DE69720438T2

DE69720438T2 - Innenliegende bewehrung für hohle strukturelemente

Info

Publication number: DE69720438T2
Application number: DE69720438T
Authority: DE
Inventors: S. Joseph WYCECH
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1996-05-10
Filing date: 1997-05-12
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: CN1101511C; TR199802279T2; BR9708940A; AU3059897A; ZA974090B; WO1997043501A1; MX9809216A; KR20000010898A; CZ357598A3; CA2253792A1; ES2134751T1; DE897439T1; ES2134751T3; EP0897439B1; EP0897439A1; EP0897439A4; US6058673A; ATE236312T1; CA2253792C; AU722554B2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf verstärkte Strukturen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen und insbesondere auf Strukturen eines geringen Gewichts zur Verstärkung von hohlen Strukturelementen.
Hintergrund der Erfindung
In einer Anzahl von Anwendungen in der Automobilindustrie sind Strukturteile hoher Festigkeit und geringer Masse erforderlich. Verschiedene Verbundmaterialien wurden in der Vergangenheit als Strukturteile vorgeschlagen, wie exotische Legierungen eines geringen Gewichts. Bei den meisten Anwendungen darf jedoch die Reduktion der Masse nicht auf Kosten der Festigkeit erfolgen und muss gegenüber den Kosten des Produkts für den Verbraucher abgewogen werden. Somit besteht eine dringende Notwendigkeit, die Festigkeit von Strukturteilen beizubehalten oder mehr bevorzugt zu erhöhen, ohne die Materialkosten und Arbeitskosten beträchtlich zu erhöhen.
Die Verstärkung von Kraftfahrzeug-Strukturteilen durch die Verwendung von Verbundmaterialien ist auch bekannt. Z. B. hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von Metall/Kunststoff-Verbundstrukturen offenbart, die zur Verstärkung von Kraftfahrzeug-Komponenten verwendet werden sollen. Im US Patent Nr. 4,901,500 mit dem Titel "Lightweight Composite Beam" wird ein verstärkender Träger für eine Fahrzeugtür offenbart, der ein offenes, kanalförmiges Metallteil mit einem längs verlaufenden Hohlraum umfasst, der mit einem Material auf der Basis eines wärmehärtenden oder thermoplastischen Harzes gefüllt ist. Im US Patent Nr. 4,908,930 mit dem Titel "Method of Making a Torsion Bar" wird eine hohle Torsionsfeder, die durch eine Mischung von Harz mit Füllstoff verstärkt ist, beschrieben. Das Rohr wird längsseitig aufgeschnitten und mit einem Material auf Harzbasis beschickt.
Im US Patent Nr. 4,751,249 mit dem Titel " Reinforcement Insert for a Structural Member with Method of Making and Using the Same" wird ein vorher gegossener Verstärkungseinsatz für Strukturelemente bereitgestellt, der aus einer Mehrzahl von Pellets besteht, die ein wärmehärtbares Harz mit einem Treibmittel enthalten. Das vorher gegossene Teil wird an Ort und Stelle in dem Strukturelement verschäumt und gehärtet. Im US Patent Nr. 4,978,562 mit dem Titel "Composite Tubular Door Beam Reinforced with a Syntactic Foam Core Localized at the Mid Span of the Tube" wird ein Verbund-Türträger beschrieben, der einen Kern auf Harzbasis hat, welcher nicht mehr als ein Drittel des Bohrungsdurchmessers eines Metallrohrs einnimmt.
In dem US Patent Nr. 4,019,301, das das relevanteste Dokument des Standes der Technik ist, mit dem Titel "Corrosion-Resistant Encasement for Structural Members" wird eine Bohlenwand ("piling") oder eine andere Struktur offenbart, in der ein Doppel-T-Träger in einem Gehäuse eingeschlossen ist, in das ein Harz gegossen wird.
In der gleichzeitig anhängigen US Patentanmeldung Nr. 245,798, angemeldet am 19. Mai 1994, mit dem Titel "Composite Laminate Beam for Automotive Body Construction" wird ein hohler Laminatträger, der durch ein hohes Steifigkeit-zu-Masse-Verhältnis gekennzeichnet ist und ein Außenteil aufweist, das von einem Innenrohr durch eine dünne Schicht aus Strukturschaum abgetrennt ist, beschrieben. In der gleichzeitig anhängigen US Patentanmeldung Nr. 08/448,627, angemeldet am 23. Mai 1995, mit dem Titel "Composite Structural Reinforcement Member," wird eine W-förmige Trägereinsatz-Verstärkung, die einen Schaumkörper trägt, beschrieben, die zur Verstärkung eines hohlen Trägers verwendet werden soll.
Zusätzlich dazu ist eine Anzahl von Metalllaminat-Konstruktionen bekannt, in denen flache Metallplatten durch eine dazwischenliegende Harzschicht miteinander verbunden sind. Es ist auch bekannt, eine als Türfüllungsteil zu verwendende Metalllaminatplatte zu bilden, die ein Paar flache Metallplatten umfasst, die eine dazwischenliegende Schicht aus Asphalt oder elastischem Polymer aufweisen.
Obwohl das Füllen der Gesamtheit eines Teilstücks mit Kunststoffschaum die Steifheit des Teilstücks beträchtlich erhöht (wenigstens wenn Schäume hoher Dichte verwendet werden), erhöht es auch die Masse und somit das Gewicht des Teils, was – wie festgestellt wurde – ein unerwünschtes Merkmal bei Kraftfahrzeug-Anwendungen ist. Obwohl das Erhöhen der Blechlehre eines Teilstücks oder die Zugabe lokalisierter Metallverstärkungen die Steifigkeit erhöht, da die Metalldicke zunimmt, ist es darüber hinaus schwieriger, das Teil zu bilden, und zwar wegen der Einschränkungen von Metallumformmaschinen. Von Bedeutung ist, das bei vielen Anwendungen ein Erhöhen der Blechlehre nicht auf wirksame Weise funktioniert, weil Masse und Steifigkeit proportional zunehmen, wobei keine Änderung der dynamischen Steifigkeitsfrequenz des Teils resultiert.
Schließlich kann das vollständige Füllen eines Teilstücks mit Schaum unerschwinglich teuer sein, es erzeugt eine große Wärmesenke und erfordert sorgfältige Abdichtungsmaßnahmen, um Zugangslöcher in den Pressteilen zu schließen.
Demgemäß wäre es erwünscht, eine preiswerte Technik zum Verstärken eines hohlen Strukturteils bereitzustellen, ohne die Masse proportional zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung stellt Teilstücke bereit, die eine erhöhte Festigkeit haben, ohne dass mäßige Zunahmen der Masse erfolgen und ohne dass große Volumina an kostspieligen Harzen verwendet werden. Bei vielen Anwendungen reduziert die vorliegende Erfindung Schwingungen, die ein unerwünschtes "Schütteln" einer Komponente bewirken, die zuerst einem Biegen und nicht einer Torsion unterzogen wird.
Kurzbeschreibung der Erfindung
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein verstärktes Strukturteil für Kraftfahrzeug-Anwendungen bereit. Die verstärkte Struktur ist ein hohler Träger wie ein Schienenteilstück oder dergleichen, das ein Paar gegenüberliegende innere Flächen hat. Der hohle Träger wird durch die Verwendung eines speziell geformten Einsatzes verstärkt. Der Einsatz ist ein linearer Träger, der zwei gegenüberliegende Platten aufweist, die im Wesentlichen die Breite des Hohlraums überspannen, der durch die Wände des hohlen Strukturteils definiert ist. Die gegenüberliegenden Platten haben im allgemeinen planare Oberflächen. Eine Schicht eines thermisch verschäumbaren Schaums mit Klebeeigenschaften ist an jede dieser planaren Oberflächen geklebt. Der Einsatz wird in dem Hohlraum des hohlen Strukturteils auf derartige Weise angeordnet, dass die Klebstoffschichten benachbart zu den gegenüberliegenden inneren Flächen des hohlen Trägers vorliegen. Der Träger mit dem verstärkenden Einsatz wird dann erwärmt, um die verschäumbaren Klebstoffschichten thermisch zu aktivieren. Wenn sich die Klebstoffschichten ausdehnen, verbinden sie sich auf sichere Weise mit den inneren Flächen des hohlen Trägers, um eine integrale Struktur zu bilden, d. h. einen strukturell verstärkten Träger.
In einem Aspekt ist der verstärkende Einsatz der vorliegenden Erfindung vollständig in dem hohlen Strukturteil eingeschlossen. In diesem Aspekt wird der Einsatz in einen offenen Kanal fallen gelassen, der dann mit einer oberen Platte verschlossen wird.
In einem Aspekt ist der verstärkende Einsatz der vorliegenden Erfindung ein Doppel-T-Träger, der aus Metall, glasgefülltem Nylon oder einem zementartigen Material, das Mikrokügelchen enthält, besteht.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Aspekt ein verstärktes Strukturteil bereitgestellt, umfassend ein Strukturteil, das einen Raum definiert, wobei das Strukturteil zwei einander gegenüberliegende Wände aufweist; einen verstärkenden Träger, der sich in dem Raum befindet, wobei der verstärkende Träger zwei einander gegenüberliegende Platten aufweist, jede der Platten eine Hauptfläche hat, die Platten durch einen vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind, die Hauptflächen ungefähr parallel zueinander sind und die Platten durch ein verbindendes strukturelles Abstandselement miteinander verbunden sind; einen ersten thermisch verschäumten Klebekörper, der sich auf einer der Hauptflächen befindet, und einen zweiten thermisch verschäumten Klebekörper, der sich auf der anderen Hauptfläche befindet; und wobei der erste thermisch verschäumte Klebekörper an eine der Wände des Strukturteils gebunden ist und der zweite thermisch verschäumte Klebekörper an die andere Wand der Strukturelemente gebunden ist.
Diese und andere Vorteile und Zwecke der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Querschnitt eines verstärkten Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem der verstärkende Einsatz eine Doppel-T-Träger-Konfiguration hat.
2 ist eine perspektivische Ansicht des verstärkten Trägers von 1, wobei die obere Platte entfernt ist, um den Einsatzträger freizulegen.
3 ist ein Querschnitt eines verstärkten Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem der verstärkende Einsatz eine Doppel-T-Träger-Konfiguration hat, wobei der Doppel-T-Träger aus zwei aneinandergepassten Bereichen aufgebaut ist.
4 ist ein Querschnitt eines verstärkten Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem der verstärkende Einsatz eine partielle Doppelrippen-Konfiguration hat.
5 ist ein Querschnitt eines verstärkten Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem der verstärkende Einsatz eine vollständige Doppelrippen-Konfiguration hat.
6 ist ein Querschnitt eines verstärkten Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem der verstärkende Einsatz eine Doppel-T-Träger-Konfiguration hat, die als doppelt gefaltete Struktur ausgebildet ist.
7 ist ein Querschnitt eines verstärkten Trägers gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem der verstärkende Einsatz eine Doppel-T-Träger-Konfiguration hat, wobei der Doppel-T-Träger eine gegossene zementartige Struktur ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Wenn man sich nun der 1 der Zeichnungen zuwendet, so wird ein verstärkter Träger 20 gezeigt, der im allgemeinen einen hohlen Träger oder Struktur 22 hat, die typischerweise ein Metall-Prägeteil ist, z. B. ein Schienenteilstück eines Kraftfahrzeugrahmens. Demgemäß umfasst der hohle Träger 22 ein lineares Kanal-Teilstück 24 mit einer oberen Metallplatte 26. Für die Zwecke der Beschreibung wird der hohle Träger 22 auf derartige Weise bezeichnet, dass er eine obere Fläche oder einen oberen Bereich 30 und eine untere Fläche oder einen unteren Bereich 32 hat, es ist aber klar, dass die Bezeichnungen oben und unten willkürlich sind und von der Geometrie und der Orientierung der fertigen Anordnung abhängen. Die obere Platte wird im allgemeinen an den Flanschen 34 durch Punktschweißen oder dergleichen an dem Teilstück 24 befestigt.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die Verwendung eines besonders ausgebildeten Strukturteils erreicht, umfassend einen verstärkenden Einsatz, in diesem Fall den Doppel-T-Träger 36, der ein Paar gegenüberliegende Platten 38 und 40 aufweist, die durch ein Überbrückungsteilstück oder Abstandsteilstück, Rippe 42, miteinander verbunden sind. Jede Platte hat eine assoziierte Hauptfläche, die hier als Hauptflächen 44 und 46 gezeigt werden. Auf jeder Hauptfläche 44 und 46 ist eine Schicht aus thermisch geschäumtem Klebeschaum 48 und 50 angeordnet, der sowohl als Mittel zum Befestigen des Doppel-T-Trägers 36 an seinem Platz als auch als schwingungsdämpfendes Element wirkt. Obwohl der Doppel-T-Träger 36 geradlinig sein kann, kann er bei vielen Anwendungen verschiedene Biegungen und Schrägen aufweisen, um mit der Geometrie des Teils übereinzustimmen, das verstärkt werden soll.
Eine Anzahl von Zusammensetzungen auf Harzbasis kann verwendet werden, um die Klebeschaumschichten 48 und 50 in der vorliegenden Erfindung zu bilden. Die bevorzugten Zusammensetzungen verleihen dem Träger 20 eine ausgezeichnete Festigkeit, Steifigkeit und schwingungsdämpfende Eigenschaften, während sie nur geringfügig das Gewicht erhöhen. Wendet man sich nun insbesondere der Zusammensetzung der Klebeschaumschichten 48 und 50 zu, so sollte die Dichte des Materials vorzugsweise etwa 20 pounds/ft.³ bis etwa 40 pounds/ft.³ betragen, um das Gewicht zu minimieren. Der Schmelzpunkt, die Wärmeformbeständigkeit und die Temperatur, bei der der chemische Zerfall erfolgt, müssen auch ausreichend hoch sein, damit die Schichten 48 und 50 im Wesentlichen ihre Struktur bei hohen Temperaturen beibehalten, die typischerweise in Lackieröfen und dergleichen angetroffen werden. Daher sollten die Klebeschaumschichten 48 und 50 in der Lage sein, Temperaturen von mehr als 400°F und vorzugsweise von 350°F kurze Zeitspannen auszuhalten. Auch sollten die Klebeschaumschichten 48 und 50 befähigt sein, Wärme von etwa 130°F bis 210°F während ausgedehnter Zeitspannen auszuhalten, ohne dass sie eine wesentliche wärmeinduzierte Verzerrung oder einen wesentlichen wärmeinduzierten Abbau aufweisen.
In ausführlicherer Weise schließen in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Klebeschaumschichten 48 und 50 ein synthetisches Harz, ein zeltbildendes Mittel und einen Füllstoff ein. Ein synthetisches Harz umfasst etwa 50 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, vorzugsweise etwa 55 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% und am meisten bevorzugt etwa 55 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-% des Materials, aus dem die Klebstoffschichten 48 und 50 gebildet werden. Der hierin verwendete Ausdruck "zeltbildendes Mittel" bezieht sich im allgemeinen auf Reagenzien, die Blasen, Poren oder Hohlräume in den Schichten 48 und 50 bilden. D. h. die Schichten 48 und 50 haben eine zelluläre Struktur, die zahlreiche Zellen aufweist, welche überall in ihrer Masse angeordnet sind. Diese zelluläre Struktur stellt ein Material mit geringer Dichte und hoher Festigkeit bereit, das im verstärkten Träger 20 eine starke, aber leichtgewichtige Struktur ergibt. Zellbildende Mittel, die mit der vorliegenden Erfindung verträglich sind, schließen verstärkende "hohe" Mikrokügelchen oder Mikrobläschen ein, die entweder aus Glas oder Kunststoff bestehen können. Kunststoff-Mikrokügelchen können entweder wärmehärtend oder thermoplastisch sein und entweder geschäumt oder nicht geschäumt sein. In einer Ausführungsform werden nicht geschäumte Mikrokügelchen verwendet, die dann verschäumt werden, um die Klebeschaumschichten 48 und 50 zu bilden. Die bevorzugten Mikrokügelchen haben einen Durchmesser von etwa 10 bis etwa 400 μm und vorzugsweise von etwa 40 bis etwa 100 μm. Das zellbildende Mittel kann auch ein größeres leichtgewichtiges Material umfassen, wie Makrokügelchen eines Durchmessers von mehr als 400 μm. Auch kann das zellbildende Mittel ein Treibmittel umfassen, das entweder ein chemisches Treibmittel oder ein physikalisches Treibmittel sein kann. Glas-Mikrokügelchen werden besonders bevorzugt. Wenn das zellbildende Mittel Mikrokügelchen oder Makrokügelchen umfasst, macht es etwa 10 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, vorzugsweise etwa 15 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und am meisten bevorzugt etwa 25 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% des Materials aus, das die Schichten 48 und 50 bildet. Wenn das zellbildende Mittel ein Treibmittel umfasst, macht es etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-% und am meisten bevorzugt etwa 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der Schichten 48 und 50 aus. Geeignete Füllstoffe schließen Glas- oder Kunststoff-Mikrokügelchen, Quarzstaub, Calciumcarbonat, gemahlene Glasfaser und gehackte Glasseidenstränge ein. Glas-Mikrokügelchen werden besonders bevorzugt. Andere Materialien können geeignet sein. Ein Füllstoff macht etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, vorzugsweise etwa 15 Gew.% bis etwa 45 Gew.-% und am meisten bevorzugt etwa 20 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% der Schichten 48 und 50 aus.
Bevorzugte synthetische Harze zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung schließen Duroplaste wie Epoxyharze, Vinylesterharze, wärmehärtbare Polyesterharze und Urethanharze ein. Es ist nicht beabsichtigt, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung durch die Molmasse des Harzes eingeschränkt wird, und geeignete Molmassen werden dem Fachmann auf der Basis dieser Offenbarung klar sein. Wenn die Harzkomponente des flüssigen Füllstoffmaterials ein wärmehärtbares Harz ist, können auch verschiedene Beschleuniger, wie "2-Ethyl-4-methylimidazol" und "Benzyldimiethylamin", und Härtungsmittel, vorzugsweise organische Peroxide wie "DI-CY" und "niedrige Konzentrationen von Aminen oder Imidazolen", eingeschlossen sein, um die Härtungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Eine funktionelle Menge des Beschleunigers beträgt typischerweise etwa 5 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% des Harzgewichts, wobei eine entsprechende Reduktion einer der drei Komponenten Harz, zeltbildendes Mittel oder Füllstoff erfolgt. Gleichermaßen beträgt die verwendete N enge des Härtungsmittels typischerweise etwa 1 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-% des Harzgewichts, wobei eine entsprechende Reduktion einer der drei Komponenten Harz, zeltbildendes Mittel oder Füllstoff erfolgt. Wirksame Mengen von Verfahrenshilfsmitteln, Stabilisatoren, Färbemitteln, UV-Absorbern und dergleichen können auch eingeschlossen sein. Thermoplaste können auch geeignet sein.
In den folgenden Tabellen sind bevorzugte Formulierungen für die Klebeschaumschichten 48 und 50 aufgeführt. Es wurde gefunden, dass diese Formulierungen Schichten 48 und 50 bereitstellen, die einen verstärkten Träger 20 mit ausgezeichneten Struktureigenschaften ergeben. Alle Prozentangaben in der vorliegenden Offenbarung sind Gew.-%, falls nichts Anderweitiges angegeben wird. Formulierung I

Inhaltsstoff Gew.-%

PEP 6134 68,5

EMI-24 1,2

Quarzstaub 4,0

DI-CY 4,3

Celogen OT 0,8

B38 22,2

Formulierung II

Inhaltsstoff Gew.-%

PEP 6134 60,5

DI-CY 4,8

DMP30 1,2

Celogen AZ 1,5

B38 32,0
Wenn man sich wieder den 1 und 2 der Zeichnungen zuwendet, so bedecken die Schaumschichten 48 und 50 vorzugsweise im Wesentlichen die Gesamtheit der Hauptflächen 44 und 46, z. B. wenigstens 80% derselben, und am meisten bevorzugt sind sie auf die Hauptflächen 44 und 46 beschränkt, d. h. in der am meisten bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Schichten 48 und 50 nicht über die Ränder der Hauptflächen 48 und 50. Bei einigen Anwendungen kann es jedoch erwünscht sein, weniger als 80% der Hauptflächen 44 und 46 mit den Schaumschichten 48 und 50 zu bedecken oder dieselben über die Ränder der Hauptflächen 48 und 50 erstrecken zu lassen. Wie in den 1 und 2 gezeigt wird, ist der Doppel-T-Träger 36 eine einheitliche Struktur, die profilgewalzter Stahl sein kann oder extrudiertes Aluminium oder in einer bevorzugten Ausführungsform glasgefülltes Nylon umfassen kann. Andere Materialien können für eine gegebene Anwendung geeignet sein. Obwohl nicht beabsichtigt ist, den vollständigen Bereich der vorliegenden Erfindung durch irgendwelche speziellen Größen einzuschränken, ist jedoch typischerweise die Dicke der Wände des Doppel-T-Trägers 36 etwa 0,8 mm bis etwa 1,0 mm. Die Länge der verbindenden Rippe 42 ist typischerweise etwa 1 in. bis etwa 1 ft. und die Breite der Hauptflächen 44 und 46 ist jeweils etwa .5 in. bis etwa 10 ft. Die Länge des Doppel-T-Trägers 36 beträgt typischerweise etwa 6 in. bis etwa 10 ft. Die Dicke jeder der Schichten 48 und 50 beträgt vorzugsweise etwa 3 mm bis etwa 6 mm im vollständig verschäumten Zustand. Dies stellt eine Ausdehnung des Materials, wenn der verstärkte Träger 20 erwärmt wird, von etwa 50 bis etwa 100 Vol.-% dar. Es wird bevorzugt, dass die Ränder der Platten 38 und 40 von den Innenwänden des Teilstücks 24 etwa 5 mm bis etwa 8 mm entfernt sind.
Die Klebeschichten 48 und 50 werden am meisten bevorzugt vorher als Bänder oder Platten durch Extrusion der bevorzugten Mischung auf Harzbasis durch eine geeignete Düse geformt. Das Band wird dann zu einer solchen Länge geschnitten, dass Stücke gebildet werden, die zu den Hauptflächen 44 und 48 passen. Die vorher geschnittenen Streifen sind ausreichend klebrig, um gut an den Hauptflächen 44 und 46 zu haften, so dass ein zusätzlicher Klebstoff im allgemeinen nicht notwendig ist.
Wenn wir uns nun der 3 der Zeichnungen zuwenden, so wird ein Doppel-T-Träger 36' gezeigt, der zwei separate C-förmige Kanalstücke 52 und 54 umfasst.
Die Kanalstücke 52 und 54 können extrudiertes Aluminium, glasgefülltes Nylon oder gepresster oder profilgewalzter Stahl sein. Die Kanalstücke 52 und 54 können, wie in der Zeichnung gezeigt wird, durch eine Anzahl von Verfahren miteinander verbunden werden, z. B. Punktschweißen oder dergleichen. Anders als die zweiteilige Konstruktion des Doppel-T-Trägers 36' ist der verstärkte Träger der 3 im Wesentlichen mit der Struktur identisch, die in Verbindung mit den 1 und 2 beschrieben wurde, demgemäß bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
Wenn wir uns nun der 4 der Zeichnungen zuwenden, so wird ein Doppel-T-Träger 36'' gezeigt, der ein Doppelriopenteil 46 einschließt, das den Doppelrippenkanal 58 am Raum 60 der Platte 40' definiert. Der Doppel-T-Träger 36'' wird vorzugsweise aus extrudiertem Aluminium oder glasgefülltem Nylon gebildet. Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, den Doppel-T-Träger 36'' mit zwei Doppelrippenteilen zu konstruieren, d. h. eines in Verbindung mit jeder Platte 38',40. Wiederum wird anders als die Geometrie des Doppel-T-Trägers 36'' der verstärkte Träger der 3 gemäß der Beschreibung hergestellt, die hierin für die 1 und 3 bereitgestellt wird.
In der 5 bilden die Rippen 62 und 64 ein Rippenpaar in dem verstärkenden Doppelrippen-Einsatz 66. Der Doppelrippen-Einsatz 66 besteht vorzugsweise aus extrudiertem Aluminium oder glasgefülltem Nylon. Die Rippen 62 und 64 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Länge des verstärkenden Doppelrippen-Einsatzes 66. In der 6 der Zeichnungen wird eine weitere Konfiguration der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der der gefaltete verstärkende Einsatz 68 gefaltete Bereiche 70 hat. Der gefaltete verstärkende Einsatz 68 ist ein profilgewalztes Metall.
Wenn wir uns nun der 7 der Zeichnungen zuwenden, so wird ein Doppel-T-Träger 72 gezeigt, der durch Gießen eines Schaumzement-Materials gebildet wird. Insbesondere wurde gefunden, dass ein Doppel-T-Träger 72 auf Portlandzement-Basis zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung erwünscht ist. Das Material auf Portlandzement-Basis weist eine Kombination von Mikrokügelchen und Makrokügelchen, Zement, Wasser und Quarzstaub auf.
In den folgenden Tabellen werden bevorzugte Formulierungen für Mischungen auf Zement/Wasser-Basis für den Doppel-T-Träger 72 beschrieben.
Die Standardmischung wird mit gleichen Volumina an Zement, Portland Typ 1A oder Typ 1, wie er im Buch der Portland Cement Association mit dem Titel "Design and Control of Concrete Mixtures", 11. Auflage (Library of Congress catalog card number 29-10592) definiert ist, und einem gleichen Volumen an Mikrokügelchen hergestellt.
Dies Schüttdichte des Portland-Zements Typ 1A beträgt etwa 75 bis 80 pounds/ft.³. Die Schüttdichte der Mikrokügelchen ist 15 pounds/ft.³. Durch Kombination der beiden in gleichen Mengen beträgt das spezifische Gewicht der kombinierten trockenen Mischung 25 bis 40 pounds/ft.³ aus etwa einer Gewichtshälfte Zement.
Die zu der Mischung zugefügte Wassermenge beträgt zwischen 35 und 50 Gew.-% de, Zements. Wenn die Mischung 800 g Zement aufweist, wären somit 400 g Wasser zuzufügen. Die Mischung weist 220 bis 650 g Mikrokügelchen auf.
Durch die Zugabe von Quarzstaub weist die Kombination aus Portlandzement und Mikrokügelchen eine verbesserte Feuchtigkeitsbeständigkeitseigenschaft auf. Quarzstaub ist ein Staubmaterial, das aus Rauchgaskaminen gesammelt wird. Der Quarzstaub stellt winzige inerte Teilchen dar, die einen Durchmesser von 15 μm haben. Wenn die inerten Quarzteilchen zu der trockenen Zement-Mischung gegeben werden, verstopfen die Teilchen die Zwischenräume zwischen den Zementteilchen und den Mikrokügelchen. Die Quarzstaubteilchen verstopfen die Poren zwischen dem Zement und verbessern dadurch stark die Feuchtigkeitsbeständigkeit des gehärteten Produkts. Die zugefügte Menge an Quarzstaub beträgt etwa 10 bis 20 Gew.-% des Zements.
Es gibt zwei Arten von Quarzstaub, eine, die behandelt wurde, und die andere, die nicht behandelt wurde. Der behandelte Quarzstaub weist einen Weichmacher auf, der auch die Mischung gleitfähig macht und weiterhin den Wassergehalt reduziert.
Um die Feuchtigkeitsbeständigkeit des fertigen Produkts zu erhöhen, können andere Materialien anstelle des Quarzstaubs verwendet werden. Diese sind Materialien auf wässriger Basis wie ein Latex, der von Dow Chemical Co., Midland, Michigan hergestellt wird, oder ein Urethan, Acryl oder Epoxy auf wässriger Basis. Solche Materialien haben die Eigenschaft, die Innenräume zwischen den Zementteilchen zu verstopfen. Quarzstaub vereinigt sich tatsächlich auf chemische Weise mit dem Zement und verbessert die Eigenschaften des Zements. Der Latex vereinigt sich nicht chemisch mit dem Zement, er kann aber verwendet werden, um die Zementporen zu verstopfen und dadurch das Verhältnis von Wasser zu Zement zu reduzieren. Die Urethan-, Acryl- und Epoxy-Verbindungen auf wässriger Basis ergeben das gleiche Ergebnis der Verstopfung wie ein Latex oder Quarzstaub.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindung hierin gezeigt und beschrieben wurden, sollte es klar sein, dass die Erfindung natürlich nicht darauf beschränkt ist, da viele Modifizierungen – insbesondere durch den Fachmann – im Sinne dieser Offenbarung durchgeführt werden können. Es ist daher beabsichtigt, dass durch die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifizierungen, die in den Bereich der Erfindung fallen, abgedeckt sind und die Erfindung allein durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

verstärktes Strukturelement (20), umfassend: ein Strukturelement (22), das einen Raum definiert, wobei das Strukturelement zwei einander gegenüberliegende Wände (30, 32) aufweist; einen verstärkenden Träger (36), der sich in dem Raum befindet, wobei der verstärkende Träger zwei einander gegenüberliegende Platten (38, 40) aufweist, wobei jede der Platten eine Hauptfläche (44, 46) hat, wobei die Platten durch einen vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind, wobei die Hauptflächen ungefähr parallel zueinander sind, wobei die Platten durch ein verbindendes strukturelles Abstandselement (42) miteinander verbunden sind; einen ersten thermisch expandierten strukturellen Schaumstoffklebekörper (48), der sich auf einer der Hauptflächen (44) befindet, und einen zweiten thermisch expandierten strukturellen Schaumstoffklebekörper (50), der sich auf der anderen Hauptfläche (46) befindet; und wobei der erste thermisch expandierte strukturelle Schaumstoffklebekörper (48) an eine der Wände (30) des Strukturelements (22) gebunden ist und der zweite thermisch expandierte strukturelle Schaumstoffklebekörper (50) an die andere Wand (32) des Strukturelements (22) gebunden ist, um das Strukturelement zu verstärken.
Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 1, wobei sich die Hauptflächen des verstärkenden Trägers im Wesentlichen ganz über die Länge des verstärkenden Trägers, der eine Verstärkung benötigt, erstrecken.
Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und der zweite Klebekörper im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Hauptflächen bedecken.
Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Hauptflächen planare Flächen sind.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Klebekörper planare Bänder aus thermisch expandiertem strukturellem Schaumklebstoff umfassen.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der verstärkende Träger einen Doppel-T-Träger umfasst.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der verstärkende Träger aus profilgewalztem Metall besteht.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das verbindende strukturelle Abstandselement des verstärkenden Trägers eine C-förmige Struktur ist, die einen Kanal definiert.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei es sich bei dem verstärkenden Träger um ein Paar von aneinandergepassten C-förmigen Kanälen handelt, die unter Bildung eines Doppel-T-Trägers miteinander verbunden sind.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens eine der Hauptflächen diskontinuierlich ist, so dass ein longitudinaler Raum darin gebildet wird.
Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 10, wobei das verbindende strukturelle Abstandselement ein Paar von parallelen, einander gegenüberliegenden linearen Wänden bildet, die eine Brücke an dem longitudinalen Raum bilden.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei es sich bei dem verbindenden strukturellen Abstandselement um ein Paar von parallelen Seitenwänden handelt.
Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 7, wobei es sich bei dem profilgewalzten Metall um Stahl handelt.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem verstärkenden Träger um extrudiertes Aluminium handelt.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei es sich bei dem verstärkenden Träger um glasgefülltes Nylon handelt.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei es sich bei dem verstärkenden Träger um ein zementartiges Material handelt.
Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 16, wobei das zementartige Material Mikrokugeln und Zement enthält.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Klebekörper auf den Bereich der Hauptflächen beschränkt sind.
Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 16, wobei der verstärkende Träger gebildet wird, indem man das zementartige Material unter Bildung eines Doppel-T-Trägers gießt.
Verstärktes Strukturelement gemäß Anspruch 6, wobei der Doppel-T-Träger zwei C-Kanäle aus gepresstem Metall umfasst, die durch Punktschweißen miteinander verbunden sind.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Klebekörpern um einen zweikomponentigen lufthärtenden Klebstoff handelt.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei es sich bei den Klebekörpern um einen einkomponentigen Klebstoff handelt.
Verstärktes Strukturelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Klebekörper Mikrokugeln enthalten.
Einsatz für ein hohles Strukturelement (22), wobei der Einsatz folgendes umfasst: einen verstärkenden Träger (36) mit zwei einander gegenüberliegenden Platten (38, 40), wobei jede der Platten eine Hauptfläche (44, 46) hat; einen ersten thermisch expandierbaren planaren Klebekörper, der sich auf einer der Hauptflächen befindet; einen zweiten thermisch expandierbaren planaren Klebekörper, der sich auf der anderen Hauptfläche befindet; wobei die Klebekörper einen strukturellen Schaumstoff umfassen.
Einsatz für ein hohles Strukturelement gemäß Anspruch 24, wobei der verstärkende Träger ein Doppel-T-Träger ist.
Einsatz gemäß Anspruch 25, wobei es sich bei dem Doppel-T-Träger um glasgefülltes Nylon handelt.
Einsatz gemäß Anspruch 25, wobei es sich bei dem Doppel-T-Träger um ein gegossenes zementartiges Material handelt.
Einsatz gemäß einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Klebekörper einen aufschäumbaren Klebstoff umfassen.
Verfahren zur Verstärkung eines hohlen Strukturelements (22) mit einer oberen und einer unteren Wand (30, 32), die einander gegenüberliegen, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Einsatzes, wobei der Einsatz einen verstärkenden Träger (36) umfasst, wobei der verstärkende Träger ein Paar von einander gegenüberliegenden Platten (38, 40) aufweist, wobei jede der einander gegenüberliegenden Platten eine Hauptfläche hat; Extrudieren eines bandförmigen thermisch expandierbaren Klebekörpers; Schneiden des bandförmigen thermisch expandierbaren Körpers in Stücke, die etwa dieselbe Fläche haben wie die Hauptflächen der einander gegenüberliegenden Platten; Aufbringen eines der geschnittenen Stücke des thermisch expandierbaren Klebekörpers auf jede der Hauptflächen, so dass die thermisch expandierbaren Körper adhäsiv an den Hauptflächen befestigt sind; Einsetzen des Einsatzes in das hohle Strukturelement, so dass sich einer der Klebekörper in der Nähe der Oberseite des hohlen Strukturelements befindet und sich der andere Klebekörper in der Nähe der Unterseite des hohlen Strukturelements befindet; und Erhitzen des hohlen Strukturelements und des Einsatzes, so dass die Klebekörper thermisch expandieren und einer der Klebekörper mit der Oberseite des hohlen Strukturelements verklebt wird und der andere Klebekörper mit der Unterseite des hohlen Strukturelements verklebt wird.