DE2044249C3 - Verbundbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundbauelement, bestehend aus einem Außenelement und mindestens einem in einem durchgehenden Kanal des Außenelementes angeordneten Zugelement, das über seine Länge zumindest stellenweise mit der Wandung des Kanals in Berührung steht zur Einleitung der auf das .Außenelement ausgeübten Zugkräfte in das Zugelement.

Bei einem herkömmlichen Verbundbauelement dieser Art kommt es, sobald an irgendeiner Stelle des Zugelements die Bruchspannung überschritten wird, zum Bruch. Derartige Überlastungen sind im Regelfall unvoi hergesehene, kurzfristige, dynamische Überlastungen und im Anschluß an eine solche Überlastung kommen auf das Verbundbauelement wiederum nur die Belastungen, für die es rechnerisch ausgelegt ist. Der Nachteil eines herkömmlichen Verbundbauelements, ist also, daß bei einem kurzfristigen Auftreten der Bruchlast des Zugelements dieses Zugelement bricht Und das Vefbüridbäuelerriehl seihe Funktion verlieft,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbundbauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ein kurzfristiges Auftreten einer der Bruchlast des Zugelements entsprechenden Belastung an einer beliebigen Stelle des Vefbündbäüelementes nicht zum Bruch desselben führt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zugelement vom Kanalinneren her gegen die Wandung des Kanals drückt und so ausgebildet ist, daß die Größe der Berührungskraft zwischen Zugelement und Kanalwandung von der an der jeweiligen Berührungsstelle herrschenden Zugspannung im Zugelement aufgrund der Querkontraktion des Zugelemenis abhängt und bei einer Zugspannung, die knapp

to unterhalb der Bruchspannung des Zugelements liegt, auf Null abnimmt

Erfindungsgemäß ist ein Verbundbauelement geschaffen, bei dem ein kurzfristiges Auftreten der Bruchlast an einer beliebigen Stelle nicht zum Eruch des Vsrbundbauelementes führt Bevor es zum Bruch des Zugelementes kommt, müssen erst die Berührungskräfte zwischen dem Zugelement und der Kanalwandung überwunden werden, so daß sich, weil die Bmchlast jeweils nur kurzfristig auftritt, eine Energieabsorption ergibt Die auftretende Bruchlast wird entgegen dem Widerstand der Berühpjngskräfte längs des Zugelements verteilt, während das Zugelement unter Verzehr von Deformations- und Reibungsenergie aus dem Kanalelement herausgezogen wird und deshalb nicht reißen kann. Es wurde gefunden, daß ein solches Verbundbauelement sehr beträchtliche Fnergiemengen aufnehmen kann, be/or es endgültig zerstört ist. Bei einem kurzzeitigen Auftreten der Bruchlast an einer beliebigen Stelle des Verbundbauelementes ist somit der Bruch desselben vermieden.

Ein ganz wesentlicher Vorteil ergibt sich, wenn das Außenelement des erfindungsgemäßen Verbundbauelements eine Matrix aus z. B. polymeren Kunststoff oder anderem Material ist, in der zahlreiche Zugelemente angeordnet sind. Ein solches Verbundbauelement ist besonders widerstandsfähig gegen ein Rißfortschreiten in der Matrix auch bei mehrmaligem Auftreten von Belastungen, die örtlich die Bruchlast überschreiten können. Dies ergibt sich daraus, dt3 bei einmaligem Einwirken einer derartigen örtlichen Belastung das davon betroffene Zugelement nicht bricht, sondern etwas aus dem Kanal gezogen wird und daher weiterhin an der Lastaufnahme beteiligt bleibt. Das Verbundbauelement gemäß der Erfindung kann gerade oder gekrümmt ausgebildet sein.

Eine Möglichkeit, um den gewünschten Grenzflächenverbund mit veränderlicher Berührungskraft zwischen Zugelement und Kanalwandung herzustellen, besteht dann, daß das Zugelement eine gewundene Form aufweist, z. B. schraubenförmig verdreht oder ver/wirnt oder sinusförmig gekrümmt ist. Das Zugelement und das Kanalelement, das es aufnimmt, muß keinen kreisförmigen Querschnitt haben. Der Quer schnitt kann ebenso elliptisch oder von der Form eines Rhombus oder Doppelkeils sein.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Kanal· wandung von einer Verstärkung des Außenelements zum Verhindern einer nach innen gerichteten Kontrak tion der Kanalwandung unter Zugspannung gebildet.

bevorzugt von einer Verstärkung in Form einer dicht gewickelten Wendel- Diese dicht gewickelte Wendel unterliegt bei Dehnung nur einer sehr geringen seitlichen Kontraktion, so daß sich das Zugelement bei Kontraktion unter Zugspannung von der Wendel ablösen kann,

Fe-ner kann in einer weiteren bevorzugten Ausfuhr rungsform die variable Berührungskraft zwischen Zugelement und Kanälwäfidüng dadurch erreicht

werden, daß das Zugelement aus einem Kern und einer diesen Kern umgebenden Schicht aus weichem Material mit demzufolge höherem Poisson-Verhältnis besteht.

Zwischenräume zwischen der Kanalwandung und dem Zugelement können mit einem zähflüssigen Mittel 5 gefüllt sein, so daß sich eine stcßdämpferartige Wirkung ergibt. Beispielsweise kommen Flüssigkeiten in Frage, deren Viskosität sich durch den durch die Reibungsarbeit erzeugten Temperaturanstieg verändert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläuter L Es zeigt

Fig. 1 ein Verbundbauelement mit einem schraubenförmigen Zugelement in einem Kanal mit kreisförmigem Querschnitt,

Fig.2 ein Verbundbauelement mit einem Zugelement in einem Kanal, dessen Querschnitt rhombenförmig ist,

F i g. 3 ein Verbundbauelement, dessen Kanalwandung durch eine dicht gewickelte Wendel gebildet ist und

F i g. 4 ein Verbundbauelement, dessen Zugelement aus einem Kern und einer diesen umgebenden Schicht besteht.

In F i g. 1 ist ein schraubenförmig verdrehtes Zugelement 5 in einem kreisförmigen Kanal 6 in einem Außenelement 7 gezeigt, wobei der Grenzflächenverbund zwischen dem Zugelement und dem Außenelement durch Reibungskräfte an den Berührungsf'ächen 8 erzeugt wird.

Ein derartiges Zugelement ist z. B. eine Klaviersaite aus Stahl, die verzwirnt wird, indem sie schraubenförmig um eine runde Stange gewickelt und dann mit hoher Zugkraft gestreckt wird, so daß sie eine nahezu geradlinige Form mit einer aufgeprägten sinusförmigen J5 Verformung von nur kleiner Amplitude aufweist. Die Riaviersaite wird dann in den Kanal 6 des Außenelements 7 eingezogen. Der Querschnitt des Kanals 6 ist größer als der Drahtduichmesser, jedoch kleiner als die Amplitude d^r Drahtwindungen. Dadurch wird eine Reibungskraft erzeugt, die beim Durchziehen der Klaviersaite durch den Kanal 6 beobachtet werden kann. Die Größe der Reibungskraft kann eingestellt werden durch Verändern der Drahtdicke und der Amplitude und Frequenz der Windungen. Es wurde nämlich gefunden, daß sich die Größe der Reibungskraft verringerte, wenn zunehmende Zugspannung an den Draht angelegt wurde, und die Spannungs-Dehniingskurve. die man beim Einziehen des Drahtes in den Kanal bzw. beim Herausziehen erhält, zeigte, daß zum so Herausziehen nahezu der gesamten eingebetteten Länge des urahtes eine hohe und nahezu konstante Zugkraft anzuwenden war.

Wie ohne weiteres einzusehen, können viele verschiedene Werkstoffe zur Herstellung von Verbundbauelementen nach der Erfindung verwendet werden. Ein möglicher Werkstoff ist Glasfaser, insbesondere wegen ihrer im Verhältnis zur Zugfestigkeit sehr großen Preisgünstigkeit, und eine andere Möglichkeit ist Kohlenstoffaser= Eine Vielzahl solcher Fasern kann in so einem Außenelement 7 aus polymerem Kunststoff oder anderem Material eingebettet werden zur Herstellung eines sinusartig gewundenen Zugelementes, das in einen Kanal des Außenelements eingezogen werden kann.

F i g. 2 zeigt eine Ansführungsform, in der sowohl der Kanal 6 als auch das Zugelement 5 einen rhornbenförmigen Querschnitt haben. Eine solche Anordnung bewirkt eine Erhöhung der einer Verschiebung des Zugelement tcs im Kanal entgegenwirkenden Reibungskraft, da die Berührungsfläche zwischen Zugelement und der Kanalwand vergrößert wird und da die die Faser in die Keilspitzen drückende Kraft (abwechselnd nach der einen und anderen Seite infolge der Elastizität des Zugelements und der Amplitude seiner Sinuswindungen) aufgrund der Geometrie des Systemes eine entsprechende größere Kraft senkrecht zu den Keilflächen zur Folge hat. Da sowohl der Oberflächendruck als auch die Kontaktfläche vergrößert werden, vergrößert sich entsprechend die Reibungskraft. Aufgrund ihrer sinusförmigen Krümmung wird das Zugelement jedoch unter der Einwirkung einer Zugkraft gestreckt, wodurch Teile des Zugelementes zwischen den Keilflächen herausgezogen werden, so daß sich die wirksame Reibungskraft verringert. Das Verhalten eines solchen Systems ist deshalb qualitativ dasselbe wie das vorstehend beschriebene System eines sinusförmig gekrümmten, im Querschnitt kreisrunden Drahtes, der in ein kreisrundes Loch eingezogen is'

Eine weitere Lösungsmögüchkeit ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß bei der Herstellung eines Verbundbauelements bei hohen Temperaturen und anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur Oberflächeiikompressionsspannungen an den Zugelementen erzeugt werden. Die Größe dieser Kräfte hängt ab von der Differenz zwischen den thermischen Kontraktionen und von den elastischen Eigenschaften der Werkstoffe. Wenn das Zugelement ein höheres Po-sson-Verhältnis hat als das Außenelement, zieht es sich beim Anlegen einer Zugspannung seitlich zusammen und bewegt sich dadurch von dem Außenelement weg, wodurch sich der Druck des Außenelements auf die Oberfläche des Zugelements verringert. Die folgenden beiden Beispiele zeigen, wie dies in die Praxis umgesetzt werden kann.

Im ersten Fall wird die Poisson-Kontraktion des Außenelements 7 behindert, während eine seitliche Kontraktion des Zugelements unter Z-igspznnung zugelassen wird. Gemäß F i g. 3 wird dies durch eine örtliche Verstärkung des Außenelements 7 erreicht, beispielsweise durch eine eng gewickelte Wendel 10 von dünneren Fasern, die um das Zugelement 5 gewickelt ist. Die Wendel 10 unterliegt bei Dehnung nui einer sehr geringen seitlichen Kontraktion und widersteht auch den in dem Außenelement 7 erzeugten KontraKtionskräften. so daß sich das Zugelement 5 bei der Kontraktion von der Wendel 10 entfernen kann.

Im zweiten Fall wird die Tatsache ausgenutzt, daß der Wert des Poisson-Verhältnisses für die meisten elastischen Festkörner ziemlich konstant ist und bei etwa 0.3 liegt, während das Poisson-Verhältnis bei nicht elastischer Verformung hiervon abweichen kann. Beisp'-ilrweise hat ein sich plastisch verformendes Metall ein Poisson-Verhältnis von 0.5. Ein Zugelement (I-ig. 4) mit einen Kern 11 mit einem normalen Poisson-Verhältnis von 0.3. das von einer Schicht 12 aus einem weichen Metall umgeben ist. wird demnach einen mittleren Wen des PoissonVerhältnisses haben, der von dem Verhältnis der Querschnittsflächen des Kerns 11 und der Schicht 12 abhängt Wenn beispielsweise gleiche Querschniltsflächen des Kerns 11 und der Schicht 12 angenommen werden, dann 'tviid ein solches Zugelement bei einer elastischen Dehnung von etwa I % eine Querkontraktion von etwa 0,4% aufweisen, das sind etwa 0,1% mehr als die Kontraktion des umgebenden Außenelements 7 unter dem Einfluß ihres eigenen Poisson-Verhältnisses beträgt. Werden Komponenten mit geeigneten elastischen Eigenschaften

gewählt, dann kann dieser Korttraktionsunterschied ausreichen, um die von dem Außenelement auf das Zugelement ausgeübten Kompressionskräfte zu eliminieren. Damit kann in einem solchen System die in dem Zugelement durch Verformung des Außenelements erzeugte Spannung begrenzt werden auf eine Zugspannung, die knapp unterhalb der Bruchspannung des Zugelements liegt. Daher kann das Zugelement bei Verformung des Außenelements nicht reißen, sondern gleitet unter Energieabsorption in den Kanal des Außenelements.

Das Außenelement kann aus jedem geeigneten Material, z. B. polymerem Kunststoff, Metall oder Beton bestehen, und die Zugelemente können aus Metall, Kohlenstoff, Bor, Glas oder einem anderen geeigneten Werkstoff sein.

Als Außenelemenl kann auch eine rohrförmige Hülle Verwendung finden, wodurch sich ein Verbundelement ergibt, welches seinerseits z. B. als Verstärkungselement verwendet und in eine Matrix eingebettet werden kann.

Für das beschriebene Verhalten des Verbundbauelements ist es wichtig, daß das Zugelement in dem Kanal nicht z. B. durch Oberflächenunebenheiten an der Bewegung gehindert wird. Deshalb kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche des Zugelements durch eine Behandlung, z. B. Ätzen zu glätten Öder mit einem glatten Überzug od. dgl zu versehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verbundbauelement, bestehend aus einem Außenelement und mindestens einem in einem durchgehenden Kanal des Außenelements angeordneten Zugelement das über seine Länge zumindest stellenweise mit der Wandung des Kanals in Berührung steht zur Einleitung der auf das Außenelement ausgeübten Zugkräfte in das Zugelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugelement (5) vom Kanalinnern her gegen die Wandung des Kanals (6) drückt und so ausgebildet ist, daß die Größe der Berührungskraft zwischen Zugelement und Kanalwandung von der an der jeweiligen Berührungsstelle herrschenden Zugspannung im Zugelement aufgrund der Querkontraktion des Zugelements abhängt und bei einer Zugspannung, die knapp unterhalb der Bruchspannung des Zugelements liegt, auf Null abnimmt.

2. VerburuJbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugelement (5) eine gewundene Form aufweist.

3. Verbundbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwandung von einer Verstärkung des Außenelements (7) zum Verhindern einer nach innen gerichteten Kontraktion der Kanalwandung unter Zugspannung gebildet ist.

4. Verbundbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung in Form einer dicht gewicke>en Wendel (10) ausgebildet ist.

5. Verbundbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aas Zugelement uüs einem Kern (11) und einer diesen umgebenden Schicht (12) aus weichem Metall mit demzufolge höherem Poisson-Verhältnis besteht.

6. Verbundbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenräume im Kanal mit einem zähflüssigen Mittel gefüllt sind.