DE19612248A1 - Verbindung zwischen dünnwandigen Stäben aus Faserverbundwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindung zwischen dünnwandigen Stäben aus Faserverbundwerkstoffen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Für Fachwerke, insbesondere räumliche Fachwerke, bei denen in einem Kno­ tenpunkt eine Mehrzahl von Stäben, beispielsweise Quer- und/oder Diagonalstäben, an einen durchgehenden Holm anzuschließen sind, ist aus der DE 43 30 857 A1 ein Verbindungselement aus Kohlefaserverbundwerkstoff mit sich kreuzenden Fasern für eine geklebte Verbindung bekannt, die mit einem zur Anlage an einem durchgehenden Stab als Rohrschale ausgebildeten ge­ krümmten Abschnitt versehen sind, von dessen Außenseite wenigstens eine mit der Rohrschale einstückige und mit den anzuschließenden Stäben verbindbare Knotenscheibe radial absteht, die sich bezüglich der Rohrschale in einer deren Achse enthaltenden Ebene erstreckt, wobei die Knotenscheibe aus wenigstens zwei Lagen eines Fasergewebes gebildet ist, dessen Fasern sich unter einem Winkel von ± 45° zur Rohrschalenachse kreuzen. Die anzuschließenden Stäbe sind hierbei an ihren Anschlußenden geschlitzt ausgebildet, so daß sie auf die Knotenscheibe aufgeschoben und mit der Knotenscheibe durch Hebung verbunden werden können. Um eine über die gesamte Klebefläche, d. h. Seitenfläche, des Schlitzes durchgehende schubsteife Wandung zu erhalten, sind in den Stabenden entsprechende Einsätze vorgesehen.

Eine solche Verbindung stellt eine elegante Möglichkeit zur Herstellung von Fachwerkstrukturen, insbesondere räumlichen Fachwerkstrukturen, dar. Bei extremen Belastungen kann jedoch insbesondere die Verbindung der Stabenden mit den Knotenscheiben gefährdet sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbindung zu schaffen, die die Aufnahme größerer Kräfte ermöglicht und beispielsweise bei Stäben, die mit ihren Enden in einem Knotenpunkt zu verbinden sind, eine Verbindung ermöglichen, die ohne äußere Vorsprünge und Ansätze ausgebildet sein kann, und zwar insbesondere auch dann, wenn die Stäbe mit sich in einer Ebene oder räumlich kreuzenden Achsen angeordnet sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Patentanspruch 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen, insbesondere auch Ausgestaltungen zum An­ schluß von Quer- und Diagonalstäben, an einen durchgehenden Stab sind Ge­ genstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nach­ stehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einem ebenen Axialschnitt eine Verbindung aus drei Stäben mit sich im Verbindungspunkt schneidenden Achsen;

Fig. 2 zeigt teilweise im Axialschnitt den Anschluß eines Querstabes und Diagonalstabes an einen durchgehenden Gurtstab;

Fig. 3 zeigt eine stirnseitige Verbindung zwischen zwei unter einem Win­ kel stirnseitig stoßenden Stäben;

Fig. 4 zeigt eine Verbindung zwischen einem an einen durchgehenden Stab anzuschließenden Stab.

Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit zur Herstellung eines Verbindungselementes nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Verbindung zwischen drei Stäben 2, 4, 6, deren gestrichelt dargestellte Achsen sich in einem Punkt 8 kreuzen. Die Stäbe 2, 4, 6 sind wie die Stäbe bei allen weiter unten noch zu besprechenden Ausführungen dünnwandige runde Faserverbundstäbe mit einem druckfesten Schaumstoffkern 10, deren auf dem Schaumstoffkern aufliegende Wandung 12 wenigstens eine Lage aus achsparallelen unidirektionalen Langfasern und einem darüberliegen­ den Gewebeschlauch aufweist, wobei die Langfasern und der Gewebeschlauch aus einem hochfesten Material, vorzugsweise Kohlenstoff, bestehen. Stäbe die­ ser Art sind bekannt.

Zur Verbindung der drei Stäbe sind winkelförmige Verbindungselemente 14 vor­ gesehen, deren Winkel dem Winkel α zwischen den Achsen der Stäbe entspricht. Die Verbindungselemente 14 bestehen aus unidirektionalen Fasern, die sich in Längsrichtung der Verbindungselemente erstrecken und in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind. Vorzugsweise werden Verbindungselemente verwendet, bei denen die unidirektionalen Fasern von einem Gewebeschlauch mit sich kreuzenden Fasern eingeschlossen sind. Die vorgefertigten Winkelelemente mit ausgehärteter Harzmatrix werden im Bereich der Winkelscheitel 16 über Ringwicklungen 18 aus hochfesten Fasern miteinander verbunden. Vorzugsweise werden entsprechende dreischenklige Formelemente mit entsprechenden Abstandselementen wenigstens für den Kreuzungsbereich einschließlich dem Bereich mit den Ringwicklungen vorgesehen, eventuell kann auch das gesamte Verbindungsstück mit den drei winkelförmigen Verbindungselementen und den drei Wicklungen vorgefertigt werden, um beispielsweise die Montage der Verbindungswinkel und der Ringwicklungen und die Handhabung beim Zusammensetzen zu erleichtern. Der Kern sollte dann aus einem druckfesten Material bestehen, um ein Eindrücken der Schenkel der winkelförmigen Verbindungselemente unter Last zu vermeiden.

Die Stäbe sind an der Verbindungsstelle symmetrisch zu ihren Achsen auf Geh­ rung geschnitten, so daß nach dem Einsetzen des Verbindungselementes eine durchgehende Oberfläche erzielt wird.

Gegebenenfalls können auch außen auf die Stabenden Ringwicklungen auf­ gebracht werden.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der ein Diagonalstab 20 und ein Querstab 22 an einen durchgehenden Holm oder Gurtstab 24 anzuschließen sind. Bei den beiden anzuschließenden Stäben 20, 22 ist am Stabende jeweils der Schaum­ stoffkern 10 ausgeräumt. Die Stabenden sind entsprechend den geometrischen Durchdringungsparametern geschnitten. Die Verbindung zwischen den Stäben 20, 22 erfolgt über ein winkelförmiges Verbindungselement 26, das hier einen spitzen Winkel β einschließt. Die beiden äußeren winkelförmigen Verbindungs­ elemente 28, 30 liegen mit einem Schenkel innerhalb der Stabenden und mit dem anderen Ende außerhalb der Stabenden parallel zu der Wandung des Gurtstabes 24. Innerhalb der anzuschließenden Stäbe 20, 22 sind jeweils Ring­ wicklungen 32, 34 angeordnet, die im Bereich der Winkelscheitel die in den be­ treffenden Stab eingreifenden Schenkel der winkelförmigen Verbindungsele­ mente umschließen. Insoweit ist die Ausbildung ähnlich der oben unter Bezug auf Fig. 1 beschriebenen, so daß insoweit auch auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen werden kann. Die außen liegenden Schenkel 34, 36 liegen außen gegen die Oberfläche des gerade Gurtstabes 34 an und sind mit diesem ver­ klebt. Im Bereich der Anlage der Schenkel 34, 36 sind Ringwicklungen 38, 40 aus hochfesten Fasern vorgesehen, die in einer Kunstharzmatrix eingebettet sind.

Wie leicht erkennbar, kann bei der Ausführung nach Fig. 2 nach dem beschrie­ benen Prinzip auch ein weiterer Diagonalstab rechts des Querstabes 22 an­ schließen. Ebenso ist eine Anordnung mit zwei Diagonalstäben ohne den Quer­ stab möglich, aber auch der Anschluß eines Querstabes oder Diagonalstabes.

Die Anschlüsse und Verbindungen nach den Fig. 1 und 2 zeichnen sich durch eine extrem hohe Festigkeit aus.

Die winkelförmigen Verbindungselemente sollen zur Sicherheit im Scheitelbe­ reich eine möglichst große Breite quer zur Längserstreckung der Schenkel ha­ ben. Die Ringwicklungen 18 sollen zwischen den Umlenkungen über die Ver­ bindungswinkel soweit wie möglich geradelinig laufen, um Streckungen unter Last durch Nachgeben der die Wicklung tragenden Auflage zu verhindern. Die oben erwähnten Verbindungselemente können gegebenenfalls aus ebenen Platten bestehen, auf deren Rändern die Verbindungswinkel mit ihren Schenkeln aufruhen und um die herum dann die Wicklungen gewickelt werden können. So ausgebildete Verbindungselemente können dann in eine Klebstoff­ masse eingebettet werden, die mit Miniglaskugeln gefüllt ist, um das Gewicht kleinzuhalten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 geht es darum, zwei Stäbe 41, 42, deren Achsen sich unter einem Winkel kreuzen, miteinander zu verbinden. Solche Verbindungen werden insbesondere bei räumlichen Fachwerken mit Dreiecks­ querschnitt benötigt, bei denen die Gurtstäbe an den Enden an ein zentrales Verbindungselement herangeführt werden müssen, mit dem der Träger beispielsweise mit anderen Trägern an ein gemeinsames Verbindungselement angeschlossen werden muß. Bei solchen Anschlüssen müssen die Axialkräfte aus den geraden durchgehenden Gurtstäben in die abgewinkelten Stabab­ schnitte ohne Knickgefahr übergeleitet werden.

Zu diesem Zweck ist bei der Ausführungsform ein winkelförmiges Formelement 44 vorgesehen, das beispielsweise aus einem druckfesten Schaumstoff beste­ hen kann. Auf dem Umfang des Formstückes sind unidirektionale Fasern 46 an­ geordnet, die sich über die Länge des Formstückes erstrecken. Diese unidirek­ tionalen Fasern können gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sein.

Es ist aber auch möglich, sie entsprechend der jeweiligen Belastung zu vertei­ len, beispielsweise auf der Außenseite des Winkelstückes mehr Fasern anzu­ ordnen als auf den in der Zeichnungsebene oben oder unten liegenden Flächen.

Um ein Ausknicken der unidirektionalen Fasern zu verhindern, ist im Bereich des Winkelscheitels eine Umfangswicklung 48 aus hochfesten Fasern vorge­ sehen, die in der Zeichnung im Scheitelbereich angeordnet ist, aber sich auch über einen Teil der geraden Schenkel des Formstückes noch erstrecken kann. Die unidirektionalen Fasern und die Umfangswicklung sind dann wiederum in eine Harzmatrix eingebettet. Das so vorbereitete Formstück wird in die Enden der Stäbe eingesetzt, aus denen der Schaumstoff ausgeräumt ist. Die Mäntel der Stäbe 41, 42 sind an ihrer Stoßstelle entsprechend dem Winkel des Formstückes auf Gehrung geschnitten, so daß sie stumpf gegeneinander stoßen. Die unidirektionalen Fasern sind zweckmäßig noch in einem Gewebe­ schlauch aus hochfesten Fasern angeschlossen, der sich beispielsweise auch über die Ringwicklung 48 im Scheitelbereich hinaus zwischen den beiden Enden des Formstückes erstrecken kann.

Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausbildung eines Verbindungsele­ mentes zum Anschluß eines Stabes 50 an einen in der Zeichnung nicht darge­ stellten durchgehenden Stab, der beispielsweise auch ein Rohr mit einem im Verhältnis zu dem Stab 50 relativ großen Durchmesser sein kann.

Das Verbindungselement enthält hier ein Formstück 52, das durch gestrichelte Umfangslinien dargestellt ist. Das Formstück ist rund, und an seinem Ende unter einem Winkel γ abgeschnitten, der dem Winkel entspricht, unter dem der Stab 50 an den durchgehenden Stab anzuschließen ist. Um das Formstück 52 herum sind wieder in von der Belastung der Verbindung abhängiger Weise Unidirektionalfasern 53 verteilt, die über eine Ringwicklung 54 im unmittelbaren Anschluß an den Anfang der Schrägfläche 56 des Formstückes 52 umschlossen ist.

Die unidirektionalen Fasern 53 sind über die Endfläche 56 des Formstückes so zusammengeführt, daß sie eine flache Mulde 58 mit einem Radius quer zu deren Längserstreckung bilden, die dem Radius des Außendurchmessers des durchgehenden Rohres entspricht. Diese Mulde kann sich vom schrägen Ende des Formstückes aus in ihrer Breite abnehmen, d. h. der Umschlingungswinkel der Mulde und damit seine Biegesteifigkeit kann so gewählt sein, daß er im unmittelbaren Anschlußbereich am größten ist. Das Formstück 50 wird wieder in das Ende des Stabes 50 eingesteckt und darin verklebt, nachdem der Schaumstoffkern über diesen Bereich ausgeräumt ist. Das Ende des dünnwandigen Rohres des Stabes 50 ist wiederum so unter einem Winkel γ abgeschnitten, daß im wesentlichen ein Anschluß an den Umfang des durchgehenden Stabes sichergestellt ist. Zur Herstellung der Verbindung mit dem durchgehenden Stab wird über den Bereich der Mulde 58 um diese und den durchgehenden Stab eine Ringwicklung aufgebracht, die in eine Matrix eingebettet ist.

Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit zur Herstellung der Mulde 58. Das Formstück 52 wird im Bereich seiner Spitze über ein Rundelement in ein Formrohr 62 umgelenkt. Die eigentliche Formgebung erfolgt über ein stabförmiges Formteil 64, mit dem die unidirektionalen Fasern 53 in geordneter Anlage an die Innenseite des Formrohres 62 gepreßt werden. Das Formrohr 62 und der Formstab 64 bestehen aus einem durch das Harz nicht benetzbaren Material bzw. sind an ihren Oberflächen jeweils unbenetzbar ausgerüstet.

Claims (8)

1. Verbindung zwischen unter einem Winkel zueinander liegenden dünnwan­ digen runden Faserverbundstäben mit einem druckfesten Schaumstoffkern, deren auf dem Schaumstoffkern aufliegende Wandung wenigstens eine Lage aus achsparallelen unidirektionalen Langfasern und einem darüberlie­ genden Gewebeschlauch aufweist, gekennzeichnet durch winkelförmige Verbindungselemente, deren Winkel dem Winkel zwischen den zu verbindenden Stäben entspricht, Wicklungen aus hochfesten Fasern im Bereich der Scheitel der winkel­ förmigen Verbindungselemente.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente an einem in die Stabenden einsetzbaren Formstück vormontiert sind.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Füll- und/oder Klebemittel zum Füllen der an den Stabenden durch Aus­ räumen der Schaumstoffkerne aus den Stabenden gebildeten Hohlräume, in die jeweils ein Schenkel der Verbindungselemente eingesetzt ist.

4. Verbindung nach Anspruch 1 zum Anschluß von wenigstens einem geraden Stab an einen geraden durchgehenden Stab, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente am Ende des anzuschließenden Stabes mit einem Schenkel über das Stabende in der Strukturebene so vorstehen, daß sie parallel zu dem durchgehenden Stab liegen und daß diese Schenkel mit dem durchgehenden Stab verklebt und auch durch eine in eine Harzmatrix eingebettete Wicklung gehaltert sind.

5. Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei wenigstens zwei anzuschließenden Stäben in benachbarten anzu­ schließenden Stäben als Verbindungselemente Winkelelemente angeordnet sind, deren Scheitel im Abstand von der Wandung des durchgehenden Sta­ bes liegen und die im Scheitelbereich durch eine Rundwicklung mit dem in die anzuschließenden Stäbe eingreifenden Schenkel der Verbindungsele­ mente verbunden sind, die mit ihrem anderen Schenkel gegen die Ober­ fläche des durchgehenden Stabes anliegen.

6. Verbindungselement für Stäbe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Formstück mit im Winkel zueinander liegenden Schenkeln, über den Umfang des Formstückes verteilten unidirektionalen Fa­ sern, die im Scheitelbereich des Formstückes durch eine hochfeste Umfangs­ wicklung umschlungen sind, wobei das Formstück in die Stabenden einge­ klebt ist, in denen der Schenkellänge des Formstückes entsprechend der Schaumstoffkern ausgeräumt ist.

7. Verbindung nach Anspruch 1 zum Anschluß von wenigstens einem Stab an einen geraden durchgehenden Stab, gekennzeichnet durch ein Formstück für den anzuschließenden Stab, der an dem Anschlußende des Stabes unter einem Winkel, der dem Anschluß­ winkel entspricht, abgeschrägt ist, über den Umfang des Formstückes verteil­ ten unidirektionalen Fasern, die im Bereich der Abschrägung in Richtung des durchgehenden Rohres abgebogen sind und zu einer dem Außendurchmes­ ser des durchgehenden Stabes entsprechenden Mulde verformt sind, die sich über einen Bereich gleich oder kleiner 180° quer zu dem durchgehenden Stab gebogen ist und daß die unidirektionalen Fasern im zylindrischen Bereich mit einer Wicklung aus hochfesten Fasern umschlungen sind, wobei das Formstück in das Ende des anzuschließenden Stabes eingeklebt ist, in dem der Schaumstoffkern ausgeräumt ist.

8. Verbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der anzuschließende Stab mit seiner Mulde formschlüssig an den durch­ gehenden Stab anliegend mit diesem Stab verklebt ist und daß im Bereich der Mulde um die Mulde und den durchgehenden Stab eine in eine Matrix eingebettete Wicklung vorgesehen ist.