DE2522866A1

DE2522866A1 - Verbindungsklemme fuer zugglieder aus faserverstaerktem kunststoff

Info

Publication number: DE2522866A1
Application number: DE19752522866
Authority: DE
Inventors: Koji Kikuchi; Toshio Nomura; Hiroshi Suzuki
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1974-09-11
Filing date: 1975-05-23
Publication date: 1976-04-01
Also published as: DE2522866C3; DE2522866B2; US3994607A

Description

München, den 21. Mai 1975 79/005

THE FURUKAWA ELECTRIC CO., LTD., Tokio/Japan

Verbindungsklemme für Zugglieder aus faserverstärktem Kunststoff

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsklemme für Zugglieder aus faserverstärktem Kunststoff, die aus einer das Ende des Zuggliedes umschließenden und auf dasselbe aufgequetschten Metallhülse besteht.

Um die mechanische Festigkeit langgestreckter biegsamer Gebilde wie eines elektrischen Kabels oder eines Schlauches zur Fortleitung von Flüssigkeiten oder Gasen zu erhöhen, wird das betreffende Gebilde häufig gepanzert, d. h. mit Stahldraht umwickelt. Wegen des hohen spezifischen Gewichts von Stahldraht und des davon herrührenden hohen Gewichts gepanzerter Kabel und Schläuche ist es aber umständlich und mühsam, derartige Gebilde in größeren Mengen mitzuführen und auszulegen oder zu installieren.

Kürzlich wurde vorgeschlagen, für solche Zwecke wie Panzerung, Erhöhung der Zugfestigkeit usw. den Stahldraht durch ein Seil oder Kabel aus faserverstärktem Kunststoff

Dr.Hk/Du.

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zu ersetzen. Dieser Vorschlag hat sich als sehr fruchtbar erwiesen, denn faserverstärkter Kunststoff hat im Vergleich zu Stahldraht gleicher Abmessungen ein wesentlich geringeres spezifisches Gewicht und gleichzeitig eine größere Zugfestigkeit. Der größte Kachteil derartiger Zugglieder aus faserverstärktem Kunststoff (auch als FRP-Draht bezeichnet) beruht jedoch bisher darin, daß er keine Verbindung mit der hohen Zugfestigkeit wie geschweißter Stahldraht bilden kann. Da die Zugfestigkeit eines Verstärkungsgliedes als Ganzes von derjenigen der schwächsten Stelle, d. h. der Verbindungsstelle abhängt, kann die hohe Zugfestigkeit eines Seils aus faserverstärktem Kunststoff so lange praktisch nicht ausgenutzt werden, wie die Verbindungsstellen eine niedrigere Zugfestigkeit aufweisen.

Zur Verbindung eines FRP-Drahtes mit einem anderen FRP-Draht oder einem Metalldraht hat man bisher im allgemeinen einen Klebstoff aus Epoxyharz oder Cyanidharz verwendet. Die aneinanderstoßenden Drahtflächen werden hierzu abgeschrägt, damit sie sich auf einer größeren Fläche berühren, und dann mit einer Hülse aus passendem Werkstoff überzogen und an diese angeklebt, um die Zugfestigkeit zu verbessern. Diese Verbindungsart benötigt viel Zeit und Platz. Auch müssen die Verbindungsflächen

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sorgfältig bearbeitet werden, damit sie sauber aneinander anliegen, weil nur so der Klebstoff seine volle Festigkeit entwickeln kann. Ferner darf vor dem vollständigen Abbinden des Klebstoffs keine zusätzliche äußere Kraft an die zu verbindenden Drähte angelegt werden, weshalb der Verbindungsvorgang viel Zeit benötigt. Schließlich muß berücksichtigt werden, daß eine in der beschriebenen Art hergestellte Verbindung zweier FRP-Drähte einen hohen Elastizitätskoeffizienten aufweist, weshalb z. B. bei der Panzerung eines Kabels das Verbindungsstück mit großer Steigung aufgewickelt werden muß; hierdurch wird aber die Biegsamkeit des Kabels beeinträchtigt.

Der in Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verbindungsglied für Zugglieder aus faserverstärktem Kunststoff bereitzustellen, dessen Zugfestigkeit etwa demjenigen des Zuggliedes gleichkommt, das einfach und schnell angebracht werden kann und dessen Biegekoeffizient etwa gleich demjenigen der Zugglieder selbst ist.

Die erfindungsgemäße Verbindungsklemme zeichnet sich dadurch aus, daß die Druckfestigkeit der auf das Zugglied aufgequetschten Metallhülse kleiner als diejenige des Zuggliedes aus faserverstärktem Kunststoff ist.

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Wenn diese Bedingung eingehalten wird, läßt sich die Metallhülse nach dem Aufschieben auf ein Ende eines FRP-Drahtes mittels einer Quetschvorrichtung elastisch verformen, ohne daß der FRP-Draht hierbei bleibend verformt oder geknickt wird. Unter einer bleibenden Verformung würde nämlich die Zugfestigkeit des FRP-Drahtes im Gegensatz zu derjenigen eines Stahldrahtes entscheidend beeinträchtigt.

Die Verbindungsklemme kann je nach dem Verwendungszweck verschieden ausgebildet sein. Beispiielsweise dient sie zur Verbindung zweier FRP-Drähte oder eines FRP-Drahtes mit einem Stahldraht oder zur Verankerung des FRP-Drahtes an einem festen Bauteil.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind

Fig. IA die Seitenansicht einer Verbindungsklemme gemäß der Erfindung,

Fig. IB eine entsprechende Seitenansicht einer Metallhülse und der zugehörigen Presse zum Quetschen der Hülse in die Form ..nach Fig. IA,

Fig.IC eine Stirnansicht der Anordnung nach Fig.IA,

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Fig. 2 ein Längsschnitt einer etwas abgeänderten Verbindungsklemme für zwei FRP-Drähte,

Fig. 3 ein Längsschnitt einer Verbindungsklemme, innerhalb deren die aneinanderstoßenden Enden der verschiedenen Verstarkungsfasern an verschiedenen Stellen angeordnet sind,

Fig. 4 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Verbindungsklemine _f

Fig. 5 A und 5B ein Ouerschnitt und ein Längsschnitt einer Verbindungsklemme mit Füllstoff,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer biegsamen Verbindungski emme,

Fig. 7 die Ansicht eines auf eine Trommel aufgewickelten, mit der Verbindungsklemmenach Fig. 6 ausgerüsteten FRP-Drahtes,

Fig. 8 A bis 8C Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen einer als Endglied dienenden Verbindungski emme,

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Fig. 9 ein senkrechter Schnitt einer Verankerungsvorrichtung unter Verwendung der Verbindungskleitime nach Fig. 8B
und

Fig.10 und 11 entsprechende Schnittdarstellungen von Anwendungen der Verbindungskleitime nach Fig. 8C.

In Fig. IA bis IC ist eine Verbindungsklemme lOO zur Verbindung zweier faserverstärkter drahtartiger Kunststoffstäbe (FRP-Drähte) 10 dargestellt. Die FRP-Drähte 10 bestehen aus einer Mehrzahl langgestreckter Faserstränge (Rovings), die mit einem Kunststoff getränkt und dadurch zusammengehalten sind. Die Faserstränge können aus anorganischen Stoffen wie Glas, Kohle oder Edelstahl oder aus organischen Stoffen wie gerecktem Polyolefin, Polyamid, Polyester und Polycarbonat, sowie auch aus Mischfasern anorganischer und organischer Stoffe bestehen. Das zur Bindung dienende Kunstharz kann aus wärmehärtenden Kunststoffen wie ungesättigtem Polyester, Epoxyharz, Melaminharz, Phenolharz und Diallylphthalatharz oder aus thermoplastischen Kunststoff wie Polyolefin, Polyamid, Polystyrol, Siliconharz, Styrol-Acrylnitril-Copolymer, Polyacrylat und Polycarbonat bestehen. Der Kunststoffanteil beträgt vorzugsweise 15 bis 20 Gew.-% der Rovings. Ein derart aufgebauter FRP-Draht hat geringeres spezifisches Gewicht und höhere Zug- und Biegefestigkeit als ein Stahldraht vergleichbarer Abmessungen, der bisher zur Panzerung

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elektrischer Kabel verwendet wurde. Die FRP-Drähte können also für den gleichen Zweck verwendet werden, indem sie mit geringerer Steigung um das Kabel gewickelt v/erden. Dadurch wird die Biegsamkeit des Kabels verbessert. Auch läßt sich wegen des geringen spezifischen Gewichtes das Kabel leichter mitführen und auslegen und die hohe Zugfestigkeit der Panzerung verbessert die mechanische Festigkeit des Kabels. Zusammensetzung und Aufbau von FRP-Drähten sind an sich bekannt und brauchen hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Die Verbindungsklemme 1OO besteht aus einer hohlzylindrischen Metallhülse 12, die über die Enden der zu verbindenden FRP-Drähte geschoben werden kann. Die Metallhülse besteht aus einem Werkstoff mit geringerer Druckfestigkeit als der FRP-Draht. Hierzu können beispielsweise Edelstahl, Messing, Titanlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen herangezogen werden. Um die Verbindung herzustellen, wird die Metallhülse 12 mittels eines runden Stempels 14 fest um die FRP-Drähte 10 herumgequetscht. Der Stempel 14 besteht aus zwei Hälften, die je einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen. Beispielsweise steht der Unterstempel fest, während der Oberstempel von einer hydraulischen Presse nach unten gedrückt werden kann. Der auf den Oberstempel ausgeübte Druck muß kleiner als die Druckfestigkeit der FRP-Drähte IO und größer als

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die Druckfestigkeit der Metallhülse 12 sein. In diesem Falle können die Verbindungsstellen der FRP-Drähte 10 nicht plastisch verformt werden und erleiden infolgedessen keine Verringerung ihrer Zugfestigkeit, während die Metallhülse plastisch verformt wird und so fest an den FRP-Drähten anliegt.

Tabelle I

Erforderliche Arbeitszeit Zugfestig-Verbindungslänge (min) keit ~ (mm) (kg/mm )

Klebstoff 100 15 38

Quetschverbindung 50 3 75

Tabelle I zeigt einen Vergleich zwischen einer Verbindung der soeben beschriebenen Art und einer Klebverbindung bekannter Art. Die FRP-Drähte hatten hierbei kreisförmigen Querschnitt mit einem Außendurchmesser von 4,5 mm und die Metallhülse bestand aus Edelstahl mit einer Dicke von 1 mm.

Der Stempeldruck, der zur Verformung der Metallhülse aus-

reichte, betrug weniger als 47,7 kg/mm (Druckfestigkeit

der FRP-Drähte) und mehr als 21 kg/mm (Druckfestigkeit der Metallhülse). Bei der Verbindung mit Klebstoff wurden die Stirnflächen der FRP-Drähte abgeschrägt, um eine vergrößerte Berührungsfläche zu schaffen, und mit einem Klebstoff verbunden.

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Wie die Tabelle zeigt, betrug die Zeit zur Herstellung der Cuetschverbindung nur etwa 1/5 der Zeit zur Ausführung der Klebverbindung, denn bei der Quetschverbindung ist v/eder eine Vorbereituno der Stirnflächen, noch das Warten auf das Abbinden des Klebstoffs nötig. Die zur Erzielung einer ausreichenden Zugfestigkeit erforderliche Verbindungslänge war bei Anwendung der Quetschverbindung halb so groß wie bei der Klebverbindung und doch war die Zugfestigkeit bei der Quetschverbindung etwa doppelt so groß; letzterer Wert entsprach 60% der Zugfestigkeit des FRP-Drahtes allein.

Die Anordnung nach Fig. 1 kann offenbar auch zur Verbindung eines FRP-Drahtes mit einem Metalldraht Verwendung finden.

Wie Fig. 2 zeigt, ist die Metallhülse 12 vorzugsweise auf ihrer Innenfläche mit einer Riffelung 12a versehen, um das Herausziehen der Zugglieder 10 zu erschweren. Wenn erforderlich (z. B. für die Panzerung eines Seekabels oder in korrodierender Umgebung), kann die Hülse 12 mit einem Korrosionsschutz versehen sein. Dieser besteht beispielsweise aus Farbe, Gummi oder Kunststoff. Der Überzug kann vor oder nach dem Verformen der Hülse aufgebracht werden.

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Fig. 3 zeigt eine Verbindungsklemme 200, innerhalb deren ein Bündel aus faserverstärkten Kunststoffäden endet. Die Stirnflächen 10a dieser Fäden sind, wie dargestellt, in Längsrichtung gegeneinander versetzt. Diese Verbindung hat eine um etwa 20 bis 30% größere Zugfestigkeit als eine Verbindung, bei welcher die Stirnflächen der einzelnen Fäden in der gleichen Querschnittsebene angeordnet sind.

Die Verbindungsklemme 300 nach Fig. 5 besteht aus einer Metallhülse 32, die an beiden Enden abgeschrägt und mit axialen Schlitzen 32a versehen ist. Die Herstellung der Verbindung geschieht durch Quetschen in gleicher Weise wie in Fig. 1. Wenn ein so mit dem nächsten Draht verbundener FRP-Draht z. B. auf eine Trommel gewickelt wird, biegen sich die Endteile der Metallhülse 32 und die Biegesteifheit des Drahtes in der Nachbarschaft der Klemmhülse ändert sich stetig. Dadurch wird ein Brechen des Drahtes vermieden, das anderenfalls unweigerlich durch eine scharfe Biegung hervorgerufen würde.

Fig. 5 zeigt eine Verbindungsklemme 4OO, die zur Verbindung zweier FRP-Seile 40 dient. Die Verbindungsklemme kann wieder aus einer Metallhülse 42 ähnlich wie oben bestehen? die Seilenden sind in diesem Falle mit einer Füllmasse 46 verfestigt. Die Füllmasse besteht z. B. aus einem Gemisch

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von wärmehärtendem Kunstharz wie Epoxyharz, Glaspulver und Quarz oder Glasfasern. Da der Füllstoff in die Lücken und Hohlräume zwischen den Einzeldrähten gelangt, kann die zusammengepreßte Metallhülse 42 in einem verhältnismäßig größeren Bereich sich an die Kunststoff-Drahtseile 40 anlegen und die Einzelelemente derselben werden in gleicher Weise erfaßt.

Wenn kein Füllstoff zwischen denselben vorhanden ist, konzentriert sich die Beanspruchung durch einen Zug auf die Drahtseile 40 auf einen Teil der Einzelfäden, so daß der faserverstärkte Kunststoffdraht wegen Überschreitens der Druckgrenze bricht. Bei der Konstruktion nach Fig. 5 verbessert dagegen die größere Berührungsfläche der Metallhülse 42 die Zugfestigkeit der Verbindungsklemme. Der Füllstoff dient auch zur gleichmäßigen Verteilung des Druckes, mit dem die Metallhülse 42 zusammenqequetscht wird, im Inneren der Kunststoff-Faserbündel. Beispielsweise wurde eine Verbindung hergestellt, bei der zwei Seile aus je sieben FRP-Drähten mit 1,5 mm Durchmesser mittels einer Edelstahlhülse mit einer Mantel-

2 dicke von 1 mm unter einen Druck von 30 kg/mm verbunden wurden. Eine andere Verbindung mit dem gleichen FRP-Drahtseil wurde zunächst mit einer Masse aus 100 Teilen Epoxyharz und 200 Teilen Ouarzpulver gefüllt und dann mittels der gleichen Edelstahlhülle mit der gleichen

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Kraft wie vorher zusanmengequetscht. Im Zugversuch blieb die letztere Verbindung selbst unter einer Zugkraft von 900 kg unbeschädigt, während die erstere Verbindung bei einer Kraft von 5oo kg brach.

Fig. 6 zeigt eine biegsame Verbindungsklemme 500, die aus einem biegsamen Metallstab 58 mit zwei an seinen Enden angeformten Hülsen 52 besteht. Die FRP-Drähte 10 werden durch Zusammenquetschen der betreffenden Hülsen 52 in der gleichen Weise wie in Fig. 1 mit der Verbindungsklemme verbunden. Die Anordnung nach Fig. 6 ist leichter biegsam als diejenige nach Fig. 4. Wenn also gemäß Fig. ein mit der Verbindungsklemme nach Fig. 6 verlängerter FRP-Draht auf eine Trommel 59 aufgewickelt wird, kann die Verbindungsklemme 500 nahezu mit dem gleichen Krümmungsradius wie der Draht gebogen werden, ohne daß die Beanspruchung besonders auf die Hülsen 52 konzentriert wird. Die dargestellte Verbindung zeigt also hervorragende Biegefestigkeit.

Beispielsweise wurden zwei faserverstärkte Kunststoffdrähte mit einem Durchmesser von je 4mm mittels der Verbindungsklemme nach Fig. 1 und mittels der Anordnung nach Fig. 6 verbunden. Das Ergebnis zeigt Tabelle II.

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Tabelle II	Material	Verbindung nach Fig.7	Verbindung nach Fig.l
	Länge des gequetschten Teils	SUS 2 7	SUS 2 7
Hülsenlänge	2O mm	2O mm
Länge des biegsamen Metallstabes	30 mm	66 mm
Außendurchmesser des flexiblen Metallstabes	200 mm	-
	4 mm

Wenn einige Längen faserverstärkter Kunststoffdrähte mit den angegebenen Verbindungsklemmen auf Trommeln mit einem Durchmesser von 400 mm aufgewickelt und in Richtung der Pfeile in Fig. 7 hundert Stunden lang belastet worden waren, waren drei der fünf Probestücke für die Verbindung nach Fig. 1 gebrochen, während sämtliche großen Stücke der Verbindung nach Fig. 6 unbeschädigt blieben. Die Verbindungsklemmainach Fig. 6 ist also zur Kabelarmierung besser geeignet als diejenige nach Fig. 1. Zwar sind in den Fig. 1, 2_f 4 und 6 massive Kunststoffstäbe dargestellt, aber die betreffenden Verbindungen sind selbstverständlich ebenso zur Verbindung von Kunststoffseilen oder Bündeln ähnlich wie in Fig. 3 und 5 geeignet.

Die Verbindungskiemmen 600 bis 604 in Fig. 8 bestehen aus Metallhülsen 62, die gleichzeitig als Anschlußglieder dienen. Bei der Verbindungsklemme 600 nach Fig. β Α ist

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die Metallhülse 62 mit einer Öse 64 ausgebildet, durch die ein Befestigungsdraht 66 geht. Die Verbindungsklemme 602 nach Fig. 8B setzt sich unmittelbar in einem Draht 68 fort. Die Verbindungsklemme 604 nach Fig. 8C ist so ausgebildet, daß die Metallhülse 62 als Kopf für den FRP-Draht 10 dient.

Fig. 9 zeigt eine Verankerungsvorrichtung für ein Panzerkabel mit einem Ankerpfosten 72, der an einem Bauwerk 70 irgendwelcher Art befestigt ist und eine konische öffnung aufweist. In der Wand dieser Öffnung sitzt ein Keil 74. Die Panzerung des Kabels 76 ist am Ende entfernt und der ungepanzerte Teil geht durch den Keil 74. Die Panzerdrähte 10 aus faserverstärktem Kunststoff sind mit Verbindungsklemmen 602 nach Fig. 8B verbunden, deren biegsame Anschlußdrähte 68 durch den ringförmigen Keil 74 hindurchgeführt und dann an der Außenseite desselben umgebogen sind, so daß sie zwischen dem Keil 74 und dem Ankerpfosten 72 eingeklemmt sind. Eine Haltescheibe 78 ist mit Schrauben 80 an dem Ankerpfosten 72 befestigt und drückt auf den Keil 74, so daß die umgebogenen Teile der Anschlußdrähte 68 fest zwischen den Teilen 74 und 72 eingeklemmt werden.

Fig. 10 und 11 zeigen andere Ausführungsbexspiele von Verankerungsvorrichtungen für ein mit FRP-Draht gepanzertes Kabel. In beiden Fällen werden Verbindungsklemmen

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604 nach Fig. 8C verwendet. In der Vorrichtung nach
Fig. 10 sind die Drahtenden 10 mit den Verbindungsklemmen 604 in eine ringförmige Kammer 606 eingeführt, durch
welche der Hauptteil des Kabels 76 sich erstreckt. Die FRP-Drähte 10 sind durch die eine Stirnwand der Kammer durchgeführt. Die Kammer 606 wird dann mit einem wärmehärtenden Kunststoff 608, z. B. Epoxyharz gefüllt. Dem Kunststoff ist vorzugsweise ein Füllstoff (z. B. Cuarzpulver) zugesetzt, um die Druckfestigkeit desselben zu steigern. Da die Verbindungsklemmen 604 mittels der
Kunststoffüllung 608 fest mit der Kammer 606 verbunden sind, sitzen auch die Panzerdrähte 10 unverrückbar auf dem freien Ende des Kabels 76.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 befindet sich der Kopf der Verbindungsklemme 604 in Anlage an der
Außenfläche einer Ankerplatte 84.

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Claims

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THE FURUKAWA ELECTRIC CO., LTD., Tokio/Japan

Patentansprüche

Verbindungsklemme für Zugglieder aus faserverstärktem Kunststoff, bestehend aus einer das Ende des Zuggliedes umschließenden und auf dasselbe aufgequetschte Metallhülse, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfestigkeit der Metallhülse (12) kleiner als diejenige des Zuggliedes (10) aus faserverstärktem Kunststoff ist.
2. Verbindungsklemme nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Riffelung (12a) auf der Innenfläche der Metallhülse (12).
3. Verbindungsklemme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Aufnahme zweier mit ihren Stirnflächen aneinanderstoßender Drähte (10), von denen mindestens einer aus faserverstärktem Kunststoff besteht, eingerichtet ist.

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4. Verbindungsklemme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Abschlußglied (600, 602, 604)
eines Strangs aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist.
5. Verbindungsklemme nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußglied einen zur Verankerung dienenden
Metalldraht (68) aufweist.
6. Verbindungsklemme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl axialer Schlitze (32a) in demjenigen Ende der Metallhülse (32), das dem Zugglied (10) zugewandt ist.
7. Verbindungsklemme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlitzte Teil der Metallhülse zum Ende hin
verjüngt ist.
8. Verbindungsklemme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Metallhülsen(52),deren Druckfestigkeit geringer als diejenige der in sie einzuführenden Zugglieder (10) aus faserverstärktem Kunststoff ist, mittels eines biegsamen Metallstabes (58) verbunden sind.
9. Verbindungsklemme nach einem der vorhergehenden Ansprüche für aus Einzelfasern bestehende Zugglieder aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Einzelfasern (46) mit einem Füllstoff ausgefüllt sind. „__A

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