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Beschreibung der Erfindung
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Beschrieben
wird ein Tragsystem, das aus mehreren Komponenten unterschiedlicher
Materialien besteht. Dabei besteht mindestens eine lastabtragende
Komponente aus Kunststoff. Die Lastübertragung der verschiedenen
Komponenten wird durch einen kraftschlüssigen Verbund realisiert.
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Das
hier beschriebene Tragsystem nutzt die unterschiedlichen Festigkeiten
und spezifischen Materialeigenschaften aus, um ein möglichst
schlankes, trotzdem sehr tragfähiges
und je nach Ausführung der
Kunststoffkomponenten teilweise transparentes, transluzentes oder
opakes Tragwerk zu ermöglichen. Das
Tragsystem kann sowohl horizontal zum Beispiel als Biegeträger als
auch vertikal als Stütze
verwendet werden.
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Darüber hinaus
sind auch noch weitere Tragsysteme wie Fachwerke, Vierendeel-Träger, Bögen, aber
auch dreidimensionale Konstruktionen, wie Scheiben, Platten, Faltwerke
oder Schalentragwerke möglich.
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Stand der Technik
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Verschiedene,
auch transparente, Verbundträger
sind bekannt.
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Holz-Glas-Träger: In
der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Schweiz wurde nach Prof.
Julius Natterer und Dr. Klaus Kreher ein Träger in der Kombination von Holz
und Glas entwickelt. Der Träger
besteht aus einer vertikalen Glasscheibe, auf die beidseitig ein
Rahmen aus Holz aufgeklebt wird. Der Holzrahmen verteilt die Lasten
und stellt eine Zugverstärkung
für die
Glasscheibe für
den Fall dar, daß die
Scheibe bei überschrittener
Biegezugfestigkeit des Glases reißt. Verwendet wurden diese Holz-Glas-Verbundträger beim
Bau eines Hotels in der Schweiz. (QUELLE: Dissertation Klaus
Kreher, EPFL Lausanne, 2002)
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Beton-Glas-Träger: An
der TU in Graz, Österreich
wurden durch Herrn Freytag Versuche mit einem Beton-Glas-Träger durchgeführt. Es
wurden gläserne
Scheiben, die die Schubabtragung übernehmen, mit Stahlbetongurten
kombiniert. (QUELLE: Dissertation B. Freytag, Technische
Universität
Graz, Oktober 2002)
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Holz-I-Träger: Trus
Joist produziert im Jahr 1969 als erstes Unternehmen weltweit einen
I-Träger,
der komplett aus Holz besteht. Für
die Tragfähigkeit
der Träger
sorgt die Zusammensetzung aus Furnierschichtholz als Gurtmaterial
und OSB als Stegmaterial. Beide Basismaterialien werden durch eine wasserresistente
Verleimung durch Hitze und Druck zusammengefügt. (QUELLE: Internet: http://www.trusjoist.com/GerSite/)
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In
WO 2003/023162 wird ein
transparentes Konstruktionselement mit einer Scheibe beschrieben,
das seine tragenden und aussteifenden Eigenschaften durch einen
die Platte allseitig umgebenden Rahmen bezieht. Bei der Scheibe
handelt es sich um ein Mehrschicht-Element bestehend aus Glas und/oder
Polymervarianten, die mit einander verklebt wurden. Verschiedene
Kunststoffe sind erwähnt
(Anspruch 8 bis 10), aber nur in Kombination von mehreren Schichten.
Im Speziellen werden Polycarbonat (PC), Polyurethan (PU) und Polyvinylchlorid
(PVC) verwendet.
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Polymethyl(meth)acrylate
(PMMA) und weitere transparente Polymere wie Polystyrol (PS), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere
(ABS), Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN), Polyolefine, etc. sind
nicht erwähnt.
PMMA-Glas-Laminate als Steg- und Scheibematerial eines Tragwerks
werden ebenfalls nicht erwähnt.
Das aussteifende Rahmenmaterial wurde weiterhin als Schichtwerkstoff
beschrieben.
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Nachteile zum Stand der Technik
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Betrachtet
man transparente Tragsysteme, so sind Verbundträger mit Beteiligung von Glas
ausgesprochen bruchempfindlich.
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Sowohl
bei einem Holz-Glas-Träger
als auch bei einem Beton-Glas-Träger
ist das Glas das steifere Material. Dies führt bei Beanspruchung dazu,
dass das relativ spröde
und biegesteife Glas die Last anzieht. Folglich ist im Glas ist
die Spannung höher,
als in den verwendeten Verbundmaterialien. Das Glas ist damit auch
der Werkstoff, der als erstes versagt, lange bevor die Kombinationsmaterialien überhaupt
ihre Tragfähigkeit
einbringen können.
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Durch
die fehlende Transparenz eines Holz-I-Trägers oder anderen Verbundträgern sind dieser
zwar wirtschaftlich herstellbar, aber nicht als gestalterisches
und transparentes Element mit Vorteilen in der Licht- und Beleuchtungstechnik
zu verwenden.
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Aufgabe und Lösung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Verbundträger zu entwickeln,
bei dem Kunststoffe ihren Materialeigenschaften entsprechend eingesetzt
werden. Die Kunststoffe zeichnen sich im Vergleich zu den herkömmlichen
Baumaterialien wie beispielsweise Holz, Stahl, Aluminium, Glas etc.
durch einen vergleichbar niedrigen Elastizitätsmodul und eine hohe Duktilität aus.
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Der
vermeintliche Nachteil des geringen Elastizitätsmoduls wird durch den intelligenten
Verbund mit anderen Werkstoffen zum Vorteil. Durch die Kombination
werden die hohen Zug- und Druckspannungen von den stärkeren Materialien
aufgenommen und die relativ geringen Schubspannungen von den weicheren
Materialien. Die Erfindung stellt im Vergleich zu bekannten anderen
Tragsystemen ein rahmenloses Tragwerk dar, das mehrere, mindestens aber
einen kraftschlüssigen
Verbund, von Last aufnehmenden Teilen unterschiedlicher Materialien
aufweist. Kunststoffelemente können
mehrschichtig, bevorzugt aber auch einschichtigen aus homogenen Werkstoffen
bestehen. Des Weiteren ist es möglich, teilweise
transparente, bunte oder sogar leuchtende Tragsysteme zu entwickeln.
Als Beleuchtungselemente können
neben Glühbirnen
oder Leichtstoffröhren
auch LED verwendet werden. So kann auf fast jeden individuellen
Wunsch an die Optik des Trägers eingegangen
werden. Durch die Transparenz der Kunststoffelemente wirkt das Tragwerk
sehr filigran und leicht. Des Weiteren ist es möglich, Stützen und Biegeträger zu einem
Bausystem zusammen zu fügen.
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Durch
die Kombination von Kunststoffen mit anderen Werkstoffen kann ein
filigranes Tragsystem hergestellt werden. Mit Tragsystem wird hier
ein System gemeint, daß an
einer Lastabtragung beteiligt ist. Es kann sowohl in horizontaler
Richtung Lasten weiterleiten, wie ein Biegeträger oder ein Kragarm, oder die
Lasten in Vertikaler Richtung weiterleiten, wie eine Stütze.
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Bei
einem Biegeträger
besteht der obere und untere Teil, hier Gurt genannt, aus einem
steifen, herkömmlichen
Material wie beispielsweise Holz, Stahl, Aluminium oder Glas und
der mittlere Teil, hier Steg genannt, aus einem oder mehreren Kunststoffen. Durch
den deutlichen Unterschied der Steifigkeiten zieht bei einer Belastung
das herkömmliche
Material die Lasten an, der Steg dient nur zum Erreichen des Gleichgewichts
zwischen Ober- und Untergurt. Die Verbindung zwischen den beiden
Materialien erfolgt entweder durch mechanische Verbindungsmittel,
wie zum Beispiel verschiedene Schrauben, Dübel, Nieten, Spannstifte, Bolzen
usw. oder durch geklebte Verbindungen. Auch anders geartete kraftschlüssige Verbindungen
sind hier denkbar. Die Wahl der Verbindungstechnik hängt mit
der Art der Kraftübertragung
und damit auch mit dem vorliegenden Tragsystem zusammen.
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Bei
einer Stütze
besteht das Tragsystem z.B. aus mehreren kleinen Querschnitten aus
herkömmlichen
Materialien, deren Knicksicherung durch eine Verbindung der Querschnitte
mit Kunststoffscheiben realisiert wird.
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Materialienauswahl
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Als
steiferes Material können
herkömmliche Materialien
verwendet werden, wie beispielsweise Holz, Holzwerkstoffe, Metalle,
Glas oder Beton aber auch Hochleistungskunststoffe oder verstärkte Kunststoffe.
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Als
weniger steifes Material können
Kunststoffe verwendet werden die einen Elastizitätsmodul (gemessen nach DIN
EN ISO 527) von mindestens 150 N/mm2 aufweisen,
wie beispielsweise Poly(meth)acrylat (PMMA), Polycarbonat (PC),
Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS), Styrol-Acrylnitril-Copolymere
(SAN), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polystyrol (PS) verwendet werden.
Das PMMA wird unter der Marke Plexiglas® von
der Röhm
GmbH vertrieben. Besonders gut eignen sich für diese Verwendung die Plexiglas® GS-Typen,
die durch Gußpolymerisation
hergestellt werden. Es können
auch gefüllte
PMMA-Typen eingesetzt werden, diese werden beispielsweise unter
den Namen Corian® oder Creanit® in
den Handel gebracht. Es können
auch Laminate unterschiedlicher Kunststoffe oder Schichtwerkstoffe
verwendet werden.
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Herstellen der Verbundträger
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Beim
Herstellen des Erfindungsgegenstandes werden die stabförmigen,
herkömmlichen
Werkstoffe mit Verbindungsmitteln an einem flächenförmigen Kunststoffbauteil befestigt.
Das flächenförmige Kunststoffbauteil
zeichnet sich dadurch aus, daß es in
Tragrichtung sehr viel länger
ist als senkrecht zu der Tragrichtung. Das Verhältnis von Höhe zu Länge zwischen zwei benachbarten
Haltepunkten des Bauteils, auch Auflager genannt, beträgt beispielsweise zwischen
1:1 und 1:80, bevorzugt zwischen 1:5 und 1:40 und ganz besonders
bevorzugt zwischen 1:10 und 1:25. Die Höhe des Bauteils beträgt beispielsweise
10 bis 300 cm, bevorzugt 15 und 120 cm und ganz besonders bevorzugt
20 bis 80 cm. Die Dicke des Bauteils kann beispielsweise zwischen
3 und 500 mm liegen. Die Länge
des Bauteils wird entsprechend den baulichen Anforderungen gewählt, das flächenförmige Kunststoffbauteil
kann durch Verkleben auf die erforderliche Länge gebracht werden. An den
langen Kanten werden die stabförmigen,
herkömmlichen
Werkstoffe befestigt. Die Verbindung zwischen dem Kunststoff und
dem herkömmlichen Material
wird durch Verbindungsmittel hergestellt.
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Herstellbeispiel 1:
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An
einer transparenten Scheibe aus 10 mm dickem Plexiglas®, deren
Länge 3
m beträgt
und deren Breite 25 cm ist, werden mit der Hilfe von Schraubzwingen
an den längeren
Kanten jeweils zwei handelsübliche
Dachlatten mit einem Querschnitt von 24·48 mm und einer Länge von
3 m befestigt, so daß die
sich gegenüber
an der Kunststoffscheibe befinden. Durch diese beiden Holzlatten
und die dazwischen liegende Kunststoffschicht werden in regelmäßigen Abständen (ca.
10 cm) Löcher
mit einem Durchmesser von 8 mm gebohrt. Durch diese Löcher werden
Sechskantschrauben gesteckt und mit einer Mutter gesichert. Die
Schraubzwingen werden nach der Montage entfernt.
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Herstellbeispiel 2:
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An
einer transparenten Scheibe aus PMMA, deren Länge wesentlich größer ist
als die Breite, wird entlang der längeren Kanten beidseitig ein
Kleber aufgebracht, der das Material anlöst, wie beispielsweise der
Kleber, der unter der Marke Acrifix® von
der Röhm
GmbH vertrieben wird. Es werden Holzlatten von beiden Seiten gegen
die Klebeflächen
gedrückt und
mit Schraubzwingen fixiert. Nach dem Aushärten und damit stoffschlüssigem Verbund
zwischen Kunststoff und Holz werden die Schraubzwingen entfernt.
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Herstellen des Werkstoffverbunds (Verbindungsmittel)
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Dem
eigentlichen Werkstoffverbund zwischen den einzelnen Last abtragenden
Elementen kommt besondere Bedeutung zu, da dieser maßgeblich
zur Stabilität
und Belastbarkeit des Tragwerks beiträgt.
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Idealist
eine stoffschlüssige,
nicht mehr lösbare
Verbindung, bei denen die Verbindungspartner auf atomarer oder molekularer
Ebenen zusammengehalten werden. Kleben, (Schweißen, Löten) oder Vulkanisieren wären hier
gängige
Verfahren.
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Als
alternatives Verfahren sind kraft- oder formschlüssige Verbindungstechniken
denkbar, die auch zu ausreichend stabilen Verbunden führen. Als kraftschlüssige Verbindungstechnik
wären hierbei das
Klemmen sowie in besonderem Maße
das Schrauben zu nennen.
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Möglichkeiten über Formschluss
die beschriebenen Tragsysteme herzustellen, bestehen durch Nieten,
Verstiften (Dübeln),
Quetschen, Schrumpfen, Druckfugen oder Warmverformen der Materialkomponenten.
Im Folgenden werden einige günstige
Verbindungstechniken präzisiert:
Denkbar
sind auch partielle Kombinationen der verschiedenen Verbindungstechniken.
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Verbunde durch Kleben
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Kleben
sollte die bevorzugte stoffschlüssige Verbindungstechnik
zur Herstellung des hier beschriebenen Tragwerks aus verschiedenen
Materialien sein.
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Je
nach Materialwahl sind vielfältige
Klebstoffsysteme in der Literatur bekannt, die in der Regel folgende
Kombinationen abdecken:
Metall-Kunststoff, Holz-Kunststoff,
Metall-Glas,
Metall-Holz, etc.
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Gemäß DIN 16920
handelt es sich bei einem Klebmittel um einen nichtmetallischen
Werkstoff, der Fügeteile
durch Flächenhaftung
und innere Festigkeit miteinander verbindet. Geeignete Verbundklebstoffe
müssen
daher mindestens zwei Anforderungen genügen: Sie müssen sowohl zum einen, als
auch zum anderen Material ausreichend hohe Haftung aufbauen und
sie müssen
selbst in der Klebschicht Festigkeit aufbringen. Die Beurteilung
eines „geklebten" Werkstoffverbundes
richtet sich nach der in der Anwendung typischen Beanspruchungsart.
Im vorliegenden Fall eines Verbundtragwerks liegt die überwiegende
Beanspruch als Scherung vor, selten auf Zug oder gar Schälung. Ein
ausreichend gutes Beurteilungskriterium für Klebstoffverbunde ist daher
die so genannte Zugscherfestigkeit, bei der die Fügeteile in
paralleler Richtung auseinander gezogen werden. Je mehr Kraft hier
erforderlich ist, desto besser ist der Werkstoffverbund.
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Schweißen oder
Löten ist
eher Tragwerken aus einheitlichen Werkstoffen vorbehalten kann aber in
Sonderfällen
auch z. B. bei Metall-Leichtmetall-Varianten oder Kunststoff A-Kunststoff
B-Kombinationen als Verbundtechnik zum Einsatz kommen.
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Verbunde durch Schrauben
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Bei
der Verbindung durch Schrauben können fast
alle Arten von Schrauben verwendet werden. Hierbei wird eine kraftschlüssige Verbindung
erstellt.
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Bei
weicheren Materialien können
selbst bohrende Holzschrauben verwendet werden. Ist mindestens ein
hartes Material am Verbund beteiligt, muss über Lochleibung, Gewindeschrauben
und Gewindemutter eine Verbindung der Werkstoffpartner hergestellt
werden.
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Dabei
besteht der Mechanismus der Kraftübertragung im Wesentlichen
in der Lochleibung. Es muss sichergestellt werden, daß die zulässigen Spannungen
in den Materialien im jeweiligen Lochleibungsbereichen nicht überschritten
werden, damit keine das Tragwerk schwächenden Risse oder Ausbrüche auftreten
können.
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In
der Regel ist die Lochleibungsbohrung geringfügig größer als der Schraubendurchmesser
zu wählen.
Entsprechende Methoden der Schraubensicherung sind je nach Einsatz
des Tragwerks zu wählen.
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Verbunde durch Dübel
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Als
Dübel werden
hier sowohl Holzdübel
als auch jegliche andere Arten von Dübel, wie Stahlstifte oder Federn
angesehen. Diese Dübel
sollen in vorgebohrten Löchern
eine Lochleibungsverbindung zwischen den Werkstoffen herstellen.
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Verbunde durch Thermoformieren
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Zwischen
dem Kunststoff und dem weiteren Werkstoff kann auch ein Verbund
durch das thermische Umformen erfolgen. Dabei hat der herkömmliche
Werkstoff eine unregelmäßige Nut,
in die sich ein erhitzter Thermoplastischer Werkstoff einfügt. Durch die
Unregelmäßigkeit
in der Nut ergeben sich Hohlräume,
in das sich der Thermoplastische Werkstoff einfügt und somit „festhält".
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Verbunde durch Schrumpfen
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Durch
eine Kältebehandlung
wird z. B. das Kunststoffteil auf eine sehr niedrige Temperatur
gebracht. Dadurch zieht sich dieses Kunststoffteil zusammen. Nun
wird das Kunststoffteil paßgenau
zwischen zwei Bauteile aus herkömmlichen
Material eingebracht. Durch das Erwärmen des Kunststoffbauteils
auf gebräuchliche
Temperatur dehnt es sich aus und klemmt sich so zwischen das herkömmliche
Material.
Verbindungsmittel: Schrauben, Bolzen, Dübel, Kleber,
Nieten, Spannstifte, Sintern, alle bekannten mechanischen und geklebten
Verbindungstechniken.
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Beispiele:
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I-Profil Holz-PMMA
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Ein
mögliches
Beispiel für
den Einsatz des beschriebenen Tragsystems im Bauwesen ist der Biegeträger mit
einem I-Querschnitt, der sich aus verschiedenen Werkstoffen zusammensetzt.
Der Ober- und Untergurt des Trägers
besteht hierbei aus einem traditionellen Baumaterial, wie zum Beispiel
Metall oder Holz, während
der Steg aus einem Kunststoff hergestellt wird. Idealerweise besitzt
der Steg eine geringere Steifigkeit als die beiden Gurte, da so
gewährleistet
ist, dass der größere Teil
der Normalspannungen in den Gurten auftritt. Der Kunststoffsteg überträgt die Schubkräfte zwischen
den beiden Gurten. Die Verbindung der beiden unterschiedlichen Materialien
erfolgt mit stiftförmigen
mechanischen Verbindungsmittel. Hierbei können zum Beispiel Bolzen oder
Dübel verwendet
werden. Es wäre
auch eine entsprechende Verbindung durch Kleben möglich. Ein
transparenter Kunststoff, wie beispielsweise PMMA verleiht dem Träger eine
scheinbare Leichtigkeit, die von hohem ästhetischem Wert ist.
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Die
Höhe des
Trägers
variiert zwischen 10 und 300 cm, wobei die Dicke der Kunststoffstege
zwischen 3 und 500 mm beträgt.
Die Querschnittsfläche der
Gurte liegt bei Holz im Bereich von 5 bis 3000 cm2,
bei Stahl im Bereich von 1 bis 500 cm2.
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In
dem gebauten Beispiel (siehe Zeichnung Nr. 1) wurde ein 25 cm hoher
Träger
mit einer 10 mm dicken PMMA Scheibe aus Plexiglas® XT
20070 gebaut. Als Gurtmaterial wurden jeweils zwei handelsübliche Dachlatten
der Abmessung 24·48
mm verwendet. Als Verbindungsmittel wurden Schrauben mit einem Durchmesser
von 8 mm mit einem Abstand von ca. 10 cm eingesetzt. Bei einer Belastung
von 5000 kg (wie in Zeichnung 6 gezeigt) wurde eine Durchbiegung
von ca. 2 cm gemessen.
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Unterspannter Träger
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Eine
weitere Möglichkeit
für ein
Tragsystem aus transparenten Kunststoffen in der Verbindung mit bekannten
Konstruktionstypen ist ein unterspannter Träger aus einem bekannten Werkstoff,
wie zum Beispiel Aluminium oder Holz, einem Kunststoff und einer
Seilverspannung. Der Träger
hat einen Obergurt, der die Druckkräfte aufnimmt, und einem möglicherweise
transparenten Kunststoffsteg, der an der Unterseite eine eingefräste Nut
besitzt, die als Führung für ein Kabel
dient. Der Träger
hat eine Fischbauchform, so dass das Kabel am Ende des Trägers mit dem
Druckgurt verbunden werden kann. Dabei kann sowohl der Obergurt
als auch die Unterseite des Trägers
eine Bogenform haben.
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Massiver Träger
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Darüber hinaus
kann das hier beschriebene System auch auf einen massiven Balken
angewendet werden. Dabei werden zwei Lamellen eines herkömmlichen
Baumaterials auf der Ober und Unterseite als Bewehrung auf einen
massiven Kunststoffbalken aufgeklebt oder mit mechanischen Verbindungsmitteln
fixiert. Auch in diesem Fall übernimmt
der jeweilige Gurt wieder in erster Linie die Normalspannungen.
Bei der Materialwahl ist hier als Gurtmaterial auch Glas zu nennen,
da dadurch bei einer Kombination mit einem transparenten Kunststoff
ein völlig lichtdurchlässiger Träger möglich ist.
Als Variation ist auch ein massiver Kunststoffbalken mit einer Sehne aus
Stahl am oberen und unteren Trägerrand
denkbar. Diese Stahlsehne übernimmt
die Zugkräfte
und stellt somit ähnlich
dem Stahlbeton eine Art Bewehrung des Kunststoffträgers dar.
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Stütze
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Eine
extrem schlank wirkende Stütze
ist durch die Verbindung von herkömmlichen Werkstoffen mit mehreren
transparenten Kunststoffscheiben möglich. Bei diesem mehrteiligen
Druckglied übernehmen
beispielsweise vier Metallstäbe
die Druckkräfte,
während
die Kunststoffscheiben die einzelnen Druckstäbe stabilisieren und dadurch
ein Ausknicken verhindern. Dabei spielt das Trägheitsmoment der Stütze eine
größere Rolle
als die Querschnittsfläche, so
dass ein aufgelöster
Querschnitt eine deutlich filigranere, leichtere und dazu Material
sparende Alternative darstellt. Für die Anordnung der einzelnen Druckglieder
und Scheiben im Grundriss sind mehrere Varianten und Formen denkbar,
wobei die Lage der Metall- bzw. Holzelemente aufgrund der statischen
Effizienz möglichst
weit vom Schwerpunkt entfernt sein sollte.
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- 1
- Herkömmliches
Material
- 2
- Kunststoff
- 3
- Verbindungsmittel
- 4
- Stahlseil
- 5
- Gewicht
(1000 kg)