EP3460114A2 - Faserverbundstruktur, verzweigungsknoten zum gebäudebau sowie verfahren zur herstellung des verzweigungsknotens zum gebäudebau - Google Patents

Faserverbundstruktur, verzweigungsknoten zum gebäudebau sowie verfahren zur herstellung des verzweigungsknotens zum gebäudebau Download PDF

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EP3460114A2
EP3460114A2 EP18191052.2A EP18191052A EP3460114A2 EP 3460114 A2 EP3460114 A2 EP 3460114A2 EP 18191052 A EP18191052 A EP 18191052A EP 3460114 A2 EP3460114 A2 EP 3460114A2
Authority
EP
European Patent Office
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braiding
braid
core
braided
arm
Prior art date
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Application number
EP18191052.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3460114A3 (de
EP3460114B1 (de
Inventor
Florian Jonas
Jan Knippers
Götz Theodor Gresser
Larissa Born
Markus Milwich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart
Universitaet Stuttgart
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Original Assignee
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart
Universitaet Stuttgart
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3460114A3 publication Critical patent/EP3460114A3/de
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    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04C—BRAIDING OR MANUFACTURE OF LACE, INCLUDING BOBBIN-NET OR CARBONISED LACE; BRAIDING MACHINES; BRAID; LACE
    • D04C1/00—Braid or lace, e.g. pillow-lace; Processes for the manufacture thereof
    • D04C1/02—Braid or lace, e.g. pillow-lace; Processes for the manufacture thereof made from particular materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04C—BRAIDING OR MANUFACTURE OF LACE, INCLUDING BOBBIN-NET OR CARBONISED LACE; BRAIDING MACHINES; BRAID; LACE
    • D04C1/00—Braid or lace, e.g. pillow-lace; Processes for the manufacture thereof
    • D04C1/06—Braid or lace serving particular purposes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C3/00—Structural elongated elements designed for load-supporting
    • E04C3/30—Columns; Pillars; Struts
    • E04C3/34—Columns; Pillars; Struts of concrete other stone-like material, with or without permanent form elements, with or without internal or external reinforcement, e.g. metal coverings
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
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    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2403/00—Details of fabric structure established in the fabric forming process
    • D10B2403/02—Cross-sectional features
    • D10B2403/024—Fabric incorporating additional compounds
    • D10B2403/0241—Fabric incorporating additional compounds enhancing mechanical properties
    • D10B2403/02411—Fabric incorporating additional compounds enhancing mechanical properties with a single array of unbent yarn, e.g. unidirectional reinforcement fabrics
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
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    • D10B2505/02—Reinforcing materials; Prepregs
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    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/16—Structures made from masses, e.g. of concrete, cast or similarly formed in situ with or without making use of additional elements, such as permanent forms, substructures to be coated with load-bearing material
    • E04B1/165—Structures made from masses, e.g. of concrete, cast or similarly formed in situ with or without making use of additional elements, such as permanent forms, substructures to be coated with load-bearing material with elongated load-supporting parts, cast in situ

Definitions

  • the present invention relates to a fiber composite structure, a branching node for building construction and methods for producing a mesh, the fiber composite structure and the branching node for building construction.
  • Structural components must meet high requirements in order to be suitable for building construction.
  • branching nodes are only produced at great expense or they are limited in terms of their application.
  • Branching nodes known in the art are for example welded connections with slotted plates or connecting rods (see Figure 1A ). Such branching nodes have an offset of the outer contour. They are predominantly used for connections requiring normal force, but are designed as planned for no or few moments. In addition, the above connections are optically not appealing.
  • Steel cast nodes are known as further node structures, as shown for example in FIG. 1C. Such cast steel nodes meet high aesthetic standards. In addition, the geometry can be adapted to the power flow. However, the production requires high financial investment in molds and casting tools. This makes economic sense only if a plurality of identically constructed node connections to be produced with identical geometries. Structures with different node structures made of cast steel nodes are therefore only partially feasible and associated with a high financial outlay.
  • the present invention has for its object, a branch node for building, which should be produced with a high degree of design freedom, a braid and a fiber composite structure for producing the fiber composite structure or the branching node, and a manufacturing method for the braid, a manufacturing method for the fiber composite structure and to provide a manufacturing method for the branching node.
  • a braid is created by the regular crossing of several strands of a braiding material with corresponding ondulation points in the braiding process.
  • the difference to weaving or stitching is that during braiding, the strands of the braiding material are not fed at right angles. A fiber orientation (orientation of the strands, braid angle) of 0/90 ° is therefore not possible.
  • the strands can be crossed, for example, +/- 45 ° in the mesh.
  • An additional difference to the sewing effect is that during braiding, a connection between the strands is achieved by crossing and ondulation, whereas in sewing, superimposed warp and weft threads are connected to each other by looping with stitch threads.
  • a braid is a product made by braiding.
  • step (A) of the method according to the invention a braided core is provided.
  • the spatial shape of the braid as well as the fiber composite structure according to the invention and the branching node according to the invention are essentially determined by the spatial shape of the braided core.
  • the material of which the braid core is constructed (braided core material), is subject to no particular restriction, so basically any dimensionally stable material can be used.
  • any dimensionally stable material can be used.
  • inexpensive and easy-to-work materials can be used, whereby the inventive method and the products obtained therefrom are particularly inexpensive.
  • the greatest possible flexibility in terms of the spatial shape of the mesh is given.
  • the braided core can basically be produced in any desired manner.
  • the braided core consists of a low-cost and easy-to-work material. Examples include organic polymers and mineral-containing sand (special sand), which can be easily processed, for example by milling.
  • the braided core can also be produced additively, for example by 3D printing.
  • the braided core is constructed of a material which can be easily removed after completion of the braid.
  • the braided core can be constructed, for example, from a milled material. Suitable millable materials include metal, wood, plastic (preferably one or more organic polymers), specialty sand, and combinations thereof.
  • the braid core preferably comprises a material which is in a fluid, preferably in a liquid, more preferably in an organic solvent (for example methanol, ethanol, acetone, dichloromethane, isopropanol, methyl ethyl ketone, n-hexane, toluene, diethyl ether, acetone being preferred).
  • organic solvent for example methanol, ethanol, acetone, dichloromethane, isopropanol, methyl ethyl ketone, n-hexane, toluene, diethyl ether, acetone being preferred.
  • Water and / or a mixture thereof is soluble.
  • the braid core is constructed of an organic polymer.
  • the organic polymer is preferably foamed, wherein the foamed organic polymer is preferably closed-cell.
  • a preferred organic polymer is polystyrene. It is particularly preferred that the core is composed of extruded polystyrene (XPS, Styrodur®) or expanded polystyrene (EPS, Styrofoam®), with XPS being particularly preferred.
  • XPS extruded polystyrene
  • EPS expanded polystyrene
  • Polystyrene is highly soluble in several organic solvents (eg, acetone, dichloromethane), allowing for easy operation of step (E) by dissolving the core in the organic solvent.
  • the braid core is made of a cured mixture comprising sand, binder and solvent.
  • the mixture consists of sand, binder and solvent.
  • Suitable binders include, in particular, water-soluble salts.
  • step (E) of the method according to the invention for producing a fiber composite structure or the method according to the invention for the preparation of a branching node can be substantially facilitated.
  • a braided core of a cured mixture can be milled, for example, from a blank of the cured mixture. Alternatively, the uncured mixture may be poured into a mold and then cured. The curing may optionally take place under the action of heat.
  • a suitable solvent is, for example, water.
  • a wicker core constructed in this way is not dimensionally stable against water, which makes it simple to carry out step (E) by removing the braided core with water.
  • Embodiments relating to the spatial shape of the braided core, the spatial shape of the cavity of the fiber composite structure or the spatial shape of the concrete core of the branching node for building construction apply correspondingly to the spatial shape of the braided core, the cavity or the concrete core. That is, insofar as one of the three foregoing spatial shapes is described herein, the statements apply mutatis mutandis to the other two. Accordingly, the statements relating to the braiding apply equally to the production method according to the invention as well as the fiber composite structure according to the invention and the branching node according to the invention.
  • the shape (spatial shape) of the braid core is not particularly limited as long as it has at least three arms and forms a branch.
  • the simplest case of branching at three arms is called a fork.
  • three arms meet in a fork area, as is the case, for example, with a branch fork of a tree.
  • the at least three arms start from a common branching area and extend from there in different directions.
  • the three arms converge in a single branching area.
  • the outer end of an arm is the area of the arm farthest from the branching area.
  • the branching area is the area where the at least three arms converge or merge.
  • the front of an arm is that part of the outer end of the arm Arms, which is visible in a plan view of the outer end along the arm axis.
  • the axis of an arm extends from the branching area to the outer end of the arm.
  • the number of arms of the braided core is not particularly limited.
  • the braided core preferably 3 to 6, more preferably 3 or 4, particularly preferably 3 arms.
  • the braid obtained from the production process according to the invention has at least two layers of braid in the region of the arms (m ⁇ 2).
  • the braid has at least two layers in the region of the arms
  • the arms are at least partially braided with two braiding layers.
  • the arms are completely braided with two braiding layers.
  • the braid at each point in the region of the arms on the same number of Flechtlagen m is preferably equal to (constant) at each point (at each location) of the braid in the region of the arms.
  • step (B) the braid core is braided with a braiding material.
  • Suitable braiding methods and devices for braiding are known to the person skilled in the art. Particularly suitable according to the invention is the use of a radial braiding machine, wherein other braiding devices can also be used.
  • Suitable braiding materials are known to the person skilled in the art. They are usually stranded, banded or thread-like and have a certain flexibility. Suitable braiding materials preferably include glass fibers, aramid fibers, ceramic fibers, basalt fibers, hybrid yarn and / or carbon fibers, with carbon fibers being preferred. Particularly preferably, the braiding material consists of carbon fibers. Furthermore, it is preferred that the braiding material in the form of a roving (bundle of parallel filaments) is present. In particular, it is preferable that the braiding material is a carbon fiber roving.
  • Hybrid yarn contains reinforcing fibers and thermoplastic fibers.
  • the reinforcing fibers are preferably selected from the group consisting of glass fibers, aramid fibers, ceramic fibers, basalt fibers and / or carbon fibers.
  • the thermoplastic fibers comprise a material which is heat-fusible and re-solidifies by cooling.
  • the thermoplastic fibers are preferably constructed of a thermoplastic material, more preferably of a thermoplastic organic polymer such as polyethylene and / or polypropylene. Using hybrid yarn, a fiber composite structure can be made from the braid without the need for additional components.
  • thermoplastic fibers are composed of polyamide.
  • the fineness of the braiding material is not particularly limited.
  • the braid solely from braiding threads.
  • additional standing threads are used, whereby a branching node with advantageous static properties can be obtained.
  • the ratio of the weight fractions of the standing threads and braiding threads is preferably from 1: 2 to 6: 1, particularly preferably 1: 2 to 2: 1, for example 1: 1, provided that standing threads are present.
  • the standing threads have a higher Tex value than the braiding threads.
  • the Tex value of the standing threads is particularly preferably at least 400 tex, more preferably at least 800 tex, particularly preferably at least 1600 tex higher than the Tex value of the braiding threads.
  • the braiding threads preferably have a Tex value of 200 to 4000 tex.
  • the Stehfäden preferably have a Tex value of 600 to 4000 tex. If the braids have tex values from the above ranges, a branch node having particularly advantageous static properties can be provided.
  • the arrangement of the standing threads in the braid can be basically arbitrary.
  • the stay threads extend between the outer ends of the arms and over the branch region. That is, the stay threads preferably extend from the outer end of one arm across the branching area to the end of another arm.
  • the tensile strength of the sheath can be increased, which is advantageous for the absorption of moments by a corresponding branching node.
  • standing threads can only be introduced at selected points of the braid for mechanical stabilization.
  • standing threads can be introduced which have a higher Tex value than the other standing threads of the braid.
  • step (B) comprises a plurality of braiding steps, wherein in each of the braiding steps the braiding direction extends from the outer end of an arm to the outer end of a different arm of the braiding core (see FIG. 2 ). That is, the arms are preferably braided in pairs.
  • the method according to the invention for producing the braid can be configured particularly efficiently.
  • the arms which are braided in pairs, are preferably adjacent to each other.
  • Each arm of the braid core is adjacent at least to those two arms that are closest to it spatially.
  • a first arm is adjacent to the two arms, to which the first arm forms the two smallest angles of the braided core.
  • the angles of the braided core are formed between the respective longitudinal directions along which the arms extend (arm axes). In the event that several arms form the same angle to the first arm, and this is the smallest of all angles of the braiding core, the arm is adjacent to all arms forming said same and smallest angles to the first arm.
  • plane two-dimensional
  • non-planar three-dimensional, spatial braiding cores
  • even means that the axes of the arms of the braided core, of the fiber composite structure or of the branching node lie substantially in one plane. This is not the case with a nonplanar braided core.
  • a planar braid core biases a two-dimensional polygon, a non-planar braid core a polyhedron, the edges of the polygon being formed by the distances between the end regions of the arms.
  • step (B) comprises at least k braiding steps, wherein in each of the k braiding steps the braid core is from the outer end of an arm is braided to the outer end of a different arm (pairwise braiding of the arms) and k represents the number of edges of the polygon spanned by the braid core.
  • the method according to the invention for producing a braid is characterized in that the number of braiding layers in the region of the arms m is straight and step (B) comprises m / 2 * n braiding steps, where n represents the number of arms of the braid core, and in each of the m / 2 * n braiding steps, each starting from the outer end of an arm braided with less than the m braiding layers, to the outer end of a different arm braided with less than the m braiding layers, the braided core having the braided material is braided.
  • This preferred embodiment of the method according to the invention is particularly suitable for braiding a planar branching node or for producing a planar fiber composite structure / a planar branching node.
  • the braid can be made particularly easily and quickly.
  • step (B2) comprises (m / 2 * n) -2 braiding steps.
  • the arm not braided with m braiding layers is adjacent to the last braided arm.
  • the arm not braided with m braiding layers is preferably selected from the arms of the braid core having the least number of braid layers. That is, the arms are braided uniformly sequentially (sequentially, "in order"). As a result, a particularly regularly structured braid can be obtained, whereby the mechanical stability of the fiber composite structure or the static properties of the branching node can be influenced particularly advantageously.
  • step (B) protruding braiding material is separated, so that the outer ends or end faces of the arms of the braiding core are exposed / not braided with a braiding material.
  • the mean braiding angle (angle between braided and braided threads in the braid) is preferably 40 ° to 80 °, more preferably 50 ° to 70 °, particularly preferably 55 ° to 65 °, for example 60 °. Particularly advantageous static properties of the branching node are observed for these braiding angles.
  • the mean braiding angle can be determined, for example, as follows: At 10 different points of the braid (5 points in the area of the arms, 5 points in the branch area), the braiding angle is measured. As the mean braiding angle, the arithmetic mean of the braiding angles of the 10 different positions is used. The braiding angle is dependent on parameters such as impeller speed, feed rate, wicker core diameter, etc., and therefore varies over the component. The braid angle can be measured, for example, by means of a geodetic triangle or visually using a camera on the cylindrical end.
  • the present invention relates to a method of producing a fiber composite structure comprising the method of making a braid of the invention and a step of bonding the braid to a matrix and a step (E) of removing the braid core to form a cavity.
  • the step of bonding with a matrix makes the fiber composite structure dimensionally stable.
  • step (E) the braid core is removed.
  • the braid core is dissolved by a fluid (eg, water or an organic solvent).
  • a fluid eg, water or an organic solvent.
  • a cavity is formed which has substantially the same spatial shape as the braided core and the concrete core of the branching node according to the invention. If, as described above, during or after step (B) protruding braided material has been separated, the outer ends of the arms of the cavity of the fiber composite structure or the fiber-reinforced plastic structure are frontally exposed. That is, the cavity is accessible from outside via the outer ends of its arms (unless it is integrated into a support structure such as a branched support).
  • the matrix material constituting the matrix is not particularly limited. Suitable as a matrix material is basically any material which is suitable for the production of fiber composites.
  • a ceramic matrix material is used.
  • all ceramic matrix materials suitable for the production of fiber composite materials can be used.
  • suitable materials include ceramics based on silicon carbide and / or alumina.
  • a ceramic matrix material is particularly advantageous with regard to fire protection requirements.
  • the matrix material is a plastic material.
  • the method according to the invention for producing a fiber composite structure can also be referred to as a method for producing a fiber-reinforced plastic structure.
  • Suitable plastics which can be used as matrix materials include organic polymers, cured resin compositions, and thermoplastic materials, especially those thermoplastic materials from which the thermoplastic fibers of the hybrid yarn can be constructed.
  • the braiding material comprises hybrid yarn and the method according to the invention for producing a fiber composite structure comprises the step of melting the hybrid yarn.
  • the thermoplastic fibers of the hybrid yarn are melted to form the matrix. This is preferably done using pressure, in particular by pressing.
  • a fiber-reinforced plastic structure can be obtained directly from the braid without the need for further components.
  • the step of melting the hybrid yarn is not particularly limited. For example, can be melted by heating the braid, but also by applying ultrasound.
  • the braid is preferably maintained at a temperature below 50 ° C, and more preferably cooled to room temperature (25 ° C), so that the thermoplastic material solidifies and so gives the fiber composite structure dimensional stability.
  • Step (C) is not particularly limited.
  • the introduction can be done for example by applying to the braid.
  • the matrix thermosetting matrix system
  • the matrix contains one or more resins.
  • a resin is basically any resin which is suitable for the field of building construction.
  • a curable resin composition is used as the thermosetting matrix material.
  • the matrix may comprise epoxy resins, polyester resins, polyurethanes and / or phenolic resins.
  • the matrix can contain further components, eg. As one or more curing agents.
  • a resin with high flame resistance is preferably used.
  • the matrix contains one or more flame retardants.
  • the matrix consists of one or more (preferably curable) resins, optionally one or more curing agents and optionally one or more flame retardants.
  • Step (D) is not particularly limited.
  • conditions are used which result in curing of the matrix or resin composition. For example, this can be done by heating the matrix system or the resin composition or by irradiation of the matrix system or the resin composition with electromagnetic radiation (for example UV light), whereby the mechanical properties of the resulting fiber-reinforced plastic structure or the branching node are substantially improved.
  • step (D) may also merely consist in the braid being stored (left standing) with the matrix system applied thereto or the resin composition applied thereto, for example for one minute to one day, preferably 1 to 12 hours. Also heating or irradiation are not mandatory.
  • step (D) may be carried out at a temperature of 5 to 50 ° C, preferably 15 to 30 ° C, for example at room temperature.
  • step (E) the above statements apply accordingly.
  • step (F) and (G) concrete is built into the cavity.
  • measures for compression can optionally be carried out.
  • the concrete mixture may optionally be aftertreated.
  • the branching node is to have an (internal) reinforcement, for example a longitudinal reinforcement and / or a connection reinforcement, this can be completely introduced before step (F) or, in the case of a connection reinforcement, partially into the hollow space of the fiber composite structure.
  • the connection reinforcement consists of a conventional reinforcing material such as steel and has rod shape.
  • textiles or rovings for example carbon fiber rovings and / or glass fiber rovings, can be used.
  • the concrete mixture used in step (F) is not particularly limited. Both normal concrete, high-strength concrete and ultra-high-strength concrete can be used. Preferably, low-shrinkage, self-compacting concrete is used.
  • the concrete mix can only consist of concrete.
  • the concrete mixture may contain fibers (in particular steel fibers, synthetic fibers, for example polyethylene fibers (PE fibers), carbon fibers and / or glass fibers and optionally further additives as additive or additive.
  • fibers in particular steel fibers, synthetic fibers, for example polyethylene fibers (PE fibers), carbon fibers and / or glass fibers and optionally further additives as additive or additive.
  • the outer ends of all the arms of the fiber composite structure are exposed on the front side, ie are not braided with the braiding material.
  • n-1 arms are connected before filling (F).
  • the filling (F) then takes place over the free-standing end of the arm whose outer end is not connected.
  • any air pockets present in the filled concrete mixture may be removed, for example by means of a vibrator, preferably using an internal vibrator.
  • the branching node according to the invention can in a conventional construction in a Support structure can be used.
  • the possibly existing connection reinforcement of the branching node can be connected to the surrounding parts of the support structure.
  • the support structure or parts thereof connected to the branching node may be made in a core-shell construction and the support structure may be concreted in whole or in part.
  • the filled concrete mixture is aftertreated under customary conditions. Aftertreatment can take place via the possibly exposed face (s) of one or more arms. This is possible, for example, when one or more arms do not connect to adjacent components.
  • step (G) the filled concrete mixture is cured under usual conditions. If necessary, the cladding of the n-1 arms is removed after curing.
  • the present invention relates to a fiber composite structure comprising a fiber portion and a matrix portion, the fiber composite structure at least partially enveloping a cavity, the cavity having at least three arms and forming a branch; and the fiber content comprises a braid having at least two layers of braid in the region of the arms.
  • the fiber composite structure is a fiber reinforced plastic structure comprising a fiber portion and a plastic portion, wherein the fiber reinforced plastic structure at least partially encloses a cavity, the cavity having at least three arms and forming a branch; and the fiber content comprises a braid having at least two layers of braid in the region of the arms.
  • the fiber composite structure of the present invention is obtainable from the process of the present invention for its production.
  • the present invention relates to a building branching node comprising a concrete core, the concrete core having at least three arms and forming a branch; and a composite fiber core at least partially enveloping fiber composite structure whose fiber content comprises a textile semifinished product with at least two layers (textile layers) in the arms.
  • the textile semi-finished product is not subject to any particular restriction. It may, for example, comprise a woven fabric, a knitted fabric and / or a braid. Preferably, the semi-finished textile product is the braid according to the invention.
  • the number of braiding layers of the fiber composite structure or of the textile or braiding layers of the branching node in the region of the arms m is not subject to any particular restriction as long as m is at least 2. Because m ⁇ 2, the branching node has particularly advantageous static properties.
  • m is straight, for example in the case of a planar fiber composite structure / a planar branching node. More preferably, m is 2 to 12, more preferably 2 to 8, particularly preferably 2 to 6, for example 2.
  • the semifinished product preferably has at least one textile layer in the branching region.
  • the number of textile layers at each point of the semifinished product is the same.
  • the number of textile layers in the branching region can fluctuate, in particular if the semifinished product is a braid. That is, the semifinished product or braid can in the branching area, each with different Number of textile layers have.
  • the semifinished product or the braid in the branching region has locations with m-1, m and m + 1 textile or braiding layers.
  • the number of textile or Flechtlagen can vary over an even larger area.
  • the core and shell of the branching node can be load-bearing and non-bearing.
  • the shell can only serve as a formwork without cooperating as a reinforcement.
  • the filling material, the concrete can also only serve as a stiffener for the shell.
  • the shell can also only partially serve as a reinforcement.
  • the resistance of the fiber composite structure without additional measures can be given in the cold design, without the resistance of the fiber composite structure must be given without additional measures in the hot design.
  • the branching node according to the invention can have a high load capacity.
  • the sheath of the branching node formed by the fiber composite structure can serve as a lost formwork and at the same time as an outer reinforcement (outer reinforcement). It is possible that pressure forces are mainly removed from the concrete core and tensile forces are absorbed by the shell.
  • the casing can be sized to effectively tie the concrete and result in an increase in capacity, based on the uniaxial strength of the concrete, by forming a multi-axial stress state in the concrete.
  • the shell can absorb tensile forces in the circumferential direction and cause a multi-axial stress state by constriction, especially at a compressive stress with sufficient Umschnürungssteiftechnik in concrete. Tensile forces in the longitudinal direction, which can arise due to moments, can also absorb the shell.
  • the concrete core is only partially enveloped by the fiber composite structure.
  • the outer ends of the arms of the concrete core are the front side free. That is, the end faces of the outer ends of the arms of the concrete core are preferably not covered by the fiber composite structure, so that the surface of the branching node at the end faces is a concrete surface, from which optionally protrudes a reinforcement or a connection reinforcement.
  • the concrete core preferably has fillets in the branching region. Particularly preferably, the concrete core has no edges in the branching region. As a result, an attractive aesthetic effect of the branching node can be achieved. In addition, this allows the geometry of the branching node to be adapted to the force distribution of a supporting structure in which the branching node is installed.
  • the arms of the branching node may have different diameters, lengths, orientations and fillets to the other arms.
  • the diameter of an arm is its largest length dimension perpendicular to the arm axis, measured at the outer end of the arm.
  • the arm axes are at least three arms in a common plane.
  • the concrete core is preferably rotationally symmetrical, particularly preferably point-symmetrical.
  • the cross-sectional areas at the respective outer end of the arms are round and thus have no corners.
  • the cross-sectional areas may be elliptical, for example, and are preferably circular.
  • the cross-sectional area at the outer end of an arm is the cross-sectional area in the plan view of the front side along the arm axis.
  • the braid, the fiber composite structure according to the invention and / or the branching node according to the invention have the same diameter of the arms, rounded cross-sectional areas and / or rotational or point symmetry.
  • the diameters of the arms can range from a few centimeters (for example, 1 cm) to several hundred centimeters (for example, 500 cm).
  • the diameters of the at least three arms are independently of one another preferably at least 4 cm, preferably at least 8 cm, particularly preferably at least 10 cm.
  • the diameter of the arms is preferably at most 100 cm, particularly preferably at most 20 cm.
  • the branching node In order for the branching node to be used in building construction, it should have a minimum leg length in order to be able to be connected to surrounding support elements (adjoining support members).
  • the leg length is the length from the beginning of the axis of the leg along the straight axis of the leg to the outermost edge of the leg.
  • the terms "arm” and “thigh” are synonymous in this context.
  • the connection is made to surrounding support elements via a plug or socket connection, which may be additionally glued and a mechanical toothing (Torsionsknagge, knobs, etc.) may have and usually requires an overlap.
  • Particularly preferred for these connections is a cylindrical or tubular portion (connecting portion) between the end of the double-curved portions of the branch and the outermost edge of the leg.
  • connection further a length of the cylindrical or tubular portion of at least the simple arm diameter, in particular at least twice the arm diameter is preferred.
  • the length between two branches is preferably at most 20 m, particularly preferably at most 10 m, for example at most 5 m.
  • the length of one arm of the branching node according to the invention (or the fiber composite structure) is at most 10 m, particularly preferably at most 5 m, for example at most 2.5 m.
  • the length of the connection region for plug and socket connections is preferably at least 4 cm, more preferably at least 8 cm, especially preferably at least 20 cm.
  • the branching node or the concrete core preferably have a reinforcement on.
  • the reinforcement is a connection reinforcement by which the branching node can be connected to adjacent support members.
  • a connection can be made to adjacent support members via steel components, sleeves, plugs, screw connections, etc., or via bonded connections.
  • the adjacent support members may also be connection nodes according to the invention and / or conventional support members.
  • the concrete core of the connection node according to the invention can have an additional reinforcement, in particular a longitudinal reinforcement.
  • Example 1 Production of a Branching Knot with Shell of Fiber Reinforced Plastic Structure
  • a braid core was milled out with a milling robot.
  • the resulting core had three arms and had a point-symmetrical spatial shape (see FIG. 2 ).
  • the braided core with a thigh diameter of 125 mm and a leg length of 175 cm was braided with a radial braiding machine (144er Radialflechters from Herzog) in 3 braiding steps, whereby a two-ply braid was obtained.
  • a radial braiding machine 144er Radialflechters from Herzog
  • 3 braiding steps whereby a two-ply braid was obtained.
  • FIG. 2 was first in the first braiding step from the outer end of the arm 1 to the outer end of the arm 2, then in the second braiding step from the outer end of the arm 2 to the outer end of the arm 3 and finally in the third and last braiding step from the outer end of the arm 3 to outer end of the arm 1 braided.
  • the ends of the last braided arms were taped and supernatant braiding material was cut off.
  • Braided and standing threads were used as braiding material.
  • the braiding threads consisted of a carbon fiber roving of 24 K (fineness of 1600 tex) and the standing threads of a carbon fiber roving of 48 K (fineness of 3200 tex).
  • a branching knot made of concrete without sheath made of fiber-reinforced plastic was produced. Apart from the missing shell, the same parameters as in Example 1 were chosen.
  • Example 1 The branching nodes obtained from Example 1 and the Comparative Example were each subjected to a bending test by vertically loading the branching vertically on a leg in the plane of the branch and holding it at two ends opposite to the direction of the force. A holding in the horizontal direction did not take place, whereby two legs were subjected to bending.
  • the measured test load in the test stand for example 1 was 753.7 kN.
  • Table 1 Test force of Example 1 and Comparative Example test load example 1 753.7 kN Comparative example 51.1 kN
  • the present invention enables the production of branching nodes with individual geometries and high quality of the surface of the branching node. Unlike the production of cast steel nodules, the manufacturing costs are independent of the number of pieces produced, since the complex use of molds is eliminated.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faserverbundstruktur, einen Verzweigungsknoten zum Gebäudebau sowie ein Verfahren zur Herstellung des Verzweigungsknotens zum Gebäudebau.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faserverbundstruktur, einen Verzweigungsknoten zum Gebäudebau sowie Verfahren zur Herstellung eines Geflechts, der Faserverbundstruktur und des Verzweigungsknotens zum Gebäudebau.
  • Tragfähige Bauelemente müssen hohen Anforderungen genügen, um für den Gebäudebau geeignet zu sein. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verzweigungsknoten sind jedoch lediglich unter hohem Aufwand herstellbar bzw. sind sie hinsichtlich ihres Einsatzgebietes eingeschränkt.
  • Im Stand der Technik bekannte Verzweigungsknoten sind beispielsweise geschweißte Anschlüsse mit Schlitzblechen oder Anschlussstäben (siehe Figur 1A). Derartige Verzweigungsknoten weisen einen Versatz der äußeren Kontur auf. Sie sind überwiegend für normalkraftbeanspruchte Anschlüsse einsetzbar, sind jedoch planmäßig für keine oder geringe Momente ausgelegt. Zudem sind vorstehende Anschlüsse optisch nicht ansprechend.
  • Bekannt sind weiterhin geschweißte, stumpf gestoßene Stahlrohre (siehe Figur 1B). Grundsätzlich wäre die Kombination einer derartigen Struktur mit Beton für einen tragfähigen Verzweigungsknoten denkbar. Eine derartige Konstruktion ist zum Abtrag aller Arten von Schnittkräften geeignet. Durch das schiefe Verschneiden der Rohrquerschnitte entstehen komplexe Geometrien mit elliptischen Querschnitten im Verschneidungsbereich. Die Schnittkurven sind unterschiedlich gekrümmt. Dies erfordert die werksmäßige Vorfertigung der Metallteile. Zudem müssen die Schweißnähte hohen Anforderungen genügen. Dementsprechend können derartige Strukturen nur von erfahrenen und maschinentechnisch gut ausgestatteten Metallbaufirmen hergestellt werden. Das heißt, die Herstellung derartiger Strukturen ist mit einem hohen Aufwand verbunden. Darüber hinaus ist bei diesen Strukturen die Form des Knotens nicht dem Kräfteverlauf angepasst, da es keine Ausrundungen zwischen den geraden Elementen gibt. Hinzu kommt, dass die Gestaltungsmöglichkeiten herstellungsbedingt stark eingeschränkt sind.
  • Als weitere Knotenstrukturen sind Stahlgussknoten bekannt, wie beispielsweise in Figur 1C dargestellt. Derartige Stahlgussknoten erfüllen hohe ästhetische Ansprüche. Zudem kann die Geometrie dem Kraftfluss angepasst werden. Die Herstellung erfordert jedoch hohe finanzielle Investitionen in Formen und Gusswerkzeuge. Wirtschaftlich sinnvoll ist dies nur, wenn eine Mehrzahl baugleicher Knotenverbindungen mit identischen Geometrien hergestellt werden soll. Bauwerke mit unterschiedlichen Knotenstrukturen aus Stahlgussknoten sind daher nur bedingt realisierbar und mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verzweigungsknoten zum Gebäudebau, der mit einem hohen Maß an Gestaltungsfreiheit herstellbar sein soll, ein Geflecht und eine Faserverbundstruktur zur Herstellung der Faserverbundstruktur bzw. des Verzweigungsknotens, sowie ein Herstellungsverfahren für das Geflecht, ein Herstellungsverfahren für die Faserverbundstruktur und ein Herstellungsverfahren für den Verzweigungsknoten bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Geflechts, umfassend die Schritte
    1. (A) Bereitstellen eines Flechtkerns, welcher mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet;
    2. (B) Bilden des Geflechts durch Umflechten des Flechtkerns mit einem Flechtmaterial, wobei das Geflecht im Bereich der Arme mindestens zwei Flechtlagen aufweist.
  • Ein Geflecht entsteht durch das regelmäßige Verkreuzen mehrerer Stränge eines Flechtmaterials mit entsprechenden Ondulationspunkten im Flechtprozess. Der Unterschied zum Weben bzw. zum Nähwirken liegt darin, dass beim Flechten die Stränge des Flechtmaterials nicht rechtwinklig zugeführt werden. Eine Faserorientierung (Orientierung der Stränge, Flechtwinkel) von 0/90 ° ist folglich nicht möglich. Im Gegensatz zum Gewebe können im Geflecht die Stränge bspw. +/-45 ° verkreuzt sein. Ein zusätzlicher Unterschied zum Nähwirken besteht darin, dass beim Flechten eine Verbindung zwischen den Strängen durch Verkreuzen und Ondulation erzielt wird, wohingegen beim Näh-wirken aufeinanderliegende Kett- und Schussfäden durch Umschlingen mit Maschenfäden miteinander verbunden werden. Ein Geflecht ist ein durch Flechten hergestelltes Erzeugnis.
  • In Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Flechtkern bereitgestellt. Nachdem das Geflecht erfindungsgemäß durch Umflechten des Flechtkerns hergestellt wird, wird die räumliche Gestalt des Geflechts sowie der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur und des erfindungsgemäßen Verzweigungsknotens im Wesentlichen von der räumlichen Gestalt des Flechtkerns vorgegeben.
  • Das Material, aus dem der Flechtkern aufgebaut ist (Flechtkernmaterial), unterliegt keiner besonderen Einschränkung, sodass grundsätzlich jedes formstabile Material verwendet werden kann. Somit können preiswerte und einfach zu bearbeitende Materialien eingesetzt werden, wodurch die erfindungsgemäßen Verfahren und die daraus gewonnenen Erzeugnisse besonders kostengünstig sind. Hinzu kommt, dass größtmögliche Flexibilität hinsichtlich der räumlichen Gestalt des Geflechts gegeben ist.
  • Abhängig von dem Flechtmaterial kann der Flechtkern grundsätzlich auf beliebige Weise hergestellt werden. Vorzugsweise besteht der Flechtkern aus einem kostengünstigen und leicht zu bearbeitenden Material. Beispiele hierfür sind organische Polymere sowie mineralhaltiger Sand (Spezialsand), welche beispielsweise durch Fräsen leicht bearbeitet werden können. Der Flechtkern kann auch additiv hergestellt werden, beispielsweise durch 3D Drucken.
  • Es ist von Vorteil, wenn der Flechtkern aus einem Material aufgebaut ist, welches nach Fertigstellung des Geflechts leicht entfernt werden kann. Der Flechtkern kann beispielsweise aus einem fräsbaren Material aufgebaut sein. Zu geeigneten fräsbaren Materialien zählen Metall, Holz, Kunststoff (vorzugsweise ein oder mehrere organische Polymere), Spezialsand und Kombinationen daraus.
  • Vorzugsweise umfasst der Flechtkern ein Material, welches in einem Fluid, vorzugsweise in einer Flüssigkeit, besonders bevorzugt in einem organischen Lösungsmittel (beispielsweise Methanol, Ethanol, Aceton, Dichlormethan, Isopropanol, Methylethylketon, n-Hexan, Toluol, Diethylether, wobei Aceton bevorzugt ist), Wasser und/oder einem Gemisch daraus, löslich ist. Dadurch kann Schritt (E) des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Faserverbundstruktur bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verzweigungsknotens wesentlich erleichtert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Flechtkern aus einem organischen Polymer aufgebaut. Das organische Polymer ist vorzugsweise geschäumt, wobei das geschäumte organische Polymer vorzugsweise geschlossenporig ist.
  • Ein bevorzugtes organisches Polymer ist Polystyrol. Es ist besonders bevorzugt, dass der Kern aus extrudiertem Polystyrol (XPS, Styrodur®) oder expandiertem Polystyrol (EPS, Styropor®) aufgebaut ist bzw. daraus besteht, wobei XPS besonders bevorzugt ist. Polystyrol ist in mehreren organischen Lösungsmitteln (beispielsweise Aceton, Dichlormethan) sehr gut löslich, was eine einfache Durchführung von Schritt (E) durch Auflösen des Flechtkerns in dem organischen Lösungsmittel ermöglicht.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Flechtkern aus einem gehärteten Gemisch, umfassend Sand, Bindemittel und Lösungsmittel, hergestellt. Vorzugsweise besteht das Gemisch aus Sand, Bindemittel und Lösungsmittel. Zu geeigneten Bindemitteln zählen insbesondere wasserlösliche Salze. Dadurch, dass wasserlösliche Bindemittel verwendet werden, kann Schritt (E) des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Faserverbundstruktur bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verzweigungsknotens wesentlich erleichtert werden. Ein Flechtkern aus einem gehärteten Gemisch kann beispielsweise aus einem Rohling aus dem gehärteten Gemisch gefräst werden. Alternativ kann das ungehärtete Gemisch in eine Form gegossen und dann gehärtet werden. Das Härten kann gegebenenfalls unter Wärmeeinwirkung stattfinden. Ein geeignetes Lösungsmittel ist beispielsweise Wasser. Ein derart aufgebauter Flechtkern ist gegen Wasser nicht formstabil, was eine einfache Durchführung von Schritt (E) durch Abtragen des Flechtkerns mit Wasser ermöglicht.
  • Hierin gelten Ausführungen in Bezug auf die räumliche Gestalt des Flechtkerns, die räumliche Gestalt des Hohlraums der Faserverbundstruktur bzw. die räumliche Gestalt des Betonkerns des Verzweigungsknotens zum Gebäudebau entsprechend für die räumliche Gestalt des Flechtkerns, des Hohlraums bzw. des Betonkerns. Das heißt, insoweit hierin eine der drei vorstehenden räumlichen Gestalten beschrieben wird, gelten die Ausführungen entsprechend für die beiden anderen. Entsprechend gelten hierin die Ausführungen in Bezug auf das Geflecht gleichermaßen für die erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sowie die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur und den erfindungsgemäßen Verzweigungsknoten.
  • Die Form (räumliche Gestalt) des Flechtkerns unterliegt keiner besonderen Einschränkung, solange er mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet. Der einfachste Fall einer Verzweigung bei drei Armen wird als Gabelung bezeichnet. Hierbei treffen drei Arme in einem Gabelungsbereich zusammen, wie es beispielsweise bei einer Astgabelung eines Baumes der Fall ist. Die mindestens drei Arme gehen von einem gemeinsamen Verzweigungsbereich aus und erstrecken sich von dort aus in unterschiedliche Richtungen. Die drei Arme laufen in einem (einzigen) Verzweigungsbereich zusammen. Das äußere Ende eines Armes ist der Bereich des Armes, welcher am weitesten vom Verzweigungsbereich entfernt ist. Der Verzweigungsbereich ist der Bereich, in dem die mindestens drei Arme zusammenlaufen beziehungsweise ineinander übergehen. Die Stirnseite eines Arms ist derjenige Teil des äußeren Endes des Arms, welcher in einer Draufsicht auf das äußere Ende entlang der Armachse sichtbar ist. Die Achse eines Arms verläuft vom Verzweigungsbereich zum äußeren Ende des Arms.
  • Die Anzahl der Arme des Flechtkerns unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Aus fertigungstechnischen Gründen weist der Flechtkern bevorzugt 3 bis 6, besonders bevorzugt 3 oder 4, insbesondere bevorzugt 3 Arme auf.
  • Das aus dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erhaltene Geflecht weist im Bereich der Arme mindestens zwei Flechtlagen auf (m ≥ 2). Somit sind im Bereich der Arme zwei oder mehrere voneinander abgrenzbare geflochtene Lagen (Schichten) vorhanden. Erfindungsgemäß bedeutet "das Geflecht weist im Bereich der Arme mindestens zwei Lagen auf", dass die Arme zumindest teilweise mit zwei Flechtlagen umflochten sind. Vorzugsweise sind die Arme, abgesehen von den Stirnseiten des Flechtkerns, vollständig mit zwei Flechtlagen umflochten.
  • Vorzugsweise weist das Geflecht im Verzweigungsbereich zumindest eine Flechtlage auf. Herstellungsbedingt kann die Anzahl der Flechtlagen im Verzweigungsbereich schwanken. Das heißt, das Geflecht kann im Verzweigungsbereich Stellen mit jeweils unterschiedlicher Anzahl an Flechtlagen aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Geflecht im Verzweigungsbereich Stellen mit m-1, m und m+1 Flechtlagen auf. So kann die Anzahl der Flechtlagen beispielsweise bei m = 2 an unterschiedlichen Orten des Verzweigungsbereichs 1, 2 und 3 betragen. Insbesondere bei mehr als drei Armen kann die Anzahl der Flechtlagen im Verzweigungsbereich eine noch größere Schwankungsbreite aufweisen. Die Anzahl der Flechtlagen kann beispielsweise an unterschiedlichen Orten des Verzweigungsbereichs 1, 2, 3 und 4 betragen oder 1, 2, 3, 4 und 5.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Geflecht an jeder Stelle im Bereich der Arme die gleiche Anzahl an Flechtlagen m auf. Das heißt, die Anzahl an Flechtlagen im Bereich der Arme m ist vorzugsweise an jeder Stelle (an jedem Ort) des Geflechts im Bereich der Arme gleich (konstant).
  • In Schritt (B) wird der Flechtkern mit einem Flechtmaterial umflochten. Geeignete Flechtverfahren und Vorrichtungen zum Flechten sind dem Fachmann bekannt. Erfindungsgemäß besonders geeignet ist die Verwendung einer Radialflechtmaschine, wobei auch andere Vorrichtungen zum Flechten verwendet werden können.
  • Geeignete Flechtmaterialien sind dem Fachmann bekannt. Sie sind üblicherweise strang-, band- bzw. fadenförmig und weisen eine gewisse Flexibilität auf. Geeignete Flechtmaterialien umfassen vorzugsweise Glasfasern, Aramidfasern, Keramikfasern, Basaltfasern, Hybridgarn und/oder Carbonfasern, wobei Carbonfasern bevorzugt sind. Besonders bevorzugt besteht das Flechtmaterial aus Carbonfasern. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Flechtmaterial in Form eines Rovings (Bündel aus parallel angeordneten Filamenten) vorliegt. Insbesondere ist bevorzugt, dass das Flechtmaterial ein Carbonfaserroving ist.
  • Hybridgarn enthält Verstärkungsfasern und thermoplastische Fasern. Die Verstärkungsfasern sind vorzugsweise aus der Gruppe, bestehend aus Glasfasern, Aramidfasern, Keramikfasern, Basaltfasern und/oder Carbonfasern, ausgewählt. Die thermoplastischen Fasern umfassen ein Material, welches durch Wärme aufschmelzbar ist und durch Abkühlen wieder erstarrt. Die thermoplastischen Fasern sind vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material, besonders bevorzugt aus einem thermoplastischen organischen Polymer wie Polyethylen und/oder Polypropylen aufgebaut. Mithilfe von Hybridgarn kann aus dem Geflecht, ohne dass weitere Komponenten notwendig wären, eine Faserverbundstruktur hergestellt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die thermoplastischen Fasern aus Polyamid aufgebaut.
  • Die Feinheit des Flechtmaterials unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Vorzugsweise weist das Flechtmaterial einen Tex-Wert von 200 bis 4000 tex auf (1 tex = 1 g / 1000 m).
  • Erfindungsgemäß reicht es aus, das Geflecht allein aus Flechtfäden zu bilden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden neben Flechtfäden zusätzlich Stehfäden verwendet, wodurch ein Verzweigungsknoten mit vorteilhaften statischen Eigenschaften erhalten werden kann. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Gewichtsanteile der Stehfäden und Flechtfäden von 1:2 bis 6:1, besonders bevorzugt 1:2 bis 2:1, beispielsweise 1:1, sofern Stehfäden vorhanden sind.
  • Es ist bevorzugt, dass die Stehfäden einen höheren Tex-Wert als die Flechtfäden aufweisen. Besonders bevorzugt ist der Tex-Wert der Stehfäden um mindestens 400 tex, weiter bevorzugt um mindestens 800 tex, insbesondere bevorzugt um mindestens 1600 tex höher als der Tex-Wert der Flechtfäden. Dadurch können im Flechtprozess die Faden-Faden-Reibung minimiert und eine ausreichende Fadenspannung gewährleistet werden.
  • Die Flechtfäden weisen vorzugsweise einen Tex-Wert von 200 bis 4000 tex auf. Die Stehfäden weisen vorzugsweise einen Tex-Wert von 600 bis 4000 tex auf. Wenn die Flecht- bzw. Stehfäden Tex-Werte aus den vorstehenden Bereichen aufweisen, kann ein Verzweigungsknoten mit besonders vorteilhaften statischen Eigenschaften bereitgestellt werden.
  • Erfindungsgemäß kann die Anordnung der Stehfäden im Geflecht grundsätzlich beliebig sein. Vorzugsweise verlaufen die Stehfäden zwischen den äußeren Enden der Arme und über den Verzweigungsbereich. Das heißt, die Stehfäden verlaufen vorzugsweise vom äußeren Ende eines Arms über den Verzweigungsbereich zum Ende eines anderen Armes. Durch diese Anordnung kann die Zugfestigkeit der Hülle gesteigert werden, was für die Aufnahme von Momenten durch einen entsprechenden Verzweigungsknoten vorteilhaft ist. Zudem ist es möglich, nur teilweise in das Geflecht Stehfäden einzubringen. Insbesondere können zur mechanischen Stabilisierung Stehfäden nur an ausgewählten Stellen des Geflechts eingebracht werden. Gleichermaßen können zur mechanischen Stabilisierung in ausgewählten Bereichen des Geflechts Stehfäden eingebracht werden, die einen höheren Tex-Wert als die sonstigen Stehfäden des Geflechts aufweisen. Durch vorstehende Maßnahmen ist es möglich, ausgewählte Bereiche des Geflechts, welche im Verzweigungsknoten besonders hohen Belastungen standhalten sollen, mit Stehfäden zu verstärken.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst Schritt (B) mehrere Flechtschritte, wobei in jedem der Flechtschritte die Flechtrichtung von dem äußeren Ende eines Arms zu dem äußeren Ende eines davon verschiedenen Arms des Flechtkerns verläuft (siehe Figur 2). Das heißt, die Arme werden vorzugsweise paarweise umflochten. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Geflechts besonders effizient ausgestaltet werden.
  • Um eine besonders hohe Stabilität der Faserverbundstruktur und des Verzweigungsknotens zu erhalten, sind die Arme, die paarweise umflochten werden, vorzugsweise zueinander benachbart. Jeder Arm des Flechtkerns ist mindestens zu denjenigen zwei Armen benachbart, die ihm räumlich am nächsten sind. Beispielsweise ist ein erster Arm zu den beiden Armen benachbart, zu denen der erste Arm die beiden kleinsten Winkel des Flechtkerns bildet. Die Winkel des Flechtkerns werden zwischen den jeweiligen Längsrichtungen, entlang der sich die Arme erstrecken (Armachsen), gebildet. Für den Fall, dass mehrere Arme den gleichen Winkel zum ersten Arm bilden und dies der kleinste von allen Winkeln des Flechtkerns ist, ist der Arm zu allen Armen benachbart, die besagten gleichen und kleinsten Winkel zu dem ersten Arm bilden.
  • Erfindungsgemäß wird zwischen ebenen (zweidimensionalen) und nicht-ebenen (dreidimensionalen, räumlichen) Flechtkernen (bzw. Faserverbundstrukturen/Verzweigungsknoten) unterschieden. "Eben" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Achsen der Arme des Flechtkerns, der Faserverbundstruktur bzw. des Verzweigungsknotens im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Bei einem nicht-ebenen Flechtkern ist dies nicht der Fall. Ein ebener Flechtkern spannt ein zweidimensionales Polygon auf, ein nicht-ebener Flechtkern ein Polyeder, wobei die Kanten des Polygons bzw. Polyeders durch die Strecken zwischen den Endbereichen der Arme gebildet werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst Schritt (B) mindestens k Flechtschritte, wobei in jedem der k Flechtschritte der Flechtkern von dem äußeren Ende eines Arms zu dem äußeren Ende eines davon verschiedenen Arms umflochten wird (paarweises Umflechten der Arme) und k die Anzahl der Kanten des von dem Flechtkern aufgespannten Polygons bzw. Polyeders darstellt.
  • Sofern in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein ebener Flechtkern umflochten wird und die Arme paarweise umflochten werden, umfasst Schritt (B) mindestens m = n Flechtschritte, wobei n die Anzahl der Arme des Flechtkerns darstellt und m die Anzahl der Flechtlagen im Bereich der Arme darstellt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Geflechts dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Flechtlagen im Bereich der Arme m gerade ist und Schritt (B) m/2·n Flechtschritte umfasst, wobei n die Anzahl der Arme des Flechtkerns darstellt, und in jedem der m/2·n Flechtschritte, jeweils ausgehend vom äußeren Ende eines Armes, der mit weniger als den m Flechtlagen umflochten ist, zum äußeren Ende eines davon verschiedenen Armes, der mit weniger als den m Flechtlagen umflochten ist, der Flechtkern mit dem Flechtmaterial umflochten wird. Diese bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere zum Umflechten eines ebenen Verzweigungsknotens bzw. zur Herstellung einer ebenen Faserverbundstruktur / eines ebenen Verzweigungsknotens geeignet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst Schritt (B) die folgenden Schritte (B1) bis (B3), worin
    • (B1) in einem ersten Flechtschritt ein erster Arm und ein davon verschiedener zweiter Arm des Flechtkerns mit dem Flechtmaterial umflochten werden und vom äußeren Ende des ersten Armes zum äußeren Ende des zweiten Armes umflochten wird;
    • (B2) in weiteren Flechtschritten jeweils ausgehend vom äußeren Ende des zuletzt umflochtenen Armes zum äußeren Ende eines nicht mit m Flechtlagen umflochtenen Armes umflochten wird; und
    • (B3) in einem letzten Flechtschritt ausgehend vom äußeren Ende des zuletzt umflochtenen Armes zum äußeren Ende des ersten Armes umflochten wird.
  • Durch Schritte (B1) bis (B3) kann das Geflecht besonders einfach und schnell hergestellt werden. Zudem ist es dadurch möglich, eine Faserverbundstruktur und einen Verzweigungsknoten zu erhalten, die besonders vorteilhafte mechanische bzw. statische Eigenschaften aufweisen.
  • Vorzugsweise umfasst Schritt (B2) (m/2·n)-2 Flechtschritte. In Bezug auf Schritt (B2) ist zudem bevorzugt, dass der nicht mit m Flechtlagen umflochtene Arm zu dem zuletzt umflochtenen Arm benachbart ist. Zusätzlich oder alternativ dazu ist der nicht mit m Flechtlagen umflochtene Arm vorzugsweise aus den Armen des Flechtkerns mit der geringsten Anzahl an Flechtlagen ausgewählt. Das heißt, die Arme werden gleichmäßig aufeinanderfolgend (sequentiell, "der Reihe nach") umflochten. Dadurch kann ein besonders regelmäßig strukturiertes Geflecht erhalten werden, wodurch die mechanische Stabilität der Faserverbundstruktur bzw. die statischen Eigenschaften des Verzweigungsknotens besonders vorteilhaft beeinflusst werden können.
  • Gegebenenfalls wird nach Schritt (B), beziehungsweise nach jedem der einzelnen Flechtschritte von Schritt (B), überstehendes Flechtmaterial abgetrennt, sodass die äußeren Enden bzw. Stirnseiten der Arme des Flechtkerns freiliegen/nicht mit einem Flechtmaterial umflochten sind.
  • Der mittlere Flechtwinkel (Winkel zwischen Steh- und Flechtfaden im Geflecht) beträgt vorzugsweise 40° bis 80°, besonders bevorzugt 50° bis 70°, insbesondere bevorzugt 55° bis 65°, beispielsweise 60°. Für diese Flechtwinkel werden besonders vorteilhafte statische Eigenschaften des Verzweigungsknotens beobachtet.
  • Der mittlere Flechtwinkel kann beispielsweise wie folgt bestimmt werden: An 10 unterschiedlichen Stellen des Geflechts (5 Stellen im Bereich der Arme, 5 Stellen im Verzweigungsbereich) wird der Flechtwinkel gemessen. Als mittlerer Flechtwinkel wird das arithmetische Mittel der Flechtwinkel der 10 unterschiedlichen Stellen verwendet. Der Flechtwinkel ist von Parametern, wie beispielsweise Flügelraddrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Flechtkerndurchmesser etc. abhängig und daher über das Bauteil veränderlich. Der Flechtwinkel kann beispielsweise mithilfe eines Geodreiecks oder auch optisch mithilfe einer Kamera am zylindrischen Ende gemessen werden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur, umfassend das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Geflechts sowie einen Schritt des Verbindens des Geflechts mit einer Matrix und einen Schritt (E) des Entfernens des Flechtkerns unter Bildung eines Hohlraums. Durch den Schritt des Verbindens mit einer Matrix wird die Faserverbundstruktur formstabil.
  • In Schritt (E) wird der Flechtkern entfernt. Dies kann grundsätzlich auf beliebige Weise erfolgen. Vorzugsweise wird, wie bereits vorstehend beschrieben, der Flechtkern durch ein Fluid (z. B. Wasser oder ein organisches Lösungsmittel) aufgelöst bzw. abgetragen. Die vorstehenden Ausführungen in Bezug auf das Flechtkernmaterial gelten für Schritt (E) des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend.
  • Beim Entfernen des Flechtkerns wird ein Hohlraum ausgebildet, der weitgehend die gleiche räumliche Gestalt wie der Flechtkern und der Betonkern des erfindungsgemäßen Verzweigungsknotens aufweist. Sofern, wie vorstehend beschrieben, während oder nach Schritt (B) überstehendes Flechtmaterial abgetrennt wurde, liegen die äußeren Enden der Arme des Hohlraums der Faserverbundstruktur bzw. der faserverstärkten Kunststoffstruktur stirnseitig frei. Das heißt, der Hohlraum ist über die äußeren Enden seiner Arme von außen zugänglich (sofern er nicht in eine Tragstruktur, wie eine verzweigte Stütze, integriert ist).
  • Das Matrixmaterial, aus dem die Matrix besteht, unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Als Matrixmaterial geeignet ist grundsätzlich jedwedes Material, welches zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen geeignet ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein keramisches Matrixmaterial verwendet. Grundsätzlich können alle zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen geeigneten keramischen Matrixmaterialen verwendet werden. Zu Beispielen für geeignete Materialien zählen Keramiken auf Grundlage von Siliziumcarbid und/oder Aluminiumoxid. Ein keramisches Matrixmaterial ist insbesondere mit Hinblick auf Brandschutzerfordernisse vorteilhaft.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein Kunststoffmaterial. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur auch als Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffstruktur bezeichnet werden. Zu geeigneten Kunststoffen, die als Matrixmaterialien verwendet werden können, zählen organische Polymere, gehärtete Harzzusammensetzungen sowie thermoplastische Materialien, insbesondere solche thermoplastischen Materialen, aus denen die thermoplastischen Fasern des Hybridgarns aufgebaut sein können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Flechtmaterial Hybridgarn und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur umfasst den Schritt des Aufschmelzens des Hybridgarns. In diesem Schritt werden die thermoplastischen Fasern des Hybridgarns aufgeschmolzen, sodass sie die Matrix ausbilden. Dies erfolgt vorzugsweise unter Anwendung von Druck, insbesondere durch Verpressen. Dadurch kann direkt aus dem Geflecht eine faserverstärkte Kunststoffstruktur erhalten werden, ohne dass weitere Komponenten notwendig sind. Allerdings ist es ebenso möglich, den Schritt des Aufschmelzens des Hybridgarns mit anderen Maßnahmen zum Verbinden des Geflechts mit einer Matrix zu kombinieren. Hinsichtlich des Hybridgarns und seiner Bestandteile gelten die vorstehenden Ausführungen entsprechend. Der Schritt des Aufschmelzens des Hybridgarns unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Beispielsweise kann durch Erwärmen des Geflechts aufgeschmolzen werden, allerdings auch durch Anwenden von Ultraschall. Nach dem Aufschmelzen, gegebenenfalls gefolgt von Verpressen, wird das Geflecht vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb von 50 °C und besonders bevorzugt auf Raumtemperatur (25 °C) abgekühlt, damit sich das thermoplastische Material verfestigt und so der Faserverbundstruktur Formstabilität verleiht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffstruktur, umfassend das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Geflechts sowie die Schritte
    • (C) Einbringen eines duroplastischen Matrixsystems in das Geflecht;
    • (D) Vernetzen des duroplastischen Matrixsystems; und
    • (E) Entfernen des Flechtkerns unter Bildung eines Hohlraums.
  • Schritt (C) unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Das Einbringen kann beispielsweise durch Aufbringen auf das Geflecht erfolgen. Die Matrix (duroplastisches Matrixsystem) kann grundsätzlich in jeder geeigneten Weise ein- bzw. aufgebracht werden. Beispiele für geeignete Ein- bzw. Aufbringungsverfahren sind Handlaminieren, Tauchen, Infusionsverfahren und Injektionsverfahren, wobei mit Hinblick auf eine effiziente Verfahrensführung Infusions- und Injektionsverfahren bevorzugt sind. Sofern das Einbringen durch Aufbringen erfolgt, so wird in Schritt (C) die Matrix so auf das Geflecht aufgebracht, dass dieses vollständig von der Matrix durchdrungen wird.
  • Die Matrix enthält ein oder mehrere Harze. Als Harz eignet sich grundsätzlich jedes Harz, welches für das Gebiet der Gebäudekonstruktion geeignet ist. Vorzugsweise wird als duroplastisches Matrixmaterial eine härtbare Harzzusammensetzung verwendet. Die Matrix kann Epoxidharze, Polyesterharze, Polyurethane und/oder Phenolharze umfassen. Zudem kann die Matrix weitere Bestandteile, z. B. ein oder mehrere Härtungsmittel, enthalten. Aus brandschutztechnischen Gründen wird vorzugsweise ein Harz mit hoher Flammbeständigkeit verwendet. Vorzugsweise enthält die Matrix ein oder mehrere Flammschutzmittel. Besonders bevorzugt besteht die Matrix aus einem oder mehreren (vorzugsweise härtbaren) Harzen, gegebenenfalls einem oder mehreren Härtungsmitteln und gegebenenfalls einem oder mehreren Flammschutzmitteln.
  • Schritt (D) unterliegt keiner besonderen Einschränkung. In Schritt (D) werden Bedingungen angewandt, die zum Aushärten der Matrix bzw. der Harzzusammensetzung führen. Beispielsweise kann dies durch Erwärmen des Matrixsystems bzw. der Harzzusammensetzung oder durch Bestrahlen des Matrixsystems bzw. der Harzzusammensetzung mit elektromagnetischer Strahlung (beispielsweise UV-Licht) erfolgen, wodurch die mechanischen Eigenschaften der resultierenden faserverstärkten Kunststoffstruktur bzw. des Verzweigungsknotens wesentlich verbessert werden. Schritt (D) kann gegebenenfalls auch lediglich darin bestehen, dass das Geflecht mit dem darauf aufgebrachten Matrixsystem bzw. der darauf aufgebrachten Harzzusammensetzung gelagert (stehen gelassen) wird, beispielsweise für eine Minute bis einen Tag, vorzugsweise 1 bis 12 Stunden. Auch Erwärmen bzw. Bestrahlen sind nicht zwingend erforderlich. So kann Schritt (D) beispielsweise bei einer Temperatur von 5 bis 50 °C, vorzugsweise 15 bis 30 °C, beispielsweise bei Raumtemperatur, durchgeführt werden. Dadurch, dass auf das Geflecht ein Matrixsystems bzw. eine Harzzusammensetzung aufgebracht (Schritt (C)) und gehärtet (Schritt (D)) wird, ist die resultierende faserverstärkte Kunststoffstruktur formstabil.
  • In Bezug auf Schritt (E) gelten die vorstehenden Ausführungen entsprechend.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffstruktur, umfassend das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Geflechts sowie die Schritte
    • (C) Aufbringen einer härtbaren Harzzusammensetzung auf das Geflecht;
    • (D) Härten der härtbaren Harzzusammensetzung; und
    • (E) Entfernen des Flechtkerns unter Bildung eines Hohlraums.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verzweigungsknotens zum Gebäudebau, umfassend das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur sowie die Schritte
    • (F) Befüllen des von der Faserverbundstruktur umhüllten Hohlraums mit einem Betongemisch; und
    • (G) Aushärten des Betongemisches.
  • Durch Schritte (F) und (G) wird Beton in den Hohlraum eingebaut. In Schritt (F) können gegebenenfalls Maßnahmen zur Verdichtung durchgeführt werden. In Schritt (G) kann das Betongemisch gegebenenfalls nachbehandelt werden.
  • Sofern der Verzweigungsknoten eine (innere) Bewehrung, beispielsweise eine Längsbewehrung und/oder eine Anschlussbewehrung, aufweisen soll, kann diese vor Schritt (F) vollständig oder im Falle einer Anschlussbewehrung teilweise in den Hohlraum der Faserverbundstruktur eingebracht werden. Vorzugsweise besteht die Anschlussbewehrung aus einem üblichen Bewehrungsmaterial wie Stahl und weist Stangenform auf. Zur Bewehrung können Textilien oder Rovings, beispielsweise Carbonfaserrovings und/oder Glasfaserrovings, eingesetzt werden.
  • Das in Schritt (F) verwendete Betongemisch unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Sowohl Normalbeton, hochfester Beton als auch ultrahochfester Beton können verwendet werden. Vorzugsweise wird schwindarmer, selbstverdichtender Beton verwendet. Das Betongemisch kann ausschließlich aus Beton bestehen. Das Betongemisch kann Fasern (insbesondere Stahlfasern, Kunststofffasern, beispielsweise Polyethylenfasern (PE-Fasern), Carbonfasern und/oder Glasfasern sowie gegebenenfalls weitere Zuschläge als Zusatzstoff oder Zusatzmittel enthalten.
  • Es ist bevorzugt, dass die äußeren Enden aller Arme der Faserverbundstruktur stirnseitig freiliegen, also nicht mit dem Flechtmaterial umflochten sind. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verzweigungsknotens werden vor dem Befüllen (F) vorzugsweise n-1 Arme verschalt. Das Befüllen (F) erfolgt dann über das freistehende Ende des Arms, dessen äußeres Ende nicht verschalt ist. Nach dem Befüllen können gegebenenfalls vorhandene Lufteinschlüsse in dem befüllten Betongemisch entfernt werden, beispielsweise mithilfe eines Rüttlers, vorzugsweise unter Verwendung eines Innenrüttlers.
  • Der erfindungsgemäße Verzweigungsknoten kann in konventioneller Bauweise in eine Tragstruktur eingesetzt werden. Hierzu kann die gegebenenfalls vorhandene Anschlussbewehrung des Verzweigungsknotens mit den umliegenden Teilen der Tragstruktur verbunden werden. Alternativ kann die an den Verzweigungsknoten angeschlossene Tragstruktur oder Teile davon in einer Kern-Hülle-Bauweise hergestellt werden und die Tragstruktur im Ganzen oder in Teilen betoniert werden.
  • Zwischen den Schritten (F) und (G) wird das eingefüllte Betongemisch gegebenenfalls unter üblichen Bedingungen nachbehandelt. Eine Nachbehandlung kann über die gegebenenfalls freiliegende(n) Stirnseite(n) eines oder mehrerer Arme erfolgen. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn ein oder mehrere Arme nicht an angrenzende Bauteile anschließen.
  • In Schritt (G) wird das eingefüllte Betongemisch unter üblichen Bedingungen ausgehärtet. Gegebenenfalls wird nach dem Aushärten die Verschalung der n-1 Arme entfernt.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Faserverbundstruktur, umfassend einen Faseranteil und einen Matrixanteil, wobei die Faserverbundstruktur einen Hohlraum zumindest teilweise umhüllt, wobei der Hohlraum mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet; und der Faseranteil ein Geflecht mit mindestens zwei Flechtlagen im Bereich der Arme umfasst.
  • Die vorstehenden Ausführungen in Bezug auf das Herstellungsverfahren für das Geflecht und das Herstellungsverfahren für die Faserverbundstruktur gelten entsprechend für die Faserverbundstruktur.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Faserverbundstruktur eine faserverstärkte Kunststoffstruktur, umfassend einen Faseranteil und einen Kunststoffanteil, wobei die faserverstärkte Kunststoffstruktur einen Hohlraum zumindest teilweise umhüllt, wobei der Hohlraum mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet; und der Faseranteil ein Geflecht mit mindestens zwei Flechtlagen im Bereich der Arme umfasst.
  • Die Faserverbundstruktur der vorliegenden Erfindung ist aus dem erfindungsgemäßen Verfahren zu seiner Herstellung erhältlich.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Verzweigungsknoten zum Gebäudebau, umfassend einen Betonkern, wobei der Betonkern mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet; und eine den Betonkern zumindest teilweise umhüllende Faserverbundstruktur, deren Faseranteil ein textiles Halbzeug mit mindestens zwei Lagen (Textillagen) im Bereich der Arme umfasst.
  • Die vorstehenden Ausführungen in Bezug auf das Herstellungsverfahren für das Geflecht, das Herstellungsverfahren für die Faserverbundstruktur und das Herstellungsverfahren für den Verzweigungsknoten gelten entsprechend für den Verzweigungsknoten.
  • Das textile Halbzeug unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Es kann beispielsweise ein Gewebe, ein Gewirke und/oder ein Geflecht umfassen. Vorzugsweise ist das textile Halbzeug das erfindungsgemäße Geflecht.
  • Die Anzahl der Flechtlagen der Faserverbundstruktur bzw. der Textil- oder Flechtlagen des Verzweigungsknotens im Bereich der Arme m unterliegt keiner besonderen Einschränkung, solange m mindestens 2 beträgt. Dadurch, dass m ≥ 2 ist, weist der Verzweigungsknoten besonders vorteilhafte statische Eigenschaften auf. Vorzugsweise ist m gerade, beispielsweise im Fall einer ebenen Faserverbundstruktur / eines ebenen Verzweigungsknotens. Besonders bevorzugt beträgt m 2 bis 12, mehr bevorzugt 2 bis 8, insbesondere bevorzugt 2 bis 6, beispielsweise 2.
  • Vorzugsweise weist das Halbzeug im Verzweigungsbereich zumindest eine Textillage auf. Vorzugsweise ist die Anzahl der Textillagen an jeder Stelle des Halbzeugs gleich. Herstellungsbedingt kann die Anzahl der Textillagen im Verzweigungsbereich jedoch schwanken, insbesondere, wenn das Halbzeug ein Geflecht ist. Das heißt, das Halbzeug bzw. Geflecht kann im Verzweigungsbereich Stellen mit jeweils unterschiedlicher Anzahl an Textillagen aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform (ebener Verzweigungsknoten mit drei Armen) weist das Halbzeug bzw. das Geflecht im Verzweigungsbereich Stellen mit m-1, m und m+1 Textil- bzw. Flechtlagen auf. So kann die Anzahl der Textil- bzw. Flechtlagen beispielsweise bei m = 2 (zwei Textil- bzw. Flechtlagen im Bereich der Arme) an unterschiedlichen Orten des Verzweigungsbereichs 1, 2 bzw. 3 betragen. Bei komplexerer Struktur des Verzweigungsknotens, z. B. bei mehr als drei Armen, kann die Anzahl der Textil- bzw. Flechtlagen über einen noch größeren Bereich schwanken.
  • Kern und Hülle des Verzweigungsknotens können jeweils tragend und nicht tragend sein. Die Hülle kann auch nur als Schalung dienen ohne als Bewehrung mitzuwirken. Das Füllmaterial, der Beton, kann auch lediglich als Aussteifung für die Hülle dienen. Die Hülle kann ebenso nur teilweise als Bewehrung dienen. Der Widerstand der Faserverbundstruktur ohne Zusatzmaßnahmen kann in der Kaltbemessung gegeben sein, ohne dass der Widerstand der Faserverbundstruktur ohne Zusatzmaßnahmen auch in der Heißbemessung gegeben sein muss.
  • Der erfindungsgemäße Verzweigungsknoten kann eine hohe Tragfähigkeit aufweisen. Die von der Faserverbundstruktur gebildete Hülle des Verzweigungsknotens kann als verlorene Schalung und gleichzeitig als äußere Bewehrung (äußere Armierung) dienen. Es ist möglich, dass Druckkräfte hauptsächlich vom Betonkern abgetragen und Zugkräfte von der Hülle aufgenommen werden. Die Hülle kann so bemessen werden, dass sie den Beton effektiv umschnürt und zu einer Tragfähigkeitssteigerung, bezogen auf die einaxiale Festigkeit des Betons, durch Ausbilden eines mehraxialen Spannungszustands im Beton führt. Die Hülle kann Zugkräfte in Umfangsrichtung aufnehmen und bei ausreichender Umschnürungssteifigkeit im Beton durch Einengung vor allem bei einer Druckbeanspruchung einen mehraxialen Spannungszustand hervorrufen. Zugkräfte in Längsrichtung, die durch Momente entstehen können, kann die Hülle ebenfalls aufnehmen.
  • Vorzugsweise ist der Betonkern nur teilweise von der Faserverbundstruktur umhüllt. Besonders bevorzugt liegen die äußeren Enden der Arme des Betonkerns stirnseitig frei. Das heißt, die Stirnseiten der äußeren Enden der Arme des Betonkerns sind vorzugsweise nicht von der Faserverbundstruktur umhüllt bzw. bedeckt, sodass die Oberfläche des Verzweigungsknotens an den Stirnseiten eine Betonoberfläche ist, aus der gegebenenfalls eine Bewehrung bzw. eine Anschlussbewehrung ragt.
  • Vorzugsweise weist der Betonkern im Verzweigungsbereich Ausrundungen auf. Besonders bevorzugt weist der Betonkern im Verzweigungsbereich keine Kanten auf. Hierdurch kann eine ansprechende ästhetische Wirkung des Verzweigungsknotens erzielt werden. Zudem kann hierdurch die Geometrie des Verzweigungsknotens an den Kräfteverlauf einer tragenden Struktur, worin der Verzweigungsknoten verbaut ist, angepasst werden.
  • Die Arme des Verzweigungsknotens können unterschiedliche Durchmesser, Längen, Orientierungen und Ausrundungen zu den anderen Armen besitzen. Der Durchmesser eines Armes ist seine größte Längendimension senkrecht zur Armachse, gemessen am äußeren Ende des Arms. Vorzugsweise liegen die Armachsen zumindest bei drei Armen in einer gemeinsamen Ebene. Der Betonkern ist vorzugsweise rotationssymmetrisch, besonders bevorzugt punktsymmetrisch. Es ist zudem bevorzugt, dass die Querschnittsflächen am jeweiligen äußeren Ende der Arme rund sind und somit keine Ecken aufweisen. Die Querschnittsflächen können beispielsweise ellipsenförmig sein und sind vorzugsweise kreisförmig. Die Querschnittsfläche am äußeren Ende eines Arms ist die Querschnittsfläche in der Draufsicht auf die Stirnseite entlang der Armachse.
  • In besonders bevorzugten Ausführungsformen weisen das Geflecht, die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur und/oder der erfindungsgemäße Verzweigungsknoten gleiche Durchmesser der Arme, abgerundete Querschnittsflächen und/oder Rotations- bzw. Punktsymmetrie auf.
  • Hinsichtlich der Dimensionen des Betonkerns bestehen keine besonderen Einschränkungen. Zum Einsatz in Gebäuden ist eine Mindesttragfähigkeit notwendig, diese bestimmt die geometrischen Abmessungen und erfordert eine individuelle Auslegung des Bauteils für jeden Anwendungsfall.
  • Die Durchmesser der Arme können in einem Bereich von wenigen Zentimetern (beispielsweise 1 cm) bis zu mehreren hundert Zentimetern (beispielsweise 500 cm) liegen. Die Durchmesser der mindestens drei Arme betragen unabhängig voneinander vorzugsweise mindestens 4 cm, vorzugsweise mindestens 8 cm, insbesondere bevorzugt mindestens 10 cm. Der Durchmesser der Arme beträgt vorzugsweise höchstens 100 cm, insbesondere bevorzugt höchstens 20 cm.
  • Damit der Verzweigungsknoten im Gebäudebau eingesetzt werden kann, sollte er eine minimale Schenkellänge aufweisen, um an umliegende Tragelemente (angrenzende Tragglieder) angeschlossen werden zu können. Die Schenkellänge ist die Länge vom Anfang der Achse des Schenkels entlang der geraden Achse des Schenkels bis zum äußersten Rand des Schenkels. Die Begriffe "Arm" und "Schenkel" sind in diesem Zusammenhang gleichbedeutend. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung an umliegende Tragelemente über eine Steck- oder Muffenverbindung, die zusätzlich geklebt sein kann und eine mechanische Verzahnung (Torsionsknagge, Noppen, etc.) aufweisen kann und in der Regel eine Überlappung erfordert. Für diese Verbindungen insbesondere bevorzugt ist ein zylindrisches bzw. rohrförmiges Teilstück (Verbindungsbereich) zwischen dem Ende der doppeltgekrümmten Bereiche der Verzweigung und dem äußersten Rand des Schenkels. Für diese Verbindungsarten ist weiter eine Länge des zylindrischen bzw. rohrförmigen Teilstücks von mindestens dem einfachen Armdurchmesser, insbesondere mindestens dem zweifachen Armdurchmesser bevorzugt. Die Länge zwischen zwei Verzweigungen beträgt vorzugsweise höchstens 20 m, insbesondere bevorzugt höchstens 10 m, beispielsweise höchstens 5 m. Entsprechend beträgt die Länge eines Arms des erfindungsgemäßen Verzweigungsknotens (bzw. der Faserverbundstruktur) höchstens 10 m, insbesondere bevorzugt höchstens 5 m, beispielsweise höchstens 2,5 m. Die Länge des Verbindungsbereichs für Steck- und Muffenverbindungen beträgt vorzugsweise mindestens 4 cm, besonders bevorzugt mindestens 8 cm, insbesondere bevorzugt mindestens 20 cm.
  • Der Verzweigungsknoten bzw. der Betonkern weisen vorzugsweise eine Bewehrung auf. Vorzugsweise ist die Bewehrung eine Anschlussbewehrung, durch die der Verzweigungsknoten mit angrenzenden Traggliedern verbunden werden kann. Alternativ bzw. ergänzend dazu kann eine Verbindung zu angrenzenden Traggliedern über Stahleinbauteile, Muffen, Einstecker, Verschraubungen etc. oder über geklebte Verbindungen erfolgen. Die angrenzenden Tragglieder können ebenfalls erfindungsgemäße Verbindungsknoten und/oder konventionelle Tragglieder sein.
  • Zur Sicherstellung des Brandtragverhaltens kann der Betonkern des erfindungsgemäßen Verbindungsknotens eine zusätzliche Bewehrung, insbesondere Längsbewehrung, aufweisen.
  • Der erfindungsgemäße Verzweigungsknoten eignet sich insbesondere für die Verwendung zum Gebäudebau, insbesondere zum Hoch- und/oder Tiefbau. Der Verzweigungsknoten kann in Tragsystemen, wie Fachwerk- oder Rahmensystemen, verwendet werden.
    • Figur 1A zeigt einen Rohrknoten mit Schlitzblech und Flanschplatte aus Stahl aus dem Stand der Technik.
    • Figur 1B zeigt einen Rohrknoten aus geschnittenen und verschweißten Stahlrohren aus dem Stand der Technik.
    • Figur 1C zeigt einen Stahlgussknoten aus dem Stand der Technik.
    • Figur 2 zeigt einen Kern zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verzweigungsknoten mit drei Armen (1, 2, 3). Flechtrichtungen sind durch doppelköpfige Pfeile angegeben.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden, nicht einschränkenden Beispiele näher erläutert.
    • Beispiele Beispiel 1: Herstellung eines Verzweigungsknotens mit Hülle aus faserverstärkter Kunststoffstruktur
  • Aus einer Polystyrolplatte wurde mit einem Fräsroboter ein Flechtkern ausgefräst. Der erhaltene Kern wies drei Arme auf und hatte eine punktsymmetrische räumliche Gestalt (siehe Figur 2).
  • Der Flechtkern mit einem Schenkeldurchmesser von 125 mm und einer Schenkellänge von 175 cm wurde mit einer Radialflechtmaschine (144er Radialflechters der Firma Herzog) in 3 Flechtschritten beflochten, wodurch ein zweilagiges Geflecht erhalten wurde. Wie in Figur 2 gezeigt, wurde zunächst im ersten Flechtschritt vom äußeren Ende des Arms 1 zum äußeren Ende des Arms 2, dann im zweiten Flechtschritt vom äußeren Ende des Arms 2 zum äußeren Ende des Arms 3 und zuletzt im dritten und letzten Flechtschritt vom äußeren Ende des Arms 3 zum äußeren Ende des Arms 1 umflochten. Nach jedem der drei Flechtschritte wurden die Enden der zuletzt umflochtenen Arme mit Klebeband abgeklebt und überstehendes Flechtmaterial abgeschnitten.
  • Als Flechtmaterial wurden Flecht- und Stehfäden verwendet. Die Flechtfäden bestanden aus einem Carbonfaserroving mit 24 K (Feinheit von 1600 tex) und die Stehfäden aus einem Carbonfaserroving mit 48 K (Feinheit von 3200 tex). Die Carbonfaserrovings waren vom Typ "Tenax® STS Filamentgarn" der Firma Toho Tenax. Es wurden 72 Flechtfäden und 72 Stehfäden (massebezogenes Verhältnis von Flechtfäden zu Stehfäden = 1:2) verwendet. Der Flechtwinkel betrug etwa 60°.
  • Auf den beflochtenen Flechtkern wurde eine Harzzusammensetzung (Zweikomponenten-Epoxidharzzusammensetzung MGS® RIMR 135 mit Epoxidharzkomponente "RIMR 135" und flüssiger Härterkomponente "RIMH 137" der Firma Hexion; Gewichtsverhältnis Harz/Härtungsmittel = 10/3) durch Handlaminieren aufgebracht. Das Geflecht wurde dabei vollständig von der Harzzusammensetzung durchdrungen. Der Flechtkern mit auf dem Geflecht aufgebrachter Epoxidharzzusammensetzung wurde für 24 Stunden bei Raumtemperatur gehärtet und anschließend für 15 Stunden bei 80 °C getempert.
  • Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Kern durch Auflösen in Aceton entfernt.
  • Zwei der freistehenden (offenen) Arme der erhaltenen faserverstärkten Kunststoffstruktur wurden anschließend verschalt. Der Hohlraum der faserverstärkten Kunststoffstruktur wurde mit Beton (Sorte "119M" der Firma Godel Beton) befüllt. Mithilfe eines Innenrüttlers wurden Lufteinschlüsse entfernt und das entstandene freie Volumen mit Beton aufgefüllt. Danach wurde der erhaltene Verzweigungsknoten für 28 Tage ausgehärtet.
    • Vergleichsbeispiel: Herstellung eines Verzweigungsknotens ohne Hülle aus faserverstärktem Kunststoff
  • Es wurde ein Verzweigungsknoten aus Beton ohne Hülle aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt. Abgesehen von der fehlenden Hülle wurden die gleichen Parameter wie in Beispiel 1 gewählt.
    • Beispiel 2: Vergleich
  • Die aus Beispiel 1 sowie dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Verzweigungsknoten wurden jeweils einer Biegeprüfung unterzogen, indem die Verzweigung stehend, vertikal an einem Schenkel in der Ebene der Verzweigung belastet wurde und an zwei Enden entgegengesetzt zur Kraftrichtung gehalten wurde. Eine Festhaltung in horizontaler Richtung erfolgte nicht, wodurch zwei Schenkel auf Biegung belastet wurden. Die gemessene Prüfkraft im Versuchsstand für Beispiel 1 betrug 753,7 kN. Für das Vergleichsbeispiel wurden lediglich 51,1 kN gemessen. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1: Prüfkraft von Beispiel 1 und des Vergleichsbeispiels
    Prüfkraft
    Beispiel 1 753,7 kN
    Vergleichsbeispiel 51,1 kN
  • In weiteren Versuchen wurden auch die Drucktragfähigkeit und die Tragfähigkeitssteigerung durch die Umschnürungswirkung untersucht. Auch diese Versuche bestätigten die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften des Verzweigungsknotens von Beispiel 1.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung von Verzweigungsknoten mit individuellen Geometrien und hoher Qualität der Oberfläche des Verzweigungsknotens. Anders als bei der Herstellung von Stahlgussknoten sind die Herstellungskosten unabhängig von der gefertigten Stückzahl, da die aufwändige Verwendung von Gussformen entfällt.
  • Durch die Hülle (Faserverbundstruktur) des Verzweigungsknotens wird dessen mechanische Belastbarkeit stark erhöht. Insbesondere durch Anpassung der Anordnung des Flechtmaterials (innere Geometrie) können filigrane und an die individuelle Belastungssituation exakt angepasste Verzweigungsknoten bereitgestellt werden. Zudem wird eine hohe Materialeffizienz erreicht. Durch geeignete Anpassung der räumlichen Gestalt des Verzweigungsknotens bzw. des Betonkerns (äußere Geometrie), wie die bevorzugten Ausrundungen zwischen den Schenkeln, können äußere und innere Geometrie entsprechend des Kraftflusses angepasst werden. Durch synergistisches Zusammenwirken der inneren und äußeren Geometrie des erfindungsgemäßen Verzweigungsknotens kann selbst bei schlanker und leichter Konstruktion des Verzweigungsknotens eine hohe Tragfähigkeit erzielt werden, wodurch Material eingespart werden kann.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die folgenden Punkte 1 bis 10:
    1. 1. Verfahren zur Herstellung eines Geflechts, umfassend die Schritte
      1. (A) Bereitstellen eines Flechtkerns, welcher mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet;
      2. (B) Bilden des Geflechts durch Umflechten des Flechtkerns mit einem Flechtmaterial,
      wobei das Geflecht im Bereich der Arme mindestens zwei Flechtlagen aufweist.
    2. 2. Verfahren nach Punkt 1, worin Schritt (B) mehrere Flechtschritte umfasst, wobei in jedem der Flechtschritte die Flechtrichtung von dem äußeren Ende eines Arms zu dem äußeren Ende eines davon verschiedenen Arms des Flechtkerns verläuft.
    3. 3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2,
      wobei das Flechtmaterial Flechtfäden und Stehfäden umfasst.
    4. 4. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 3,
      wobei das Flechtmaterial Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, Hybridgarn, Keramikfasern und/oder Aramidfasern umfasst.
    5. 5. Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur, umfassend das Verfahren zur Herstellung eines Geflechts nach einem der Punkte 1 bis 4 sowie einen Schritt des Verbindens des Geflechts mit einer Matrix und einen Schritt (E) des Entfernens des Flechtkerns unter Bildung eines Hohlraums.
    6. 6. Faserverbundstruktur, erhalten aus dem Verfahren nach Punkt 5.
    7. 7. Faserverbundstruktur, umfassend einen Faseranteil und einen Matrixanteil, wobei
      die Faserverbundstruktur einen Hohlraum zumindest teilweise umhüllt, wobei der Hohlraum mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet; und der Faseranteil ein Geflecht mit mindestens zwei Flechtlagen im Bereich der Arme umfasst.
    8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Verzweigungsknotens zum Gebäudebau, umfassend das Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach Punkt 5 sowie die Schritte
      • (F) Befüllen des von der Faserverbundstruktur umhüllten Hohlraums mit einem Betongemisch; und
      • (G) Aushärten des Betongemisches.
    9. 9. Verzweigungsknoten zum Gebäudebau, erhalten aus dem Verfahren nach Punkt 8.
    10. 10. Verzweigungsknoten zum Gebäudebau, umfassend
      einen Betonkern, wobei der Betonkern mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet; und
      eine den Betonkern zumindest teilweise umhüllende Faserverbundstruktur, deren Faseranteil ein textiles Halbzeug mit mindestens zwei Lagen im Bereich der Arme umfasst.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Verzweigungsknotens zum Gebäudebau, umfassend die Schritte
    (A) Bereitstellen eines Flechtkerns, welcher mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet,
    (B) Bilden eines Geflechts durch Umflechten des Flechtkerns mit einem Flechtmaterial, wobei das Geflecht im Bereich der Arme mindestens zwei Flechtlagen aufweist,
    Verbinden des Geflechts mit einer Matrix,
    (E) Entfernen des Flechtkerns unter Bildung eines Hohlraums, wodurch eine Faserverbundstruktur erhalten wird,
    (F) Befüllen des von der Faserverbundstruktur umhüllten Hohlraums mit einem Betongemisch, und
    (G) Aushärten des Betongemisches.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der in Schritt (A) bereitgestellte Flechtkern aus einem fräsbaren Material aufgebaut ist oder ein Material umfasst, welches in einer Flüssigkeit löslich ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der in Schritt (A) bereitgestellte Flechtkern aus einem gehärteten Gemisch, umfassend Sand, Bindemittel und Lösungsmittel, hergestellt ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin Schritt (B) mehrere Flechtschritte umfasst, wobei in jedem der Flechtschritte die Flechtrichtung von dem äußeren Ende eines Arms zu dem äußeren Ende eines davon verschiedenen Arms des Flechtkerns verläuft.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anzahl der Flechtlagen im Bereich der Arme m gerade ist und Schritt (B) m/2·n Flechtschritte umfasst, wobei n die Anzahl der Arme des Flechtkerns darstellt, und in jedem der m/2·n Flechtschritte, jeweils ausgehend vom äußeren Ende eines Armes, der mit weniger als den m Flechtlagen umflochten ist, zum äußeren Ende eines davon verschiedenen Armes, der mit weniger als den m Flechtlagen umflochten ist, der Flechtkern mit dem Flechtmaterial umflochten wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei Schritt (B) die folgenden Schritte (B1) bis (B3) umfasst, worin
    (B1) in einem ersten Flechtschritt ein erster Arm und ein davon verschiedener zweiter Arm des Flechtkerns mit dem Flechtmaterial umflochten werden und vom äußeren Ende des ersten Armes zum äußeren Ende des zweiten Armes umflochten wird;
    (B2) in weiteren Flechtschritten jeweils ausgehend vom äußeren Ende des zuletzt umflochtenen Armes zum äußeren Ende eines nicht mit m Flechtlagen umflochtenen Armes umflochten wird; und
    (B3) in einem letzten Flechtschritt ausgehend vom äußeren Ende des zuletzt umflochtenen Armes zum äußeren Ende des ersten Armes umflochten wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei das Flechtmaterial Flechtfäden und Stehfäden umfasst.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei das Flechtmaterial Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, Hybridgarn, Keramikfasern und/oder Aramidfasern umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Flechtmaterial Hybridgarn umfasst,
    wobei das Hybridgarn Verstärkungsfasern und thermoplastische Fasern enthält.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter umfassend die Schritte (C) Einbringen eines duroplastischen Matrixsystems in das Geflecht; und (D) Vernetzen des duroplastischen Matrixsystems.
  11. Verzweigungsknoten zum Gebäudebau, erhalten aus dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  12. Verzweigungsknoten zum Gebäudebau, umfassend
    einen Betonkern, wobei der Betonkern mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet; und
    eine den Betonkern zumindest teilweise umhüllende Faserverbundstruktur, deren Faseranteil ein textiles Halbzeug mit mindestens zwei Lagen im Bereich der Arme umfasst.
  13. Faserverbundstruktur, umfassend einen Faseranteil und einen Matrixanteil,
    wobei
    die Faserverbundstruktur einen Hohlraum zumindest teilweise umhüllt, wobei der Hohlraum mindestens drei Arme aufweist und eine Verzweigung bildet; und
    der Faseranteil ein Geflecht mit mindestens zwei Flechtlagen im Bereich der Arme umfasst.
  14. Faserverbundstruktur nach Anspruch 13, welche eine faserverstärkte Kunststoffstruktur, umfassend einen Faseranteil und einen Kunststoffanteil, ist.
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