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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von überlagerter Normal-,
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ebener und nichtebener Schub-, bzw. wahlweiser überlagerter Normal-und
ebener Schub-, überlagerter Normal- und nichtebener Schub-, überlagerter ebener
und nichtebener Schub-, reiner Normal-, ebener Schub-oder nichtebener Schubbeanspruchung
in Proben oder dergleichen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung
von überlagerter Normal-, ebener und nichtebener Schub-, bzw. wahlweiser überlagerter
Normal- und ebener Schub-, überlagerter Normal-, und nichtebener Schub-, überlagerter
ebener und nichtebener Schub-, reiner Normal-, ebener Schub- oder nichtebener Schubbeanspruchung
in Proben oder dergleichen, insbesondere für die Werkstoffprüfung und/oder die Bruchmechanik
und/oder die Spannungs- und Dehnungsanalyse.
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In vielen technischen Bauteilen kommt es durch komplizierte z.B. mehrachsige
Belastung oder durch Unstetigkeiten in der geometrischen Form sehr häufig zu überlagerten
Spannungszuständen.
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Zum Beispiel spielen in der Bruchmechanik, d.h. bei der festigkeitsgerechten
Bewertung von Bauteilen mit kleinen Fehlstellen oder Rissen, neben der hauptsächlich
auftretenden Rißbelastungsart I auch die Rißbelastungsarten II und III oder Uberlagerungen
von I, II und III eine besondere Rolle.
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Zwar kennt man für einige Rißprobleme die KII- oder K111-Faktoren;
Materialgrenzwerte KIIC und KIIIC (Rißzähigkeiten bei Rißbelastungsart II bzw. Rißbelastungsart
III) sind nur sehr wenige bekannt (es existieren hierfür auch noch keine genormten
Prüfverfahren).
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Bei überlagerter Beanspruchung von Fehlstellen oder Rissen, z.B. bei
der Überlagerung von Normal-, ebener und nichtebener Schubbeanspruchung (d.h., Oberlagerung
der Rißöffnungsarten I, II und III), bei der Überlagerung von Normal- und nichtebener
Schubbeanspruchung (d. h. Überlagerung der Rißöffnungsarten I und III), bei der
überlagerung von ebener und nichtebener Schubbelastung (Überlagerung der Rißöffnungsarten
II und III) tritt in der technischen Praxis zum Teil sehr unterschiedliches Bauteilversagen
ein.
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Ober derartige Bruchvorgänge liegen bisher nur wenig Erkenntnisse
oder Anhaltspunkte vor.
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Um die Ursachen solcher Versagensfälle zu klären bzw. um gesicherte
Bruchvorhersagen oder letztlich eine gesicherte Bauteilauslegung zu ermöglichen,
sind experimentelle Untersuchungen an Proben mit Rissen unter überlagerter Beanspruchung
unerläßlich.
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Ebenso wichtig sind aber auch Untersuchungen im Rahmen der Werkstoffprüfung
oder der Schadensanalyse an Proben mit oder ohne Kerben, die unter überlagerter
Beanspruchung stehen. Insbesondere im Rahmen der Schadensanalyse kann es von Bedeutung
sein, die Beanspruchungen die zum Versagen eines Bauteils geführt haben an einer
geeigneten Probe zu simulieren. Unter anderem ist auch unklar, wie sich z.B. Verbundwerkstoffe
unter überlagerter mechanischer Beanspruchung verhalten.
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Für einige derartige Untersuchungen stehen verschiedene Verfahren,
Maschinen, Vorrichtungen und Proben zur Verfügung (deutsche Patentschriften- Nr.
725620, Nr. 2757541, Nr. 900023; deutsche Offenlegungsschrift Nr. DE 3041704 A1;
Zeitschrift "Journal of Strain Analysis" Jahrgang 15/1980, Heft 3, Seiten 151 bis
157, Seiten 159 bis 173; Zeitschrift "Experimental Mechanics" Jahrgang 19/1979,
Heft 2, Seiten 63 bis 68, Seiten 69 bis 75; Tagungsband "8. Sitzung des DVM-Arbeitskreises
Bruchvorgänge" 1976, Seiten 42 bis 47).
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Die Maschinen und Vorrichtungen ermöglichen z.B. die gleichzeitige
Belastung eines Prüflings mit Längskräften und Torsionsmomenten, mit Biege- und
Torsionsmomenten oder mit Normal- und ebenen Scherkräften.
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Die sehr aufwendigen Maschinen und auch die Vorrichtungen ermöglichen
nicht die gleichzeitige Einleitung von überlagerter Normal- ebener und nichtebener
Schub-, bzw. wahlweiser überlagerter Normal- und ebener Schub-, überlagerter Normal-,
und nichtebcner Schub-, überlagerter ebener und nichtebener Schub-, reiner Normal-,
ebener Schub- oder nichtebener Schubbeanspruchung in Proben.
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Die insbesondere in der Bruchmechanik verwendeten Proben, z.B. mit
schrägem Riß (Tagungsband "8. Sitzung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgänge" 1976,
Seiten 42 bis 47; usw.) erlauben keine einfache Einbringung von für bruchmechanische
Zwecke erforderlichen Schwingungsanrissen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren
und eine geeignete Vorrichtung zu finden, womit die Erzeugung von überlagerter Normal-,
ebener und nichtebener Schub-, überlagerterNormal- und nichtebener Schub-, überlagerter
ebener und nichtebener Schub-, reiner nichtebener Schub- sowie zum Zwecke eines
einheitlichen Prüfverfahrens auch überlagerte Normal- und ebene Schub-, reine Normal-
und reine ebene Schubbelastung möglich ist.
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Hierzu lehrt die Erfindung in verfahrensmäßiger Hinsicht, daß a) die
überlagerte Normal-, ebene und nichtebene Schub-, überlagerte Normal- und ebene
Schub-, überlagerte Normal- und nichtebene Schub-, überlagerte ebene und nichtebene
Schub-, beziehungsweise die reine Normal-, ebene Schub- oder nichtebene Schubbeanspruchung
der Probe (3) im Probenquerschnitt (ABCD) durch das Einleiten einer statischen oder
dynamischen Kraft (Zugkraft, Druckkraft) (F) erzeugt wird, h) die Wirkungslinie
der Kraft (F) durch den Koordinatenursprung eines im Mittelpunkt der Probe (3) entspringenden
kartesischen dreiachsigen Koordinatensystems (x,y,z) und wahlweise unter einem Winkel
(a), gleich oder größer als Null Grad jedoch höchstens gleich 900, zur Ebene (x,y)
und/oder unter einem Winkel (ß)> gleich oder größer als Null Grad jedoch höchstens
gleich 900 zur Ebene (x,z) und/oder in der Ebene (x,.z), der Ebene (x,y), der Ebene
(y,z) und/oder der Achse (x), der Achse (y) und der Achse (z) verläuft,
c)
die Mittelachse der Probe (Probenlängsachse) mit der Koordinatenachse (x) zusammenfällt
und der zur Mittelachse senkrechte Querschnitt (ABCD) der Probe (3) in der Ebene
(y-z) des Koordinatensystems liegt (Fig. 1), d) bei Belastung einer mit der Probe
(3) verbundenen Lasteinleitungseinrichtung durch die Kraft (F) mit einer um den
Winkel (a) und den Winkel (ß) verdrehten Wirkungslinie prinzipiell die Normalkraft
(N), die Querkräfte (Q) und (T) und die Biegemomente (MQ) und (MT) in die Probe
(3) eingeleitet werden (Fig. 2), während im Querschnitt (ABCD) der Probe (3) die
Normalkraft (N) und die Querkräfte (Q) und (T) wirken, die Biegemomente aber verschwinden
(Fig. 3).
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Mit diesem Verfahren ist z.B. der übergang von Normal- zur ebenen
Schub-, Normal- zur nichtebenen Schub-, ebenen Schub- zur nichtebenen Schubbeanspruchung
möglich. Außerdem erlaubt das Verfahren die Erzeugung von überlagerter Normal-,
ebener Schub- und nichtebener Schub- sowie wahlweise reine Normal-, reine ebene
Schub- und reine nichtebene Schubbeanspruchung in verschiedenartig gestaltbare Proben
oder dergleichen.
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Die Proben können z.B. ungekerbt oder mit Kerbe(n) oder Riß (Rissen)
versehen sein und/oder aus verschiedenartigen Materialien bestehen.
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Es können somit Werkstoffkennwerte von festen Werkstoffen (z.B. auch
von Verbundwerkstoffen), bruchmechanische Kennwerte - wie z.B. die Rißzähigkeiten
für die Rißbelastungsarten I, II, III und aller Oberlagerungsfälle, die sich diesen
grundlegenden Rißbelastungsarten ergeben -sowie Spannungen und Dehnungen im Rahmen
der experimentellen Spannungs-und Dehnungsanalyse ermittelt werden. Außerdem sind
Aussagen über Brucheintritt und Bruchablenkungswinkel bzw. Untersuchungen im Rahmen
der Schadensanalyse möglich.
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In vorrichtungsmäßiger Hinsicht lehrt die Erfindung zur Lösung der
oben angegebenen Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
daß a) die Vorrichtung im wesentlichen zwei Krafteinleitungselemente (1)
und
(2) aufweist, die aus teil kugelförmigen oder räumlichen winkelförmigen Elementen
bestehen, b) die Krafteinleitungselemente (1,2) so mit jeweils einem Ende der Probe
(3) verbindbar sind, daß sie zusammen mit der Probe ein räumliches doppelhakenförmiges
Gebilde ergeben, wobei in einem im Mittelpunkt der Probe (3) entspringenden kartesischen
dreiachsigen Koordinatensystem (x,y,z) die Mittelachse der Probe (Probenlängsachse)
mit der Koordinatenlängsachse (x) zusammenfällt und der zur Mittelachse senkrechte
Querschnitt (ABCD) der Probe (3) in der Ebene .(y-z) des Koordinatensystems liegt,
c) die Krafteinleitungselemente (1,2) so gestaltet sind, daß die Wirkungslinie der
Kraft (F) durch den Koordinatenursprung des kartesischen Koordinatensystems (x,y,z)
und unter einem Winkel (a), gleich oder größer als Null Grad jedoch höchstens gleich
900, zur Ebene (x,y) und/oder unter einem Winkel (ß) gleich oder größer als Null
Grad jedoch höchstens gleich 900, zur Ebene (x,z) und/ oder in der Ebene (x,z),
der Ebene (x,y), der Ebene (y,z) und/oder der Achse (x), der Achse (y) und der Achse
(z) verlaufen kann, d) die Krafteinleitungselemente (1,2) an ihren äußeren Oberflächen
Gewindebohrungen oder dergleichen für den Anschluß an eine Belastungseinrichtung
aufweisen, e) die Gewindebohrungen oder dergleichen so angeordnet sind, daß die
Verbindungslinien zwischen jeweils zwei zusammengehörenden Gewindebohrungen an den
beiden an der Probe (3) befestigten Krafteinleitungselementen (1,2) durch die Mitte
des zu prüfenden Querschnitts an der Probe (3) gehen (Fig. 1).
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Die Lastübertragung zwischen den Krafteinleitungselementen (1,2) und
den Enden der Probe (3) erfolgt durch Bolzen, Klemmung, Klebung oder dergleichen.
Die Vorrichtung kann verschiedenartig gestaltete Proben aus verschiedenartigen Materialien
aufnehmen.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß
man im Probenquerschnitt (ABCD) der Probe (3) überlagerte Normal-, ebene und nichtebene
Schub-, überlagerte Normal- und ebene Schub-, überlagerte Normal- und nichtebene
Schub-, überlagerte ebene Schub-und nichtebene Schub-, reine Normal-, ebene Schub-
oder nichtebene Schubbeanspruchung erzeugen kann, durch das Aufbringen einer statischen
oder dynamischen Kraft (F) im Zug-, Druck- oder Schwingversuch.
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Damit sind insbesondere Werkstoffuntersuchungen (von verschiedenartigen
festen Werkstoffen, z.B. auch Verbundwerkstoffen), bruchmechanische Untersuchungen,
Experimente zur Ermittlung von Schadensursachen sowie Spannungs- und Dehnungsmessungen
bei komplizierten Beanspruchungszuständen auf relativ einfache Weise möglich.
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Zur Erzeugung einiger dieser Beanspruchungszustände sind aufwendige
Prüfmaschinen oder Versuchseinrichtungen nicht mehr erforderlich, da die damit erzeugbaren
und über dies,weitere noch darüberhinausgehende Belastungszustände mit der Erfindung
realisiert werden können.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht auch darin, daß durch die Vielfalt
der mit der Vorrichtung erzielbaren Belastungszustände leichter einheitliche und
vergleichbare Versuchsbedingungen (z.B. mit idel.cischen Proben) erhalten werden
können.
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Im folgenden wird die Erfinding anhand von Zeichnungen ausführlicher
erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens an Proben, Fig. 2 die prinzipielle Lasteinleitung
in die Probe bei überlagerter Normal-, ebener und nichtebener Schubbeanspruchung
des Querschnitts ABCD (Las.teinleitung in die Vorrichtung erfolgt in diesem Falle
mit den Winkeln O < a < 900 und 0 < ß < 900), Fig. 3 die im Querschnitt
ABCD der Probe wirkenden Schnittkräfte bei überlagerter Normal-, ebener und nichtebener
Schubbeanspruchung.
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Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist im wesentlichen zwei Krafteinleitungselemente
(1,2) auf, die aus teil kugelförmigen Elementen bestehen.
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Die Krafteinleiturlgselelllent (1,2) sind jeweils mit einem Ende der
Probe (3) so verbunden, daß sie zusammen mit der Probe ein räumliches doppelhakenförmiges
Gebilde
ergeben, wobei in einem im Mittelpunkt der Probe (3) entspringendem kartesischen
dreiachsigen Koordinatensystem (x,y,z) die Mittelachse der Probe (Probenlängsachse)
mit der Koordinatenachse (x) zusammenfällt und der zur Mittelachse der Probe (3)
senkrechte Querschnitt (ABCD) in der Ebene (y-z) des Koordinatensystems liegt.
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Die Krafteinleitungselemente (1,2) sind so gestaltet, daß die Wirkungslinie
der Kraft (F) durch den Koordinatenursprung des kartesischen Koordinatensystems
(x,y,z) und unter einem Winkel (O s a < 90°) zur Ebene (x,y) und/oder unter einem
Winkel (O < ß < 900) zur Ebene (x,z) und/ oder in der Ebene (x,z), der Ebene
(x,y), der Ebene (y,z) und/oder der Achse (x), der Achse (y) und der Achse (z) verlaufen
kann.
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Die Krafteinleitungselemente weisen an ihren äußeren kugelförmigen
Oberflächen Gewindebohrungen für den Anschluß an eine Belastungseinrichtung auf.
Die Gewindebohrungen sind so angeordnet, daß die Verbindungslinie zwischen zwei
zusammengehörenden Gewindebohrungen an den beiden an der Probe (3) befestigten Krafteinleitungselementen
(1,2) durch die Mitte des- zu prüfenden Querschnitts (ABCD) an der Probe (3) d.h.
den Ursprung des Koordinatensystems (x,y,z) geht. Der Radius der kugelförmigen Oberflächen
der Krafteinleitungselemente (1,2) ist für beide Elemente identisch, der Mittelpunkt
fällt mit dem Ursprung des Koordinatensystems zusammen. Diese Gestaltung ist nicht
zwingend erforderlich, hat aber Vorteile bei der praktischen Anwendung der Erfindung.
Zum Beispiel ist dadurch'eine einfache Veränderung der Lasteinleitungswinkel (a,B)
und somit der Beanspruchungszustände im Querschnitt (ABCD) möglich, ohne an der
Belastungseinrichtung eine Veränderung vornehmen zu müssen.
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Die Lastübertragung zwischen den Krafteinleitungselementen (1,2) und
den Enden der Probe (3) erfolgt im Ausführungsbeispiel mit Hilfe von vier Bolzen
(4,5,6,7) die jeweils auf der Achse (x) versetzt und um 900 verdreht angeordnet
sind, d.h. die Bolzen (5) und (6) verlaufen parallel zur Achse (y) und die Bolzen
(4) und (7) parallel zur Achse (z).
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Die Probe (3) geht zum Zwecke der Befestigung an ihren Enden in eine
zylindrische Form über. Die Enden der Probe (3) sind gegenüber dem mittleren Probenteil
verstärkt und damit sie mit der Vorrichtung verbunden werden können in den zylindrischen
Teilen, in Anlehnung an die Vorrichtung (1,2) mit je zwei versetzten und um 90°
verdrehten Bohrungen versehen.
Beim Verbinden von Vorrichtung (1,2)
und Probe (3) wird die Probe in das zur Probenaufnahme vorgesehene zylindrische
Sackloch eines Lasteinleitungselements, z.B. (2), gesteckt und mit den Bolzen, z.B.
(4,5), mit dem Lasteinleitungselement verbunden. Die Bolzen, die an ihrem Anfang
mit einem kleinen Gewindeansatz und am Ende mit einem verstärktem Kopf versehen
sind, werden dabei etwas in der Vorrichtung festges hraubt.
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Dann wird das andere Lasteinleitungselement, z.B. (1), mit dem Sackloch
über das entgegengesetzte Ende der Probe (3) geschoben und durch die Bolzen, z.B.
(6,7), mit der Probe (3) verbunden. Zur leichteren Hanchabung, sind die Sacklöcher
an ihren Enden mit je einer Entlüftungsbohrung versehen.
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Das System Vorrichtung (1,2) und Probe (3) wird dann durch Ubergangselemente,
z.B. (8,9), die an der Vorrichtungsseite mit Gewinde versehen sind, an einer Belastungseinrichtung
befestigt.
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Die Wahl der Lasteinleitungswinkel (aus) ist dabei von der gewünschten
Beanspruchung des Querschnitts (ABCD) der Probe (3) abhängig. Die gezeichnete Vorrichtung
sieht eine Veränderung von (a) in 4 Schritten (#α = 30°) im Bereich (0 # α
# 90°) und eine Variation \ n (ß) in 4 Schritten (Aß = 300) im Bereich (O < s
ß < 900) vor. Die Veränderung von (a) und (ß) kann dabei unabhängig voneinander
vorgenommen werden. Grundsätzlich ist (a) und (ß) auch in noch anderen Schritten
veränderbar.
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Wichtig ist, daß die Übergangselemente (8.9) so in zwei zusammengehörenden
Bohrungen der Lasteinleitungselemente (1,2) befestigt werden, daß bei Belastung
die Wirkungslinie der Kraft (F) durch die Mitte des zu prüfenden Querschnitts bzw.
den Ursprung des Koordinatensystems verläuft.
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Bei Belastung der Vorrichtung (1,2) durch eine Kraft (F) unter den
Winkeln (a) und (ß) werden prinzipiell die Normalkraft (N), die Querkräfte (Q) und
(T) und die Momente (MQ) und (MT) in die Probe (3) eingeleitet (Fig. 2)> während
im Querschnitt (ABCD) der Probe (3) die Normalkraft (N) und die Querkräfte (Q) und
(T) wirken, die Biegemomente aber verschwinden (Fig. 3).
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Zum Beispiel, in einer Probe (3) mit einem Riß im Querschnitt (ABCD),
dessen Rißfront(en) parrallel zur Achse (y) verläuft (verlaufen) treten alle drei
Rißbelastungsarten I, II und III überlagert auf, wenn für die Winkel (0 < α
< 900) und (0 < ß < 90°) gilt.
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Für (ß = 0) und (0 # α # < 90°) ist ein übergang von Normal-
zur ebener Scherbeanspruchung, d.h. ein Wechsel von Rißbelastungsart I nach Rißbelastungsart
II möglich.
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Für (a = 0) und (0 # ß # 90°) ergibt sich eine Oberlagerung von Normal-und
nichtebener Schubbeanspruchung, d.h. ein übergang von Rißbelastungsart I nach Rißbelastungsart
III. (ß = 900) und (0 < a < 900) liefern eine überlagerung von ebener und
nichtebener Schubbeanspruchung und somit einen übergang von Rißbelastungsart II
nach Rißbelastungsart III.
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Reine Rißbelastungsart I ergibt sich für (α = ß = 0°), bei Rißbelastungsart
II ist (a = 900) und Rißbelastungsart III erhält man mit (a = 00) und (6 = 900).
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Mit der Erfindung sind somit reine Normal-, reine ebene und reine
nichtebene Schubbeanspruchungen im Probenquerschnitt (ABCD) sowie alle denkbaren
Überlagerungszustände dieser Grundlelastungsarten auf relativ einfache Weise erzeugbar.
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