DE2610915A1

DE2610915A1 - Element zum einleiten von zugkraeften in teile aus faserverstaerktem kunststoff

Info

Publication number: DE2610915A1
Application number: DE19762610915
Authority: DE
Inventors: Artur Rudolf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-16
Filing date: 1976-03-16
Publication date: 1977-09-22
Also published as: AT354697B; ATA170177A; FR2344392A1; GB1580741A; NL7702741A; FR2344392B1; US4121395A; JPS52111968A

Description

Ing. A. Rudolf · £0 I 0915

Biebelshofer Weg 2

5221 Hermesdorf-Waldbröl

Hermesdorf-Wal dbr öl, den 1 5. Maß 1976

Hö/Wn/ftBg

Element zum Einleiten von Zugkräften in Teile aus faserverstärktem Kunststoff

Die Erfindung betrifft ein Element zum Einleiten von Zugkräften in Teile aus faserverstärktem Kunststoff.

Teile aus faserverstärktem Kunststoff mit hoher Zugfestigkeit in Faserrichtung, besonders bei unidirektionaler Verstärkung, vergleichbar mit der Zugfestigkeit von Stahl, sind bekannt. Zusammen mit anderen günstigen Eigenschaften, wie einer erheblichen Dehnung, einer guten Korrosionsbeständigkeit, der Preisgünstigkeit, wären solche unidirektional faserverstärkten Kunststoffteile, beispielsweise Bänder oder Stäbe, besonders zur Aufnahme von hohen Kräften geeignet, und könnten beispielsweise im Stahlbeton- oder Brückenbau die vorgespannten Eisenstäbe ersetzen. Jedoch sind keine geeigneten Elemente zum Einleiten der Zugkräfte bekannt, die es gestatten würden, die hohe Zugfestigkeit des Verbundmaterials wirtschaftlich auszunutzen.

Schweiß- oder Lötverfahren scheiden aus. Bolzen in Bohrungen in dem Kunststoffteil senkrecht zur Faserrichtung können höchstens so lange Kräfte übernehmen, solange die Scherfestigkeit oder zulässige Lochleibungsdrücke nicht überschritten werden,

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wegen der großen Anisotropie der Festigkeit dieses Materials ist damit nur ein Bruchteil der möglichen Festigkeit ausnutzbar. Klebt man das Kunststoffteil auf einen Zuganker, dann wird die maximal übertragbare Kraft durch die Scherzugfestigkeit der Klebverbindung begrenzt, die erheblich unter der Zugfestigkeit des faserverstärkten Kunststoffteils in Faserrichtung liegt. Außerdem müssen die an der Oberfläche eingeleiteten Kräfte über Schubspannungen in der Matrix vom Rand auf den ganzen Querschnitt verteilt werden.

Hütter hat in "Kunststoffe" 50 (i960) 6, 321 eine Methode der Krafteinleitung über geschlossene Schlaufen beschrieben. Die Schlaufen werden aus Strängen gebildet, die gleichsam endlos aus dem Bauteil herauslaufen und in das Bauteil zurückgeführt werden. Das Verfahren ist sehr aufwendig.

Rehm und Hübner stellen in "Die Bautechnik" 4 (1974) 115/120 fest, daß der Einsatz kunstharzgebundener Glasfaserstäbe in vorgespannten Bauteilen mit nachträglichem Verbund erst dann sinnvoll erscheint, wenn brauchbare Endverankerungssysteme vorliegen, die den spezifischen Eigenschaften der Olasfaserstäbe angepaßt sind.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Element zum Einleiten von Zugkräften in vorzugsweise unidirektlonal faserverstärkten Teilen aus Kunststoff zu finden, damit die hohe Zugfestigkeit des Kunststoffteils in Faserrichtung in höherem Maße ausgenutzt werden kann..Es war eine Lösung anzustreben, die ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet, d.h. daß die Beanspruchung des Materials in einem vorgebbaren Maße unterhalb der Bruchlast bleibt. Ein weiterer Gesichtspunkt war die Praktikabllität und Flexibilität. Es sollte möglioh sein, das Element zum Einleiten der Zugkräfte bei großen Spannteilen oder bei nachträglichen Änderungen auch auf der Baustelle anbringen zu können.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das faserverstärkte Kunststoffteil zumindest in dem Bereich, wo die Zugkraft eingeleitet wird, aus Schichten aufgebaut ist und zwischen diese Schichten metallische Kraftweiterleitungselemente, beispielsweise Keile mit Schultern, geklebt sind.

Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Sicherheit, mit der bisher in dieser Höhe nicht ausnutzbare Zugspannungen aus dem faserverstärkten Kunststoffteil in eine Verankerung geleitet werden können. Wegen der vergrößerten Klebefläche liegt die Seherzugbelastung zwischen den faserverstärkten Kunststoffschichten und den dazwischen geklebten Keilen mit Kraftweiterleitungselementen unter der Scherfestigkeit, und es kommt zu keinem Bruch in der Fügezone.

Das nachträgliche Spalten kompakter faserverstärkter Kunststoffteile zur Herstellung der erforderlichen Schichten, dort wo die Kraft eingeleitet werden soll, ist nicht immer möglich; jedoch ist es bei der Herstellung möglich, an vorgesehenen Stellen Trennflächen einzufügen, in die später metallische Keile geschoben und geklebt werden können.

In vielen Fällen ist es jedoch möglich und sinnvoll, das gesamte faserverstärkte Kunststoffteil von vornherein aus Schichten aufzubauen. Bei der Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffteiles als Spannelement ist es hinsichtlich der Zugfestigkeit unerheblich, ob das Kunststoffteil als ein kompaktes prismatisches oder zylindrisches Teil ausgebildet ist oder ob es aus einzelnen unidirektional faserverstärkten Bändern der gleichen Zugfestigkeit aufgebaut ist, solange der Gesamtquerschnitt und der Glasfaservolumenanteil übereinstimmen. Es ist unidirektional glasfaserverstärktes, hochfestes, endloses Band mit einer Dicke zwischen 0,5 und 4 mm bekannt. Mit diesem Material lassen sich Spannelemente aufbauen, wobei der für ein erfindungsgemäßes Spannelement notwendige schichtweise Aufbau idealerweise gegeben ist.

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Wenn das gesamte Kunststoffteil aus unidirectional faserverstärkten Bändern oder Platten zusammengesetzt wird, ergeben sich besonders bei großen Teilen besondere Vorteile. Spannelemente mit einer Länge von beispielsweise 50 m oder mehr werden im Hafen- oder Brückenbau verwendet. Ein in der Werkstatt vorgefertigtes Spannelement ist wegen seiner Steifigkeit schwer zur Baustelle zu befördern. Hingegen können die Bänder gerollt und dementsprechend einfach transportiert werden. Es ist auch nicht unerheblich, daß solche faserverstärkten Bänder rationell gefertigt werden können und der erforderliche Querschnitt der Spannelemente den Einzelerfordernissen entsprechend leicht angepaßt werden kann. Wenn das faserverstärkte Kunststoffteil kompakt sein soll, ist es möglich, die Bänder später beispielsweise untereinander zu verkleben.

Die metallischen Kraftweiterleitungselemente sind vorzugsweise keilförmig mit seitlichen Ansätzen oder Schultern ausgebildet. Mit bekannten Vorrichtungen kann so eine Kraft auf einen Gegenanker übertragen werden.

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elements zum Einleiten von Zugkräften in faserverstärkten Teilen aus Kunststoff pressen Spannbacken das Element zusammen. Es ist möglich, den Seitendruck so hoch zu machen, daß er über der Scherzugfestigkeit liegt. Der Abstand der tatsächlichen Belastung bis zur Schadensgrenze wird dadurch vergrößert, was eine zusätzliche Sicherheitsreserve bedeutet. Dieser Seitenpreßdruck muß natürlich unterhalb der Druckfestigkeit senkrecht zur Paserrichtung liegen. Beispielsweise beträgt die SeherZugfestigkeit bei einer Klebung

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10 N/mm . Bei einer Flächenpressung von 75 N/mm würde das faserverstärkte Kunststoffteil geschädigt. Dagegen erhöht ein Seitenpreßdruck von 25 N/mm die Sicherheitsreserve des Kraftweiterleitungselements bedeutend.

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Es ist möglich, die Flächenpressung auf das faserverstärkte Kunststoffteil so zu verteilen, daß im Randbereich des Spannelements eine geringere Flächenpressung auftritt als im Zentrum der Spannbacken. Damit werden Spannungsspitzen herabgesetzt.

Die erfindungsgemäßen Spannbacken sind auch sehr zweckmäßig, wenn beispielsweise bei besonders großen Kunststoffteilen die Elemente zum Einleiten von Zugkräften erst auf der Baustelle hergestellt werden. Da beim Kleben ohnehin seitlich gepreßt werden muß, wobei es zweckmäßig ist, die Flächenpressung stufenweise zu erhöhen, ist kein vermehrter Aufwand erforderlich. Außerdem wird durch die Spannbacken eine Schälbeanspruchung sicher vermieden.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch ein Spannelement von der Seite,

Figur 2 ein Spannelement in Draufsicht,

Figur 3 ein Kraftweiterleitungselement,

Figur 4 eine Ankerplatte und

Figur 5 einen Schnitt durch einen Spannkopf mit Verankerung.

Das glasfaserverstärkte Kunststoffteil 1 hat prismatische Form und ist aus unidirektional faserverstärkten Bändern 2 zusammengesetzt. An beiden Enden dieses als Spannelement geeigneten Teiles sind zwischen den Bändern 2 metallische Keile 3 mit seitlichen Ansätzen 4 geklebt. Das Spannelement 5 umfaßt das Kunststoffteil 1 und besteht aus einem Oberteil 6 und einem Unterteil 7. Es wird durch Schrauben 8 zusammengepreßt. An der Ankerplatte 9 sind Bolzen 10 angebracht. In Figur 5 ist das Spannelement mit einer Verankerung dargestellt. Das faserverstärkte Kunststoffteil 1 liegt in einem Spannbandkanal 11. Da im Vergleich zu Stahl faserverstärkte Kunststoffteile eine

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höhere Dehnung haben, ist der Spannweg erheblich größer. Zwischen Ankerplatte 9 und Bauwerk 12 wird ein geteilter Druckkörper 15 gebracht, der einen Injektionskanal 14 enthält, durch den ein Kunstharz in den Spannbandkanal 11 injiziert werden kann.

Es gehört zum Stand der Technik, die Schultern der Kraftweiterleitungselemente, die Ankerplatte und den Druckkörper so groß zu bauen, daß die vom faserverstärkten Kunststoffteil aufgenommene hohe Spannung in die Verankerung geleitet werden kann.

Ein erfindungsgemäßes Spannelement besteht beispielsweise aus zehn Bändern; jedes Band ist 19,6 mm breit und 0,78 mm dick. Auf jeder Seite des Spannelements werden neun Keile auf einer Länge von 20 mm zwischen die Bänder geklebt. Die Schulterbreite beträgt 11 mm, die Keildicke an dieser Stelle 2 mm. Zum Spannen der Ankerplatte sind vier M12-Bolzen vorgesehen. In dieses Spannelement kann eine Zugkraft von 15OkN eingeleitet werden. Ein Zugbruch der unidirektional glasfaserverstärkten

Bänder tritt erst bei einer Spannung von etwa 16OO N/mm auf.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche ^610915

1.] Element zum Einleiten von Zugkräften in Teile aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß das faserverstärkte Kunststoffteil (1) zumindest in dem Bereich, wo die Zugkraft eingeleitet wird, aus Schichten aufgebaut ist und
zwischen den Schichten metallische Kraftweiterleitungselemente geklebt sind.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Spannbacken (6, 7) das Element (5) zusammenpressen.

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ORIGUNAL INSPECTED