DE202011104783U1 - Structural parts and components made of fiber-reinforced basalt rock - Google Patents
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Abstract
Anordnung einer je nach Belastungsfall möglichst dünnen Platte oder sonstigen Geometrien aus einseitig oder beidseitig faserbeschichtetem Stein, im folgenden Trägerplatte genannt, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Basaltgestein besteht.Arrangement of a plate that is as thin as possible depending on the load situation or other geometries made of stone fiber-coated on one or both sides, hereinafter referred to as a carrier plate, characterized in that the carrier consists of basalt stone.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung von Bau- und Konstruktionsteilen aus faserverstärktem Steingut, die für das Bauen von Gebäuden, Hausern, Brücken und sonstigen Baubereichsanwendungen in Form von tragenden Stützen, Längs- und Querträgern oder ganzen Hauswänden hergenommen werden können, sowie als (selbst)tragende Längsträger oder Versteifungsträger im konstruktiven Bereich von Maschinen, Fahrzeugen und Flugzeugen oder sonstigen Anwendungen, bei denen tragfähige Stützen und Träger benötigt werden, Anwendung finden.The present invention relates to the development of fiber reinforced earthenware building and construction parts which can be used for building buildings, houses, bridges and other building use applications in the form of supporting columns, longitudinal and transverse beams or whole house walls, and as ( self-supporting longitudinal beams or stiffening beams in the structural area of machines, vehicles and aircraft or other applications in which load-bearing supports and beams are required.
Die Herausforderung bei der konstruktiven Umsetzung von Teilen, die bisher teilweise auf ein-komponentigen Materialien wie Metall, Beton oder Holz herstellbar waren, müssen mehr und mehr aus künstlichen bzw. hybriden Werkstoffen gefertigt werden, da vor dem Hintergrund des mittlerweile nicht mehr bestrittenen Klimawandels Holz als Massenanwendung zur Mangelware wird und Metalle und Beton mit hohen Herstellungsenergie-Kosten beaufschlagt sind. Aus diesem Grund wird es notwendig solche Bauteile aus einer Zusammensetzung mehrerer neuer Materialien so zu fertigen, dass diese weniger energieintensiv sind und nach Möglichkeit gleiche oder bessere Festigkeitswerte aufweisen.The challenge in the structural implementation of parts that were previously produced partly on one-component materials such as metal, concrete or wood, must be made more and more of artificial or hybrid materials, as against the background of now no longer denied climate change wood As a mass application is in short supply and metals and concrete are charged with high production energy costs. For this reason, it is necessary to manufacture such components from a composition of several new materials so that they are less energy-intensive and if possible have the same or better strength values.
Stand der Technik ist faserbeschichtetes Steingut, bei dem in der Regel Granit als der Stein der Wahl galt, da Granit eine gewisse Porosität aufweist, die einerseits notwendig ist, um die Verbindung von Faser und Stein über Kunstharze oder andere Harze herzustellen, andererseits die Porosität von Granit dazu dient, mit Hilfe von Vorspannung durch die Faser solche Bauteile flexibel zu machen. Die Porosität gewährleistet eine zerstörungsfreie Volumenkomprimierbarkeit, die für eine ausreichende Zugspannungsreserve genutzt wird.The state of the art is fiber-coated earthenware, in which granite was usually considered the stone of choice, since granite has a certain porosity, which is necessary on the one hand to make the connection of fiber and stone on synthetic resins or other resins, on the other hand, the porosity of Granite serves to make such components flexible by means of biasing through the fiber. The porosity ensures a non-destructive volume compressibility, which is used for a sufficient tensile reserve.
Mit Bauteilen, die auf diese Weise hergestellt werden, ist es möglich Aluminium und Stahl bei halbem Gewicht zu ersetzen, allerdings bei deutlich höherem Querschnitt, als mit Stahl, da die Druckfestigkeit von Granit nicht an die von Stahl heranreicht.With components produced in this way, it is possible to replace aluminum and steel at half the weight, but at a much higher cross-section, than with steel, because the compressive strength of granite does not match that of steel.
Aus diesem Grund wurde nach Natursteinen gesucht, die eine noch höhere Druckfestigkeit aufweisen, als Granit.For this reason, natural stones were sought, which have an even higher compressive strength, than granite.
Neuere Versuche mit Basaltgestein liefern die gewünschten Ergebnisse. Basalt ist mit bis zu 400 N/mm2 Druckfestigkeit bei nur wenig – 10% – höherern spezifischen Gewicht deutlich druckstabiler als Granit, der nur etwa 160–220 N/mm2 Druckfestigkeit besitzt. Der Basalt-Stein ist außerdem häufiger im Vorkommen, als Granit. Nachteil von Basalt ist, der die Oberfläche sehr selten als optisch ansprechend empfunden wird, was jedoch bei Konstruktions-Teilen mit rein tragender Funktion keine Rolle spielt.Recent experiments with basalt rock provide the desired results. Basalt is with up to 400 N / mm 2 compressive strength with only a little - 10% - higher specific gravity significantly more pressure stable than granite, which has only about 160-220 N / mm 2 compressive strength. The basalt stone is also more abundant than granite. The disadvantage of basalt is that the surface is very rarely perceived as visually appealing, which, however, plays no role in construction parts with a purely supporting function.
Die für die Verbindung mit dem Harz notwendige Porosität ist bei vielen Basaltsorten zwar deutlich geringer als bei Granit, bei den meisten Basalten ist sie aber groß genug, um einen guten Kraftschluss zwischen Faser und Basalt über die Matrix herzustellen, die ausreichend Halt in der Oberflächenporosität des Basalt findet, um eine ausreichend starke Bindung zu gewährleisten.Although the porosity required to bond with the resin is significantly lower for many basalt grades than for granite, it is large enough for most basalts to provide good interfacial fiber-basalt traction across the matrix, which maintains sufficient surface porosity Basalt finds to ensure a sufficiently strong bond.
Ziel ist es Bauteile herzustellen, die ein optimiertes Verhältnis von Traglast zum spezifischen Gewicht liefern und hier ist der Basalt dem Granit fast um einen Faktor 2 überlegen und vor allem bei seiner eigenen Herstellung mit einem leichten CO2-Rucksack ausgestattet, der in Bezug auf Herstellungsenergie in Relation zu Tragfähigkeit dem Granit auch überlegen ist, ganz zu schweigen vom Vergleich mit der Herstellung von Beton und Stahl, die an sich schon viel mehr Energie benötigt, als faserstabilisiertes Steingut wie Granit oder Gneis.The aim is to produce components that provide an optimized load-to-weight ratio, and here the basalt is almost a factor of 2 superior to granite, and especially in its own manufacture, it is equipped with a lightweight CO 2 rucksack, in terms of manufacturing energy Granite is also superior in relation to carrying capacity, not to mention the comparison with the production of concrete and steel, which in itself requires much more energy than fiber-stabilized earthenware such as granite or gneiss.
Die vorliegende Erfindung beschreibt demgemäß ein Sandwich aus einer oder mehreren Platten aus Basalt oder basaltähnlichem Stein mit hohen Druckfestigkeitswerten oberhalb von 220 N/mm2 und einer ausreichenden Porosität, die mit Hilfe von zum Beispiel Epoxid-Harzen oder auch sonstige klebstoffartigen Vernetzungsmöglichkeiten – mit einem Fasergewebe beschichtet ist. In den meisten Fällen wird es zweckmäßig – jedoch nicht notwendig – sein, diesen Verbund aus Basalt, Fasermaterial und Harz so zu gestalten, dass die Faserschicht die Steinplatten in sich bereits vorspannen. Diese Vorspannung sollte durch eine solche Art von Faser erzeugt werden, die diese Vorspannung auch nicht mehr verliert. Am geeignetsten haben sich Carbonfasern und Steinfasern hierfür erwiesen, so wie z. B. in
Diese Platten können einseitig oder beidseitig beschichtet sein, in Streifen geschnitten und zu Trägerprofilen zusammengesetzt werden, indem eine abschließende Vollummantelung mit Fasermaterial die Platten zusammenhält.These panels can be single-sided or double-sided, cut into strips and assembled into support profiles by holding a final full cover of fibrous material holding the panels together.
Solche Träger können als Stützen oder Quer-Träger am Bau dienen und sie können vorgefertigt und am Bau fertig versetzt werden. Die Deckenkonstruktionen werden auf die Quer-Trägerelemente oder Säulen aufgesetzt. Die Träger-Elemente vereinigen alle statischen und bauphysikalischen Anforderungen an einen Fachwerksaufbau. Die für das Fachwerk benötigten Platten übernehmen hauptsächlich die Normalkräfte und/oder Biege- bzw. Knickkräfte. Den Kern des Fachwerks bilden zum Beispiel 2 V-förmig eingebrachte schrägstehende zusätzliche Wände in einem rechteckigen oder quadratischen Rohr, bestehend aus 4 parallelen, in der Regel gleichlangen Rohrwänden, wobei die schrägstehenden Wände schubsteif mit den äußeren Wänden verbunden sind. Mit den schrägstehenden Wänden werden die Schubkräfte aus Biegebeanspruchungen aufgenommen, es ergibt sich eine enorme Biegesteifigkeit quer zum Bauelement dann, wenn eine zusätzliche Fasermatrix teil- oder ganzumhüllend die Schubkräfte an den Stoß- bzw. Klebestellen der Platten abfängt und in Zugkräfte umwandelt, die von den Fasern – insbesondere von Carbonfasern – mit einem hohen Maß an Steifigkeit aufgenommen werden können. Das Element ist damit gegen Knicken gesichert und es können horizontal quer zum Element auftretende Lasten wie zum Beispiel Traglasten bei Fensterstürzen oder Knicklasten von tragenden Stützen aufgenommen werden. Passende Lasteinleitungs- und Lastausleitungskonstruktionen von den Geschossdecken auf diese Träger-Elemente bringt die Vertikallasten symmetrisch in die Träger ein, wenn sie als Stütze verwendet werden.Such carriers can serve as supports or transverse beams in construction and they can be prefabricated and finished in construction. The ceiling structures are placed on the transverse support elements or columns. The carrier elements combine all structural and structural requirements of a truss structure. The plates required for the truss mainly take on the normal forces and / or bending or buckling forces. The core of the truss, for example, is formed by 2 V-shaped slanted additional walls in a rectangular or square tube, consisting of 4 parallel, usually the same length tube walls, the inclined walls are shear-stiff connected to the outer walls. With the inclined walls, the thrust forces are absorbed by bending stresses, there is an enormous bending stiffness across the device then when an additional fiber matrix partially or completely envelops the shear forces at the joints of the plates and converts into tensile forces, which of the Fibers - especially carbon fibers - can be absorbed with a high degree of rigidity. The element is thus secured against kinking and it can horizontally across the element occurring loads such as loads in case of lintels or buckling loads of supporting columns are added. Appropriate load introduction and load extraction constructions from the floor slabs to these support members symmetrically load the vertical loads into the beams when used as a support.
Die Lasteinleitung von Stützen besteht aus einem thermisch schwach leitenden druck- und schubsteifen Fuss-Element aus GFK oder auch faserbeschichteten Steinplatten.The load introduction of supports consists of a thermally weakly conductive pressure and shear stiff foot element made of fiberglass or fiber-coated stone slabs.
Die gleichen Profile können auch beim Konstruieren von Maschinen und Fahrzeugen bzw. Flugzeugen als Längsträger oder Querträger Verwendung finden. In diesen Fällen wird die Konstruktionan die jeweiligen Lastverhältnisse dadurch angepasst, daß Untergurt und Obergurt als Zug- bzw. Druckseite anders behandelt werden, was die Art und Verwendung der Faser und die Plattendicke betrifft, die beliebig angepasst werden können. Auf der Zugseite – normalerweise im Untergurt – wird man starke Fasern (z. B. Carbonfasern) – die leider in der Regel aber auch energieintensiv sind und deshalb auch in der Regel mit einem schweren CO2-Rucksack ausgestattet sind – und mehr Fasermaterial, verwenden als im Obergurt, während im Obergurt auf der Druckseite weniger energieintensives Fasermaterial – wie Basaltfaser – ausreicht, dafür sinnvollerweise mehr Querschnitt in der Basaltgestein-Schichtdicke gewählt wird.The same profiles can also be used in the construction of machines and vehicles or aircraft as a longitudinal beam or cross member. In these cases, the construction is adapted to the respective load conditions by treating the lower and upper chords differently as the tension or pressure sides, as regards the type and use of the fiber and the plate thickness, which can be adjusted as desired. On the tension side - usually in the lower chord - one will use strong fibers (eg carbon fibers) - which, unfortunately, are usually also energy intensive and therefore usually also equipped with a heavy CO 2 backpack - and more fiber material as in the upper belt, while in the upper belt on the pressure side less energy-intensive fiber material - such as basalt fiber - is sufficient, it makes sense more cross section in the basalt rock layer thickness is selected.
Eine weitere Besonderheit dieser Erfindung ist es deshalb, an unterschiedlich belasteten Stellen unterschiedliche Fasern und unterschiedliche Mengen an Fasern einzusetzen. Zum Beispiel können auf den großen Außenflächen energiearme Basaltfasern eingesetzt werden, während an den Kanten und Klebestellen die zugfestere Carbonfaser zum Beispiel in unidirektionaler Ausführung senkrecht zu den auftretenden Spannungen lokal partiell dort eingesetzt werden, wo das Reißen der Klebenähte speziell zu unterbinden ist. Diese Maßnahmen erhöhen nicht nur die Materialeffizienz, sondern damit auch die Energieeffizienz, da an weniger belasteten Stellen auch weniger energieintensive Fasern eingesetzt werden.Another special feature of this invention is therefore to use different fibers and different amounts of fibers at different sites. For example, low-energy basalt fibers can be used on the large outer surfaces, while at the edges and splices the tensile carbon fiber, for example in a unidirectional execution perpendicular to the stresses occurring locally partially used where the cracking of the adhesive seams is specifically to prevent. These measures not only increase material efficiency, but also energy efficiency, since less energy-intensive fibers are also used at less stressed points.
Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in
Die
Dieser Längsträger kann unter anderem auch einen tragenden Rahmen für einen PKW oder andere Fahr- und Flugzeuge bilden.This side member may, among other things, also form a supporting frame for a car or other driving and aircraft.
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