DE9210180U1 - Profilträger - Google Patents

Profilträger

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Description

Anmelder : Leichtmetallbau Mauderer GmbH
Goßholzer Str. 44
8998 Lindenberg/Allgäu
Die Erfindung betrifft einen Profilträger oder dergleichen.
Bisherige Profilträger aus dem Leichtmetall Aluminium
haben infolge ihres erheblich niedrigeren
Elastizitätsmodules gegenüber Trägerprofilen aus dem
Werkstoff Stahl auch eine im gleichen Verhältnis
verminderte Biegefestigkeit.
Um vergleichbare Biegefestigkeiten eines Stahlprofiles zu erreichen, muß der Profilquerschnitt eines
Aluminiumträgers erhöht werden. Bedingt durch diese
Volumenvergrößerung, wird dessen wesentlicher Vorteil, der des geringen spezifischen Gewichtes verglichen mit dem eines Stahlprofilträgers, weitgehend kompensiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuartigen
Profilträger aus einem Material zu schaffen, das im
wesentlichen die Eigenschaft des niedrigen spezifischen Gewichtes des Aluminiums bei gleichzeitiger Erhöhung
des Elastizitätsmodules und damit der Biegesteifigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im räumlichen Abstand vom Schwerpunkt des Profilquerschnittes ein mindestens sich über einen wesentlichen Teil der Trägerlänge erstreckendes, bei Belastung und somit Biegung des Trägers auf Zug beanspruchtes Verstärkungselement angeordnet ist, das mindestens an seinen beiden Enden kraft- oder formschlüssig mit dem Profilträger verbunden und mindestens einseitig zur neutralen Biegefaser des Trägers hin auf vorgegebener Bahn zu diesem gehalten wird.
Dieser neuartige Profilträger gemäß der Erfindung hat sein Einsatzgebiet unter anderem für Verladeschienen, Leitern, Masten, Aufbauten für Lastkraftwagen, Brücken, Stege, Gangways, Meßlatten, Gerüste, Geländerträger, Stützpfosten, etc.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Biegefestigkeit eines Profilträgers erheblich erhöht werden kann ohne die maßgeblichen Außenabmessungen des Trägers zu vergrößern und damit sein Gewicht wesentlich zu erhöhen. Die prozentuale Zunahme der Biegefestigkeit ist größer als die auf das Ausgangsgewicht bezogene Gewichtszunahme.
Die mathematische Behandlung des Problemes innerhalb der Technischen Mechanik, Festigkeitslehre liegt vor.
Einen großen Vorteil bietet die Möglichkeit, ein und dasselbe Profil für verschiedene Anwendungs- bzw. Belastungsfälle verwenden zu können. Es kann je nach rechnerischer Auswertung des betreffenden Belastungsfalles der Profilträger
- ohne Verstärkungselement
- mit Verstärkungselement aus dem Werkstoff des Trägers und damit den gleichen werkstoffspezifischen Eigenschaften (E-Modul)
- mit Verstärkungselement das höhere werkstoff spezifische Eigenschaften aufweist
eingesetzt werden. Durch die Wahl des geeigneten Materiales für das Verstärkungselement läßt sich eine Anpassung an den jeweiligen Belastungsfall erzielen, ohne den Profilquerschnitt verändern zu müssen. Es ergeben sich Kostenersparnisse sowohl aufgrund von Materialeinsparung als auch aus fertigungstechnischer Sicht. Desweiteren kann die kostenintensive Produktpalette an Profilträgern reduziert werden.
Wesentlich gemäß der Erfindung ist, das sich das oder die Verstärkungselemente möglichst weit vom gemeinsamen Schwerpunkt des Profilträgers und des Verstärkungselementes und im Belastungsfalle möglichst weit von der neutralen Biegefaser des Trägers befinden. Die Anordnung muß so gestaltet werden, das die Verstärkungselemente im Belastungsfall auf Zug beansprucht werden.
Bei bekanntem Belastungsfall wie schwellende Belastung und damit definierter Zugseite des Profilträgers genügt das Anbringen des Verstärkungselementes an eben dieser Profilseite. Ist der Belastungsfall unbekannt, oder handelt es sich um wechselnde Belastung so werden mehrere Verstärkungselemente entweder orthogonal zur angreifenden Last an diametral gegenüberliegenden Flächen des Profilträgers oder bei Rundprofilen an gleichen Umfangsabständen angeordnet.
Im einfachsten Fall werden die Verstärkungselemente, die vorzugsweise in der Form von Flachmaterial oder Rundmaterial ausgebildet sind, an der Außenseite des Profilträgers angebracht. Sie haben in der Regel die Länge des Profilträgers und sind an dessen Enden befestigt.
Im Belastungsfall und damit bei Durchbiegung des Profilträgers ergibt sich eine durch das Verstärkungselement resultierende, erhöhte Biegefestigkeit, die die maximale Durchbiegung des Trägers reduziert. Durch die Aufbringung einer Vorspannkraft in Längsrichtung des Profilträgers bei der Montage des oder der Verstärkungselemente läßt sich die Durchbiegung des Trägers infolge seines Eigengewichtes kompensieren. Dadurch steht die maximal zulässige Durchbiegung voll für die in den DIN-Normen definierten Belastungsfälle zur Verfügung.
Alternativ kann der Profilträger mit einer durch einen Innensteg begrenzten Nut unmittelbar benachbart einer Profilaußenwand versehen werden. Diese Ausbildung einer Führungsnut ist notwendig, um das Verstärkungselement bei Biegung des Profilträgers auf vorgegebener Bahn an der Innenfläche der Außenwand des Trägers zu halten.
Die schubfeste Verbindung des Verstärkungselementes an den Enden des Profilträgers kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es sind form- und kraftschlüssige Verbindungsvarianten möglich. Das Verstärkungselement kann angeklebt, angeschraubt oder auch angenietet werden. Desweiteren kann das Verstärkungselement verformt, z.B. verquetscht oder abgekantet werden. Wesentlich ist, daß sich im Belastungsfall und somit bei einer Durchbiegung des Profilträgers die Enden des Verstärkungselementes nicht relativ zum Träger verschieben können.
Kleine Relativverschiebungsmöglichkeiten eines Endes das Verstärkungselementes gegenüber dem Profilträger können konstruktiv vorgegeben werden, um der je nach Material des Verstärkungselementes unterschiedlichen Wärmeausdehnung Rechnung zu tragen. Wird als Profilträger Aluminium und als Verstärkungselement hochlegierter, austenitischer Chrom-Nickel-Stahl (Wkst-Nr.: 1.4301) verwendet, so ergibt sich das Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten
OAiu/ast am ■ 1 ,462
Die Wärmeausdehnungsdifferenz beträgt bei einer Temperaturdifferenz von 500C und einem 5000 mm langen Profilträger mit ebenso langem Verstärkungsband 1,85mm. Durch einfache konstruktive Maßnahmen können diese temperaturbedingten Relativverschiebungen zwischen Trägerprofil und Verstärkungselement kompensiert werden. Bei den durch den Werkstoff Aluminium vorgegebenen Einsatztemperaturen ist es aber auch zulässig, das Verstärkungselement form- oder kraftschlüssig ohne Spiel in Längsrichtung am Träger zu befestigen, da bei der behinderten Wärmedehnung vergleichsweise geringe Spannungen auftreten, die durch entsprechende Dimensionierung des Verstärkungselementes leicht aufgenommen werden können.
Ein weiteres Merkmal ist dahingehend gegeben, das der Profilträger an der dem Verstärkungselement gegenüberliegenden Seite Rippen oder Stege aufweist, welche das Ausknicken bzw. das Ausbeulen verhindern. Falls zwei gegenüberliegende Seiten mit Verstärkungselementen versehen sind so sind ebenfalls Rippen oder Stege vorzusehen, um allen denkbaren Belastungsfällen standzuhalten.
Anhand von Skizzen, die einige Ausführungsbeispiele darstellen, sei die Erfindung näher charakterisiert.
Es zeigt:
FIG 1 Einen Profilträger, der infolge der Vorspannkraft des Verstärkungselementes eine geringe, nach oben gerichtete Durchbiegung aufweist.
FIG 2 einen Profilträger, statisch bestimmt gelagert, auf zwei Stützen ohne Belastung. Die Durchbiegung der Trägers infolge seines Eigengewichtes wird durch die Vorspannung des Verstärkungselementes vollständig kompensiert.
FIG 3 den Profilträger gemäß FIG 2, jedoch unter einer von außen angreifenden Belastung.
FIG 4 einen Profilträger im Querschnitt mit einseitigem Verstärkungselement und einem, diesem gegenüberliegenden Verstärkungssteg.
FIG 5 einen Querschnitt eines abgewandelten Kastenprofiles mit einer Außennut, in welcher ein Verstärkungselement eingelegt ist.
FIG 6 den Querschnitt eines Dreieckträgers mit drei innenliegenden, in einer Führungsnut sich befindlichen Verstärkungsbändern.
FIG 7 Den Querschnitt eines Rundprofiles mit vier in gleichen Umfangsabständen angeordneten Verstärkungselementen aus Rundmaterial.
FIG 1 zeigt einen Profilträger (1) der infolge der Vorspannkraft des Verstärkungselementes (3) eine leichte, nach der neutralen Biegefaser (5) hin gerichtete Durchbiegung aufweist. Theoretische Durchbiegung bei Fehlen der Erdbeschleunigung orthogonal in Richtung der dem Verstärkungselement gegenüberliegenden Seite.
In FIG 2 ist ein Profilträger (1) dargestellt, benachbart dessen Unterseite (2) ein Verstärkungselement (3) innerseitig anliegend angeordnet und an den Enden des Trägers jeweils mit drei Nieten (4) befestigt ist. Die neutrale Biegefaser ist in FIG 2 mit (5) gekennzeichnet. Die Durchbiegung des Profilträgers infolge seines Eigengewichtes wird durch die Vorspannkraft des Verstärkungselementes verhindert.
FIG 3 zeigt den Profilträger (1) unter Belastung einer von außen aufgebrachten Kraft (6). Dadurch verformt sich der Träger in charakteristischer Weise je nach dem Betrag und dem Lastangriffspunkt der aufgebrachten Kraft (Gleichung der elastischen Linie). Die neutrale Faser (5) ändert ihre Länge nicht. Die Unterseite (2) wird auf Zug beansprucht und sucht sich zu verlangen. Dieser Durchbiegung des Profilträgers wirkt neben seiner Biegefestigkeit selbst auch die zusätzliche Biegefestigkeit des Verstärkungselementes entgegen die sich aus dem Produkt seines Flächenträgheitsmomentes bezogen auf die neutrale Biegefaser und dem materialabhängigen Elastizitätsmodules ergibt. Hier ergeben sich aus konstruktiver Sicht und aus der Wahl des geeigneten Materiales vielfältige Möglichkeiten die resultierende Biegefestigkeit optimal an den gegebenen Belastungsfall anzupassen.
Wichtig ist bei der Anordnung des Verstärkungselementes, daß sich dieses nach Möglichkeit in großem räumlichen Abstand zur neutralen Biegefaser (5) befindet und an der Unterseite (2) des Trägers so angeordnet ist, das es auf vorgegebener Bahn gehalten wird, d.h. das es nicht in Richtung der neutralen Faser ausweichen kann. Dies kann durch Führungsnuten bzw. Führungsstegen erfolgen oder aber indem das Verstärkungselement einfach mittels zusätzlicher Halteelemente, z.B. Nieten in Anlage an der Innenseite der Außenwand des Trägers (1) gehalten wird.
FIG 4 zeigt einen Profilträger (11) mit einseitigem, in einer Nut geführtem Verstarkungselement (13), der einen rechteckförmigen Querschnitt besitzt. Es handelt sich hier um ein doppelt geschlossenes, dünnwandiges Hohlprofil. Das Verstarkungselement (13) kann aus gleichem Material wie das des Profilträgers oder aus einem Material mit höheren Festigkeitswerten und höherem &Egr;-Modul bestehen. Damit läßt sich das Profil an unterschiedliche Belastungsfälle anpassen. Die dem Verstärkungselement (13) gegenüberliegende Seite (14) des Profiles (11) weist einen Quersteg (15) auf, welcher dem Ausbeulen im Belastungsfall entgegenwirken soll. Das dargestellte Profil ist für den Belastungsfall "schwellend" ausgelegt, wobei die Wirkungslinie der Belastung von oben in Richtung der y-Achse anzusetzen ist.
FIG 5 zeigt einen Kastenträger (21) der durch zwei gegenüberliegende Außenstege (22), die das ebenfalls an der Außenfläche der Außenwand (24) anliegende Verstarkungselement (23) übergreifen, gekennzeichnet ist.
FIG 6 zeigt einen Dreiecksträger (31) an dessen drei ebenen Wänden jeweils Innenstege (32) vorgesehen sind, die mit den Wänden Längsnuten bilden, in welchen Verstärkungsbänder (33) eingezogen sind.
FIG 7 zeigt schließlich ein kreiszylindrisches Hohlprofil (41) das innenseitig vier, um jeweils den gleichen Umfangsabstand voneinander versetzte Röhren (42) aufweist, in welchen Verstärkungselemente (43) in Form von Rundmaterial eingezogen sind. Das Profil gemäß FIG 6 findet Anwendung beispielsweise für hohe Masten, die in allen horizontalen Richtungen Belastungen ausgesetzt sind.

Claims (9)

nrtfi nsprüche
1. Profilträger oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet daß im räumlichen Abstand vom Schwerpunkt des Profilquerschnittes mindestens ein sich über einen wesentlichen Teil der Profilträgerlänge erstreckendes, bei Biegung des Trägers auf Zug beanspruchtes Verstärkungselement ( 3; 13; 23; 33; 43 ) angeordnet ist, das mindestens an seinen Enden am Profilträger befestigt und mindestens einseitig zur neutralen Faser hin auf vorgegbener Bahn am Profilträger gehalten ist.
2. Profilträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement die gleiche oder eine höhere Zugfestigkeit als der Profilträger aufweist.
3. Profilträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement aus einem Material mit gleichem oder höherem Elastizitätsmodul als das des Profilträgers besteht.
4. Profilträger nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Verstärkungselemente durch Aufbringen einer äußeren Kraft in Längsrichtung des Profilträgers vorgespannt werden.
5. Profilträger nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil eine durch einen
Innensteg ( 12; 32 ) begrenzte Nut unmittelbar
benachbart einer Profilaußenwand aufweist, und daß das Verstärkungselement ( 13; 33 ) in der Nut
aufgenommen ist.
6. Profilträger nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement ( 23 ) an der Außenfläche ( 24 ) des Profiles anliegt.
7. Profilträger nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil mindestens zwei
einander diametral gegenüberliegende Verstärkungselemente ( 43; 43 ) aufweist.
8. Profilträger nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Verstärkungselemente aus Bandmaterial, Rundmaterial oder
beliebiger geometrischer Form bestehen.
9. Profilträger nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil an der dem
Verstärkungselement gegenüberliegenden Seite
Rippen oder Stege ( 15 ) aufweist.
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