DE4330857A1

DE4330857A1 - Verbindungselement aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlenstoffasern

Info

Publication number: DE4330857A1
Application number: DE4330857A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Ing Schuetze
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1993-09-11
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2013-09-12
Also published as: DE4330857C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbindungselement aus einem Verbundwerkstoff mit sich kreuzenden Kohlenstoffasern für eine ge klebte Verbindung zwischen unter einem Winkel zueinander liegenden Stäben, bei der die Stäbe über das Verbindungselement miteinander verbunden sind.

Bei bekannten Verbindungselementen dieser Art verlaufen zwei ge genüberliegende Ränder unter einem Winkel, der dem Winkel zwischen den zu verbindenden Stäben entspricht. Diese Ränder sind entspre chend dem Durchmesser der Stäbe gekrümmt. Die Stäbe werden in der Weise miteinander verbunden, daß die beiden gekrümmten Abschnitte des Verbindungselementes jeweils einen der Stäbe übergreifen und mit diesem verklebt sind. Der zwischen den beiden gekrümmten Ab schnitten liegende Steg verläuft dabei tangential zum äußeren Um fang der beiden über das Verbindungselement verbundenen Stäbe (DE- 34 47 990 C2, DE-39 31- 478 C1).

Bei Fachwerken können mit diesen bekannten Verbindungselementen Schwierigkeiten insbesondere dann auftreten, wenn in einem Knoten punkt eine Mehrzahl von Stäben, beispielsweise Quer- und/oder Dia gonalstäben, an einen durchgehenden Holm anzuschließen sind, ins besondere auch dann, wenn es sich um räumliche Fachwerkstrukturen handelt.

Bei Fachwerken aus Metall ist es bekannt, die Quer- und/ oder Diagonalstäbe gegen die Holme stoßend mit den Holmen zu ver schweißen. Es ist auch bekannt, an den Holmen achsparallele-Kno tenbleche anzuschweißen, an die die Quer- und/oder Diagonalstäbe angeschlossen sind. Beide Verbindungsmöglichkeiten entfallen bei Konstruktionen aus faserverstärkten Kunststoffen, da die hier an zuwendenden Klebverbindungen nicht die notwendigen Festigkeiten bzw. Steifigkeit bringen.

Ziel der Erfindung ist ein Verbindungselement, mit dem in Fachwer ken aus dünnwandigen Stäben aus Verbundwerkstoffen mit Kohlen stoffasern (CFK) die Verbindung von Quer- und/oder Diagonalstäben mit die Holme bildenden Stäben auf eine einfache Weise erstellbar sind.

Das Ziel wird gemäß der Erfindung erreicht durch ein Verbindungs element mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Eine zweckmäßige Ausgestaltung ist Gegenstand des Patentanspruches 2.

Weiteres Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Verbindungselemente und ein Verfahren zur Herstellung der Verbindungselemente mittels solcher Vorrichtungen sowie die Aus bildung von Stäben, die über das Verbindungselement an die Holme bildenden Stäbe anzuschließen sind.

Solche Vorrichtungen zur Herstellung von erfindungsgemäßen Verbin dungselementen, Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen mit derartigen Vorrichtungen sowie ferner die Ausbildung der an zuschließenden Stäbe sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen an Hand der Zeichnung beschrie ben. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 isometrische Ansicht eines Verbindungselementes in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Her stellung eines Verbindungselementes nach Fig. 1;

Fig. 3 ein mit der Vorrichtung nach Fig. 2 hergestelltes Aus gangselement für ein Verbindungselement nach Fig. 1;

Fig. 4 und 5 jeweils Querschnitte von Vorrichtungen zur Herstellung von Verbindungselementen mit vier Knotenscheiben;

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbindungselementen mit drei Knotenscheiben;

Fig. 7 eine Ansicht eines räumlichen Fachwerks mit Knotensch eiben gemäß der Erfindung;

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie A-B in Fig. 7;

Fig. 9 eine Seitenansicht eines Endes eines Diagonal- oder Querstabes mit einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie E-F in Fig. 8, 9;

Fig. 11 eine Seitenansicht eines Endes eines Diagonal- oder Querstabes in einer weiteren Ausführungsform einer Verstärkung, wobei links der Stab axial geschnitten dargestellt ist;

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie G-H in Fig. 11;

Fig. 13 eine Seitenansicht eines Holmstabes mit einem Verbindungselement und daran angeschlossenen Diagonalstäben mit einer weiteren Ausführung einer Verbindung der Diagonalstäbe mit der Knotenscheibe;

Fig. 14 einen Schnitt längs der Linie K-L in Fig. 13;

Fig. 15 links einen Schnitt längs der Linie M-N und recht einen Schnitt längs der Linie O-P in Fig. 13.

Das in Fig. 1 dargestellte Verbindungselement 2 weist eine Rohr schale 4 mit einem halbkreisförmigen Querschnitt auf, von deren Außenseite mit der Rohrschale 4 einstückig ausgebildete Knoten scheiben 8, 10 radial abstehen, die sich bezüglich der Rohrschale in einer deren Achse 6 durchdringenden Ebene erstrecken. Die beiden Knotenscheiben 8 und 10 liegen unter einem Winkel von 60° zueinander. Mit solchen Verbindungselementen lassen sich bei räum lichen Fachwerken mit einem als gleichseitiges Dreieck ausgebil deten Querschnitt Quer- und/oder Diagonalstäbe an die Fachwerkhol me anschließen. Dabei werden diese Verbindungselemente mit ihrer Rohrschale 4 an den vorgesehenen Stellen an die Holme des Fach werks angeklebt. Die Diagonal- und/oder Querstäbe werden an die Knotenscheiben angeschlossen. Sie sind mit Schlitzen versehen, mit denen sie auf die Knotenscheiben aufgeschoben und mit diesen ver klebt werden.

Anstatt mit halbkreisförmigem Querschnitt mit einem Umschlingungs- Winkel von 180° kann die Rohrschale auch mit einem kleineren, aber auch einem größeren Umschlingungswinkel ausgebildet sein. Sie sollte aber auf alle Fälle einen Umschlingungswinkel kleiner 360° haben, damit das Verbindungselement ohne Spiel an den Holmstab anklebbar ist.

Die im Querschnitt des Verbindungselementes in Fig. 1 erscheinen den Linien sind jeweils Gewebelagen, die bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel so angeordnet sind, daß sowohl die Rohrschale 4 als auch die Knotenscheiben 8 und 10 an jeder Stelle aus zwei Lagen des Gewebes bestehen. Als Gewebe wird vor zugsweise ein Gewebe aus Kohlenstoffasern verwendet. Die Gewe belage 16 bildet die Innenlage der Rohrschale 4 und ist so ange ordnet, daß sich die Fasern unter einem Winkel zwischen ± 60° bis ± 75°, bezogen auf die Längsachse 6 der Rohrschale, kreuzen.

Die Gewebelage 18 bildet die einander zugewandten Seiten der Knotenscheiben 8, 10 und den zwischen den Knotenscheiben liegenden Abschnitt der äußeren Wandung der Rohrschale 4. Die beiden weite ren Gewebelagen 20, 22 bilden jeweils die entgegengesetzte Ober fläche der Knotenscheiben 8, 10 und die sich daran anschließenden Abschnitte der äußeren Rohrschalenwandung. In den Gewebelagen 18, 20, 22 sollen sich die Fasern unter einem Winkel zwischen ± 45°, bezogen auf die Längsachse 6, kreuzen.

Die Gewebeabschnitte 16, 18, 20 und 22 sind in eine Harzmatrix eingebettet.

Die innere Gewebelage kann auch entfallen. Die Rohrschale wird dann ausschließlich durch die Gewebelage gebildet, die sich je weils in die Knotenscheiben erstrecken. Die Gewebelagen 18, 20, 22 können auch alle oder zum Teil Mehrfachlagen sein, so daß dann die Knotenscheiben aus drei - Gewebelage 18 zweifach -, vier - Gewebelagen 18, 20, 22 zweifach - oder noch mehr Gewebelagen bestehen können.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbindungs elementes nach Fig. 1. Diese Vorrichtung weist einen zylindri schen Innenkern 24 und ein äußeres Formelement 26 auf. Das äußere Formelement 26 entspricht mit seinen Außenkonturen den Konturen des Verbindungselementes 2 zwischen den beiden Knotenscheiben 8 und 10 mit den zwei unter einem Winkel von 60° zueinander liegen den ebenen Formflächen 25 und 27 und einer im Querschnitt konkaven Fläche 23 mit einem Krümmungsradius entsprechend dem Krümmungs radius der Rohrschale zwischen den beiden Knotenscheiben. Der In nenkern 24 bestimmt mit seinem Durchmesser die Innenform der Rohr schale 4. Weiter weist die Vorrichtung zwei Andrückleisten 28 auf, von denen eine in Fig. 2 schematisch mit ihren Umrißlinien dargestellt ist.

Zur Herstellung eines Verbindungselementes, wie es in Fig. 1 mit zwei Gewebelagen an jeder Stelle dargestellt ist, wird auf den Innenkernen 24 und das Formelement 26 jeweils ein Gewebeschlauch 30, 32 aus Kohlefasern aufgezogen, und zwar so, daß die Fasern sich jeweils unter den oben erwähnten Winkeln kreuzen. Die Gewebe schläuche auf dem Innenkern und dem Formelement werden in den Be reichen, welche die Rohrschale 4 und die Knotenscheiben 8, 10 bil den, mit Harz benetzt, und das Formelement 26 wird anschließend mit seiner konkaven Fläche 23 in Anlage an den zylindrischen Kern gebracht. Über den zylindrischen Kern und das Formelement wird dann ein weiterem Gewebeschlauch 34 aus Kohlenstoffasern derart aufgezogen, daß sich die Fasern dieses Schlauches unter einem Win kel von ± 45°, bezogen auf die Achse 6, kreuzen. Auch dieser weitere Gewebeschlauch 34 wird mit Harz benetzt, das Überschußharz der Benetzung der Schläuche 30, 32 sein kann. Der Gewebeschlauch 34 wird mit den Andrückleisten 28 an den den Innenkern umschließenden Gewebeschlauch 30 und im Bereich der Knotenscheiben an die von dem Formelement 26 getragene erste Gewebeschicht 32 der Kno tenscheiben angelegt.

Die Oberflächen des Innenkerns 24 und des Formkerns 26 sind mit einem Antihaftmittel behandelt bzw. nichthaftend ausgerüstet oder ausgebildet, so daß diese nach dem Aushärten des Harzes von dem Formkörper gelöst werden können. Das gleiche gilt für die Andrück leiste 28. Der Innenkern kann in Achsrichtung herausgezogen wer den, wobei zum leichteren Lösen der durch die beiden Gewebe schläuche 30 und 34 gebildete rohrförmige Teil auch in Bereichen, die später nicht Teil der Rohrschale 4 bilden, zur Erleichterung der Lösung des Innenkerns aufgeschlitzt werden können. Zum Heraus nehmen des Formelementes 26 können die beiden Gewebeschläuche 32, 34 im Bereich der Basis 36 des Formelementes 26 beispielsweise mit einem Messer durchtrennt werden. Hierfür kann in der Basisfläche 21 des Formelementes 26 eine Längsnut 38 als Führung für das Mes ser oder ein sonstiges Trennwerkzeug vorgesehen sein.

Ein Halbzeug, das auf diese Weise hergestellt wird, ist in Fig. 3 dargestellt. Die freien Längsränder 40 der Knotenscheiben 8 und 10 werden auf das vorgegebene Maß beschnitten. Anschließend wird der rohrförmige Teil entsprechend dem gewünschten Umschlingungswinkel in Längsrichtung aufgetrennt, bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit einem Umschlingungswinkel von 180°, also in der Ebene 42, die hier senkrecht zur Symmetrieebene 44 des Verbindungsele mentes liegt. Von den in größeren Längen herstellbaren Halbzeugen werden dann die Verbindungselemente in der jeweils gewünschten Länge abgeschnitten.

Der Winkel zwischen den beiden Knotenscheiben 8, 10 wird entspre chend den jeweiligen Anforderungen gewählt. Er kann auch 90° be tragen. Auch größere Winkel, beispielsweise von 180° mit einander dann diametral gegenüberliegenden Knotenscheiben, sind möglich.

Weitere Vorrichtungen zur Herstellung von Verbindungselementen gemäß der Erfindung sind in den Fig. 4 bis 6 dargestellt. Bei diesen Verbindungselementen ist zusätzlich zu den in dem Innen kern eine der Zahl der Knotenscheiben entsprechende Anzahl von Außenkernen 48, 50, 52, 54 vorgesehen, für deren Querschnittform das oben zur Ausgestaltung des Formelementes 26 Gesagte gilt.

Die Vorrichtung nach Fig. 4 dient zur Herstellung von Verbin dungselementen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, d. h. von Verbindungselementen mit einem Winkel von 60° zwischen zwei be nachbarten Knotenscheiben. Dabei entsprechen die Formelemente 48 und 50 dem Formelement 26 der Ausführungsform nach Fig. 2. Die beiden weiteren Formelemente 52 und 54 sind entsprechend der Aus senkontur der Rohrschale und der Knotenscheiben in den Bereichen zwischen den Formelementen 48 und 50 ausgebildet. Die Gesamtheit der Formelemente bildet damit die Außenform des mit dieser Vor richtung herzustellenden Halbzeugs ab, aus dem die Formelemente nach Fig. 1 hergestellt werden.

Zur Herstellung eines solchen Halbzeugs mit vier Knotenscheiben wird auf den in den Innenkern 46 wiederum in der oben angegebenen Weise ein Gewebeschlauch aus Kohlenstoffasern aufgezogen. Weitere Gewebeschläuche 49, 51, 53, 55 werden auf die vier Formelemente 48 bis 54 aufgezogen. Die Gewebeschläuche werden dann wiederum in den Bereichen, in denen sie Teil der doppelten Wandung des Halbzeugs bilden, mit Kunstharz benetzt. Anschließend werden die vier Form elemente 48 bis 54 gegen den Innenkern 26 und gegeneinander ge drückt und unter Vorspannung gehalten bis das Harz ausgehärtet ist. Dann werden wie oben beschrieben die Gewebeschläuche bei al len vier äußeren Formelementen an der Basis der Formelemente durchtrennt, und die Formelemente 48 bis 54 entnommen. Der Innen kern wird aus dem rohrförmigen Teil gezogen. Die freien Ränder der Knotenscheiben werden an ihren Längsrändern auf das vorgegebene Maß geschnitten. Zur Herstellung von Verbindungselementen gemäß Fig. 1 wird das Halbzeug in der Symmetrieebene 56 durchtrennt. Auf diese Weise entstehen dann zwei Stränge, aus denen dann die Verbindungselemente in der gewünschten Länge abgetrennt werden können.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 ist die Vor richtung in gleicher Weise aufgebaut wie oben unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 schließen die Knotenscheiben zwischen sich gleiche Winkel von 90° ein. Das Herstellungsverfahren entspricht dem oben unter Bezug auf Fig. 4 beschriebenen. Auch hier können jeweils Verbindungsele mente mit zwei Knotenscheiben durch Trennung in der Ebene einer der beiden Symmetrielinien erzeugt werden. Falls Verbindungsele mente mit vier Knotenblechen verlangt werden, sollte die die Rohrschale bildende Rohrwandung einseitig zwischen zwei Knoten scheiben durchtrennt werden, und zwar mit einer Breite, daß beim Verkleben mit dem Holmstab die die Knotenscheiben tragende Rohr schale unter Vorspannung gegen die Holmoberfläche anpreßbar ist.

In Fig. 6 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbindungs elementes mit drei Knotenscheiben dargestellt, die unter gleichen Winkeln von 120° zueinander liegen. Hier werden drei äußere Form elemente verwendet. Die Herstellung des Halbzeugs erfolgt hier in gleicher Weise wie oben unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Auch hier wird die rohrförmige Wandung, von der die Knotenscheiben ra dial abstehen, zwischen zwei Knotenscheiben in Längsrichtung durchtrennt, so daß die Rohrschale beim Verkleben mit einem Holm an diesen unter Vorspannung anlegbar ist.

Wie ohne weiteres ersichtlich, können mit den beschriebenen Vor richtungen nach den Fig. 4 bis 6 auch Verbindungselemente mit drei und mehr Knotenscheiben mit unterschiedlichen Winkeln zwi schen den Knotenscheiben hergestellt werden.

Bei Verbindungselementen, bei denen die Rohrschale wie oben er wähnt ausschließlich aus den Gewebeabschnitten 18, 20 und 22 ge bildet ist, wird auf den Kern kein Fasergewebeschlauch aufgezogen. Grundsätzlich ist es auch möglich, ohne Gewebeschläuche zu arbei ten und stattdessen Gewebestreifen mit sich unter ± 45° kreuzenden Fasern zu verwenden. Auch Kombinationen sind zum Zwecke der leich teren Handhabung möglich. So können beispielsweise bei der Vor richtung nach Fig. 4 und 5 die beiden Formelemente 48 und 50 mit einem Fasergewebeschlauch in der oben beschriebenen Weise über zogen werden, während für die von den Formelementen 52 und 54 abzubildenden Gewebeschichten die erwähnten Gewebestreifen ver wendet werden können. Solche Gewebestreifen können dabei auf der Rückseite der Formelemente durch Klemmleisten an ihren Längsrän dern gehalten werden. Es ist dann selbstverständlich auch möglich, für alle Formelemente ohne Gewebeschläuche auszukommen und aus schließlich Gewebestreifen zu verwenden. Dies gilt auch, wenn für alle oder einzelne der Formelemente mehr als eine Gewebelage vor zusehen ist. Falls auf dem Innenkern kein Gewebeschlauch aufge zogen wird, wird die Innenfläche der Rohrschale direkt auf dem In nenkern abgeformt.

Das in Fig. 7 dargestellte räumliche Fachwerk ist mit einem als gleichseitiges Dreieck ausgebildeten Querschnitt ausgebildet und weist drei parallele Holmstäbe 57 auf. Zwischen zwei benachbarten Holmstäben sind jeweils Diagonalstäbe 58 und Querstäbe 59 ange ordnet, die über die Verbindungselemente 2 mit den Knotenscheiben 10 an die Holmstäbe angeschlossen sind. Zur Erhaltung der Über sichtlichkeit sind nicht alle Knotenscheiben dargestellt. Die Holme 57 bilden mit den Verbindungselementen 2 und den an deren Knotenscheiben angeschlossenen Diagonal- und Querstäben jeweils einen Fachwerkknoten. Die Grundstruktur eines solchen Fachwerks mit den senkrecht - also in einem Winkel von 90° - zu den Holmstäben angeordneten Querstäben 59 und den unter einem Winkel von beispielsweise 45° zu den Holmstäben liegenden Diagonalstäben 58 ist bekannt. Drei Querstäbe 58 liegen bei der in Fig. 1 dar gestellten Ausführungsform in jeder der drei Fachwerkebenen paral lel zueinander. Ebene Fachwerke weisen nur zwei parallele Holm stäbe 2 und dazwischen liegende Quer- und Diagonalstäbe auf. Die Holmstäbe 2 und die Quer- und Diagonalstäbe 59 bzw. 58 sind dünn wandige runde Faserverbundstäbe mit einem druckfesten Schaumstoff kern, deren Wandung wenigstens eine Lage aus achsparallelen uni direktionalen Langfasern aufweist. Als Fasern werden vorzugsweise hochfeste Kohlenstoffasern verwendet.

Fig. 8 zeigt im Schnitt längs der Linie A-B in Fig. 7 einen Holm stab 57 des räumlichen Fachwerks mit dreieckigem Querschnitt, an den ein Verbindungselement 2 über seine Rohrschale 4 angeklebt ist, an die Knotenscheiben 8, 10 sind die Stäbe 58 und 59 ange schlossen.

Die Stäbe 58 und 59 sind an ihren beiden Enden mit Schlitzen 24 versehen, deren Breite geringfügig breiter als die Dicke der Knotenscheiben 8, 10 ist, und mit denen sie auf die Knotenscheiben aufschiebbar sind. Die Verbindung erfolgt durch eine flächige Klebung.

Die Zug- und Druckkräfte in den Diagonal- und Querstäben 58, 59, die mit einem Durchmesser der Holmstäbe 57 von 20 mm beispiels weise einen Durchmesser A von 10 - 12 mm haben, werden über die Klebverbindung als Schubkräfte in die Knotenplatten 10 eingelei tet. Für die Übertragung dieser Schubkräfte ist die Steifigkeit des Schaumstoffkerns 60 der Diagonal- und Querstäbe 58, 59 viel fach nicht ausreichend. Die geschlitzten Enden dieser Stäbe müssen dann zur Erzielung der notwendigen Schubfestigkeit der Klebeflä chen verstärkt werden.

Zu diesem Zweck ist bei der Ausführung nach Fig. 8 im Bereich der Schlitze 24 in den Enden der Diagonal- und Querstäbe 4, 6 jeweils ein starrer Füllkörper 126 aus einem leichten Werkstoff, bei spielsweise faserverstärktem Kunststoff, vorgesehen, der eine höhere Steifigkeit hat als der Schaumstoff des Schaumstoffkerns 8. An den Stabenden ist der Schaumstoffkern 60 in dem Bereich, in dem die Schlitze eingeschnitten sind oder werden, bis unter das untere Ende 125 des Schlitzes 124 ausgeräumt. Der außen zylindrische Füllkörper 126 mit einem Außendurchmesser geringfügig. Kleiner als der Innendurchmesser der Stabwandung und einer axialen Länge größer als die Tiefe des Schlitzes ist in die Stabenden eingeklebt. Der Schlitz 124 wird zweckmäßig nach dem Aushärten des Klebers in das Stabende eingeschnitten. Über den Füllkörper werden dabei die in den Quer- und/oder Diagonalstäben wirkenden Zug- und Druckkräf te als Schubkraft über die Klebfläche auf die Knotenplatte über tragen. Ein solcher Füllkörper kann aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen und auch als Spritzgußkörper ausgebildet sein, der bei größeren Durchmessern auch mit durchgehenden Hohlräumen versehen sein kann, und der auch bereits mit dem Schlitz versehen sein kann.

Zwei weitere Ausführungsformen einer solchen Verstärkung sind in Fig. 9 und 10 bzw. Fig. 11 und 12 in einem gegenüber der Darstellung in Fig. 8 größeren Maßstab dargestellt.

Bei der Ausführung nach Fig. 9 und 10 ist der Stab 132 an seinem Ende mit einem durch die Stabwandung 134 und den Schaumstoffkern 136 durchschneidenden Schlitz 138 versehen, dessen Breite B größer ist als die Dicke d der gestrichelt angedeuteten Knotenscheibe 10. Die zueinander parallelen Wandungen 140 des Schlitzes 138 sind hier jeweils durch einen Abschnitt 142 eines Faserverbundwerkstof fes gebildet, der Teil von mit Kunstharz getränkten Fasergewebe schlauchabschnitten 144 ist, der sich jeweils durch den Schlitz 138 und außen um die beiden durch den Schlitz 138 getrennten kreissegmentförmigen Abschnitte des Stabendes herum erstreckt.

Die beiden mit Harz benetzten Gewebeschläuche 144 können dabei vor dem Aushärten mittels einer Formplatte im Bereich des Schlitzes 138 geformt werden, durch die die Gewebeschlauchabschnitte 142 im Schlitz 138 gegen die ebenen Flächen 139 des Schaumstoffkerns 136 gedrückt werden.

Anstelle einer Formgebung mit Harz benetzter Gewebeschläuche in situ können als Verstärkungen auch vorgefertigte Formelemente 146 verwendet werden, wie sie in Fig. 9 rechts veranschaulicht sind. Zur Herstellung solcher Formelemente 146 kann auf einen Kern, des sen Querschnitt dem Querschnitt der durch den Schlitz 138 getrenn ten kreissegmentförmigen Abschnitte am Ende des Stabes 162 ent spricht, ein Gewebeschlauch aufgezogen, mit Kunstharz benetzt und ausgehärtet werden. Der Gewebeschlauch wird dann in seinem gerun deten Querschnittsteil 148 vorzugsweise mittig in Längsrichtung mit einem Längsschlitz 150 versehen, wie in Fig. 10 rechts darge stellt. Ein solches Formelement 146 kann weiter so ausgebildet sein, daß sich die gerundete Wandung mit einem Abschnitt 152 auf dem äußeren Umfang des Stabes 132 bis unter das untere Ende 154 des Schlitzes 138 erstreckt, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Damit wird eine Schwachstelle des Stabes im Bereich des unteren Endes 154 des Schlitzes 138 verstärkt. Derartig ausgebildete Formelemen te 146 können dann auf die Stabenden aufgesteckt und außen mit der Stabwandung und vorzugsweise auch mit der an den Schlitz 138 an grenzenden Oberfläche 156 des Schaumstoffkerns 136 verklebt wer den. Der Längsschlitz 150 ermöglicht dabei eine definierte Anpreß kraft für die Klebung auf der Außenseite des Stabes.

Bei Ausführung nach Fig. 11 und 12 hat der Schlitz 158 im Stabende wie bei der Ausführung nach Fig. 9 und 10 eine Breite B′, die geringfügig größer ist als die Dicke d der gestrichelt angedeute ten Knotenplatte 10. Der Schaumstoffkern 160 des Stabes 162 ist bis unter das untere Ende 163 des Schlitzes 58 ausgeräumt. In das Stabende sind zwei Verstärkungskörper 164 eingesetzt, die kreis segmentförmige Schaumstoffkernabschnitte 166 aufweisen, die mit einem Fasergewebeschlauch 168 überzogen sind, der mit einem Harz benetzt ist. Diese Verstärkungskörper 164 haben eine Länge L, die größer ist als die Tiefe T des Schlitzes 158. Sie erstrecken sich also bis über den Boden 162 des Schlitzes 158 hinaus, vorzugsweise bis auf das angrenzende Ende des Schaumstoffkerns 160 des Stabes.

Auch bei dieser Ausführungsform können die den Schlitz begrenzen den ebenen Oberflächen 170 der Verstärkungskörper 164 in situ über eine Formplatte, die ein geringes Übermaß gegenüber der Dicke der Knotenplatte 10 aufweist, geformt werden. Dabei sind die Abmessun gen der beiden Verstärkungskörper 164 zweckmäßig so zu wählen, daß über die Formplatte die gerundete Oberfläche der Verstärkungskör per mit dem Gewebeschlauch 168 gegen die Innenseite der Stabwan dung 172 gedrückt wird. Eine Anpressung unterhalb des unteren Endes 162 des Schlitzes 158 kann dadurch erreicht werden, daß die Formplatte mit einem Absatz entsprechend dem inneren Durchmesser der Stabwandung versehen ist, mit der auch die unterhalb des un teren Endes 162 des Schlitzes 158 hinausragenden Enden der Ver stärkungskörper 164 gegen die Innenseite der Stabwandung gedrückt werden, so daß auch hier eine definierte Klebung sichergestellt ist.

Auch die Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 hat den Vorteil, daß die Schwachstelle des Stabes im Bereich des unteren Endes 162 des Schlitzes 158 verstärkt wird.

Eine weitere Ausführungsform einer Stabanordnung ist in Fig. 13 und 14 dargestellt. An einem Holmstab 57 ist seitlich ein Verbindungs element 2 mit Knotenscheiben 10 angeklebt. An das Verbindungsele ment 2 sind zwei Stäbe 174 angeschlossen, die unter einem Winkel von 45° zur Achse 176 des Holmstabes 57 verlaufen und an ihren Anschlußenden unter einem entsprechenden Winkel abgeschrägt sind. Die Stabenden sind mit einem Schlitz 178 versehen, der eine Tiefe haben kann, so daß der Boden 180 des Schlitzes gegen die Knoten scheibe 10 stößt. Die Ecke der Knotenscheibe 10 kann dabei in den Schaumstoffkern der Stäbe 174 am Boden 180 des Schlitzes 178 ein dringen.

Zur Befestigung sind zwei spiegelbildlich ausgebildete Formschalen 184, 186 vorgesehen. Diese Formschalen weisen einen mittleren ebenen Stegabschnitt 188 auf und zwei sich daran anschließende Abschnitte 190, die in dem Schnitt längs der Linie K-L einen im wesentlichen halbrunden Querschnitt aufweisen und so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie die Stabenden im Bereich der Knotenscheibe 172 umschließen. Beidseitig von den Abschnitten sind wiederum ebene Abschnitte 182. Die Abschnitte 180 sind so ausge bildet, daß sie bei Anlage der ebenen Abschnitte 182, 188 an der Oberfläche der Knotenscheibe mit möglichst geringem Abstand die Enden der Stäbe umgreifen.

Die Verbindung der Diagonalstäbe 174 mit der Knotenscheibe 10 wird dadurch hergestellt, daß die Diagonalstäbe auf die Knotenscheibe aufgeschoben werden, wobei in die Schlitze Kleber eingebracht werden kann, aber nicht muß. Die beiden Formschalen werden dann mit Kleber versehen und auf die Knotenscheibe 182 so aufgelegt, daß am Ende die Diagonalstäbe formschlüssig umfaßt werden. In den ebenen Abschnitten 182, 188 wird dann beim Aushärten des Klebers zweckmäßig ein flächiger Druck ausgeübt.

Mit den beschriebenen Formschalen 184 lassen sich sehr genau de finierbare Verklebungen durchführen. Die Formschalen bestehen vor zugsweise aus einem sehr dünnwandigen Faserverbundwerkstoff mit Glasfasern. Sie sind dann durchsichtig, und durch die Schalen kann dann visuell leicht geprüft werden, ob ein vollflächiger Kleber auftrag bzw. eine vollflächige Verklebung erreicht ist.

In Fig. 13 ist links eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Formschale aus einem rechteckigen Zuschnitt geformt ist. Dabei wird eine spitze Ecke 192 ausgebildet, die den Stab über ein be grenztes Ende unterhalb des Schlitzbodens 180 übergreift. Eine den Stab im Bereich unterhalb des Schlitzbodens 180 zusätzlich ver stärkende Ausführungsform der Formschale ist in Fig. 13 rechts dar gestellt. Hier ist die Formschale mit die halbrunde Mulde verlän gernden Ansätzen 194 versehen. Bei dieser Ausführungsform wird der Stab 174 von dieser Verlängerung 194 im wesentlichen über den gan zen Umfang über eine Länge a vom Boden 180 des Schlitzes umfaßt. Diese Länge a kann so gewählt werden, daß eine optimale Verstei fung in diesem kritischen Bereich unterhalb des Schlitzbodens sichergestellt ist.

In Fig. 15 ist eine Stabanordnung mit einem Verbindungselement 2 mit zwei Knotenscheiben 10 dargestellt, wie es in einem räumlichen Fachwerk nach Fig. 7 verwendet wird. Links ist der Stab 174 mit einer Formschale an der Knotenscheibe befestigt, wie sie in Fig. 13 links dargestellt ist. Rechts ist der Stab 174 mit einer Formscha le an der Knotenscheibe befestigt, wie sie in Fig. 13 rechts darge stellt ist.

Bei den Stäben, die im vorstehenden erwähnt sind, handelt es sich vorzugsweise um solche, die auf einem Schaumstoffkern eine Schicht unidirektionaler Kohlenstoffasern haben, über denen ein Gewebe chlauch angeordnet ist, der seinerseits aus Kohlenstoffasern, aber auch aus Glasfasern bestehen kann. Solche Stäbe zeichnen sich bei hoher mechanischer Festigkeit durch ein sehr geringes Gewicht aus.

Claims

1. Verbindungselement aus Kohlefaserverbundwerkstoff mit sich kreuzenden Fasern für eine geklebte Verbindung zwischen unter einem Winkel zueinander liegenden Stäben, bei der die Stäbe über das Verbindungselement miteinander verbunden sind, mit einem zur Anlage an einem der Stäbe als Rohrschale (4) aus gebildeten, gekrümmten Abschnitt, von dessen Außenseite wenigstens eine mit der Rohrschale einstückige und mit einem anderen Stab verbindbare Knotenscheibe (8, 10) radial ab steht, die sich bezüglich der Rohrschale in einer deren Achse enthaltenden Ebene erstreckt, wobei die Knotenscheibe aus we nigstens zwei Lagen (18, 20, 22) eines Fasergewebes gebildet ist, dessen Fasern sich unter einem Winkel von ± 45° zur Rohrschalenachse (6) kreuzen und dessen Gewebelagen (18, 20, 22) sich über den Anschlußbereich der Knotenscheibe an die Rohrschale hinaus jeweils über den angrenzenden Bereich der Rohrschale (4) erstrecken und die Rohrschale bilden.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschale zusätzlich auf ihrer Innenseite eine durchgehende innere Lage (16) aus einem Fasergewebe (16) aufweist, deren Fasern sich unter einem Winkel zwischen ± 65° bis ± 75° zur Rohrschalenachse (6) kreuzen.

3. Vorrichtung zur Herstellung von Verbindungselementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen die Innenkontur der Rohrschale abbildenden zylin drischen Innenkern (24),
wenigstens ein äußeres Formelement (26), das der Außenkontur der Rohrschale im Bereich zwischen zwei Knoten scheiben und den Konturen der einander zugewandten Oberflä chen dieser beiden Knotenscheiben entspricht als Träger für eine Gewebelage (18), die diese Außenkontur der Rohrschale und eine erste Gewebelage der Knotenscheiben (8, 10) bildet, und durch
Mittel, mit denen das Gewebe (20. 22), das eine zweite Lage (20, 22) der Knotenscheibe (8, 10) und die übrige Außenkontur der Rohrschale (4) bildet, an den zylindrischen Innenkern (24) und die auf dem äußeren Formelement (26) auf liegende erste Gewebelage (18) der Knotenscheibe anlegbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Andruck leisten (28), mit denen das Gewebe (20, 22), das die zweite Lage der Knotenscheiben (8, 10) bildet, um den Innenkern (24) spannbar und zur ebenen Anlage an die erste Gewebelage (18) der Knotenscheiben (8, 10) anlegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl äußerer Formelemente (48, 50, 52, 54), die den zylindrischen Innenkern (24) vollständig einschließen und zwischeneinander jeweils eine Knotenscheibe einschließen.

6. Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß auf das der Außenkontur der Rohrschale (4) zwischen zwei Knotenscheiben (8, 10) und den einander zugewandten Seiten der zwei Knotenscheiben tragenden entsprechende äußere Formelement (26) ein Gewebeschlauch (32) aus Kohlenstoffasern derart aufgezogen wird, daß sich die Fasern unter einem Win kel von ± 45° zur Längserstreckung des Formelementes kreuzen,
daß der Gewebeschlauch (32) auf dem Formelement (26) in den Bereichen, welche die Rohrschale und die Knotenscheiben bilden, mit Kunstharz benetzt wird und das Formelement (26) in Anlage an den Innenkern (24) gebracht wird,
daß über den Innenkern (24) und das äußere Formelement (26) ein weiterer Gewebeschlauch (34) aus Kohlefasern derart aufgezogen wird, daß sich die Fasern unter einem Winkel von ± 45°zur Achse (6) des Innenkerns (24) kreuzen, und daß dieser weitere Gewebeschlauch (34) mit den An drückleisten (28) an den Innenkern (24) und die mit dem anderen Gewebeschlauch (32) gebildete erste Gewebelage der Knotenscheiben auf dem Formelement (26) angelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf den Innenkern (24) ein Gewebeschlauch (30) so aufgezogen wird, daß sich dessen Fasern unter einem Winkel zwischen ± 65° und ± 75° kreuzen.

8. Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die äußeren Formelemente (48, 50; 52, 54) je weils eine Gewebelage (49, 51; 53, 55) aus Kohlefasern derart aufgebracht wird, daß sich die Fasern unter einem Winkel von ± 45° zur Längserstreckung der Formelemente kreuzen, daß diese Gewebelagen (49, 51; 53, 55) auf den Formele menten in den Bereichen, welche der Rohrschale und den Kno tenscheiben entsprechen, mit Harz benetzt werden, und daß die Formelemente mit den Gewebelagen bis zum Aushärten des Harzes gegen den zylindrischen Innenkern (46) gepreßt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Gewebelage ein Gewebeschlauch auf die äußeren Formelemente aufgezogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Innenkern (46) ein zusätzlicher Gewebe schlauch (47) so aufgezogen wird, daß sich die Fasern unter einem Winkel zwischen ± 65° und ± 75°, bezogen auf die Kern achse, kreuzen.

11. Stabanordnung mit wenigstens zwei unter einem Winkel zuein ander liegenden Stäben, bei der die Stäbe eine rohrförmige Wandung aus Faserverbundwerkstoff mit wenigstens einer Lage aus achsparallelen unidirektionalen Fasern und einem darüber liegenden Gewebeschlauch mit sich unter einem Winkel zur Achse des Stabes kreuzenden Fasern sowie einen Kern aus einem druckfesten Schaumstoff aufweisen, mit
einem ersten Stab, der zwischen seinen Enden wenigstens eine radial und achsparallel vorstehende Knotenscheibe auf weist, und
wenigstens einem zweiten Stab, der unter einem Winkel zur Achse des ersten Stabes angeordnet ist, und wenigstens an einem Ende mit einem achssymmetrischen Schlitz versehen ist, mit dem er auf die Knotenscheibe des ersten Stabes aufgescho ben und der durch Klebung mit der Knotenscheibe verbunden ist, bei der
ein Verbindungselement aus Kohlefaserverbundwerkstoff mit sich kreuzenden Fasern vorgesehen ist, das einen als Rohrschale (4) ausgebildeten gekrümmten Abschnitt aufweist, von dessen Außenseite wenigstens eine mit der Rohrschale einstückige Knotenscheibe (8, 10) radial absteht, die sich bezüglich der Rohrschale in einer deren Achse enthaltenden Ebene erstreckt, wobei die Knotenscheibe aus wenigstens zwei Lagen (18, 20, 22) eines Fasergewebes gebildet ist, dessen Fasern sich unter einem Winkel von ± 45° zur Rohrschalenachse (6) kreuzen und dessen Gewebelagen (18, 20, 22) sich vom radial inneren Rand der Knotenscheibe ausgehend jeweils über die angrenzenden Bereiche der Rohrschale (4) erstrecken und die Rohrschale bilden,
das Verbindungselement über seine Rohrschale an dem ersten Stab angeklebt ist,
der zweite Stab wenigstens in dem Bereich seines ge schlitzten indes mit einer schubsteifen Verstärkung versehen ist, die flächig mit der rohrförmigen Stabwand und der Kno tenscheibe verklebt ist.

12. Stabanordnung nach Anspruch 11, bei der die Rohrschale des Verbindungselementes zusätzlich auf ihrer Innenseite eine durchgehende innere Lage (16) aus einem Fasergewebe (16) aufweist, deren Fasern sich unter einem Winkel zwischen ± 65 bis ± 75° zur Rohrschalenachse (6) kreuzen.

13. Stabanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Endbereich des zweiten Stabes (62, 64) der Schaumstoffkern bis über das dem Stabende abgewandte Ende (74) des Schlitzes (80) hinaus ausgeräumt ist, in den aus geräumten Bereich wenigstens ein Verstärkungskörper (75) eingesetzt ist, der gegen die Innenseite der Wandung des Stabes anliegt und mit dieser verklebt ist und mit einer schubsteifen Wandung (77) an den Schlitz angrenzt.

14. Stabanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungskörper (75) als Formkörper aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet ist.

15. Stabanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in das Stabende im geschlitzten Bereich zwei an den Schlitz angrenzende Formelemente (75) eingesetzt sind, die aus einem Schaumstoffkern (76) und mit einem Querschnitt in Form eines Kreissegments ausgebildet und mit einem Gewebe schlauch (78) in einer Harzmatrix umschlossen sind, und die mit der Innenseite der Rohrwandung verklebt sind, wobei sich die Formelemente (75) bis unter das untere Ende (74) des Schlitzes hinaus in den Stab (62) hinein erstrecken.

16. Stabanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab im geschlitzten Bereich mit in einer Harz matrix eingebetteten Gewebeschläuchen (64) überzogen ist, die sich jeweils durch den Schlitz (80) und über den daran an grenzenden äußeren Umfang des Stabendes erstrecken und im Schlitz die schubsteife Schlitzwandung (72) bilden.

17. Stabanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf das geschlitzte Ende des Stabes dünnwandige Formkörper aus Faserverbundwerkstoff aufgeklebt sind, die einen kreissegmentformigen Querschnitt aufweisen, mit ihrer ebenen Wandung (70) jeweils den Schlitz begrenzen, und deren gerundete Wandungen sich über das untere Ende der ebenen Wandung (72) hinaus erstrecken.

18. Stabanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper in ihrer gerundeten Wandung (73) mit einem Längsschlitz (65) versehen sind.

19. Stabanordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch mit den Knotenscheiben verklebbare Formschalen mit ebenen Abschnitten und zwischen zwei ebenen Abschnitten wenigstens einem der Außenkontur des Stabendes entsprechenden und das stabende übergreifenden Abschnitt mit einem halbkreisförmigen Quer schnitt.

20. Stabanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das stabende so abgeschrägt ist, daß die Stirnseite im wesentlichen parallel zur Achse des ersten Stabes liegt.