigkeit.

Im Prinzip wird ein Verbindungselement für Mehrkant-, insbesondere Dreikant- Fachwerkträger aus Faserverbundwerkstoffen geschaffen, bei dem Röhren vorgesehen und so angeordnet sind, daß eine von diesen in der Mitte und die anderen gleichmäßig um diese, einen Mittenstab aufnehmende oder bildende Röhre herum verteilt, durch eine Faserringwicklung zusammengehalten und, durch eine in der mittleren Röhre vorgesehene Scheibe auf Abstand gehalten sind. Die äußeren Röhren liegen vorteilhaft dicht an der mittleren Röhre an. Vorzugsweise sind drei Röhren vorgesehen, die gleichmäßig über den Umfang verteilt, also in einer 120°-Anordnung, sind. In die Röhren werden die Gurtstäbe des Dreikant-Fachwerkträgers eingesteckt.

Die Röhren bestehen vorzugsweise aus einem ± 45°-Gewebe. Dieses wird so um die entfernbaren Gurtstäbe gelegt, daß es von der gebildeten mittleren Röhre zu jeder der gebildeten äußeren Röhren zumindest zwei Schubstege bildet. Dies geschieht durch wechselseitiges Umschlingen der Gurtstäbe mit dem ± 45°-Gewebe. Die Dicke der gebildeten Schubstege kann an die zu übertragenden Lasten vorzugsweise angepaßt werden. Sie ist insbesondere durch die Anzahl der verwendeten ± 45°-Gewebe vorgebbar.

Die Faserringwicklung ummantelt nach dem Bilden der Röhren die gesamte Anordnung von außen. In der Draufsicht entsteht dadurch die Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die Faserringwicklung weist eine bestimmte Höhe auf, die sich ebenfalls nach den zu übertragenden Lasten richtet. Die Faserringwicklung dient nämlich der Aufnahme von Querzugkräften. Vorzugsweise weist sie eine Faser hoher Zugfestigkeit auf. Derartige Querzugkräfte treten bei einer Druckbelastung des Fachwerkträgers auf. Sie begünstigen die Ablösung der vorzugsweise drei Gurtstäbe von dem Mittenstab. Wird der Fachwerkträger einer Zugbelastung ausgesetzt, drücken umgekehrt die äußeren Gurtstäbe gegen den Mittenstab.

Zur Aufnahme dieser Druckkräfte ist in die mittlere Röhre des Verbindungs elementes eine Scheibe eingelassen. Vorzugsweise ist dies eine runde Scheibe aus multidirektionalem Faser-Laminat. Bevorzugt ist sie im Bereich der Knickstellen der drei äußeren Gurtstäbe angeordnet und nimmt die von diesen ausgehenden Druckkräfte auf.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen Verbindungselementes für Mehrkant-, insbe sondere Dreikant-Fachwerkträger anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Verbin dungselement für einen Dreikant-Fachwerkträger,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Verbindungselementes gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Dreikant-Fachwerkträgers mit dem Verbindungselement gemäß Fig. 1.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Verbindungs elementes 1 für einen Dreikant-Fachwerkträger dargestellt. Der Dreikant-Fach werkträger weist einen Mittenstab 2 und drei Gurtstäbe 3, 4, 5 auf, die im Abstand von 120° zueinander um den Mittenstab 2 herum angeordnet sind. Die drei äußeren Gurtstäbe 3, 4, 5 weisen einen senkrecht zur Zeichenebene stehenden Teil, an dem das Verbindungselement 1 angebracht ist, und mit einem Winkel zur Zeichenebene versehene abgewinkelte Teile auf. Diese sind gebrochen dargestellt.

Das Verbindungselement 1 weist vier Röhren 6, 7, 8, 9 auf. Die vier Röhren um manteln die drei Gurtstäbe 3, 4, 5 und den Mittenstab. Die Röhren 6, 7, 8, 9 sind aus einem ± 45°-Gewebe erzeugt. Dieses wird so um den Mittenstab und die Gurtstäbe gelegt, daß diese entfernbar bleiben und das Gewebe von der mittleren zu jeder der äußeren Röhren zumindest zwei Schubstege 10, 11 bildet.

In Fig. 1 ist das Gewebe zunächst teilweise um den Gurtstab 3 gelegt. Von da aus wird es zwischen dem Stab 3 und dem Stab 2 hindurch um den Mittenstab 2 herumgeführt, etwa um 240°. Anschließend wird das Gewebe zwischen dem Stab 3 und dem Stab 5 hindurch um den Gurtstab 5 so weit herumgelegt, daß ein Schubsteg 11 zu der mittleren, den Stab 2 umgebenden Röhre 6 geschaffen werden kann. Die mittlere Röhre 6 wird nachfolgend wiederum in einem Teilbereich von dem Gewebe ummantelt. In diesem Bereich sind nun zwei Lagen des Gewebes übereinander vorgesehen. Zum Gurtstab 4 wird ein Schubsteg 10 geschaffen. Anschließend ummantelt das Gewebe den Gurtstab 4 so weit, daß ein Schubsteg 11 zur Röhre 6 gebildet werden kann. Die Röhre 6 wird erneut ummantelt, so weit bis ein Schubsteg 10 zum Gurtstab 3 gebildet werden kann. Auch in dem Bereich der Röhre 6 sind wieder zwei Lagen des Gewebes vorgesehen. Das Gewebe ummantelt anschließend den Gurtstab 3 so weit, bis ein Schubsteg 11 zum Mittenstab 2 an der noch nicht ummantelten Stelle gebildet werden kann. Der Mittenstab 2 wird so weit ummantelt, bis ein Schubsteg 10 zur den Stab umgebenden Röhre 9 gebildet werden kann. Die Röhre 9 wird von außen in einem Teilbereich von dem Gewebe ummantelt, ist dort also doppellagig. In diesem Bereich ist das Gewebe vorzugsweise auf das darunter angeordnete Gewebe der Röhre 9 geklebt. Dadurch wird eine reibschlüssige Verbindung der Gewebelagen aufeinander vorgesehen.

Anstelle der zwei einlagigen Schubstege zu jeder der äußeren Röhren können auch mehrlagige Schubstege vorgesehen werden. Die jeweilige Dicke der Schubstege 10, 11 wird in Abhängigkeit von den zu übertragenden Lasten gewählt. Sie wird dabei durch die Anzahl der verwendeten Lagen des ± 45°- Gewebes vorgegeben und erzeugt und kann anhand dieser variiert werden.

Die äußeren Röhren 7, 8, 9 werden auf ihren Außenseiten ummantelt von einer Faserringwicklung 12. Die Faserringwicklung 12 soll die bei der Belastung des pyramidenförmigen Dreikant-Fachwerkträgers durch Längsbelastung und da durch an den Umlenkungen der Gurtstäbe erzeugten Querzugkräfte aufnehmen. In Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Längskräfte, die auf den gesamten pyramidenförmigen Dreikantfachwerkträger wirken, drücken die drei äußeren Gurtstäbe 3, 4, 5 entweder auseinander oder zusammen. Die Querzugkräfte erzielen dabei ein Auseinanderdrücken, also Lösen der drei äußeren Gurtstäbe von dem Mittenstab 2. Die Faserringwicklung 12 besteht daher vorteilhaft aus einer Faser hoher Zugfestigkeit. Ihre Enden sind vorzugsweise aufeinander verklebt oder anderweitig befestigt, wobei bereits eine einfache Fixierung ausreichend ist.

Die Hohlräume 15 zwischen der Innenseite 13 der Faseringwicklung 12 und den Außenseiten 14 der Röhren 6, 7, 8, 9 können ausgeschäumt werden. Hierfür sollte ein leichtes Schaummaterial verwendet werden. Das Schaummaterial dient lediglich als Füllstoff der Skelett-Verbindung. Ausreichend ist daher auch eine bloße Umwicklung mit verbleibenden Hohlräumen.

Bei einer Zugbelastung des Dreikant-Fachwerkträgers werden die äußeren Gurt stäbe gegen den Mittenstab gedrückt. Um diese Druckkräfte aufzunehmen, ist der Mittenstab 2 mit einer Scheibe 16 versehen. Die Scheibe 16 ist in der Schnittansicht des Verbindungselementes 1 gemäß Fig. 2 dargestellt. Die Scheibe 16 ist an der Unterseite 17 des Mittenstabes in die mittlere Röhre 6 eingelassen. Die Scheibe 16 weist dieselbe äußere Form auf wie der Mitten stab, ist also im Ausführungsbeispiel rund. Sie ist im Bereich von Knickstellen 18 der drei Gurtstäbe 3, 4, 5 angeordnet. Sie ist aus einem solchen Material gefertigt, das die von den Gurtstäben ausgehenden Druckkräfte aufnehmen kann. Vorzugsweise ist sie daher aus einem multidirektionalen Faser-Laminat hergestellt.

Fig. 2 kann auch der Aufbau einer zweiten Hälfte der Kröpfung, nämlich der Knickstelle 18 des Gurtstabes 4 entnommen werden. In den Gurtstab 4 ist ein Winkelelement 20 eingefügt. Das Winkelelement 20 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff. Es wird vorgefertigt und besteht aus zahlreichen Faser- Roving-Strängen, welche in gestreckter Anordnung abknicken. Im Bereich der beiden Schenkel 21, 22 des Winkelelementes 20 sind sie durch Rohrelemente 23, 24 zusammengefaßt.

Das Verbindungselement 1 ist, wie deutlich sichtbar in Fig. 2, am Ende des Mittenstabes 2, in dem Bereich, in dem die drei Gurtstäbe wieder parallel geführt sind, und einen Lager- bzw. Anschlußpunkt bilden, angeordnet. Längskräfte, die in dem Mittenstab wirken, werden in die drei äußeren Gurtstäbe und damit in den Dreikant-Fachwerkträger eingeleitet.

Die Oberseite des Verbindungselementes ist von einer Abdeckung 30 aus einem Faser-Laminat abgedeckt. Ebenso ist auch die Unterseite des Verbindungselementes von einer Abdeckung 31 aus Faser-Laminat abgedeckt. Einerseits dienen diese Abdeckungen 30, 31 optischen Zwecken. Andererseits bieten sie einen Schutz gegen in das Verbindungselement eventuell eindringende Feuchtigkeit oder ähnliches. Darüberhinaus wird durch die untere Abdeckung ein Hohlraum in der mittleren Röhre 6 begrenzt, der zum Einfügen und Einkleben des Hüllenstabes 2 mit Harz verfüllt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Dreikant-Fachwerkträgers 25 mit einem Verbindungselement 1 gemäß Fig. 1. Die schräg auf das Verbindungs element 1 zu laufenden Gurtstäbe 3, 4, 5 sind in ihrem unteren Bereich ebenfalls mit einer Knickstelle 26 versehen. Diese kann entsprechend der in Fig. 2 be schriebenen Knickstelle 18 gefertigt sein. Durch die zweite Knickstelle entsteht die Parallelführung der drei äußeren Gurtstäbe 3, 4, 5. Auch im Bereich dieser Knickstellen oder Umlenkungen der Gurtstäbe können bei Längsbelastung des pyramidenförmigen Dreikant-Fachwerkträgers Querkräfte entstehen. Zur Aufnahme dieser Querkräfte sind zwischen den einzelnen Gurtstäben 3, 4, 5 Querstäbe 27, 28, 29 angeordnet. Jeder Gurtstab 3, 4, 5 wird mit dem benachbarten Gurtstab durch einen Querstab 27, 28, 29 verbunden.

Das Ausführungsbeispiel ist nur für einen Dreikant-Fachwerkträger beschrieben. Alternative Ausführungsformen können andere Mehrkant-Fachwerkträger, beispielsweise Vierkant- oder Sechskant-Fachwerkträger, betreffen. Die jeweili ge Anordnung der äußeren Gurtstäbe um den Mittenstab herum variiert dann hinsichtlich der Winkelanordnung der einzelnen Stäbe zueinander.

Bezugszeichenliste

1

Verbindungselement

2

Mittenstab

3

Gurtstab

4

Gurtstab

5

Gurtstab

6

Röhre

7

Röhre

8

Röhre

9

Röhre

10

Schubsteg

11

Schubsteg

12

Faserringwicklung

13

Innenseite

14

Außenseite

15

Hohlräume

16

Scheibe

17

Unterseite

18

Knickstellen

20

Winkelelement

21

Schenkel

22

Schenkel

23

Rohrelement

24

Rohrelement

25

Dreikant-Fachwerkträger

26

Knickstelle

27

Querstab

28

Querstab

29

Querstab

30

Abdeckung

31

Abdeckung

Claims

1. Verbindungselement für einen Mehrkant-, insbesondere Dreikant-Fachwerk träger aus Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß Röhren (6, 7, 8, 9) vorgesehen und so angeordnet sind, daß eine von diesen in der Mitte und die anderen gleichmäßig um diese, einen Mittenstab aufnehmende oder bildende Röhre herum verteilt, durch eine Faserring wicklung (12) zusammengehalten und durch eine in der mittleren Röhre vorgesehene Scheibe (16) auf Abstand gehalten sind.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Röhren (7, 8, 9) dicht an der mittleren Röhre (6) anliegen.

3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Röhren (7, 8, 9) gleichmäßig über den Umfang der mittleren Röhre (6) verteilt angeordnet sind, insbesondere in einem Winkel von 120° zuein ander.

4. Verbindungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (6, 7, 8, 9) aus einem ± 45°-Gewebe gebildet sind.

5. Verbindungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ± 45°-Gewebe so um entfernbare Gurtstäbe (2, 3, 4, 5) eines Mehrkant-Fachwerkträgers (25) gelegt sind, daß es von der gebildeten mittleren Röhre (6) zu jeder der gebildeten äußeren Röhren (7, 8, 9) zu mindest zwei Schubstege (10, 11) bildet.

6. Verbindungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schubstege (10, 11) an die zu übertragenden Lasten angepaßt ist.

7. Verbindungselement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schubstege (10, 11) durch die Anzahl der verwendeten ± 45°-Gewebe vorgebbar ist.

8. Verbindungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserringwicklung (12) zur Aufnahme von Querzugkräften eine Faser hoher Zugfestigkeit aufweist.

9. Verbindungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (16) dem Querschnitt der mittleren Röhre (6) angepaßt und in diese eingelassen und zur Aufnahme von Querdruckkräften im Bereich von Knickstellen (18) der äußeren Gurtstäbe (3, 4, 5) angeordnet ist.

10. Verbindungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (16) aus einem multidirektionalen Faserverbund-Laminat besteht.

11. Mehrkant-Fachwerkträger mit einem Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß äußere Gurtstäbe (3, 4, 5) auf einen Mittenstab (2) zusammengeführt sind,
daß die Gurtstäbe (3, 4, 5) von einem einen weiten Querschnitt bildenden Teilbereich des Fachwerkträgers über eine Kröpfung auf einen einen kleinen Querschnitt bildenden Teilbereich zusammengeführt sind,
daß zwischen den parallel zueinander angeordneten, den weiten Querschnitt umschließenden Gurtstäben (3, 4, 5) Querstäbe (27, 28, 29) angeordnet sind zur Aufnahme von Querkräften, und
daß die parallel zueinander angeordneten, den kleinen Querschnitt um schließenden Gurtstäbe (3, 4, 5) mit dem weiteren mittleren Gurtstab (2) ver mittels des Verbindungselementes (1) verbunden sind.

12. Mehrkant-Fachwerkträger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere, mittlere Gurtstab (2) so zwischen den äußeren Gurtstäben (3, 4, 5) angeordnet ist, daß mit dem Verbindungselement (1) zusammen am Ende des Gurtstabes (2) ein Lager- oder Anschlußpunkt entsteht.

13. Mehrkant-Fachwerkträger nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kröpfung aus jeweils zwei Winkelelementen (20) mit jeweils zwei Schenkeln (21, 22) und die Schenkel ummantelnden Rohrelementen (23, 24) gebildet sind.

14. Mehrkant-Fachwerkträger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelelemente (20) vorgefertigt sind und/oder aus mehreren Faser- Roving-Strängen bestehen, die in gestreckter Anordnung abknicken und im Bereich der Schenkel (21, 22) durch die Rohrelemente (23, 24) zusammen gefaßt sind.