NL1023445C1 - Methode voor het verstijven en versterken van schaalconstructies met liggers. - Google Patents

Description

%

Methode voor het verstijven en versterken van schaalconstructies met liggers

De uitvinding heeft betrekking op een methode voor het verstijven en versterken van schaalconstructies die reeds één of meerdere liggers hebben, welke methode is gebaseerd op het gericht aanbrengen in 5 de schaalconstructie van een materiaal met een wezenlijk hogere sterkte en stijfheid dan de sterkte en stijfheid van de materialen waarvan de liggers en de huiden van de schaalconstructies zijn vervaardigd. De schaalconstructies waarop de uitvinding betrekking heeft zijn in hoofdzaak gemaakt van hout en kunststof. Daarenboven kunnen dergelijke schaalconstructies tussen de liggers zijn voorzien van een kernmateriaal, bijvoorbeeld een lichtgewicht kunststofschuim, welke constructies deels fungeren als 10 sandwichconstructie.

Een dergelijke methode is algemeen bekend. De stijfheid en de sterkte van schaalconstructies met één of meerdere liggers en met een bepaalde afstand tussen de beide huiden kan in principe op twee wijzen worden verhoogd: ten eerste door materiaal te verplaatsen van het midden van de hoogte (de afstand 15 tussen de beide huiden) naar de huiden, ten tweede door op zo groot mogelijke afstand van de neutrale lijn materiaal aan te brengen met een hogere sterkte en stijfheid. Dit wordt onder andere gedaan in de vliegtuigbouw. Bij dergelijke methoden worden in vleugels de liggers opgebouwd uit een relatief dunne lijfplaat en relatief dikke gordingen. Ook is het bekend dat in dergelijke liggers het gordingmateriaal deels of in hoofdzaak kan bestaan uit een materiaal met een hogere sterkte en stijfheid dan de rest van 20 de schaalconstructie. Merk op dat de huid meedraagt in de gording, als verstijfde schaal, welke schaal wordt verstijfd middels verstijvers (veelal van metaal) of middels kunststofschuim.

Een andere illustratie van de stand van de techniek is het renoveren van verouderde betonnen constructies, zoals bruggen en vloeren, door tegen de onderzijde van dergelijke constructies een 25 materiaal met een hogere sterkte en stijfheid aan te brengen. Dit materiaal, veelal dunne strips unidirectionele koolstofvezelversterkte epoxy, wordt verbonden met de onderzijde van de verouderde constructie, in hoofdzaak gelijmd en soms additioneel gebout, waarmee de sterkte en de stijfheid van de verouderde betonnen constructie weer op een acceptabel peil wordt gebracht.

30 Een dergelijke methode van verstijven en versterken van schaalconstructies met één of meerdere liggers, al of niet daarenboven voorzien van een sandwichkernmateriaal, is nog niet bekend in de houtbouw. Dergelijke schaalconstructies worden nu gemaakt van houten liggers, met houten of van houtvezels en/of houtsnippers of multiplex vervaardigde huidpanelen, en soms voorzien van een lichtgewicht kernmateriaal, bijvoorbeeld een kunststofschuim van geëxpandeerd polystyreen, tussen de Η I liggers. Daar waar deze schaalconstructies in de bouw worden toegepast als dakpaneel, heeft het I kernmateriaal naast een mechanische ook een thermische functie, als isolatiemateriaal. Dergelijke constructies zijn bekend, bijvoorbeeld uit octrooi EP1 253 257. Wanneer een dergelijk paneel wordt I versterkt of verstijfd, dan is de gebruikelijke methode om de ligger over de gehele hoogte te voorzien I 5 van een verstevigingsplaat, zoals bijvoorbeeld beschreven in octrooi NL1012674. Een andere methode van verstijven is het vergroten van de hoogte van de schaalconstructie.

I Een bezwaar van het bekende systeem van “versteviging” (verhoging van de sterkte en de stijfheid) I door middel van het aanbrengen van een verstevigingsplaat over de gehele hoogte van de ligger, is dat 10 het een inefficiënte methode is, die in diepste wezen neerkomt op het aanbrengen van een additionele I ligger naast een bestaande ligger.

I Het bezwaar van het vergroten van de hoogte van de ligger ten behoeve van het vergroten van sterkte I en stijfheid, kan gelegen zijn in het niet beschikbaar zijn van voldoende ruimte waarin de constructie I moet worden ingebouwd, of is gelegen in overwegingen van materiaalgebruik en kostprijs.

I 15 I Het is het doel van de uitvinding om de bovengenoemde bezwaren van de stand der techniek te I ondervangen en een meer efficiënte manier van versterken en verstijven te bieden voor schaalconstructies met één of meerdere liggers. Dit betekent dat met de uitvinding op efficiënte wijze van een schaalconstructie met een bepaalde hoogte de sterkte en de stijfheid kunnen worden I 20 verhoogd, of dat bij gelijkblijvende sterkte en stijfheid de hoogte van de schaalconstructie kan worden I verlaagd.

De uitvinding betreft het gericht toevoegen van materiaal met een wezenlijk hogere sterkte en stijfheid dan de overige samenstellende componenten van de in hoofdzaak houten schaalconstructie, door het I 25 betreffende materiaal te verbinden met de schaalconstructie en wel op zo groot mogelijke afstand van I de neutrale lijn. Dit betekent dat het betreffende materiaal wordt aangebracht ter hoogte van de I verbinding tussen de liggers en de huiden van de schaalconstructie, zijnde deels of geheel tussen de I liggers en de huiden, of aan de buitenzijde van de huiden ter hoogte van de liggers.

I 30 Het bovenbedoelde versterkingsmateriaal kan worden aangebracht in de vorm van relatief lange en I relatief smalle stroken, bijvoorbeeld profiel, strip, band of lint, waarbij het betreffende profiel, strip, band I of lint in dezelfde richting ligt als de liggers, hetgeen veelal de overspanningsrichting van de I schaalconstructie is. Het versterkingsmateriaal kan naast de bovenbeschreven vorm van een stijf, vast I materiaal ook de vorm hebben van een verstrekt gaas, of van een flexibele textiele structuur, al dan niet 3 voorzien van een deels uitgeharde of nog uit te harden matrix van een thermohardende hars en/of lijm, of zelfs een thermoplastische matrix en/of lijm.

Het bovenbedoelde versterkingsmateriaal, met een hogere sterkte en stijfheid, kan zijn: staal, kunststof 3 of vezelversterkte kunststof, of enige combinatie van deze materialen. Voor het staal kan men denken aan strip of band, bijvoorbeeld zoals gebruikt om houten kisten en ladingen te omsnoeren en in te binden. Voor de onversterkte kunststof valt te denken aan hoogverstrekte thermoplasten zoals bijvoorbeeld polyethyleen, polypropeen, polyester of polyamide, aan hoge temperatuur resistente engineering thermoplasten zoals bijvoorbeeld polyetheretherketon (PEEK), polyetherimide (PEI) en 10 polyethersulfide (PES), of aan vloeibaarkristal polymeren zoals bijvoorbeeld “Victrex", “Xydar”, “Vectra(n)", “Zenite”. Voor de vezelversterkte kunststoffen valt met name te denken aan glasvezelversterkt polyester en koolstofvezelversterkt epoxy of vinylester, maar ook aan elk van de hiervoor genoemde kunststoffen, gecombineerd met versterkingsvezels. Naast glas· en koolstofvezel als versterking voor deze kunststoffen valt te denken aan bijvoorbeeld aramidevezel, UHMW-15 polyethyleenvezel (bijvoorbeeld “Dyneema"), polyestervezel (bijvoorbeeld “Diolen") en hoogverstrekt polypropyleenvezel (bijvoorbeeld “Pure’).

De wijze van verbinden van het versterkingsmateriaal aan, op of in de schaalconstructie zal in hoofdzaak verlijmen zijn. Daarnaast valt te denken aan thermisch lassen (in geval van (vezelversterkte) 20 thermoplasten) en mechanische verankering middels pen-gatverbindingen (bijvoorbeeld nagelen).

Voor het bereiken van maximale efficiëntie is het van belang dat het versterkingsmateriaal bij voorkeur zo wordt aangebracht dat de neutrale lijn van de schaalconstructie niet verschuift, hetgeen inhoudt dat de versterking bij voorkeur symmetrisch wordt aangebracht op boven en onderzijde van de liggers of de 25 huiden. Het is echter ook mogelijk om de versterking asymmetrisch, bijvoorbeeld éénzijdig aan te brengen.

In een variant op de bovenbeschreven methode wordt het versterkingsmateriaal toegepast in de vorm van strips die breder zijn dan de breedte van de veelal houten liggers. In een tweede variant op de bovenbeschreven methode worden in plaats van harde strips droge vezelbundels toegepast welke aan 30 hun uiteinde worden verbonden met de schaalconstructie. In weer een andere variant worden de droge vezelbundels toegevoegd aan de lijm waarmee de liggers worden verbonden aan de huiden. De matrix voor deze vezelversterking is dan de lijm zelf. Dit kan bijvoorbeeld een polyester·, epoxy· of polyurethaanlijm zijn. In weer een andere variant wordt in plaats van droge vezels en lijm een halffabrikaat gebruikt bestaande uit een vezelversterkte lijmlaag. Dit vezelversterkte “plakband” kan I*.

worden gebruikt om de veelal houten liggers tegelijkertijd te verstijven, te versterken en te verbinden met de huiden van de schaalconstructie.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van een schaalconstructies met één of meerdere liggers zijn de 5 houten liggers op hun boven* en onderzijde (de smalle zijden van de ligger) voorzien van een strip koolstofvezelversterkte epoxy welke is verbonden middels verlijmen met een polyurethaanlijm, waarna de aldus met koolstof strips versterkte en verstijfde ligger wordt samengesteld en verbonden met de huiden van houtvezelplaat, alsmede met de sandwichkem van geëxpandeerd polystyreen tussen de liggers, tot een verstijfd en geïsoleerd sandwichpaneel, dat bijvoorbeeld kan worden gebruikt als 10 dakpaneel.

Metingen uitgevoerd aan de methode volgens de uitvinding geven aan dat een dergelijk sandwichpaneel, bijvoorbeeld met een hoogte van 118 mm, een houten gording bijvoorbeeld met een dikte van 22 mm en een huiddikte bijvoorbeeld van 3 mm, 34% verstijfd wordt door toevoeging van 15 unidirectionele koolstofvezelversterkte strips van bijvoorbeeld 22 mm breed en 1 mm dik, asymmetrisch opgelijmd aan de onderzijde (de trekzijde) van een op vierpuntsbuiging belast paneel. Indien elke ligger aan beide korte zijden, symmetrisch, wordt voorzien van dergelijke unidirectionele koolstofvezelversterkte strips van bijvoorbeeld 22 mm breed en 1 mm dik, dan neemt de berekende stijfheid van het paneel toe met 79%.

20

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van enkele tekeningen, zie figuur 1 tot en met 6. Alle drie de figuren zijn dwarsdoorsneden door een schaalconstructie met 2 liggers, waarbij de ruimte ingesloten door de huiden en de liggers is gevuld met een kernmateriaal. De dwarsdoorsneden staan loodrecht op de overspanningsrichting van de schaalconstructies.

25 - figuur 1 toont een paneel conform de stand der techniek, - figuur 2 toont een paneel volgens de uitvinding dat enkelzijdig (asymmetrisch) is versterkt en verstijfd met twee sterke en stijve strips, • figuur 3 toont een paneel volgens de uitvinding dat tweezijdig (symmetrisch) is versterkt en verstijfd met vier sterke en stijve strips, 30 - figuur 4 toont een paneel volgens de uitvinding dat tweezijdig (symmetrisch) is versterkt en verstijfd met vier sterke en stijve strips, die breder zijn dan de breedte van de liggers, - figuur 5 toont een paneel volgens de uitvinding dat tweezijdig (symmetrisch) is versterkt en verstijfd met vier sterke en stijve strips, die de vorm hebben van een U-profiel, 5 I- figuur 6 toont een paneel volgens de uitvinding dat tweezijdig (symmetrisch) is versterkt en verstijfd met vier sterke en stijve strips, die breder zijn dan de breedte van de liggers en aan de buitenzijde van het schaalprofiel zijn verbonden ter hoogte van de liggers.

In figuur 1 ziet men de twee huiden van het paneel (1) ter breedte B, welke zijn verbonden, bij voorkeur 5 middels verlijmen, met de twee liggers (2) ter breedte bg en ter hoogte he, en het kernmateriaal (3) dat ten minste aan de boven- en onderzijde is verbonden met de twee huiden.

In figuur 2 ziet men aan de onderzijde van de liggers twee versterkingsstrips (4) ter breedte be en ter dikte t(e, welke aan de ene zijde zijn verbonden met de ligger, en de andere zijde met de huid. Het kernmateriaal (3) is ook hier ten minste aan de boven- en onderzijde verbonden met de twee huiden.

10 De versterkingsstrips (4) kunnen evenzeer aan de bovenzijde van de liggers worden bevestigd.

In figuur 3 ziet men zowel aan de onder- als aan de bovenzijde van elke ligger een versterkingsstrip welke aan de liggers zijn verbonden, waarna de van strips voorziene ligger wordt samengesteld met de huiden en de kern tot het paneel.

In deze figuren is de liggerhoogte hg gelijk gehouden, waardoor bij toevoeging van de versterkingsstrips 15 de kemdikte en de paneelhoogte iets toenemen. Het is evenzo mogelijk om de kemdikte gelijk te houden en de liggerhoogte te reduceren naar rato van de dikte van de toegevoegde versterkingsstrips. In het betreffende geval neemt de paneelhoogte niet toe door toevoeging van de bovenbedoelde versterkingsstrips.

Figuur 4 toont een variant op de bovenbeschreven methode, waarin de breedte van de 20 versterkingsstrips niet meer gelijk is aan de breedte van de liggers. In het onderhavige geval zijn de strips breder dan de liggers. In dit geval kan de volgorde van verbinden anders zijn, bijvoorbeeld: eerst wordt de versterkingsstrip op de juiste positie op de huid verbonden, vervolgens wordt de ligger met de huid verbonden. In het onderhavige geval kan nog steeds gebruik gemaakt worden van een rechthoekig blok lichtgewicht (kunststof-)schuim, omdat het geringe hoogteverschil met de huid, veroorzaakt door de 25 dikte van de versterkingsstrips, met enige uitwendige druk op de schaalconstructie kan worden weg gedrukt.

Figuur 5 toont een andere variant op de bovenbeschreven methode, waarin de versterking de vorm heeft van een U-profiel dat over de smalle lange zijden van de liggers is verbonden.

Figuur 6 toont weer een andere variant op de bovenbeschreven methode, waarbij de versterkingsstrip 30 niet in, maar op de schaalconstructie wordt verbonden, en wel ter hoogte van de liggers.

Opgemerkt wordt dat de uitvinding zich niet beperkt tot de beschreven uitvoeringsvormen, doch zich tevens uitstrekt tot andere varianten. Zo kan een combinatie van de hierboven genoemde versterkingsvormen worden toegepast, bijvoorbeeld U-vormige profielen aan de binnenzijde van de H schaalconstructie (zie figuur 1 -5) in combinatie met een vlakke strip aan de buitenzijde van de schaalconstructie (zie figuur 6). Tevens kan de schaalconstructie in hoofdzaak zijn opgebouwd uit vezelversterkte kunststof platen en profielen.

Claims (11)

1. Methode voor het verstijven en versterken van althans in hoofdzaak uit hout vervaardigde schaalconstructies, tenminste bestaand uit twee huidvelden (1) en één of meer liggers (2), door gerichte toevoeging van een versterkingsmateriaal met een hogere sterkte en stijfheid dan het 5 materiaal van de schaalconstructie (4), met het kenmerk dat het versterkingsmateriaal (4) is geconcentreerd rond de verbindingen tussen liggers (2) en huidvelden (1).

2. Methode voor het verstijven en versterken van althans deels uit hout en deels uit vezelversterkte kunststof vervaardigde schaalconstructies, tenminste bestaand uit twee huidvelden (1) en één of meer liggers (2), door gerichte toevoeging van een 10 versterkingsmateriaal met een hogere sterkte en stijfheid dan het materiaal van de schaalconstructie (41. met het kenmerk dat het versterkingsmateriaal (4) is geconcentreerd rond de verbindingen tussen liggers (2) en huidvelden (1).

3. Methode volgens conclusies 1 of 2, waarbij de ruimte tussen de liggers (2) en de huidvelden (1) is gevuld met een lichtgewicht kernmateriaal (3).

4. Methode conclusies 3, waarbij het lichtgewicht kernmateriaal (3) bestaat uit een kunststofschuim.

5. Methode volgens een der conclusies 1-4, waarbij het versterkingsmateriaal (4) zich bevindt tussen de liggers (2) en de huidvelden (1).

6. Methode volgens een der conclusies 1 -4, waarbij het versterkingsmateriaal zich bevindt aan de I 20 buitenzijde van de schaalconstructie, op de huid ter hoogte van de verbinding tussen liggers (2) I en huidvelden (1).

7. Methode volgens een der conclusies 1 -6, waarbij het versterkingsmateriaal de vorm heeft van I een profiel, een vlakke strip, een band of een lint.

8. Methode volgens een der conclusies 1 -6, waarbij het versterkingsmateriaal de vorm heeft van I 25 een textiele band bestaande uit in hoofdzaak gelijk georiënteerde vezels.

9. Methode volgens een der conclusies 1 -6, waarbij het versterkingsmateriaal de vorm heeft van I een versterkt metaalgaas, waarbij de mazen van het gaas zijn opgerekt in de lengterichting van I het versterkingsmateriaal.

10. Methode volgens een der conclusies 1 -6, waarbij het versterkingsmateriaal de vorm heeft van I 30 een met vezels versterkte lijm.

11. Methode volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het versterkingsmateriaal bestaat uit I één van de volgende materialen: staal, kunststof, vezelversterkte kunststof of enige combinatie van deze materialen.